晶閘管控制串聯(lián)電容器應(yīng)用于彈性交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定度分析

摘要：彈性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，如晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、制動電阻、并聯(lián)電容電抗與靜態(tài)移相器被用來動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)特性和暫態(tài)穩(wěn)定度?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，擾動常改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致非線性響應(yīng)。本文采用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定度，晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗由輔助進(jìn)相-遲相控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)速度偏差進(jìn)行調(diào)整，輔助控制器參數(shù)由基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來確定。針對指定的操作點(diǎn)設(shè)計控制器，探討系統(tǒng)在不同加載條件下，不同功率因數(shù)，端電壓下的閉環(huán)特征值靈敏度。并對具有輔助進(jìn)相-遲相控制器的晶閘管控制串聯(lián)電容進(jìn)行檢測，以保證電力系統(tǒng)在各運(yùn)行點(diǎn)的阻尼特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明提出的控制能有效的提高大信號瞬態(tài)穩(wěn)定度和電力傳輸能力。

　　傳統(tǒng)交流輸電網(wǎng)的電流潮流屬于自然分布狀態(tài)，不易控制電流流向。在并聯(lián)的網(wǎng)路中，當(dāng)某條線路輸送功率改變時，會導(dǎo)致同一并聯(lián)電路輸送電力的改變或?qū)е颅h(huán)流。若傳輸功率增加時，會造成動態(tài)穩(wěn)定度的惡化或電壓崩潰。彈性交流輸電系統(tǒng)是指在傳統(tǒng)交流輸電系統(tǒng)中，引入電力電子技術(shù)，提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率。通過引入可控大功率電子元件，使輸電網(wǎng)的阻抗、相角可控，使電網(wǎng)功率潮流分布可控，直接控制有功功率和無功功率的傳輸，提高系統(tǒng)應(yīng)對緊急事故的靈活性，提高現(xiàn)有輸電設(shè)備的傳輸能力和系統(tǒng)穩(wěn)定度^[1-3]。

　　彈性交流輸電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電力潮流可彈性控制;(2)輸電能力可大幅提高;(3)防止設(shè)備與系統(tǒng)故障的累積，避免連鎖效應(yīng);(4)提升區(qū)域間電能傳輸能力，充分利用發(fā)電容量;(5)根據(jù)系統(tǒng)需求提供快速靈活補(bǔ)償，改善供電品質(zhì);(6)抑制電力系統(tǒng)振蕩。彈性交流輸電系統(tǒng)設(shè)備，如并聯(lián)電容電抗、晶閘管控制制動器、靜態(tài)同步調(diào)相器、靜態(tài)移相器與晶閘管控制串聯(lián)電容器被用于調(diào)整動態(tài)網(wǎng)路，以加強(qiáng)系統(tǒng)靜態(tài)特性與暫態(tài)穩(wěn)定度。對于長距離輸電線路，為避免壓降過大，常使用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高線路輸電能力^[4-5] 。

　　本文在模態(tài)控制理論的基礎(chǔ)上提出的極點(diǎn)指定法來確定彈性交流輸電系統(tǒng)控制器的設(shè)計法則，提高控制器適應(yīng)性以滿足電力系統(tǒng)復(fù)雜、高度非線性及狀態(tài)多變的使用特性。

1 晶閘管控制串聯(lián)電容器

　　多模塊的晶閘管控制串聯(lián)電容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。單個TCSC模塊由一個串聯(lián)電容器并聯(lián)一個晶閘管控制器，為了防止過電壓，還會并聯(lián)一個金屬氧化物可變電阻。一個完整的補(bǔ)償系統(tǒng)由多個模塊串聯(lián)而成，并且有一個旁路開關(guān)，在TCSC故障或維修時將其旁路掉^[6-7] 。

　　TCSC方框圖如圖2所示，其中Xa為開環(huán)輔助信號，如電力潮流控制信號;X_r為TCSC的初始操作點(diǎn)，X_m為調(diào)制小信號輸入，上述三個信號合成TCSC的控制信號X_d。TCSC的自然響應(yīng)延遲為時間的單一函數(shù)，用T_T表示;TCSC的輸出等效阻抗受操作模式與容量而存在上下限X_Tmax和X_Tmin;X_T與固定電容X_f合成X_total。

　　由TCSC方框圖得到1階微分方程式：

(1)

　　TCSC的初始操作點(diǎn)X_r可由系統(tǒng)操作點(diǎn)X_total反推得到：

(2)

2 電力系統(tǒng)模型

　　當(dāng)電力系統(tǒng)有小負(fù)載變動或系統(tǒng)本身發(fā)生自發(fā)性低頻振蕩時的動態(tài)行為，即小信號穩(wěn)定度。低頻振蕩現(xiàn)象是一種轉(zhuǎn)軸的動態(tài)行為，其頻率大約在0.5 Hz~2Hz之間，可用線性系統(tǒng)中的頻域特征值來分析。

　　全部的特征值涵蓋的頻率范圍很廣，其中對應(yīng)的低頻振蕩部分稱為系統(tǒng)機(jī)電模式。系統(tǒng)低頻振蕩常導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)困難，嚴(yán)重的可引起系統(tǒng)停機(jī)等穩(wěn)定度問題。

　　電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，若系統(tǒng)有足夠的阻尼時，在干擾解除后發(fā)電機(jī)可迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。改善穩(wěn)定度的方法有在靜態(tài)勵磁機(jī)系統(tǒng)中外加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，設(shè)計良好的調(diào)速器和汽輪機(jī)控制器。調(diào)整靜態(tài)功率補(bǔ)償器的虛功率，并聯(lián)電抗器和靜態(tài)移相器，以提高系統(tǒng)的阻尼，提高穩(wěn)定度。

　　隨著大功率電子元件的快速發(fā)展，晶閘管控制串聯(lián)電容器能有效提升電網(wǎng)的輸電效率，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度。典型的單機(jī)無限匯流排電力系統(tǒng)如圖3所示，勵磁系統(tǒng)采用如圖4所示的IEEE Type1勵磁機(jī)，發(fā)電機(jī)的非線性動態(tài)行為利用雙軸模型來描述。

　　結(jié)合發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)方框圖，得到7個1階微分方程式，如式(3)至(9)。

(3)

　　其中表示發(fā)電機(jī)經(jīng)氣隙傳送的電磁功率。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

　　其中為勵磁機(jī)的飽和函數(shù)。

(9)

　　電網(wǎng)傳輸線與發(fā)電機(jī)端電壓關(guān)系式為：

(10)

(11)

3 特征值分析

　　未加晶閘管控制串聯(lián)電容器前的開環(huán)系統(tǒng)，其完整的特征值列于表1的第2列，系統(tǒng)的機(jī)電振蕩模式不穩(wěn)定。只加入晶閘管控制串聯(lián)電容器而未加入輔助控制器的完整特征值列于表1第3列，系統(tǒng)的低頻振蕩阻尼雖有改善，但仍不穩(wěn)定。所以必須施加控制信號至晶閘管控制串聯(lián)電容器的控制機(jī)構(gòu)。即為控制器輸出信號。為使電力系統(tǒng)頻率誤差量有較好的動態(tài)響應(yīng)，U_i根據(jù)系統(tǒng)輸出狀態(tài)量測量值的不同，而隨時發(fā)生變化。

　　本文利用如圖5所示的進(jìn)相-遲相控制器來增加低頻振蕩阻尼，控制器的傳遞函數(shù)如式(12)，可以化成(13)至(14)兩個一階微分方程式。

(12)

(13)

(14)

　　進(jìn)相-遲相控制器的參數(shù)可以根據(jù)基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來決定。將不穩(wěn)定的低頻振蕩模式特征值移至預(yù)設(shè)的穩(wěn)定位置，經(jīng)過簡單的矩陣運(yùn)算，可得到控制器的參數(shù)值，詳細(xì)的運(yùn)算法則如下所示。

　　對于一個控制系統(tǒng)，其狀態(tài)方程式可寫成：

　　其中X(t)為n×1開環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)向量; U(t)為m×1系統(tǒng)的輸入向量，Y(t)為p×1系統(tǒng)的輸出向量，A、B、C均為常數(shù)矩陣。經(jīng)過拉氏變換到頻域后，得：

　　如果輸出至控制器的傳遞函數(shù)為U(S)，m×p向量，則：

　　可得：

　　S代入指定特征值，經(jīng)矩陣運(yùn)算后，可得控制器U(S)中的參數(shù)。

　　極點(diǎn)指定法在使用時有以下幾點(diǎn)限制：

　　(1)所求得的控制器參數(shù)必須合理，且具可行性。如時間延遲常數(shù)需為正值，比例放大值不可過大等。

　　(2)必須使整個系統(tǒng)的特征值穩(wěn)定。

　　(3)所指定的極點(diǎn)需合理，且不能影響整個系統(tǒng)其他部位的特性。根據(jù)以上法則，求得的結(jié)果如下：

　　預(yù)設(shè)特征值的低頻振蕩模式：-1.2±j6.0

　　進(jìn)相-遲相控制器的參數(shù)為：，。

　　系統(tǒng)加入TCSC與進(jìn)相-遲相輔助控制器后的特征值如表1第4列所示，機(jī)電模式振蕩的特征值準(zhǔn)確的落在指定的位置上，其他模式的阻尼也得到了改善。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第54頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。