SVC安装地点对次同步振荡抑制效果的影响

卢绍强，王 腾，宋战慧

(潍坊供电公司，山东 潍坊 261041)

SVC安装地点对次同步振荡抑制效果的影响

卢绍强，王 腾，宋战慧

(潍坊供电公司，山东 潍坊 261041)

静止无功补偿器 (Static Var Compensator，SVC)可用于抑制次同步振荡，根据SVC抑制次同步振荡的机理设计了SVC的次同步阻尼控制器 (SSDC)，基于次同步振荡研究的IEEE第一标准模型，分别研究了将SVC并联安装在发电机机端母线上、升压变压器的二次侧母线上、输电线路中点上和输电线路末端时的电气阻尼频率特性和时域仿真分析;提出了SVC不同的安装地点会对次同步振荡的抑制效果产生一定的影响，甚至会诱发次同步振荡。

静止无功补偿器;次同步振荡;测试信号法;时域仿真法;安装地点;抑制

静止无功补偿器作为一种并联补偿装置，是一种典型的柔性交流输电装置，应用于输电系统可以提高电网输电能力、稳定系统电压、阻尼系统低频振荡以及抑制次同步振荡。利用SVC抑制次同步振荡有以下三个方面的优点:①SVC是一种并联的柔性交流输电系统装置，发电机的电流不需要其完全承担;②SVC可以为控制器频带范围内的全部扭振提供阻尼，而不用诱发考虑这些扭振的原因［1］;③当系统频率改变时，SVC的运行特性变化不大。利用SVC抑制轴系扭振有良好的效果，所以要尽量避免SVC在安装地区出现故障，并且一般使用多绕组曲折变压器以减少SVC的特征谐波或装设滤波器以滤掉由SVC诱发的谐波。

近年来，在我国，由于西电东送容量的不断提高和特高压电网的大力建设，远距离大容量交流输电线路必然要加装串联电容补偿装置，由于在电力系统中广泛使用串联电容补偿技术，汽轮发电机组中的次同步振荡问题也越来越严重。利用SVC装置抑制电力系统中的次同步振荡现象成为最近几年的实际工程中的一种新方法。因此，深入研究利用SVC装置抑制次同步振荡具有较强的理论价值和现实意义。

1 SVC的结构

静止无功补偿器 (SVC)将电力电子元件引入到传统的静止并联无功补偿装置，以达到快速连续补偿和平滑调节的目的。SVC装置有很多种构成形式，但是晶闸管控制的电抗器 (Thyristor Controlled Reactor，TCR)与晶闸管投切的电容器 (Thyristor Switched Capacitor，TSC)都是所有形式的SVC的基本元件。图1所示结构的SVC的工作原理与其他类型的SVC的工作原理大同小异。SVC的TCR和TSC支路分别如图2(a)、(b)所示。

TCR支路由电抗器与两个背靠背连接的晶闸管串联组成。可以通过改变触发角使并联在系统中的等值电抗和TCR从系统中吸收的无功功率平滑连续变化。

图1 SVC原理示意图

图2 TCR和TSC支路

TSC支路由电容器与一对反向并联的晶闸管串联组成。TSC支路的电压源和TCR支路的电压源一样。通过晶闸管的导通和关断，TSC支路中的电容器就只有以下两种状态:①电容器并联在系统中运行;②电容器退出系统运行。当电容器直接并联在系统中运行时，可以对TSC支路向系统注入的无功功率进行连续平滑调节。

因此，可以对SVC吸收的无功功率和发出的无功功率进行连续平滑调节。通常根据补偿容量的需要，SVC装置可以并联多个TSC支路以扩大SVC装置的调节范围。因此，可以将SVC等效为并联在系统中可变电纳，其电纳值的大小取决于SVC的控制器。

2 SVC抑制次同步振荡的机理

SVC抑制SSO主要是通过TCR支路实现的。带有TCR支路的静止无功补偿器将汽轮发电机组转子角速度偏差作为反馈信号，根据轴系扭振情况以调整TCR支路的导纳，使得静止无功补偿器接入处母线电压随着次同步频率波动，进而改变汽轮发电机组次同步频率的电磁转矩，通过适当的控制，这个转矩可以为机组轴系在次同步频率范围内的扭振提供正阻尼，以抑制SSO的产生。

根据TCR支路抑制SSO的原理，将转子角速度偏差信号作为控制器输入信号时，要使TCR支路中的无功电流与发电机转子角速度偏差反相。

当系统发生短路故障或对线路进行误操作等扰动时，就会使汽轮发电机转子的转速增加，通过改变SVC晶闸管的触发角使TCR支路中的感性电流变小，促使TCR支路吸收的无功功率变小，进而提升SVC连接点的母线电压，从而增加了发电机转子上的电磁功率，对于发电机转子来说，电磁功率起制动性的作用，并且由于惯性作用可以认为发电机转子上的机械功率是不能发生突变的，则发电机转子电磁功率的增加将会导致其动能减少，从而使汽轮发电机转子的转速降低;反之，会提高汽轮发电机转子的转速。因为可以对TCR支路进行快速调控，所以可以有效地抑制次同步振荡。当汽轮发电机组轴系没有发生扭振时，SVC装置就在某一固定的导通角下稳定运行，此时的SVC就如同一个连续稳定的无功功率负荷。

SVC控制系统的输入 (比如汽轮发电机转子角速度偏差等)与由SVC实现的连接母线上的等值电抗变化值之间的相位移对SVC抑制SSO的效果有很大影响，而晶闸管的死区时间与延迟时间等固有延迟、控制器的输入测量环节以及滤波环节等因素都会严重影响到这些相位移。

SVC控制器的零相位移在理想情况下可以为汽轮发电机组轴系全部的扭振模式提供正阻尼。可以在实际系统中设计合理的超前-滞后环节进行相应补偿以使这些相位移保持在10°以下［2］。当使用电压控制作为主控制并利用汽轮发电机转子的角速度偏差控制作为辅助控制时，这些相位移的范围就会大幅度提升［3］。因为电气状态可以通过母线电压信号传到SVC的控制系统，所以这种结构的SVC可以有效抵消掉所有临界串补度下的轴系扭振，并且可以避免在高串补度下由异步发电机效应诱发的电气自激。因此，当采用汽轮发电机转子的角速度偏差控制作为辅助控制时，通过电压调节器进行补偿或通过减小电气负阻尼的值也可以抑制轴系全部的扭振模式。

3 次同步阻尼控制器设计

全部需要阻尼的汽轮发电机组轴系的扭振模式分量主要包括汽轮发电机转子角速度偏差、发电机的输出功率、轴系高压缸的速度偏差等信号。但是，发电机的输出功率及轴系高压缸的速度偏差对SVC控制器的相位移非常敏感，所以，为了提高SVC抑制次同步振荡的效果，一般需要将汽轮发电机转子角速度偏差作为SVC的次同步阻尼控制器(Subsynchronous Damping Controller，SSDC)的输入信号。

根据输入到SVC次同步阻尼控制器中的汽轮发电机转子角速度偏差信号，就可以改变晶闸管的触发角α，改变TCR支路中的感性电流，促使TCR支路吸收的无功功率改变，进而改变SVC连接点的母线电压，从而改变发电机的输出的电磁功率，产生抑制次同步振荡的阻尼转矩，以达到抑制次同步振荡的效果，当汽轮发电机组轴系没有发生扭振时，SVC装置就在某一固定的导通角下稳定运行，此时的SVC就如同一个连续稳定的无功功率负荷。根据SVC抑制次同步振荡的机理，就可以对SVC的次同步阻尼控制器进行设计，将汽轮发电机转子角速度偏差作为SSDC的输入信号，控制的目标是使SVC的TCR支路中无功电流与发电机转子角速度偏差之间的相位差为180°，实现的方法是利用比例型控制器。但由于测量系统在测量发电机转子角速度偏差时会引起时间延迟和晶闸管触发时的固有延迟，所以需要利用超前-滞后环节对这些延迟进行相位补偿，完整的SVC的次同步阻尼控制器结构如图3所示。

图3 SVC的次同步阻尼控制器

4 含SVC的次同步振荡研究模型

含有SVC的次同步振荡研究的IEEE第一标准模型［4］如图4所示。输电线路的串补度为60%(以输电线路的电抗为基准值)。发电机的运行方式为:PG=0.9 pu，功率因数 cosφ =0.9(滞后)。

在图4中，符号①、②、③、④表示SVC的安装地点，①表示将SVC并联安装在发电机机端母线上，②表示将SVC并联安装在升压变压器的二次侧母线上，③表示将SVC并联安装在输电线路中点上，④表示将SVC并联安装在输电线路末端。SVC不同的安装地点会对抑制次同步振荡的效果产生一定的影响，甚至会诱发次同步振荡，因此，在实际工程中，必须将SVC安装在合理的地点。因为这里主要分析SVC抑制发电机次同步振荡的效果，所以，作为理论研究，SVC的容量一般取为发电机容量的5%～20%。本文中SVC的容量取为发电机容量的10%，即89.24 MVA。

SVC次同步阻尼控制器的结构同图3所示。发电机转子角速度偏差作为控制器的输入信号。控制器主要包括一阶惯性环节、比例环节、相位补偿环节和线性化环节。最终输出触发角信号，送到触发环节中，产生相应的触发脉冲，实现将SVC的无功电流调制成与发电机的角速度偏差反相。在本文的仿真研究中，测量时间常数Tm取0.002 4 s，控制器的放大倍数K取200，相位补偿环节的时间常数T1取0.007 s，相位补偿环节的时间常数T2取0.000 1 s。

5 SVC安装地点对次同步振荡抑制效果的影响

5.1 电气阻尼频率特性分析

在利用测试信号法［5］计算电气阻尼转矩系数时，汽轮发电机组系采用单刚体模型。根据以上条件，利用测试信号法得到SVC安装在不同位置①、②、③、④时的电气阻尼转矩系数De(f)随频率的变化曲线如图5所示。

由图5可见，输电线路串补度为60%时，同样，取发电机各个扭振模式的空载机械阻尼对应的对数衰减率δ均为0.05%，SVC安装在不同地点时的次同步振荡稳定性判断如表1至表4所示。其中fj表示第j个扭振模式的自然扭振频率 (单位:Hz);Jj表示第j个扭振模式的模态转动惯量 (单位:s);Dj表示第j个扭振模式的机械阻尼转矩系数 (单位:pu);Dej表示第j个扭振模式的电气阻尼转矩系数 (单位:pu);Dj+Dej表示第j个扭振模式的综合阻尼转矩系数 (单位:pu)。

图4 含有SVC的次同步振荡研究模型

图5 SVC安装在不同地点时的电气阻尼特性

表1 SVC安装在位置①的SSO稳定性判断

表2 SVC安装在位置②的SSO稳定性判断

表3 SVC安装在位置③的SSO稳定性判断

表4 SVC安装在位置④的SSO稳定性判断

由表1至表4可以看出，当SVC安装在位置④时，汽轮发电机组在扭振模式15.71 Hz和20.21 Hz下不稳定，会发生模式1和模式2的次同步振荡失稳。而当SVC安装在位置①、②、③时，汽轮发电机组在所有的扭振模式下，都不会发生次同步振荡失稳，因此，SVC有效抑制了次同步振荡。由表1还可以得出，当SVC安装在位置③时，在所有的扭振模式下，电气阻尼转矩系数均为正值，而当SVC安装在位置①、②时，在某些扭振模式下，电气阻尼转矩系数会出现较小的负值，也就是说当SVC并联安装在输电线路中点时，SVC抑制次同步振荡的效果最佳。

5.2 时域仿真验证

图6 SVC安装在不同地点时轴系各轴段之间的扭矩

如图4所示，在利用时域仿真法进行分析时，汽轮发电机组轴系采用多刚体模型，将轴系分为高压缸HP、中压缸IP、低缸LPA、低压缸LPB、发电机GEN、励磁机EXC等6个轴段，对应有5个扭振模式，分别为:15.71 Hz、20.21 Hz、25.55 Hz、32.28 Hz和 47.45 Hz，并且在1.5 s时刻，系统在B点发生三相短路故障，故障持续时间为0.075 s。忽略励磁调节器的作用，并且在仿真过程中，发电机输入机械功率的初值保持不变。

根据以上条件，用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC进行时域仿真，SVC安装在不同地点时汽轮发电机组轴系各轴段之间的扭矩随时间变化的曲线如图6所示。

由图6可知，当SVC安装在位置④时，轴系各轴段之间的扭矩发生了不同程度的发散，系统发生了SSO失稳，此时，SVC无法阻尼SSO的产生。而当SVC安装在位置①、②、③时，轴系各轴段之间的扭矩随着时间衰减，即SVC有效地抑制了SSO的发生。因此，时域仿真结果验证了利用测试信号法分析SVC抑制SSO效果的有效性和正确性。

6 结束语

本文根据SVC抑制次同步振荡的机理设计了一个次同步阻尼控制器，基于次同步振荡研究的IEEE第一标准模型，分别研究了将SVC并联安装在发电机机端母线上、升压变压器的二次侧母线上、输电线路中点上和输电线路末端时的电气阻尼转矩系数，结果表明在特定的高串补度下SVC安装在不同位置时，系统在各个扭振模式下的综合阻尼转矩系数并不全部为正，会在某个扭振模式下出现负值，这时会诱发次同步振荡，时域仿真也验证了测试信号法分析次同步振荡的有效性和正确性。SVC不同的安装地点会对次同步振荡的抑制效果产生一定的影响，甚至会诱发次同步振荡，因此，必须结合实际工程，慎重考虑SVC安装地点的选择。

［1］ 徐 政.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置 ［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［2］ N.C.Abi-Samra，R.F.Smith，T.E.McDermott，et al.Analysis of Thyristor Controlled Shunt SSR Countermeasures.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1985，PAS104-3:584-597.

［3］ A.E.Hammad，M.E1-Sadek.Application of A Thyristor Controlled Var Compensator for Damping Subsynchronous Oscillations in Power Systems.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1984，PAS103-1:198-212.

［4］ 程时杰，曹一家，江全元.电力系统次同步振荡的理论与方法［M］.北京:科学出版社，2009.

［5］ 徐 政.交直流电力系统动态特性行为分析 ［M］.北京:机械工业出版社，2005.

The Effect of Damping SSO Influenced by Installation Locations of SVC

LU Shao-qiang，WANG Teng，SONG Zhan-hui
(Weifang Power Supply Company，Weifang，Shandong 261041，China)

Static Var Compensator(SVC)can be used to damp Subsynchronous Oscillation(SSO)，and Subsynchronous Damping Controller(SSDC)is designed according to mechanism of SVC damping SSO in this paper.Electrical damping characteristic analysis and time domain simulation analysis are studied based on IEEE first benchmark model when SVC is paralleled in generator bus bar，the booster transformer secondary side bus，the point of the transmission line and the end of the transmission line in respectively;This paper puts forward that different installation locations of SVC have an affect on damping SSO，even can bring about SSO.

Static Var Compensator(SVC);Subsynchronous Oscillation(SSO);Test signal method;Time domain simulation method;Installation locations;Damp

TM71

A

1004-7913(2013)03-0010-05

卢绍强 (1987—)，男，硕士，研究方向为电力系统稳定与控制。

2012-11-20)