HVDC控制系统对汽轮发电机组次同步振荡的影响

hao168 · 发表于 2007-2-12 11:34:30

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HVDC控制系统对汽轮发电机组次同步振荡的影响

杨秀，陈陈，王西田

(上海交通大学电气工程系，上海 200030)

IMPACT OF HVDC CONTROL ON SUBSYNCHRONOUS OSCILLATION
2 e, x* D ~* c/ {) L6 _OF TURBINE-GENERATOR SET
( v% A I a! ~6 b+ Q( r+ z# h2 t9 K. M1 W5 \9 @9 Q9 C
YANG Xiu，CHEN Chen，WANG Xi-tian

(Electrical Engineering Department，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)
ABSTRACT: With complex torque coefficient method and eigenvalue method, the subsynchronous oscillation (SSO) characteristics of a turbine-generator set which is located at the rectifier side of a HVDC system is studied in this paper. The impact of the rectifier control and inverter control on the electric damping characteristics of the turbine-generator set is analyzed in detail. The results reveal that different control modes and operational conditions have remarkably different impace on SSO characteristics.
KEY WORDS: Subsynchronous oscillation；HVDC；Electric damping；Rectifier
control；Inverter control；Power system

摘要：运用复转矩系数法与特征根法，对位于高压直流输电系统(HVDC)整流侧的汽轮发电机组的次同步振荡(SSO)特性进行了研究。对整流站控制与逆变站控制对汽轮发电机组的电气阻尼特性的影响进行了详细分析。研究表明，不同的控制方式与运行条件对次同步振荡特性的影响有显著差别。
关键词：次同步振荡；高压直流输电系统；电气阻尼；整流站控制；逆变站控制；电力系统

1 引言: V3 [& ~+ @, M; P# h' n
次同步振荡(SSO)最早出现于带串联电容补偿的输电系统，随后在高压直流输电系统(HVDC)中发现不恰当的控制参数也会引起发电机组轴系扭振[1]。随着串联电容补偿与HVDC在我国的广泛应用，研究带有串联补偿的交直流输电系统的SSO问题具有重要意义。
有关HVDC整流站的控制参数对SSO的影响,已有一般性结论[2,3]。对于HVDC与交流串联电容补偿线路并联的输电系统(AC/DC并联系统)，文献[4]分析了逆变站控制对轴系扭振的影响。但是由于该文只对发电机组的一个扭振模态进行了特征根计算，未得到整个次同步频率范围内的电气阻尼特性，因此所得结论很可能是片面的，甚至是不正确的。本文运用复转矩系数法与特征根法对位于HVDC整流侧的发电机组的次同步振荡特性进行了研究，特别对整流站控制方式与逆变站控制方式对发电机组的电气阻尼特性的影响进行了较深入的分析，得出了一些较重要的结论。

* I. C6 b. d7 g! [, C7 O2 分析系统及其模型& z9 W* m: d; {2 {* a% z3 d0 Z
图1为分析测试系统电路图。其中发电机组与交流输电系统采用IEEE次同步谐振第一测试系统，直流线路由T型等效电路表示，RDC、XLDC与XCDC分别为相应的等值电阻、感抗与容抗；Idr和Idi分别为对应于整流侧和逆变侧的直流电流；XCR与XCI为HVDC两侧的无功补偿；U∞为逆变侧交流系统等值电压源；RS和XS分别为逆变侧交流系统的等值电阻和感抗；R和X分别为交流串联补偿输电线路的等值集中电阻和感抗；XC为串联补偿电容的容抗。系统参数见文献[5]。整流站控制方式采用定电流控制，逆变站采用定电压控制或定熄弧角控制。

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3 研究结果1 Q/ c7 [4 K: W6 A" o) K
3.1 无并联交流线路% \1 J9 o8 p7 ^5 P" O
无并联交流线路情况下只有整流站控制引发次同步振荡。设整流站控制方式为定电流控制，控制规律为

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式中 K和T分别为控制系统的比例系数和时间常数；ΔIdr 为整流侧直流电流Idr 的偏差量；Δα 为整流站导通角α的偏差量；s为复频率。
图2、图3为发电机电气阻尼系数De随K、T变化的曲线。由图可见：①随着定电流控制比例系数K的增大或时间常数T的减少，会出现负阻尼的频率从低频范围向高频范围扩展，从而有可能诱发更多扭振模态不稳定；②对于频率较低的扭振模态，减小K或增大T并不一定能改善该模态的阻尼。图4显示了模态1(f =15.75Hz)的特征根实部随T的变化曲线。当 T = 0.01s时模态1的特征根实部为正，表示该模态不稳定。随着T的增大(从0.01s至0.03s)，特征根实部相应增大，说明该模态下的阻尼特性继续恶化。因此文献[2]认为减小K或增大T可以改善电气阻尼特性的结论并不完全正确。

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3.2 AC/DC并联系统9 A. P$ Q U" L2 K* Q
3.2.1 整流站控制对电气阻尼特性的影响
对于AC/DC并联系统, 交流串联电容补偿与HVDC整流站控制都会引发SSO。为了准确分析整流站控制对发电机电气阻尼系数De的影响程度，分别计算了HVDC整流站有控制与无控制情况下的电气阻尼特性。当整流站无控制(整流站运行于固定的导通角)时，整流端相当于一恒定的功率注入点，电气阻尼特性主要受到交流串联电容补偿的影响。
整流站有无控制情况下的电气阻尼特性曲线见图5。相对应的系统运行条件为：整流站导通角α0=18°，直流传送有功功率Pdc=0.4460pu，交流线路传送有功功率Pac=0.4449pu。由图可见，整流站有控制时的阻尼特性曲线与无控制时的基本相同，只是具体的阻尼系数值有一定差异而已。

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可见，对于AC/DC并联系统，交流串补与HVDC整流站控制都会引发SSO，其中交流串补的作用居主导地位。为了说明这一点，特采用同样方法分析了α0=5°(Pdc=0.7175pu，Pac=0.1734pu)时的电气阻尼特性。分析表明，交流传输功率远小于直流传输功率，但HVDC有控制情况下的阻尼特性曲线仍与无控制时的阻尼曲线基本相同。
3.2.2 逆变侧交流系统强度对电气阻尼特性的影响
逆变侧交流系统的强度对HVDC的动态特性
有很大影响，弱交流系统常常会导致电压和谐波不稳定等。XS的大小表示了逆变侧交流母线的强度，当XS=0时，逆变侧交流系统可等值为理想电压源，随着XS的增大，逆变侧交流系统就会减弱。
图6为不同的系统感抗XS下的电气阻尼特性。由图可见，随着XS的增大(即交流系统变弱)，出现负阻尼的频带明显变宽，阻尼曲线出现“右移”现象。出现这种情况的主要原因上节已作分析，对于AC/DC并联系统，交流串联电容补偿对发电机组扭振特性起主导作用，因此在分析XS 的影响时可以忽略HVDC的控制作用。这样，XS的增大，相当于增大了交流线路的感抗，降低了串补度，因而出现阻尼曲线随XS的增大而“右移”的现象。
3.2.3 逆变站控制对电气阻尼特性的影响
(1)逆变侧交流系统为理想电压源(RS=0pu，XS=0pu)

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图7为逆变站有无定电压控制时电气阻尼系数De的变化曲线。由图可见，当逆变侧交流系统为理想电压源时，逆变站控制对于发电机组的电气阻尼特性几乎没有影响。当逆变站采用定熄弧角控制方式时，其结论与此相同。

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(2)逆变侧交流系统为非理想电压源(RS= 0.01pu，XS=0.5pu)
图8为整流站、逆变站有无控制时电气阻尼系数De的变化曲线。其中整流站采用定电流控制，逆变站采用定电压控制。由图8可见，逆变站控制对发电机组的电气阻尼特性的影响较明显。与HVDC无控制的情况相比，由于逆变站控制的作用，低频段(f<2Hz)的阻尼系数下降十分明显。这与逆变侧交流系统为理想电压源时的电气阻尼特性有明显差别，后者对电气阻尼没有影响。

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图9为逆变站分别采用定电压控制与定熄弧角控制时的发电机组电气阻尼特性曲线。由图可见，控制方式对轴系电气阻尼特性的影响有显著差别，在定电压控制方式时稳定的扭振模态在定熄弧角控制方式时则可能变为不稳定的，反之亦然。与定电压控制相比，逆变站采用定熄弧角控制时使低频段(f<2Hz)的阻尼系数下降更大，更易激发低频振荡。图10画出了部分扭振模态下的特征根实部随串联电容补偿度KC(=XC/XL) 变化的曲线。该图直观地显示了定电压、定熄弧角控制方式对扭振模态阻尼特性的影响有较大的差异。
以上有关发电机组电气阻尼特性的分析结果均是在交流串联电容补偿度为50 %时的计算结果。当改变补偿度时，其结论也相同。

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4 结论
7 j \. @+ o- d9 Y. G ?总结以上的分析结果可以看出，交、直流并行输电系统的参数、运行工况、控制方式、控制参数等都会影响发电机组的电气阻尼特性：
(1)当发电机组只与HVDC相连时，随着整流站控制比例系数K的增大或时间常数T的减小，所产生负阻尼的频率将从低频范围向高频范围扩展。对于不稳定的扭振模态，单纯减小K或增大T，并不一定总能改善该模态下的电气阻尼特性。
(2)对于AC/DC并联系统，串联电容补偿与HVDC控制都会影响发电机组的电气阻尼特性，且前者居主导地位。
(3)对于AC/DC并联系统，逆变侧交流系统的强度对发电机组的电气阻尼特性有较大的影响。当逆变侧交流系统较弱时，逆变站两种基本控制方式(即定电压控制、定熄弧角控制)对电气阻尼的作用差别甚大，逆变站采用定熄弧角控制时更易激发低频振荡。
(4)特别指出，对于AC/DC并联系统，目前为阻尼SSO而研究设计的整流站的附加阻尼控制器均未考虑逆变侧对SSO的影响[5,6]。但本文分析表明，当逆变侧交流系统为非理想电压源时，逆变站控制对SSO有较大影响。而且实际运行的逆变侧交流系统均有一定的阻抗，因此，设计附加阻尼控制器时必须考虑逆变侧的影响。

参考文献

[1] Bahrman M，Larsen E V．Experience with HVDC-turbine–generator torsional interaction at square butte[J]．IEEE Trans on PAS，1980， 99(3)：966-975．
[2] 倪以信，陈寿孙，张宝霖．动态电力系统的理论与分析[M]．北京：清华大学出版社，2002．
[3] 余涛，沈善德(Yu Tao，Shen Shande)．HVDC及其控制系统动态稳定性的理论分析(Analysis of the dynamic stability and its control system)[J]．电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems)，2002，12(6)：40-44．
[4] Iravani M R，Zhao Z，Hamouda R M．Impact of inverter station on torsional dynamics of parallel HVDC-AC power system[J]．IEEE Trans on Power Systems，1993，8(3)：997-1003．
[5] Hsu Y Y，Wang L．Modal control of HVDC system for the damping of subsynchronous oscillation[J]．IEE Proceedings，1989，136(2)：78-86．
[6] 江全元，程时杰, 曹一家(Jiang Quanyuan，Cheng Shijie，Cao Yijia)．基于遗传算法的HVDC附加次同步阻尼控制器的设计(Design of HVDC supplementary subsynchronous damping controller using genetic algorithms)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2002，11(11)：87-91．

xiaogg · 发表于 2007-5-18 14:14:20

非常有用的，谢谢了

^_^ · 发表于 2008-3-13 09:27:24

不是很懂，谢谢

changdia · 发表于 2010-11-10 17:11:22

质量很高不错不错

daben · 发表于 2012-8-11 09:14:00

看看，不错

norika · 发表于 2012-8-11 10:04:53

HVDC控制系统对汽轮发电机组次同步振荡的影响, _5 P$ b) A# n2 O9 y+ f3 @. x

+ h* N8 m; \8 L5 `0 u) ]. O( |杨秀，陈陈，王西田
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hao168 发表于 2007-2-12 11:34
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陈陈老师和仁宗皇帝的绯闻....是不是真的？

hncqlok · 发表于 2014-7-15 11:12:05

顶一个，陈陈老师的文章向来写得很好

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