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SVC電壓穩(wěn)定控制和抑制低頻振蕩交互影響研究

2013-07-03 07:06:08王云潔
電力工程技術 2013年1期
關鍵詞:阻尼比線電壓阻尼

王云潔,胡 弢

(1.東南大學電氣工程學院,江蘇 南京,210096;2.鹽城供電公司,江蘇 鹽城,224005)

隨著我國西電東送、南北互聯(lián)和全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略實施,為提高輸電的能力和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,我國輸電系統(tǒng)引進了靜止無功補償器(SVC),分別裝設在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山(2套)、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站和鞍山紅一變中,這些示范工程投運對電網(wǎng)運行產(chǎn)生明顯的效果,對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生積極作用[1]。傳統(tǒng)的電力電子控制裝置在電力系統(tǒng)中的控制目標通常只有一個,如潮流控制、電壓控制或增強系統(tǒng)穩(wěn)定性等。而在SVC電壓環(huán)加入附加信號可以同時提供電壓支持和阻尼控制,其特點是電壓和阻尼控制的雙重功能。近幾年來,多柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)間的交互影響問題正在研究中。文獻[2]指出了PSS與SVC的交互影響并對其進行了多目標協(xié)調設計,但是對于單FACTS器件的不同控制目標間的交互影響很少有深入研究;文獻[3]分析了靜止同步補償器多目標協(xié)調控制。文中從理論上分析了SVC 2種功能間的交互影響,建立了裝有SVC的二區(qū)域四機系統(tǒng)的模型,通過仿真驗證了以上分析研究的有效性。

1 SVC控制作用

1.1 SVC的電壓控制作用

SVC的電壓控制可用1個簡化的SVC和電力系統(tǒng)的框圖來表示(見圖1)。其中系統(tǒng)等效阻抗對應于SVC母線端的短路容量,關系式為:

圖1 簡化電力系統(tǒng)框圖

式中:XS為系統(tǒng)等效阻抗;SC為SVC母線三相短路容量;Vb為線電壓基準值;SB為系統(tǒng)基準容量。如果SVC吸入無功電流ISVC,無SVC電壓調節(jié)時,SVC母線的電壓為:

可見SVC電流導致了與系統(tǒng)電壓同相位的電壓降。SVC母線電壓隨著SVC感性電流的增加而減小,隨著容性電流的增加而增加。式(2)反映了系統(tǒng)特性和系統(tǒng)負荷線的關系,意味著在一個弱的交流系統(tǒng)中(高值)SVC電壓控制作用比在一個強的交流系統(tǒng)中 (低值)更為有效[3]。

1.2 SVC附加阻尼控制抑制低頻振蕩作用

SVC具有電壓控制功能,在純粹進行電壓控制時基本沒有提高系統(tǒng)阻尼的作用,應增加附加控制器來實現(xiàn)阻尼控制[4]。附加阻尼控制器可用相角補償原理,降低區(qū)域間振蕩能量從而實現(xiàn)阻尼控制,設計的具體步驟為:(1)對系統(tǒng)進行小干擾分析,分析系統(tǒng)低頻振蕩特征根,進而分析系統(tǒng)的振蕩模式;(2)在相應的振蕩頻率下,計算滯后角α;(3)計算附加控制器的超前滯后角φ,確定超前滯后控制參數(shù)。

SVC及其附加阻尼控制作用原理[5]。單機無窮大系統(tǒng)如圖2所示,SVC將中點電壓調節(jié)到Vm。假設送端的電壓保持恒定,即ΔV1=0,則發(fā)電機的經(jīng)典二階模型為:

圖2 裝有SVC的單機無窮大系統(tǒng)

式中:Tj為發(fā)電機慣性時間常數(shù);D為系統(tǒng)的自然阻尼功率系數(shù);δ為發(fā)電機功角;ω0為發(fā)電機同步速;Pe為發(fā)電機電磁功率。式(3)描述了系統(tǒng)的小信號動態(tài)行為。如果SVC嚴格按照保持中點電壓Vm恒定的控制方式運行,則ΔVm=0,發(fā)電機的經(jīng)典二階模型為:

D一般情況下可以忽略,故式(4)對應特征根方程式的根實部為0,導致轉子角作不衰減振蕩。由式(4)可以看出,按恒定電壓控制方式運行時不能提供任何系統(tǒng)阻尼[6]。然而,如果允許對中點電壓進行調制,即可以對系統(tǒng)阻尼做出貢獻。若中點電壓,K為常數(shù),則:

引入附加控制器對電壓進行適當調制后,SVC將系統(tǒng)轉化為一個具有正阻尼的系統(tǒng)。從式(5)可以看到,新特征根實部為負,轉子角的任何振蕩都會隨時間而衰減。這種控制特性被稱為附加阻尼控制。

2 SVC電壓控制與阻尼作用間的交互影響分析

SVC附加阻尼控制后能有效抑制低頻振蕩[7,8]。圖2所示的單機無窮大系統(tǒng)中,SVC的作用相當于在中間母線處并聯(lián)了一個可變電納,改變了整條線路的等效阻抗。

未安裝SVC時,發(fā)電機輸出的有功功率為:

裝設SVC后,發(fā)電機輸出有功功率為(利用Y-Δ變換):

調節(jié)SVC的輸出,使SVC的并聯(lián)電納變化ΔBSVC,則有功功率的增量ΔP為:

式中:V1_0,V2_0,BSVC_0分別為 V1,V2,BSVC的初始值。SVC安裝處的母線電壓為:

解得:

調節(jié)SVC的輸出,使之變化ΔBSVC,則SVC母線電壓的增量ΔVm為:

由式(8)可得,SVC附加控制產(chǎn)生的發(fā)電機電磁轉矩為:

由文獻[9]可知,ΔTe由2個分量組成:

式中:TS為系統(tǒng)的同步轉矩系數(shù);TD為阻尼轉矩系數(shù)。將其代入式(5)并簡要寫出其特征根方程:

所以TS主要影響振蕩頻率,而TD主要影響系統(tǒng)機電振蕩的穩(wěn)定性。為保證阻尼控制的效果,要產(chǎn)生大的阻尼轉矩,ΔBSVC需增加較大。而ΔBSVC的增加會使ΔVm變大,從而母線電壓發(fā)生較大的振蕩,影響電壓控制效果。因此,SVC的阻尼控制與電壓控制存在矛盾,增強系統(tǒng)阻尼振蕩的能力會降低電壓的控制水平。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

文中采用2區(qū)域4機系統(tǒng)進行仿真,(如圖3所示),SVC裝置安裝于節(jié)點8。

圖3 2區(qū)域4機系統(tǒng)接線

3.2 SVC電壓控制仿真

在仿真系統(tǒng)中加入SVC,驗證其對電壓穩(wěn)定控制的作用。仿真方案:節(jié)點8處1.0 s發(fā)生瞬時三相短路故障,1.1 s故障解除。仿真時間為30 s,安裝SVC前后節(jié)點8電壓幅值曲線如圖4所示。

從圖4的電壓曲線可以看出,未安裝SVC的情況下,故障消失后系統(tǒng)電壓的波動比較大;而加裝SVC后,系統(tǒng)電壓波動有所減弱,并能較快達到穩(wěn)定。

3.3 SVC附加阻尼控制抑制低頻振蕩仿真

對系統(tǒng)進行小干擾穩(wěn)定分析,發(fā)電機1、2和3、4區(qū)域間低頻振蕩模式特征根為-0.053194+j3.401198,其阻尼比小于2%,需要利用SVC的附加阻尼控制器進行抑制該低頻振蕩模式。在附加控制信號輸入處輸入一個區(qū)域振蕩頻率的正弦量,其頻率與低頻振蕩模式相同,ω為3.4016。分析由此信號引起的聯(lián)絡線上功率的振蕩,通過對比得到滯后角α約為88°。由于兩級滯后,附加控制器的超前滯后角φ=(180-α)/2=46°。 由此可得:t1為 0.12 s,t2為 0.73 s。

在系統(tǒng)中仿真驗證SVC及其附加控制的阻尼效果。仿真方案:利用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)的小擾動分析功能,對不同控制情況下的系統(tǒng)進行小擾動穩(wěn)定分析,得到低頻振蕩特征根的變化如表1所示。

表1 不同控制情況下的振蕩阻尼比

由表1可知,無附加阻尼控制的SVC對系統(tǒng)低頻振蕩的阻尼比基本沒有影響;加裝附加阻尼控制之后,阻尼比有明顯提高,從1.56%左右提高到了5.67%??梢奡VC加裝附加阻尼控制器能更好地增加系統(tǒng)阻尼比,抑制低頻振蕩。

3.4 SVC附加阻尼控制對電壓穩(wěn)定的影響仿真

仿真方案:節(jié)點8在1.0 s至1.1 s間發(fā)生瞬時三相短路故障,仿真時間為30 s,安裝SVC前后節(jié)點8電壓幅值曲線如圖5所示。

對比可知,無SVC的情況下系統(tǒng)電壓的波動比較大;在加裝無附加控制的SVC后,系統(tǒng)電壓波動有所減弱,特別在故障瞬間,電壓有一個比較明顯的上升過程;加裝帶有附加阻尼控制的SVC后,在故障消失開始一段時間,電壓的波動比較大,甚至比未裝SVC情況下的電壓波動更大,這從前面的理論分析中也可看到,未裝SVC時,三相短路發(fā)生后,電壓瞬間降低到接近0,當故障切除后,電壓振蕩回復到穩(wěn)態(tài)。而加了附加阻尼控制后,其作用使電壓波動變得更大。

從以上的現(xiàn)象看,SVC的電壓控制與阻尼控制之間存在負的相互作用。

4 結束語

研究了SVC電壓控制與抑制低頻振蕩功能之間可能存在的交互影響問題。在研究SVC的電壓控制功能及SVC附加阻尼控制對電力系統(tǒng)低頻振蕩的抑制的基礎上,明確了SVC按恒定電壓控制方式運行時不能提供系統(tǒng)阻尼,只有附加阻尼控制才能向系統(tǒng)提供正阻尼。而附加阻尼控制提高系統(tǒng)阻尼的同時,理論上對電壓控制的穩(wěn)定性又有不利影響,從而得出SVC的兩種控制功能間存在負的交互作用的結論。并在PSASP中進行了時域仿真,證明了SVC電壓控制與阻尼控制間存在負的交互影響。

[1]鄒振宇,江全元,張鵬翔,等.PSS與SVC多目標協(xié)調設計[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2005,17(4):66-70.

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[9]倪以信,陳壽孫,張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京:清華大學出版社,2008.

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