晶閘管控制串聯(lián)電容器應用于彈性交流輸電系統的穩定度分析

摘要：彈性交流輸電系統設備，如晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)、制動(dòng)電阻、并聯(lián)電容電抗與靜態(tài)移相器被用來(lái)動(dòng)態(tài)調整網(wǎng)絡(luò )配置，以提高系統的靜態(tài)特性和暫態(tài)穩定度?，F代電力系統龐大而復雜，擾動(dòng)常改變電網(wǎng)結構并導致非線(xiàn)性響應。本文采用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高電力系統動(dòng)態(tài)穩定度，晶閘管控制串聯(lián)電容器的阻抗由輔助進(jìn)相-遲相控制器根據發(fā)電機速度偏差進(jìn)行調整，輔助控制器參數由基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來(lái)確定。針對指定的操作點(diǎn)設計控制器，探討系統在不同加載條件下，不同功率因數，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，以保證電力系統在各運行點(diǎn)的阻尼特性。數值模擬結果表明提出的控制能有效的提高大信號瞬態(tài)穩定度和電力傳輸能力。

　　傳統交流輸電網(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，當某條線(xiàn)路輸送功率改變時(shí)，會(huì )導致同一并聯(lián)電路輸送電力的改變或導致環(huán)流。若傳輸功率增加時(shí)，會(huì )造成動(dòng)態(tài)穩定度的惡化或電壓崩潰。彈性交流輸電系統是指在傳統交流輸電系統中，引入電力電子技術(shù)，提高電網(wǎng)的運行效率。通過(guò)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(wú)功功率的傳輸，提高系統應對緊急事故的靈活性，提高現有輸電設備的傳輸能力和系統穩定度^[1-3]。

　　彈性交流輸電系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)電力潮流可彈性控制;(2)輸電能力可大幅提高;(3)防止設備與系統故障的累積，避免連鎖效應;(4)提升區域間電能傳輸能力，充分利用發(fā)電容量;(5)根據系統需求提供快速靈活補償，改善供電品質(zhì);(6)抑制電力系統振蕩。彈性交流輸電系統設備，如并聯(lián)電容電抗、晶閘管控制制動(dòng)器、靜態(tài)同步調相器、靜態(tài)移相器與晶閘管控制串聯(lián)電容器被用于調整動(dòng)態(tài)網(wǎng)路，以加強系統靜態(tài)特性與暫態(tài)穩定度。對于長(cháng)距離輸電線(xiàn)路，為避免壓降過(guò)大，常使用晶閘管控制串聯(lián)電容器提高線(xiàn)路輸電能力^[4-5] 。

　　本文在模態(tài)控制理論的基礎上提出的極點(diǎn)指定法來(lái)確定彈性交流輸電系統控制器的設計法則，提高控制器適應性以滿(mǎn)足電力系統復雜、高度非線(xiàn)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)電容器的結構如圖1所示。單個(gè)TCSC模塊由一個(gè)串聯(lián)電容器并聯(lián)一個(gè)晶閘管控制器，為了防止過(guò)電壓，還會(huì )并聯(lián)一個(gè)金屬氧化物可變電阻。一個(gè)完整的補償系統由多個(gè)模塊串聯(lián)而成，并且有一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)，在TCSC故障或維修時(shí)將其旁路掉^[6-7] 。

　　TCSC方框圖如圖2所示，其中Xa為開(kāi)環(huán)輔助信號，如電力潮流控制信號;X_r為T(mén)CSC的初始操作點(diǎn)，X_m為調制小信號輸入，上述三個(gè)信號合成TCSC的控制信號X_d。TCSC的自然響應延遲為時(shí)間的單一函數，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可由系統操作點(diǎn)X_total反推得到：

(2)

2 電力系統模型

　　當電力系統有小負載變動(dòng)或系統本身發(fā)生自發(fā)性低頻振蕩時(shí)的動(dòng)態(tài)行為，即小信號穩定度。低頻振蕩現象是一種轉軸的動(dòng)態(tài)行為，其頻率大約在0.5 Hz~2Hz之間，可用線(xiàn)性系統中的頻域特征值來(lái)分析。

　　全部的特征值涵蓋的頻率范圍很廣，其中對應的低頻振蕩部分稱(chēng)為系統機電模式。系統低頻振蕩常導致系統運轉困難，嚴重的可引起系統停機等穩定度問(wèn)題。

　　電力系統發(fā)生振蕩時(shí)，若系統有足夠的阻尼時(shí)，在干擾解除后發(fā)電機可迅速恢復到穩定狀態(tài)。改善穩定度的方法有在靜態(tài)勵磁機系統中外加電力系統穩定器，設計良好的調速器和汽輪機控制器。調整靜態(tài)功率補償器的虛功率，并聯(lián)電抗器和靜態(tài)移相器，以提高系統的阻尼，提高穩定度。

　　隨著(zhù)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，增加系統的穩定度。典型的單機無(wú)限匯流排電力系統如圖3所示，勵磁系統采用如圖4所示的IEEE Type1勵磁機，發(fā)電機的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)行為利用雙軸模型來(lái)描述。

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

(3)

　　其中表示發(fā)電機經(jīng)氣隙傳送的電磁功率。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

　　其中為勵磁機的飽和函數。

(9)

　　電網(wǎng)傳輸線(xiàn)與發(fā)電機端電壓關(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(kāi)環(huán)系統，其完整的特征值列于表1的第2列，系統的機電振蕩模式不穩定。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，系統的低頻振蕩阻尼雖有改善，但仍不穩定。所以必須施加控制信號至晶閘管控制串聯(lián)電容器的控制機構。即為控制器輸出信號。為使電力系統頻率誤差量有較好的動(dòng)態(tài)響應，U_i根據系統輸出狀態(tài)量測量值的不同，而隨時(shí)發(fā)生變化。

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

(12)

(13)

(14)

　　進(jìn)相-遲相控制器的參數可以根據基于模態(tài)控制理論的極點(diǎn)指定法來(lái)決定。將不穩定的低頻振蕩模式特征值移至預設的穩定位置，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣運算，可得到控制器的參數值，詳細的運算法則如下所示。

　　對于一個(gè)控制系統，其狀態(tài)方程式可寫(xiě)成：

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

　　如果輸出至控制器的傳遞函數為U(S)，m×p向量，則：

　　可得：

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

　　極點(diǎn)指定法在使用時(shí)有以下幾點(diǎn)限制：

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

　　(2)必須使整個(gè)系統的特征值穩定。

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

　　預設特征值的低頻振蕩模式：-1.2±j6.0

　　進(jìn)相-遲相控制器的參數為：，。

　　系統加入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，機電模式振蕩的特征值準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(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第54頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。