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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。現(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相-遲相控制器根據(jù)發(fā)電機速度偏差進行調(diào)整，輔助控制器參數(shù)由基于模態(tài)控制理論的極點指定法來確定。針對指定的操作點設(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。并對具有輔助進相-遲相控制器的晶閘管控制串聯(lián)電容進行檢測，以保證電力系統(tǒng)在各運行點的阻尼特性。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：(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;Xr為TCSC的初始操作點，Xm為調(diào)制小信號輸入，上述三個信號合成TCSC的控制信號Xd。TCSC的自然響應(yīng)延遲為時間的單一函數(shù)，用TT表示;TCSC的輸出等效阻抗受操作模式與容量而存在上下限XTmax和XTmin;XT與固定電容Xf合成Xtotal。 由TCSC方框圖得到1階微分方程式： (1) TCSC的初始操作點Xr可由系統(tǒng)操作點Xtotal反推得到： (2) 2 電力系統(tǒng)模型 當電力系統(tǒng)有小負載變動或系統(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)機電模式。系統(tǒng)低頻振蕩常導(dǎo)致系統(tǒng)運轉(zhuǎn)困難，嚴重的可引起系統(tǒng)停機等穩(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)速器和汽輪機控制器。調(diào)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(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，發(fā)電機的非線性動態(tài)行為利用雙軸模型來描述。 結(jié)合發(fā)電機、勵磁機方框圖，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(shù)。 (9) 電網(wǎng)傳輸線與發(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)，Ui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)過簡單的矩陣運算，可得到控制器的參數(shù)值，詳細的運算法則如下所示。 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)矩陣運算后，可得控制器U(S)中的參數(shù)。 極點指定法在使用時有以下幾點限制： (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 進相-遲相控制器的參數(shù)為： ， 。 系統(tǒng)加入TCSC與進相-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。 針對特定操作點設(shè)計的控制器，討論控制器的適應(yīng)性和適用范圍，針對系統(tǒng)在不同發(fā)電機輸出功率、端電壓、功率因數(shù)的低頻振蕩模式與發(fā)電機特征值分別列于表2-表4。由表2可以看出，低頻振蕩模式因發(fā)電機負載增加而造成阻尼降低。另外由表3可以看出端電壓越高時，系統(tǒng)的阻尼越好。由表4可以看出未加入TCSC前，發(fā)電機低頻振蕩模式隨功率因數(shù)的增加而阻尼變差;加入TCSC后，發(fā)電機特征值特性未變，低頻振蕩模式則隨功率因數(shù)的增加阻尼變得更好。 4 時域模擬分析 特征值分析是在指定的操作點，對非線性系統(tǒng)作線性化后，分析其特征值穩(wěn)定度，適合于小信號穩(wěn)定度分析。由于電力系統(tǒng)有很多限制器和飽和現(xiàn)象，如勵磁機、TCSC等，所以需利用非線性微分方程作時域計算機模擬，以驗證TCSC與系統(tǒng)動態(tài)特性是否與特征值分析結(jié)果一致。 首先，機組在0.2 s時，突然有0.1 pu的機械轉(zhuǎn)矩加入，持續(xù)100ms后恢復(fù)，未加TCSC前的動態(tài)響應(yīng)如圖6所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計的進相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如圖7所示，并于未加TCSC的動態(tài)響應(yīng)進行對比，可以看出TCSC能夠抑制機電模式低頻振蕩的效果。相反圖8、圖9為機組在0.2s時，突然降低0.1pu的機械轉(zhuǎn)矩，持續(xù)100 ms后恢復(fù)，未加TCSC與加入TCSC與控制器后的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)圖。可知不論機組在加速或減速擾動下，TCSC結(jié)合控制器均能有效抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。 另一種狀態(tài)下，輸電線路2發(fā)生斷線擾動，輸電線路2在0.2 s時并聯(lián)的雙線中的一條線跳脫，持續(xù)100 ms后恢復(fù)，未加TCSC前的動態(tài)響應(yīng)如圖10所示，系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定;加入TCSC與設(shè)計的進相-遲相控制器后，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如圖11所示，可認為TCSC抑制了機電模式的低頻振蕩效果。 特征值分析與動態(tài)模擬結(jié)果表明：TCSC在穩(wěn)態(tài)下，可降低傳輸線阻抗，提高傳輸線的功率輸送量。加入適當?shù)目刂破骱瓦m當?shù)目刂品▌t后，TCSC不僅能提高電能輸送量，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度。從動態(tài)模擬中可看出，雖然TCSC的阻抗變動在動態(tài)下存在上下限值，但仍可有效抑制低頻振蕩。 5 結(jié)論 本文研究TCSC對電力系統(tǒng)中低頻振蕩的抑制及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定度的提高。TCSC結(jié)構(gòu)選擇適當?shù)哪Ｐ停⑵浼尤腚娏ο到y(tǒng)模型中，由特征值分析與非線性動態(tài)模擬可知：TCSC不僅可以降低輸電線路阻抗，提高輸電線容量，加入適當?shù)目刂破骺捎行б种齐娏ο到y(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度。 根據(jù)本研究獲得的初步結(jié)論，后續(xù)的研究應(yīng)對多機電力系統(tǒng)中，TCSC裝設(shè)的位置與效果，以及容量和位置等關(guān)系進行研究。除此之外，研究多機電力系統(tǒng)中，TCSC的控制法則，包括選擇反饋信號與控制器形態(tài)，將TCSC研究成果應(yīng)用于電力系統(tǒng)，為TCSC用于彈性交流輸電系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。 附錄：系統(tǒng)參數(shù) (1) 發(fā)電機和輸電線路 MG=6.44 DG=1.5 RA=0.0 Xd=1.93 Xq=1.74 X’d=0.47 X’q=0.47 T’d0=6.66 T’q0=0.44 Re=0.0 XL1=0.8 XL2=0.8 勵磁機和調(diào)壓器 KA=400 TA=0.02 KEX=1.0 TEX=1.0 KF=0.06 TF=1.0 AEX=0.098 BEX=0.553 VRmax=7.3pu VRmin=-7.3pu (2) 晶閘管控制串聯(lián)電容器 Xr=-0.1pu TT=0.015s XTmax=0.0pu XTmin=-0.2pu (3) 初始操作狀態(tài) PG=0.9pu PF=0.9 Xf=-0.1 參考文獻： [1]N.H. 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