可控串补

2024-11-01|版权声明|我要投稿

可控串补(精选7篇)

可控串补 篇1

0 引言

可控串补(Thyristor Controlled Series Compensation,TCSC)是柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems, FACTS)的一个典型代表。含有TCSC的超高压输电线路(Extra-high-voltage Transmission Line with TCSC, ETLT)的故障分类方法大多是基于故障后的稳态分量,但随着FACTS在超高压输电线路中的广泛应用[1],基于稳态量的故障分类方法显露出明显不足。相对于稳态分量,线路故障时的暂态分量更加丰富且含有大量故障信息[2,3,4,5,6,7]。目前基于暂态量的ETLT故障分类方法是学者们研究的热点。

文献[8]根据故障相小波能量大于正常相的原则选择故障区域,判断故障相。文献[9]使用支持向量机方法(SVM)对故障暂态电流信号进行预处理。文献[10]采用DWT对故障暂态电流信号进行了7层分解,提取谱能量、平均值、标准差、模极大值、熵值等六种故障特征量,从中选择最优特征量作为极端学习机的输入。文献[11]采集故障后半个周期的电流数据,将小波分解第一层的特征量作为SVM的输入。文献[12]使用离散小波包变换(WPT)分解故障暂态电流信号。上述方法虽然都可以准确、快速地检测出故障,判断故障相,但都对系统频率变化非常敏感,并且需要大量训练样本和训练时间。

文献[13]利用改进的卡尔曼滤波方法对ETLT进行故障区域检测,该方法没有考虑故障阻抗对算法的影响。文献[14]认为在ETLT的故障回路中,直流分量第一个过零点要比其他回路较快出现,因此可以提取故障分量中的直流分量进行故障区域检测,但该方法会受到故障类型和故障初始角的影响。文献[15]设计了一种基于小波熵的故障区域检测和故障分类算法,成功应用于含有SSSC和UPFC的输电线路,但没有验证算法是否适合于含有TCSC的输电线路。针对现有方法的不足,论文旨在结合ETLT故障特征对现有方法进行改进,实现有效的故障分类。

本文算法的基本思路是:利用DWT对故障后半个周期的三相电流信号进行小波分解,将小波分解系数分为三个频带,计算每个频带的小波奇异熵以获得能反映不同故障的故障特征量。根据提取到的特征量在不同故障条件和故障类型下的特点,构建模糊故障分类系统。将分类判据作为模糊逻辑的输入,输出为分类结果。为了检验其准确性,使用Matlab搭建了500 k V双端供电系统,对算法进行仿真试验。仿真结果表明,该算法有很强的鲁棒性,可以快速、准确地识别故障相。

1 基于小波变换的故障信号特征提取

小波变换是一种建立在傅里叶变换基础上的时频分析方法。小波变换的有效性很大程度上会受到小波基函数的影响,这里选择db4 小波提取故障暂态特征量[16]。文献[17]指出输电线路发生故障后,高频暂态分量基本上都集中在故障相信号中,而非故障相信号的能量主要分布在工频带附近,为了更加有效地提取特征量,本文取采样频率为20 k Hz,对暂态信号进行8 层小波分解,将小波分解系数分成三个频带[18,19],近似系数ca8为基频带,其频率范围为0~78.125 Hz;含高次谐波分量的细节系数cd7、cd8组成谐波带,其频率范围为78.125~312.5 Hz;细节系数cd1、cd2、cd3、cd4、cd5、cd6组成暂态频带,包含故障暂态特征,其频率范围为625~20 000 Hz。

根据信息熵的概念,分别计算小波分解细节系数d1~ d8和小波系数a8的小波奇异熵,定义暂态频带小波奇异熵为Wsez,谐波带小波奇异熵为Wsex,基频带小波奇异熵为Wsej,其中(pi为第i层细节系数的小波奇异熵),(qi为第i层细节系数的小波奇异熵) ,(λi为a8系数转化成矩阵之后的奇异特征值)。为了反映故障相与非故障相之间的相对差异,做以下预处理,处理结果记为m和n。

am、bm、cm、an、bn、cn分别为a、b、c三相的m值和n值。设接地电流IgIaIbIc,定义接地电流第一级分解系数cd1的奇异值和为W1,通过仿真分析发现W1在故障相接地时和故障相不接地时的数值差异很大,可以用来检验故障是否接地,这里将am、bm、cm和W1作为故障选相的判据。

2 模糊逻辑

模糊逻辑推理系统一般包括三个功能块:模糊化、模糊推理、去模糊化。如图1 所示。

(1) 模糊化。am、bm、cm和W1作为模糊推理的输入,结合输入值的特点,将am变量的数值分成三个等级:低(L)、中等(M)、高(H)。取低或者高,说明小波奇异熵值差别大;取中等,说明差别较小。用同样的方法将bm、cm模糊化。考虑到W1值的特殊性(不接地时很小,基本维持在0.3 左右,接地时数值增大明显,甚至高达1 000 多),为了便于观测以及运算,只设有低级,大于1 的全部假设为高。

(2) 模糊推理。本文采用Mamdani型模糊推理系统(模糊蕴含运算为Mamdani法)。am、bm、cm的隶属度函数都选择梯形函数,如图2 所示。输入值W1的变化幅度较大,常用的三角形、梯形、高斯、钟形隶属度函数都无法满足W1的变化,经过多次测试比较最终选择Z型函数,如图3 所示。本文总共设有13 个规则,如表1 所示。

(3) 去模糊化。经模糊推理得到的结果是模糊值,必须对其进行去模糊化处理,这里去模糊化方法采用最大隶属度的平均值法。输出变量对应关系为:Ag-1、Bg-2、Cg-3、AB-4、BC-5、AC-6、ABg-7、BCg-8、ACg-9、ABC-10。

本文的模糊逻辑方法基于Matlab的FUZZY LOGIC工具箱。图4 为故障类型识别的流程图。

3 仿真分析

我国主要将TCSC安装在500 k V线路上,本文应用Matlab PSB搭建了一个简化的500 k V双端供电系统,线路总长MN为300 km,输电线路模型采用分布参数模型,线路参数为:R0=0.204 688 4 Ω/ km ,R1=0.029 551 923 / km ;L0=0.002 083 014 H / km ,L1=0.000 885 485 H / km ;C0=0.009 081663 46 μF/ km,C1=0.013198 18 μF / km 。TCSC设置在线路中央,参数为: 2.743 2 ,C 127 μF , L 10.6 m H ,谐振角为146.67 。提供的补偿为30%~50%。频率为f 50 Hz ,采样率为20 k Hz,提取的原始信号为故障后半个周期的电流数据(200 个样本)。

分别在输电线路10%、20%、40%、60%、80%、90%处仿真了10 种短路故障。同时考虑变化的系统参数:

(1) TCSC的触发角:150,155,160,180 ;

(2) 故障阻抗: 0 Ω , 25 Ω , 50Ω , 100 Ω ,150 Ω;

(3) 故障初始角: 0 , 45 ,135 。

这样故障总数为3 600 个( 6×4×5×3×10),也就是说用3 600 个数据对该算法进行测试。由于W1值在接地和不接地两种情况下差值较大,将大于1的值全部取1,仿真结果如下。

图5 是触发角为180° 、故障阻抗为0Ω、在线路60%处发生BC两相短路故障的模糊系统故障分类结果,如图6 所示,am 5、bm5.6、cm5.5,输出结果为5,对应于模糊规则的BC。

多数情况下,分类系统都可以准确识别故障,但在不同故障初始条件下,小波分解系数的变化幅度不一定明显,因此分类系统也会出现识别错误的情况,比如晶闸管触发角为160 ,故障位置为线路的80%,过渡电阻为100  ,发生AB两相接地短路故障,am18.9701、bm10.208 6、cm6.226 4,输出结果为Ag,如图6 所示。

表2~表6 分别为不同故障类型、不同故障位置、不同故障阻抗、不同晶闸管触发角、不同故障初始角下三相电流小波奇异熵比值和选相结果。

仿真结果表明,本文基于模糊逻辑的ETLT故障分类方法不受故障阻抗、故障类型、故障初始角和TCSC晶闸管触发角的影响,可在故障发生后快速、准确地判断出发生在TCSC前后端的故障相,并可以检测出高阻故障,正确率在99%以上,表7为10 种短路故障下,该方法的平均正确率。

4 结论

本文提出一种基于模糊逻辑的可控串补线路故障分类方法。该方法选取db4 作为小波基函数,采集故障后半个周期的电流数据,计算小波奇异熵作为故障选相判据,根据故障特征量的特点设计了模糊故障分类系统。相比其他方法,该方法经过小波奇异熵处理后的数据量较小,突出了故障特征,与模糊逻辑的结合,避免了训练时间长、计算复杂等问题。但如何将工程实际问题与本文提出的算法更好地结合是进一步需要讨论的技术问题。

摘要:提出一种基于模糊逻辑的可控串补线路故障分类方法。采集故障后半个周期的三相电流数据,选取db4小波作为小波基,使用离散小波变换(DWT)分解电流暂态信号,将小波分解系数划分为三个频带,计算每个频带的小波奇异熵,获得能反映不同故障的故障特征量。将特征量作为模糊逻辑的输入,构建模糊故障分类系统。在Matlab环境下建立电力系统模型,选择500 k V、300 km超高压输电线路进行故障仿真。仿真结果表明,不同的TCSC触发角下,该算法不受故障阻抗、故障初始角、故障类型、故障位置的影响,可以准确检测故障,完成故障分类。

关键词:可控补偿输电线路,故障分类,TCSC,DWT,模糊逻辑

可控串补 篇2

TCSC由常规串联电容器和可控硅控制电抗器并联组成,通过直接控制输电线电抗,可灵活、连续地控制输电线路补偿水平,从而具有控制潮流、阻尼功率振荡、抑制次同步谐振(SSR)、提高系统暂态稳定性等多项功能。作为柔性交流输电系统概念提出后的第1个FACTS装置,TCSC的过电压保护面临着所有FACTS设备均无法回避的新课题,即一方面FACTS装置中的许多电力电子器件直接工作在高电压、大电流的条件下,同时它们的过载能力又非常有限,因而对过电压、过电流保护提出了更加严格的要求;另一方面,由于大功率电力电子器件能以微秒级的时间进行控制,因此又为FACTS装置的快速保护提供了手段,“主动地”对过电压保护过程进行干预。当前,过电压保护控制和主动绝缘配合已成为FACTS研究中的重要课题。

在常规绝缘配合中,保护设备和被保护设备间的关系是单一的,保护设备将过电压限制到被保护设备“可以接受的范围内”,被保护设备基本上处于被动接受保护的状态。在主动过电压保护中,被保护设备在接受保护的同时还通过一定的控制策略“主动地”对过电压保护过程进行干预,以期进一步降低过电压,在提高被保护设备自身安全水平的同时,也减轻了保护设备的工作条件,减少了过电压的保护费用。由此可见,在主动过电压保护中,保护设备与被保护设备间是相互影响的交互式关系。

大多数增加输电能力的手段,如多架设输电回线数,常规串联电容器补偿等,都会使短路容量相应增加,而TCSC在提高输电能力的同时却能减小故障电流。这归功于TCSC在故障后迅速进入bypass模式,在一个工频周期内将串补容抗转变为感抗,短路回路等效阻抗加大,从而显著限制短路电流。这一作用还大大降低了保护串补电容器的氧化锌MOV的能耗,减轻了MOV的工作负担。

1 动态模拟试验

对接有TCSC的输电系统进行单相短路试验,在不考虑MOV的作用下,记录故障相串补电容器、可控硅的过压、过流情况,研究进行主动过电压保护的控制策略。为突出问题,对系统进行了大量简化,简化后的主动过电压保护试验的系统接线图如图1所示。系统电压为200V,线路感抗为27Ω,正常运行时负荷电流为4.2A,单相接地故障期间忽略零序阻抗。在动态模拟试验中,电容、电感分别为894μF、2.2mH。

对TCSC危害最大的过电压是短路电流引起的串补电容两端的过电压。为了限制该过电压,并使系统能尽快恢复正常运行,实际工程中需采取以下过电压保护及控制措施。

(1)使用非线性电阻限压器(MOV)限制TCSC两端的过电压。当TCSC两端电压升高到一定程度后,流过MOV的电流急剧上升,其等值电阻急剧下降,在限制过电压的同时也改变了TCSC的总阻抗及相角,在相当大的程度上还起了防止自激、谐振及限制短路电流的作用。

(2)当MOV的负载(主要是能耗)达到一定水平时,TCSC控制系统启动保护性旁路(bypass)模式,将TCSC的工作状态由容性改为低电抗的感性模式,进一步降低TCSC的过电压,减少短路电流,同时也减轻MOV的负担,降低对MOV能耗的要求。

(3)当短路清除后,TCSC应尽快返回到容性工作状态,包括必要时的暂态稳定控制状态,以提高线路的输送能力和系统的稳定水平。

在试验中,由于不考虑MOV的影响,且故障方式简单(单永故障),因此选用线路电流作为启动信号。当线路电流大于2倍额定值时启动bypass。

图2、图3分别为不同补偿水平下TCSC维持原运行状态时的故障相的波形。图4、图5分别为对应补偿水平下启动bypass模式后故障相的波形。试验结果见表1。

为了便于分析问题,定义:

暂态过压倍数ku1为暂态电容电压峰值/故障前电容电压有效值;

稳态过压倍数ku2为稳态电容电压有效值/故障前电容电压有效值;

暂态过流倍数ki1为暂态线路电流峰值/故障前线路电流有效值;

稳态过流倍数ki2为稳态线路电流有效值/故障前线路电流有效值。

可控硅的触发脉冲是以同步信号的过零点为基准的。系统故障或大扰动时,在直流分量和谐波分量的影响下,同步信号(线路电流或电容电压)的过零点会发生较大偏移,导致按正常方式触发的TCSC装置失去控制,不但严重威胁TCSC装置(串补电容过电压,可控硅过电流),还可能对故障系统产生更为不利的影响。

如图3所示,发生故障后,线路电流中有较大的直流分量,常规方式(触发角为152°)时TCSC失去控制,使TCSC进入高补偿谐振区(先为容性,后为感性)。串补电容电压最大峰值为241V,是正常运行时的18.54倍;可控硅电流最大峰值为58A,是正常运行时的58倍。此时的TCSC无法对系统的暂稳控制起到有益作用。

图5为系统发生故障后,在硬件方式下,TCSC由容抗调节模式转入bypass模式(可控硅连续触发)时的波形。由图5可见,硬件方式与常规方式相比,过渡过程快速、平滑。串补电容电压最大峰值为29.3V,是正常运行时(13V)的2.25倍;可控硅电流最大峰值为8.7A,是正常运行时的8.7倍。硬件方式完全满足电容器暂态过载能力的要求。

大量动模试验结果表明,在系统发生故障或大扰动时,常规调节方式(低补偿或高补偿)均可能导致TCSC不同程度的失控,对系统的暂稳控制带来不利影响;而硬件方式下的block与bypass状态却能保持稳定可靠运行。

2 结束语

(1)主动过电压保护是一种新型的过电压保护方法,可以“主动地”干预过电压保护进程,在提高自身安全水平的同时也减轻了保护设备的负担。

(2)如果故障前TCSC工作于高补偿区(如α=152°),且发生故障时,不采取保护措施,那么将引发TCSC长时间稳定的谐振,并可能自行进入感性区,对系统稳定极为不利。

(3)故障发生时刻对TCSC过电压幅值及持续时间影响较大。

(4)硬件bypass模式是TCSC重要的运行模式,不论故障前TCSC运行于何种状态,在系统短路期间均可有效地抑制串补电容两端的过电压,减小短路电流。它是TC-SC主动过电压保护的有效控制模式。

(5)可控硅的开通有利于抑制电容器上的直流分量。

可控串补 篇3

可控串补 (TCSC) 是一种重要的柔性交流输电系统 (FACTS) 装置, 加装在长距离高压输电线路中可起到灵活调节系统潮流、提高系统暂态稳定极限、增强系统阻尼、消除次同步谐振等作用。TCSCDE的阻抗控制是整个串补装置成功与否的关键, 而传统的PID控制是最为常用的阻抗控制方法[1]。但该方法阻抗响应时间长、稳态误差大, 在整个阻抗区间内的鲁棒性较差[2]。因此, 引进新的控制方法实现TCSC阻抗控制十分必要*。

专家神经网络PID控制器同时具有神经网络PID控制器的精度高、稳定性好、鲁棒性强和专家控制器进入稳定状态快的优点, 本文通过仿真验证了其在TCSC阻抗控制方面的优势。

2 传统PID阻抗控制

2.1 阻抗控制原理

TCSC装置的主要任务之一是控制基频阻抗。阻抗控制的目的是:给出参考阻抗作为控制器的参考信号, 控制器对TCSC的实际阻抗进行控制并使之保持在参考值上[3]。常用的阻抗控制有开环和闭环两种形式, 由于开环控制精度差、响应时间长, 实际工程中TCSC大都通过闭环控制实现阻抗调节, 原理如图1所示。

图中xref表示参考阻抗, x为计算得到的实际TCSC基频阻抗, x (α) 为某种控制策略, 常以查表法实现。为了提高控制响应速度, 通过x (α) 预先得到一个触发角的预测值α。触发脉冲发生器根据触发角和同步触发方式产生触发脉冲, 触发晶闸管得到TCSC基频阻抗x。闭环控制回路比较x和xref, 通过适当的控制器 (如PID控制器) 输出触发控制角校正信号Δα, 以消除误差并改善动态响应, 使x精确跟踪参考阻抗xref。

2.2 传统PID控制器[4]

由于稳态基频阻抗与触发角关系的非线性, 理论上采用某种非线性控制方法才能取得最佳效果, 但大部分非线性控制方法计算复杂、数据多、周期长, 目前工程上多采用传统PID控制器。其控制规律表达式为:

式中:Kp———比例系数;τI———积分时间常数;τD———微分时间常数。具体实现时先将式 (1) 离散化处理为:

式中:KI=KI/τI;KD=KPτD;T———采样周期;k———采样序号;e (k) 和e (k-1) ———第k时刻和第k-1时刻的偏差信号。

2.3 阻抗跟踪性能

在TCSC阻抗控制中, 为了适应快速阻抗调整要求, 往往要求TCSC实际阻抗快速跟踪参考阻抗的变化, 然而传统PID控制器却往往满足不了这样的控制要求。TCSC基频阻抗跟踪参考阻抗曲线的实验结果如图2所示。

图2中, 实线和虚线分别指示参考阻抗和实际阻抗的变化。可以看出, PID参数不变, 当参考阻抗从4Ψ变为8Ψ时, 跟踪效果较好;当参考阻抗从4Ψ变为10Ψ时, 效果较差。由此可知, 参考阻抗变化时, 根据参考阻抗的大小和变化率调整PID参数是很必要的。

3 专家神经网络PID控制器

3.1 神经网络PID控制器

神经网络PID控制器的作用是根据输入值在线调整PID控制器的参数, 其输入为参考阻抗xref和测量阻抗x比较得到的误差e (k) 和误差变化率Δe (k) , 输出为PID控制器的三个参数KP、KI、KD[5]。结构如图3所示。

神经网络采用三层结构的BP模型, 三层结构为:输入层、输出层、隐含层。网络特性函数采用Sigmoid函数, 即:

本文通过对TCSC传统PID阻抗控制器进行大量仿真分析, 取得20组训练样本。训练时采用了误差逆向传播算法, 基本思路是:给定输入, 通过网络特性函数计算输出, 与预先设定值比较得到误差, 将误差逆向传播, 调整连接权值, 最终使输出层的误差符合要求的最小值 (10-3) 。

3.2 专家控制原理

神经网络PID控制器结构简单、计算方便、鲁棒性好, 由于TCSC阻抗控制的非线性, 控制过程常出现超调和振荡, 因此这里将专家系统控制和神经网络PID控制相结合, 发挥各自的优点[6]。

专家控制器由一系列if-then语句组成, 以实现专家判断功能, 其if-then语句初步设计为以下几种:

(1) 当e (k) >M1时, 说明误差超出极限值, 控制器直接输出最大 (小) 值, 使误差迅速减小。

(2) 当e (k) Δe (k) ≥0时, 说明误差与其变化率符号相同, 绝对值有增大趋势, 应根据误差的大小实施响应的控制, 如本文中的控制为:

(3) 当e (k) Δe (k) <0时, 说明误差正在减小, 可使控制器输出为常数 (依仿真结果确定) 。

(4) 当e (k) ≤ε时, 说明已达到稳定状态, 此时考虑加入积分作用, 以减小稳态误差。

其中, e (k) 为第k个误差值;Δe (k) 为第k个误差变化率;u (k-1) 为控制器的第k-1次输出;k1为一大于1的常数 (代表增大) ;k2为一小于1的正数 (代表抑制作用) ;M1、M2为误差上下限, M1>M2;ε理论上为任意小的正整数, 在此取0.01;em (k) 为第k个误差极限值。

3.3 专家神经网络PID控制器的实现

根据所采用的专家控制和神经网络PID控制方法的基本原理构建控制系统的基本结构如图4所示[7]。

给定参考阻抗, 将TCSC测量基频阻抗与设定值比较, 得到误差e (k) , 此时模式选择开关根据误差绝对值e (k) 以及误差与其变化量的乘积e (k) Δe (k) 值的大小, 在专家控制状态和神经网络PID控制状态间切换。具体切换过程是:当e (k) >M1时, 应用专家控制器的规则 (1) ;当e (k) Δe (k) <0且e (k) Δe (k-1) >0或e (k) =0时, 应用专家控制器规则 (3) ;其余情况应用神经网络对PID控制器的KP、KI、KD进行调节, 以改善控制器的响应。这种控制模式可以根据e (k) 和Δe (k) 的实时值, 对控制过程作用大小进行灵活调节, 既兼顾了专家控制速度快的特点, 又具有神经网络PID控制精度高、稳定性好的优点。

4 仿真研究与结果

TCSC阻抗控制属于底层控制, 故采用静态模型, 线路电流作为同步控制信号。仿真模型接线如图5所示。

在Matlab/smulink环境下建立此仿真模型, 交流电压源幅值为100V, 线路等效电阻R1=20Ψ, 线路电感L2=125mH, C=668μF, 电感L1=2.75mH, 电阻R=0.086 9Ψ, 一倍基频阻抗X=4.052 1Ψ, 阻抗调节范围最大值为4X=16.208 4Ψ。神经网络PID控制器中KP、KI、KD取值范围分别为0.12~0.4, 1.4~2.3, 1.3~2.7。

TCSC专家神经网络PID阻抗控制方法的仿真结果如图6、图7所示, 其中曲线1、2、3分别表示参考阻抗、传统PID控制测量阻抗、专家神经网络PID控制测量阻抗。

由图中对比可见, 专家神经网络PID控制无论在参考阻抗从低向高阶跃时, 还是在从高向低阶跃时, 均表现出较好的跟踪性, 其快速性和鲁棒性均优于传统PID控制。

5 结论

本文分析了TCSC阻抗控制中常采用的传统PID控制器的阻抗响应时间长、稳态误差大的缺点, 提出了专家神经网络PID阻抗控制方法。通过仿真, 验证了专家神经网络PID控制器能提高TCSC阻抗跟踪性能, 而且具有控制精度、稳定性、鲁棒性高和进入稳定状态快的特点。此方法对工程中TC-SC装置控制系统的设计有一定借鉴意义。

摘要:PID控制是可控串补 (TCSC) 装置最为常用的阻抗控制方法。因参数不能在线调整, 其在参考阻抗从同一阻抗阶跃到不同阻抗时表现出不良的鲁棒性。引入了专家神经网络PID控制器, 这种控制器既具有神经网络PID控制器高精度、稳定性、鲁棒性高的优点, 又具有专家控制器进入稳态快的特点。通过与传统PID控制的仿真结果比较, 表明该方法具有较好的鲁棒性, 适用于不同的参考阻抗, 具有较强的实用性。

关键词:可控串联补偿,阻抗控制,神经网络PID控制,专家控制

参考文献

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[5]仇俊杰, 王文海.典型大时变时滞系统神经网络模糊PID控制及应用[J].化工自动化及仪表, 2002, 29 (4) :30-33.

[6]张弘.大滞后系统控制中专家模糊PID方法的应用[J].计算机工程与应用, 2009, 45 (28) :244-249.

可控串补 篇4

关键词:可控串联补偿(TCSC),动模实验,模式切换,同向触发

0 引言

可控串联补偿(TCSC)是目前世界上应用最广泛、最成功的串联型灵活交流输电(FACTS)技术,它通过改变晶闸管的触发角来改变整个装置的阻抗。TCSC既可以平滑地调节阻抗,也可以在容性和感性状态之间快速切换,这在电力系统稳定控制中具有重要意义[1,2,3,4,5,6,7,8],而模式切换策略是具有上述优点的关键。由于模式切换是在两种运行模式之间切换,而且大都是系统出现较大扰动时为保持系统稳定发出的,所以暂态过程剧烈,有可能与系统的扰动互相激励,反而使系统更容易失去稳定。因此模式切换控制不仅要求迅速和准确可靠,而且要尽可能使其动态过程平缓。

动态模拟实验研究是电力系统研究的基本手段之一,它区别于数值计算和数字仿真的特点就在于能够反映系统真实的物理特性。TCSC实验装置可以在一定程度上真实地反映实际装置的物理特性,同时又不像现场试验那样受到系统运行条件的约束[9,10,11,12]。控制系统是TCSC装置的关键,其性能的优劣直接关系到整个系统的运行效果,而实验装置的控制器可以和实际工程的控制器完全一样,利用各种控制理论设计的TCSC控制装置可以在实验室首先进行试验,其结果可直接为工程服务。因此,以动模实验装置为平台开展对TCSC控制策略的研究具有重要的理论和实际意义。

TCSC共有四种运行模式:容性微调、感性微调、Block和Bypass,理论上有12种模式切换。但由于感性微调模式,电容器电压和电流的波形畸变比较严重,谐波分量较大,对系统安全和经济运行不利,所以实际工程中一般不采用感性微调模式。目前已投运的TCSC大都运行在上述前三种工作模式中,所以通常讨论6种模式切换可以了。传统上将由Block模式切换到容性微调模式归为阻抗控制范畴[12,13,14];Bypass模式切换到容性微调模式在线路电流同步下可以直接进行,Bypass模式切换Block模式,可通过先进入容性微调模式然后调节触发角进入Block模式即可。

本文基于TCSC动模实验装置平台,研究容性微调模式到Block以及从容性微调模式或Block模式到Bypass模式的切换控制策略,为TCSC工程的实际运行提供参考和技术支持。

1 TCSC动模实验装置

TCSC实验装置由控制柜和三个单相装置共4个机柜组成,如图1所示。单相装置包括主电路、保护电路和测试系统的传感器。控制柜内装设测试单元和控制单元,包括数据采集、数据处理、控制信号接口、工业控制计算机等。配置工业控制计算机是为了方便实验研究,允许实验人员根据自己的研究植入不同的控制方法和控制规律[13]。

根据动模系统的线路参数以及模拟线路长度的不同,TCSC实验装置主电路方案采用电容器分组并联、电抗器分抽头的组合方式,使得三种组合分别对应600 km、400 km、300 km线路长度,每种组合保证相应线路长度的可控串补范围基本相同,主电路结构示意图如图2所示,电容组和电抗器在每种组合情况下,TCSC为三种线路长度提供的基本串补度为25%左右,可控串补范围为25%~75%左右。

2 TCSC简单模式切换

TCSC动模实验系统接线如图3所示,激励电压为35 V,线路感抗为XL=37.5Ω(112 m H),TCSC模块中,C=340μF,L=5.5 m H,晶闸管支路等效品质因数约等于10。

图4是线路电流同步方式下触发角指令为α=20°时的实验结果。

TCSC初始运行模式为Block模式。理论上,α=20°应该位于TCSC的感性区,电容电压相位超前线路电流,TCSC呈现感性阻抗。但是由于晶闸管导通特性和电抗器支路等效电阻的影响,可以看到图4显示的实际触发角(相对于电容电压过零点)约为144°,此时电容电压相位滞后线路电流,相位差小于90°,TCSC仍然位于容性运行微调范围之内,模式切换失败。所以在进行模式切换时,不能通过简单的改变触发角,而必须通过一定的控制策略来实现。

3 TCSC模式切换控制策略

3.1 从容性微调模式切换到Block模式

线路电流同步时当TCSC从容性微调模式(触发角为58°)直接切换到Block模式的动模实验结果如图5所示,Iline、Ucapa、IIa和Za分别代表线路电流、电容电压、A相晶闸管导通电流和基频阻抗,下同。

由于高倍阻抗对应的电容器电压较高,电容器储存的能量也较高,而Block对应的电容器电压较低,储存的能量也较低,因此在切换过程中,这个能量必须经过某个回路释放掉。如果直接Block,那么电抗器支路完全断开,电容器通过外电路放电,使线路电流在最初几个周波产生明显的偏移,而电容器电压则产生很大的畸变,对整个系统不利。

为了避免上述情况发生,可以让TCSC先从高倍阻抗过渡到低倍阻抗,然后再Block,这样可使电容器的能量先通过电抗器支路放电,在TCSC内部形成环流,减少了对外电路的影响。这种切换策略的实验波形如图6所示。由图6可以看出,整个切换过程中,线路电流几乎没有发生明显的变化,电容器电压也平稳地过渡到低电压水平,取得了很好的效果。如果从低倍阻抗要求Block,则可以直接切换,因为此时电容器的能量较小,放电过程不明显,对系统的影响很小。

3.2 容性区切换到Bypass模式

3.2.1 品质因数对硬件旁路切换的影响

电抗器支路的等效品质因数Q为电抗器感抗与电抗器所带电阻和晶闸管导通时等效电阻之和的比值:

目前比较认可的从其他模式切换到Bypass模式的方法是通过硬件旁路的办法,使正反向晶闸管连续不停地导通来实现。图7给出了不同品质因数下的切换过程仿真波形。

从图7可以看出,随着品质因数的逐渐增大,硬件旁路方法的切换效果也越来越差,直至不能实现切换。

3.2.2 改进TCSC主回路接线方式的方法

较低的品质因数可以有利于实现切换。而工程实际中电抗器支路的品质因数都比较高,为此这里提出一种新方法:在电抗器支路中增加一个小电阻,用晶闸管进行投切,正常运行时不投入小电阻,当模式切换时投入小电阻,这样就可以在短时间内降低电抗器支路的品质因数。这时就可以应用简单的硬件旁路方法进行模式切换,该方法的接线图如图8所示。

在实际的TCSC的工程中,都是采用十几个或二十几个晶闸管串联的方式来解决耐压问题。图8中在电抗器支路串加了一个小电阻,加上电抗器原来所具有的电阻和晶闸管导通时的等效电阻,使整个电抗器支路的等效品质因数在10左右。为了能够快速投切该电阻,可在小电阻的两端并联一对晶闸管。这样当TCSC正常运行时,这一对晶闸管和其他对晶闸管同步导通,小电阻被短路,整个导通特性和原来一致。当要求Bypass时,断开这一对晶闸管,只对其他晶闸管进行控制,此时这一对晶闸管两端的电压就等于小电阻的导通电压。

采用此接线方式时使用硬件旁路办法实现由Block模式到Bypass模式的切换时的实验波形如图9所示。由图9可以看出,本方法很好地实现了模式切换。

本方法的优点是简单可靠,并且可以避免由于晶闸管的短时关断带来的电容电压回升。但是该方法增加了一对晶闸管和一个小电阻。更需要指出的是,该方法在简化控制环节的同时,需要分别触发原来的晶闸管串和并联在小电阻两端的晶闸管对,给触发环节带来难度。在实际应用中的关键是小电阻值的选取及晶闸管对的可靠触发。

3.2.3 线路电流同向触发的切换方法

Bypass模式时整个TCSC近似为纯感性,晶闸管支路也近似为纯感性,此时晶闸管支路电流与线路电流应该同相位。基于这一前提,提出了与线路电流同向时触发的方法,即当线路电流正向时只触发正向晶闸管,而电流反向时只触发反向晶闸管。显然,当线路电流为正向时电容电压不一定是正向,这时即使发出正向触发脉冲,晶闸管也不能导通,反向亦然。因此当线路电流和电容电压反向时没有触发脉冲,这时晶闸管不导通,这有利于通过外电路释放电容上储存的能量,有利于切换,而线路电流和电容电压同向时晶闸管导通。这样经过几个工频周期,晶闸管导通时间所占的比例越来越大,最终连续导通,从而实现顺利切换。

采用线路电流同向触发的方法,TCSC分别从Block模式和容性微调模式(触发角为58°)切换到Bypass运行状态时的响应特性曲线如图10和图11所示。

图10和图11可见,线路电流1~2个工频周期即可进入稳态波形,电容电压波形和晶闸管电流波形经过大约5个工频周期进入稳态,基频阻抗曲线响应迅速且无超调发生。

当TCSC系统从TCSC从Bypass模式切换到容性微调模式(触发角为58°)的响应特性曲线如图12所示。由图可知由感性区转换为容性微调区(触发角为58°)时,系统的暂态特性和以电容电压为同步信号时大不相同。TCSC只需经过几个工频周期就进入稳态,且不会产生振荡和超调。

TCSC模式切换通常在电力系统出现大的扰动(如短路故障)时为保持系统稳定而进行的,此时线路电流、电容电压等暂态波形变化剧烈,准确把握两者同向的时段并在该区间内触发导通晶闸管是该方法在工程中应用的关键。

4 结论

可控串补 篇5

关键词:可控串补装置,阻抗控制,神经网络PID控制

0 引言

可控串补(TCSC)是一种重要的柔性交流输电系统(FACTS)装置,加装在长距离高压输电线路中可起到灵活调节系统潮流、提高系统暂态稳定极限、增强系统阻尼、消除次同步谐振等作用。

TCSC的阻抗控制是整个串补装置成功与否的关键,而传统的PID控制是最为常用的阻抗控制方法[1]。传统的PID控制方法具有阻抗响应时间长、稳态误差大的缺点。究其原因,是其参数不能自整定,参考阻抗的大小对PID控制性能影响很大,即在一定的参考阻抗范围内,可取得理想的控制效果,而在整个阻抗区间内的鲁棒性却较差[2]。因此,引进新的控制方法实现TCSC阻抗控制十分必要。

参考文献[2]采用自适应神经元对PID参数进行在线调整,动态响应过程良好,但进入稳态速度却比较慢。参考文献[3]采用模糊自适应整定PID阻抗控制器,也克服了传统PID控制的不足,但依赖于设计TCSC装置的经验。专家神经网络PID控制器同时具有神经网络PID控制器的精度高、稳定性好、鲁棒性强和专家控制器进入稳定状态快的优点,本文通过仿真验证了其在TCSC阻抗控制方面的优势。

1 传统PID阻抗控制

1.1 阻抗控制原理

TCSC装置的主要任务之一是控制基频阻抗。阻抗控制的目的是:给出参考阻抗作为控制器的参考信号,控制器对TCSC的实际阻抗进行控制并使之保持在参考值上。常用的阻抗控制有开环和闭环两种形式,由于开环控制精度差,响应时间长,实际工程中TCSC大都通过闭环控制实现阻抗调节,原理图如图1所示[4]。

Xref表示参考阻抗,X为计算得到的实际TCSC基频阻抗,X(α)为某种控制策略,常以查表法实现。为了提高控制响应速度,通过X(α)预先得到一个触发角的预测值α。触发脉冲发生器根据触发角和同步触发方式产生触发脉冲,触发晶闸管得到TCSC基频阻抗X。闭环控制回路比较X和Xref,通过适当的控制器(如PID控制器)输出触发控制角校正信号Δα,以消除误差并改善动态响应,使X精确跟踪参考阻抗Xref。

1.2 传统PID控制器

由于稳态基频阻抗与触发角关系的非线性,理论上采用某种非线性控制方法才能取得最佳效果,但大部分非线性控制方法计算复杂、数据多、周期长,目前工程上多采用传统PID控制器。其控制规律表达式为:

式中KP为比例系数,τI积分时间常数,τD为微分时间常数。具体实现时先将(1)式离散化处理为:

式中KI=KP/τI,KD=KP/τD,T为采样周期,k为采样序号,e(k)和e(k-1)分别为第k时刻和第(k-1)时刻的偏差信号。

1.3 阻抗跟踪性能

在TCSC阻抗控制中,为了适应快速阻抗调整要求,往往要求TCSC实际阻抗快速跟踪参考阻抗的变化,然而传统PID控制器却往往满足不了这样的控制要求。TCSC基频阻抗跟踪参考阻抗曲线的实验结果如图2所示。图中,黑线和浅线分别指示参考阻抗和实际阻抗的变化。可以看出,PID参数不变,当参考阻抗从4Ω变为8Ω时,跟踪效果较好;当参考阻抗从4Ω变为10Ω时,效果较差。由此可知,参考阻抗变化时,根据参考阻抗的大小和变化率调整PID参数是很必要的。

2 专家神经网络PID控制器

2.1 神经网络PID控制器

神经网络PID控制器的作用是根据输入值在线调整PID控制器的参数,其输入为参考阻抗Xr e f和测量阻抗X比较得到的误差e(k)和误差变化率Δe(k),输出为PID控制器的3个参数KP、KI、KD。结构如图3所示[5]。

神经网络采用3层结构的BP模型,3层结构为:输入层、输出层、隐含层。理论上已经证实,在网络隐含层节点根据需要设定的前提下,3层前向神经网络可以实现以任意精度逼近任意连续函数的功能[6]。隐含层神经元个数采用公式(3)确定:

其中,Ni为输入层神经元数;Nh为隐含层神经元数;No为输出层神经元数;r为0~10间的整数。网络特性函数采用Sigmoid函数,即:

本文通过对TCSC传统PID阻抗控制器进行大量仿真分析,取得20组训练样本。训练时采用了误差逆向传播算法,基本思路是:给定输入,通过网络特性函数计算输出,与预先设定值比较得到误差,将误差逆向传播,调整连接权值,最终使输出层的误差符合要求的最小值(10-3)。

2.2 专家控制原理

神经网络PID控制器结构简单、计算方便、鲁棒性好,由于TCSC阻抗控制的非线性,控制过程常出现超调和振荡,因此这里将专家系统控制和神经网络PID控制相结合,发挥各自的优点[7]。

专家控制器主要有专家判断组成,程序中主要表现为if-then语句,可根据以下5种情况进行设计:

(1)当│e(k)│>M1时,说明误差已经很大,控制器输出应按最大(小)输出,以迅速调整误差,使误差绝对值以最大速度减小。

(2)当e(k)Δe(k)≥0时,说明误差正朝绝对值增大方向变化,或者误差为某一常值;此时,如果│e(k)│≥M2,说明误差也较大,可考虑实施较强的控制作用,以达到使误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差的绝对值,控制器输出为:

(3)当e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0,说明误差绝对值朝减小方向变化,或已达到平衡状态,可考虑保持控制器输出不变。

(4)当e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)<0时,说明误差处于极值状态,如果此时误差绝对值较大,即│e(k)│≥M2,可实施较强的控制作用:

如果│e(k)│

(5)当│e(k)│≤ε时,说明误差绝对值很小,此时加入积分,也可适当加入微分作用,减小稳态误差。

e(k)为误差的第k个值;Δe(k)为误差的第k个变化值;u(k-1)为第k-1次控制器的输出;k1为增益放大系数,k1>1;k2为抑制系数,0M2;ε为任意小的正整数;em(k)为误差e的第k个极限值。

2.3 专家神经网络PID控制器的实现

根据所采用的专家控制和神经网络PID控制方法的基本原理,构建控制系统的基本结构见图4。

给定参考阻抗,将T C S C测量基频阻抗与设定值比较,得到误差e(k),此时模式选择开关根据误差绝对值│e(k)│以及误差与其变化量的乘积e(k)Δe(k)值的大小,在专家控制状态和神经网络PID控制状态间切换。具体切换过程是:当│e(k)│>M1时,应用专家控制器的规则1;当e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)>0或e(k)=0时,应用专家控制器规则3;其余情况应用神经网络对PID控制器的KP、KI、KD进行调节,以改善控制器的响应。这种控制模式可以根据e(k)和Δe(k)的实时值,对控制过程作用大小进行灵活调节,既兼顾了专家控制速度快的特点,又具有神经网络PID控制精度高、稳定性好的优点。

3 仿真研究与结果

TCSC阻抗控制属于底层控制,故采用静态模型,线路电流作为同步控制信号,仿真模型见图5[8,9]。

在Matlab/Simulink环境下建立此仿真模型,交流电压源幅值为100 V,线路等效电阻R1=20Ω,线路电感L2=125 mH,C=668μF,电感L1=2.75 mH,电阻R=0.086 9Ω,一倍基频阻抗X=4.052 1Ω,阻抗调节范围最大值为4X=16.208 4Ω。神经网络PID控制器中KP、KI、KD取值范围分别为0.12~0.4、1.4~2.3、1.3~2.7。

TCSC专家神经网络PID阻抗控制方法的仿真结果如图6、图7所示,其中曲线1、2、3分别表示参考阻抗、传统PID控制测量阻抗、专家神经网络PID控制测量阻抗。由图中对比可见,专家神经网络PID控制无论在参考阻抗从低向高阶跃时,还是在从高向低阶跃时,均表现出较好的跟踪性,其快速性和鲁棒性均优于传统PID控制。

4 结语

本文分析了TCSC阻抗控制中常采用的传统PID控制器的阻抗响应时间长、稳态误差大的缺点,提出了专家神经网络PID阻抗控制方法。通过仿真验证了专家神经网络PID控制器能提高TCSC阻抗跟踪性能,而且具有控制精度高、稳定性好、鲁棒性强和进入稳定状态快的特点。此方法对工程中TCSC装置控制系统的设计有一定借鉴意义。

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可控串补 篇6

随着电网的日益扩大,大容量机组在电网中的不断投运,以及快速励磁系统的普遍使用,低频振荡现象在大型互联电网中时有发生,它已成为威胁电网安全的重要问题。传统的单机无穷大系统模型[1]已不能模拟大电网的动态特性,当研究各种控制手段对大电网低频振荡的抑制时,需要引入多机系统模型进行分析。

传统的基于本地信号实现的阻尼手段如电力系统稳定器(Power System Stabilizer,PSS)可以很好地阻尼本地模式的振荡[2],而对于区域间振荡的阻尼效果并不明显,而且需要调整多个PSS参数[3]。

而TCSC通过快速、连续调节线路电抗,及时调整联络线功率以适应负荷的变化,从而抑制了由于负荷波动造成的联络线功率波动,通过选择合适的控制规律,更有效地阻尼联络线功率振荡[4]。

文献[5,6]将阻尼转矩和同步转矩的概念延伸到具有FACTS器件的电力系统模型中,并提出了阻尼转矩和特征值之间的定量关系,使得控制器参数、阻尼转矩以及特征值的关系更加明确和定量化。基于此,本文在含TCSC的多机系统线性化方程的基础上,通过找出参与系统振荡的主导模式,利用相位补偿法[6]进行TCSC提供的附加转矩分析及控制器参数整定,整定参数后的TCSC可有效提高多机系统的阻尼水平。

1 TCSC的阻尼控制器模型的引入

对于现代自动电压调节器来说,因其放大倍数高且反应灵敏,因此对因功角∆δ变化引起△Ut的微小变化进行调节,∆Ut经过自动电压调节器与励磁绕组的惯性环节后,其励磁输出电流所产生的转矩△Me2相对于输入信号∆δ必然有一定的延时,正是这种延时,使得电压调节器产生的附加转矩∆Me2滞后于转子角的摇摆。于是,自动电压调节器对电力系统产生了负阻尼[7]。

当出现振荡时,可以通过减少输送容量、增加网架,或者退出快速励磁系统,改用手动或常规励磁调节器来处理。但前者不经济,后者不利于大扰动下的暂态稳定,因此最根本的方法是引入1个附加转矩,使之成为1个较强的正阻尼转矩。

如果让TCSC产生1个足够大的纯粹的正阻尼转矩△Me1,则△Me1与励磁调节器产生的滞后转矩△Me2的合成转矩就位于第一象限,因此它的2个分量(同步及阻尼转矩)都是正的。这就是相位补偿的概念。相位补偿可以通过控制理论中的超前-滞后网络来实现。TCSC的相位补偿环节由隔直环节与超前滞后环节构成:

式中:Tw为隔直环节(滤波器)的时间常数,通常在10~20 s之间;Kp为滤波器的增益;T1、T2为超前滞后环节的时间常数。

将式(1)所示的传递函数作为TCSC的附加阻尼控制环节,叠加到TCSC主控制回路中,得到了TCSC完成的稳定控制结构图(见图1)。

由图1可知,阻尼控制器的输出信号XC由2部分组成:TCSC的阻抗参考值XTCSC0与偏差信号∆XC。惯性环节增益KC一般取5~10,时间常数TC一般很小,通常取15~20 ms。在此阻尼传递函数中,只有Kp、T1和T2是待设计的参数。基于本文研究TCSC对多机系统区域间模式的抑制,故选择联络线两侧系统的频率差值作为控制器输入信号。

TCSC提供的附加转矩如下:

式中

与单机无穷大系统类似[1],TCSC控制器参数同样可以按照如下方法整定(s=jωn)。

由式(3)算出两级超前滞后环节的角度φ,每级补偿φ/2,则由超前环节基本公式可得其参数:a=(1+sinφ/2)/(1-sinφ/2);。

假设加入TCSC阻尼控制器后,转子振荡的阻尼比为ξx(0.1~0.3)

由式(4)可以求出阻尼控制器的增益Kp。

多机电力系统中,TCSC的阻尼效果体现在系统主导振荡模式阻尼水平的提高,而不是TCSC稳定器向系统中单台发电机提供多少的阻尼转矩。因为若该台发电机不参与振荡,稳定器向它提供再多的阻尼转矩也无助于振荡的有效抑制。因此TCSC稳定器向系统中发电机提供的阻尼转矩与发电机参与系统振荡的程度有关,它可以用特征根灵敏度参数来衡量,进而获得灵敏度最大的特征根,即参与系统振荡最强的特征根。

通过此特征根求出无阻尼自然振荡角频率ωn,代入TCSC整定公式即可完成TCSC参数整定。下一节将分析多机系统的线性化方程,为特征根灵敏度分析提供理论依据。

2 含TCSC的多机系统线性化方程

在安装有TCSC的多机系统的扩展PhillipsHeffron模型的基础上[5],以第i台发电机为例,推导了发电机及其励磁系统的线性化方程:

式中:TJ、D0、δ、ω0、T'd0、T'ai、Kai分别代表第i台发电机机械惯性时间常数、阻尼系数、绝对功角、同步参考电角速度、励磁绕组时间常数、励磁绕组定子开路的时间常数及励磁绕组增益。其他参数的意义见文献[5]。

由第1节TCSC的稳定器模型可得到TCSC的传递函数框图模型,如图2所示,进而获得TCSC的状态方程式(式(6)):

联立(5)、(6)2方程组,并化简成标准形式X=A∆X,可构成完整的多机系统状态方程组。

通过特征根灵敏度计算得到TCSC参数(例如惯性环节的放大系数)对特征根的影响,通过比较计算结果,可以确定哪一台或哪几台机组的影响最大,为TCSC参数整定提供依据。

3 多机系统中利用相位补偿法整定TCSC稳定器参数的具体步骤

(1)通过潮流计算获得系统运行工况,并计算各代数量和状态量初值。

(2)列出多机系统在工作点处的线性化模型,并化简为标准形式。

(3)用MATLAB计算特征根λi(i=1,2,…,N)及其特征向量vi、ui。

(4)将特征根中属于机电模式的根λi取出,计算其与各状态量Xk(k=1,2,…,N)的相关因子pki。

(5)通过对特征根灵敏度∂λi/∂α的分析,找出λi与TCSC的相依关系,提取出灵敏度最大的特征根λi=σ+jωd,通过此特征根求出转子无阻尼自然振荡角频率ωn(ωn=sqrt(σ2+ωd2)。将TCSC参数整定公式(3)中的s用jωn代替,从而求出参数T1、T2,再根据阻尼比目标值ξ求出阻尼控制器中放大环节的增益kp。即可完成多机系统TCSC的参数整定。

4 算例分析

4.1 时域仿真中TCSC的处理方法

将可控串补模型式(6)移植到电力系统机电暂态数学仿真程序中,可以模拟可控串补的动态过程。串补支路与一般的线路类似,但是它的等值电抗是随着某种控制规律而不断变化的,因此,在电力系统暂态稳定分析的每一步迭代过程中,联立解微分方程和代数方程得到串补支路电抗,然后修改导纳矩阵中相应节点的元素以反映可控串补的调节对系统的影响,即修改导纳矩阵的方法。

4.2 算例仿真

采用IEEE5节点系统模拟TCSC阻尼多机系统频率振荡的控制过程,系统网络结构图如图3所示(发电机2为平衡节点),2台发电机(汽轮机)的暂态参数分别是Xd=1.312 5/0.895 8;Xdz=0.181 3/0.1198;Xq=1.257 8/0.864 5,其他参数是一致的(TJ=6.02;D=1;Td0=5.89)。汽轮机调速器参数Tch=0.05,T;=0.05,Kdelt,=20;2台发电机都采用快速励磁系统(励磁参数Ta=0.1,Ka=50)。TCSC的初始电容值为零。

由于只有2台发电机,所以由机电模式决定的特征根为4个。因K1=[6.382 6 2.005 7],由此系数计算出的无阻尼自然振荡角频率分别是ωn=[18.24610.228]。设TCSC初始参数为Kp=1;Tw=20;T1=0.5;T2=2.1;Kc=4;Tc=0.05),机电模式决定的特征根如表1所示,此时未整定TCSC参数。

需要考虑特征根对参数变化的灵敏度,从而提供TCSC整定的信息,选择对TCSC参数变化灵敏度最高的振荡模式来参与TCSC阻尼控制器的整定。一般选择TCSC惯性环节的放大倍数Kp来计算特征根对其变化的灵敏度,求取原A矩阵对参数KF的偏导数,根据特征根灵敏度公式,分别求取λ1及λ3对参数Kp的灵敏度,计算得到灵敏度值分别为0.001 688 3和0.003 202 8。故选择3号特征值参与TCSC阻尼控制器的整定。

根据λ3=-0.625 6+11.304 9及阻尼比0.055 254,计算得到无阻尼自然振荡角频率ωn=11.322 2。计算出无阻尼自然振荡角频率后,将其带入TCSC整定公式,作后续计算,计算过程与单机无穷大系统[1]类似,在此不再赘述。加入TCSC后,期望系统的阻尼比达到0.3,不进行完全相位补偿,考虑20°的补偿裕度,计算得到TCSC整定后的参数如下:Kp=42.261,T1=0.099 4,T2=0.086 3,其他参数取典型值(Tw=20,KC=4,Tc=0.05)。整定TCSC参数后,A矩阵后的特征根(机电振荡模式)如表2所示。

在表2中,机电模式阻尼比由原来的0.032 628和0.055 254上升到0.203 7和0.196 0,由此验证了TCSC提高多机系统阻尼水平的效果。

为与TCSC的阻尼效果相比较,算例特别引入了PSS的阻尼控制。PSS的阻尼控制部分与TCSC具有相同的结构7-9]。同样设加入PSS后能给系统提供0.3的阻尼比,整定后的PSS参数如下:Kp=3.493,Tw=3,T1=0.383 8,T2=0.007 4。

下面利用时域仿真的方法进一步验证TCSC的阻尼效果。设2 s时,将节点3处。负荷消耗的有功功率由3.7 p.u.上升到4.4 p.u.,过10 s后,将发电机1的参考开度上升0.5。2台发电机的转速、相对功角及联络线的变化曲线如图4-7所示。

由图4~7仿真结果可见,在没有TCSC阻尼控制时,由于波动较大,2台发电机的频率、相对功角及联络线功率已经振荡发散,并造成频率崩溃。

加装PSS后,整个系统的阻尼特性有一些好转,由于PSS给区域间模式提供的间接阻尼较小,PSS已无法抵消磁链与转子角增量之间的相位滞后,系统频率及联络线功率均已振荡发散,作增幅振荡。

在区域联络线上安装TCSC阻尼控制器后,TCSC通过给发电机提供纯的正阻尼转矩,使系统的阻尼特性有了明显的好转,从另外1个角度来看,TCSC是通过灵活控制联络线功率来控制低频振荡,在配合发电机自我调节的过程中,其频率、相对功角、联络线功率在很短的时间内迅速稳定下来。

5 结论

本文通过特征根灵敏度分析,提取了参与系统振荡程度最大的特征根,即找出了参与系统振荡的主导模式,根据特征根、TCSC控制器参数及附加转矩的关系,将系统主导模式的振荡频率带入附加转矩公式,利用相位补偿法完成TCSC控制器参数整定,整定后的TCSC稳定器将有效提高主导振荡模式的阻尼水平,从而改善多机系统的阻尼特性。

摘要:在多机系统中,TCSC稳定器的阻尼作用在于提升系统主导振荡模式的阻尼水平。文中在合有TCSC稳定器的多机系统线性化方程的基础上,根据主导振荡模式特征根、TCSC控制器参数及附加转矩的关系,将系统主导模式的振荡频率代入TCSC附加转矩公式,利用相位补偿法完成TCSC控制器参数整定,达到提高主导振荡模式阻尼水平的目的。在IEEE5节点系统仿真算例中,利用特征根变化及转速时域仿真曲线验证了TCSC稳定器在多机系统中的阻尼效果。

关键词:可控串补,附加阻尼转矩,特征根灵敏度,相位补偿法,主导振荡模式

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可控串补 篇7

可控串补在电力系统中主要用于提高系统暂态稳定性、抑制低频功率振荡、控制系统潮流和抑制次同步谐振 (SSR) 等方面。同时, 串联补偿对于跨地区送电有着十分重要的意义。加装串联补偿是提高远距离输电线路输送能力的一种有效措施, 串联电容器可以减小输电线路的电气距离, 改善线路的沿线电压分布, 并且可以改善电网的阻抗分布, 使得功率分布符合线路有功功率损耗最小的条件, 达到经济运行的目的。

1 河西风电送出的主要问题

1) 河西风电基地地处偏远, 虽然规划有千万kW级但是远距离输送时沿线电压支撑不足, 造成电网实际输送能力下降, 加之甘肃电网容量尚不足以支持大规模、间歇性的风电, 对风电电量的波动性缺乏足够的调节能力, 实际上大量的风电机组因为此原因目前未能接入电网。

2) 风电频率只有十几赫兹, 大约为工频的三分之一, 因此需要有变频装置进行调频, 而目前使用变速恒频发电机需要整流与逆变的变频装置, 产生的谐波对公网会造成很大的污染[2]。虽然近年来王锡凡院士提出了分频输电解决风电远距离输送的问题, 但在实际运用上还远没有市场化。因此甘肃电网的稳定性受谐波影响很大。

3) 2020年规划的河西电网是一个交直流混合电网, 当大量电能通过长距离的交直流线路送往另外一个地区电网时就出现送端存在多个电源和多个交直流通道, 同时甘肃电网运行方式的变化也比较大, 由于远距离大容量输电的存在, 在系统中既有机组间的地区振荡模式, 也存在区域间低频振荡模式。当通道潮流较重时, 系统在故障后均有可能出现区域间弱阻尼低频振荡[3]。

2 可控串补对河西风电送出的作用

在河西超高压输电系统中, 可控串补主要应用于以下领域:

1) 提高河西输电系统的远距离输送能力。利用可控串补可以等效缩短输电线路的输送距离, 提高甘肃电网河西输电走廊的输送能力和改善输电走廊上的电压分布。

2) 提高甘肃电网稳定水平。如果安装位置合适, 串联补偿能够减少机组间电气距离, 增加同步力矩, 提高稳定水平。可控串补由于可以利用电容器的短时过载能力因而提高系统暂态稳定水平的能力较高。

3) 在2020年规划的750 kV网状电网中, 可控串补可用于控制线路潮流。如果控制得当, 可降低网损, 消除潮流迂回, 改善潮流分布, 防止过负荷, 提高输送能力[4]。

4) 增强系统阻尼。互联电网或地区电网之间在一定条件下会存在弱阻尼或负阻尼的振荡模式 (振荡频率一般在0.2~2.0Hz之间) 。利用TCSC可以改善阻尼, 提高系统动态稳定性[4]。

3 TCSC对电网低频振荡的影响

当电网中的发电机处于并联运行状态时, 在扰动作用下各发电机的转子电角度之间会发生相对摇摆, 引起系统功率振荡, 且振荡频率较小, 如果系统正向阻尼小则易失去稳定。对于超高压大容量系统来说, 系统阻尼较小而发电机的励磁系统本身的滞后特性又使发电机产生一个负阻尼转矩, 更易引发低频振荡。当系统中安装串联补偿后, 系统电阻和感抗的比值将增大, 会对发电机励磁绕组的阻尼功率系数Df、直轴阻尼绕组的阻尼功率系数DD产生影响[5], 见下式:

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式中:δ0——功角;

xdΣ——直轴同步电抗;

x'dΣ——直轴瞬态电抗;

x"dΣ——直轴超瞬态电抗;

γ——功角微小振荡时的振荡频率;

Td——时间常数。

(公式中忽略了定子回路电阻) 由上式可见, 当计这些电阻时, 在功角较小 (一般小于20°~30°) 时, Df、DD可能小于0, 如果发电机没有交轴阻尼绕组, 则总的阻尼功率系数DΣ (Df+DD+Dq) 可能小于0, 可能会引起系统出现低频振荡。而可控串补抑制区域间低频振荡的作用是比较明显的, 当电网输送潮流较大时, 在系统发生故障后, 发电机功角和母线电压振荡衰减较为缓慢, 存在阻尼较弱的振荡模式, 这种弱阻尼振荡模式对系统的运行是不利的, 由于可控串补可以对系统中的弱阻尼振荡模式提供附加的阻尼, 系统故障后振荡的衰减大大加快, 这对系统的安全稳定运行是有利的。

4 串联补偿与次同步谐振的关系

在具有串联补偿的电力系统中存在一种自然振荡的模式, 其振荡频率称为次同步自然频率fer:

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式中:f0——对应于转子平均转速的频率或同步频率;

x″——发电机两个轴的平均次暂态电抗;

xl——输电线路电抗;

xT——变压器短路电抗;

xC——串补电容器的容抗。

当次同步自然频率为fer的三相谐振电流流过三相绕组时会产生一个次同步速度, 即产生一个次同步频率为fr=f0-fer的旋转磁场, 它在转子绕组中产生频率为fr的电流, 在汽轮发电机旋转系统上产生频率为fr的振荡转矩, 此时转子还以系统频率为f0的一个平均速度旋转, 会在定子三相绕组中感应出频率为fr+f0或fr-f0的电压及电流, 当感应电压和电流的次同步频率fr-f0与电气谐振频率fer非常接近或相等时就可能会引起发电机的次同步振荡。

发电机转子对系统次同步频率电流还表现出视在的负阻特性, 这个负电阻串联在发电机定子电路中时, 如果总电阻仍为负值, 就会产生电气自激振荡, 这种现象与串联电容网络的补偿度有关, 由式 (3) 可见, 补偿度越大, 振荡频率fer越大, 而且越接近f0, 因而电阻负值越大, 阻尼越小, 越容易发生自激振荡。

次同步谐振在水轮机组中不易产生, 原因是水轮发电机和水轮机之间的体积差异较大, 感应电压和电流的次同步频率fr-f0与电气谐振频率fer相差较大。在汽轮发电机组中由于发电机和汽轮机的体积相近, 易发生次同步谐振[6]。

在实际运行中, 可控串补装置对工频电流呈容性, 而对于低频的次同步电流呈感性, 可在一定程度上抑制次同步谐振[7]。

5 可控串补提高系统暂态稳定水平的作用分析

可控串补在电网中的主要作用是阻尼区域间低频振荡, 同时可控串补在故障后可迅速增加补偿度进行强补, 对提高系统的暂态稳定水平也有一定好处。在发生故障后, 可采用切除故障线路的同时也切除部分并联的电容器组, 以增大补偿电容的容抗, 部分抵消甚至全部抵消由于切除故障线路而增加的线路感抗。但强补时需要注意下列问题。

5.1 强补时电容器的电流选择

由于进行强补时电容器数目减小, 剩下的电容器负荷电流会增加, 因此, 电容器的额定电流应增大, 否则电容器会过负荷导致电容器的安全运行受到影响。

5.2 串补摇摆电流

在串联补偿线路总多采用MOV模型保护, 但要注意由MOV保护的串联电容器必须是线路的一段, 至少还要有另外一段线路。在故障后的摇摆过程中, 如果流过串补的摇摆电流很大, 串补两端的电压就有可能超过MOV的过电压保护水平, 在这种情况下, MOV就会分流, 从而需要吸收一部分能量。因为摇摆过程持续时间相对较长, 如果摇摆电流很大, MOV吸收的能量也会比较多。因此, 系统的最大摇摆电流对MOV容量选择有很大影响。由MOV保护的串联补偿电容器元件有3个状态[8], 如图1所示。

1) 正常状态 (图1a) :

串补电抗Xc0是稳态值。

2) MOV激活状态 (图1b) :

等值阻抗Zc’=RC’+jXC’, 是电流Icap。的非线性函数。

3) MOV旁路状态 (图1c) :

电容器纵向关闭, 有效阻抗为零。

6 结论

在线路上安装可控串补可以有效抑制低频振荡, 有利于系统安全稳定运行, 同时, 也可在一定程度上提高系统暂态稳定性。如有必要, 还可在计算机上进行仿真研究。

可控串补在实际应用中有很大的可靠性和灵活性, 但是其价格较高, 而且制造难度较大, 国内能生产可控串补设备的厂家非常有限, 因此在推广上受的限制比较大。目前固定串补 (SC) 设备基本能满足大部分系统的要求而且制造难度较小, 因而可根据实际情况来进行选择。

参考文献

[1]王倩.河西风电输电规划研究[D].西安交通大学电气工程学院, 2009.

[2]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[3]张波.采用TCSC提高西北电网东电西送及甘肃河西电网倒送能力的研究[D].西安交通大学电气工程学院, 2006.

[4]郭强.可控串补系统分析和控制策略研究[G].中国电力科学研究院报告, 2006.

[5]王锡凡, 方万良, 杜正春.现代电力系统分析[M].北京:科学出版社, 2003.

[6]韩光.TCSC抑制次同步谐振的机理分析[J].电力系统自动化, 2002 (2) :18-21.

[7]刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社, 2005.

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