SVC对电力系统稳定性影响的研究文献综述

文 献 综 述

一．研究背景

电力系统低频振荡是随着电网互联产生的。电力系统联网初期，同步发电机之间联系紧密，阻尼绕组可以产生足够的阻尼，低频振荡少有发生[1]。自20世纪60年代在北美MAPP的西北联合系统和西南联合系统试行互联时观察到低频振荡现象以来[2]，随着电网的日益扩大、大容量机组在网中的不断投运、快速励磁的普遍使用，低频振荡现象在大型互联电网中时有发生[3。5]。电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上功率也会发生相应振荡。由于机组的惯性时间常数，其振荡频率很低，一般为O．2～2．5 Hz，故称为低频振荡(又称为功率振荡，机电振荡)[3]。从振荡模式来看，低频振荡可分为局部振荡和区域振荡。局部振荡是指在区域内某一台电机或几台电机相对于区域内其他机组振荡，其频率一般较高，在O．7～2．5 Hz之间；区域振荡是指不同区域的两组电机之间发生相互振荡，其频率一般较低，在O．1～O．7Hz之间。低频振荡发生后，可能会持续一段时间后消失，也可能振荡幅值保持增长，以至破坏互联系统之间的稳定，最终使系统解列，造成大面积停电。因此，如何很好地理解和解决好低频振荡问题，在系统不断互联的今天显得至关重要。低频振荡的研究目前已经成为电力系统研究的重点问题之一。

二．基本原理

低频振荡(Low Frequency Oscillation，LFO)是电力系统的一种固有现象，这种振荡的稳定性极其重要，是保证系统安全运行的先决条件，既是实际中的问题，又是电网技术中引起研究者广泛兴趣的一个议题。之所以称为低频振荡是由于这种持续振荡的频率很低，一般在O．2～2．5 Hz之间，它属于小干扰稳定性问题。低频振荡有两类表现形式：一类为区间振荡模式，它是系统的一部分机群相对于另一部分机群的振荡，其频率范围为O．1～0．7Hz，这种振荡的危害性较大，一经发生会通过联络线向全系统传播，这种振荡模式已成为制约联络线传输功率的瓶颈；另一类为局部振荡模式，它是电气距离很近的几个发电机与系统内的其余发电机之间的振荡，其频率范围为0．7-2．5Hz，这种振荡局限于区域内，比前者影响范围小。

远距离、重负荷输电，是产生低频振荡的第一原因；高放大倍数、快速励磁的励磁系统，是引起低频振荡第二原因。高放大倍数不但加剧了减小电气阻尼，而且由于励磁系统和发电机电磁回路本身的滞后特性，使得动态稳定性下降，导致低频振荡的发生。PSS低频振荡最有效的手段，通过

pss附加阻尼作用在发电机上，发电机的总阻尼为正，并且足够大，使产生的低频振荡消失。单机无穷大系统的低频振荡机理分析，是分析多机系统低频振荡的基础，它的结论可以推广到多机系统^[9]。

低频振荡的机理分析表明抑制它的关键是减小系统负阻尼。国际大电网会议第38研究委员会曾组织专门工作组(Task Forcee 38．01．07)对低频振荡进行研究，其结论指出：为消除振荡的威胁，首先应仔细考虑研究整定系统中主要发电机的电力系统稳定器(PSS)，其次应研究系统中现有高压直流输电(HVDC)、静止无功补偿器(svc)附加控制器的参数整定，使之提供附加阻尼效果。然后考虑电力电子装置改造现有可投切补偿装置，使之提供平滑的阻尼控制，如线路串联电容补偿增加可控硅控制的部分(TCSC)。最后可考虑在系统中增加完全用于阻尼振荡的新装置^[1]。

电力系统负阻尼出现的原因分析；在电力系统中励磁控制系统会减弱系统的阻尼能力,从而加剧电力系统低频振荡，其原因为：

（1）磁控制器按电压偏差比例调节；

（2）励磁控制系统有惯性采用以机端电压偏差△U_g控制信号的具有快速响应特性的励磁控制系统产生的滞后相位是问题的实质^[3]。

负阻尼机理：根据线性系统理论分析，由于系统调节措施的作用，产生了附加的负阻尼，抵消了系统的正阻尼，导致扰动后振荡不衰减或增幅振荡。

1969年，Demello和Concordia^[4]运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低频振荡现象进行了机理研究。该机理解释针对的是单机无穷大系统线性化模型，综合运用状态方程、传递函数框图及K系数法^[5]、分析阻尼转矩大小性质的变化规律，发现在较高外部系统电抗和较高发电机输出条件下，高放大倍数的快速励磁系统在增加系统同步转矩的同时，由于励磁系统存在惯性，随着励磁调节器放大倍数的增加，与转子机械振荡相对应的特征根实部数值将由负值逐渐上升，若实部由负变正，会产生增幅振荡。这一方法是基于线性系统理论，通过分析励磁放大倍数和阻尼之间的关系来解释产生低频振荡的原因，物理概念清楚，得到普遍认同。基于这种分析原理和思想，该方法可进一步扩大到多机系统^[6]通过线性系统的特征根来判断系统是否会发生低频振荡。

PSS的基本功能：电力系统稳定器(PSS)是一个附加励磁控制装置,其功能是提高发电机和整个电力系统的阻尼能力,抑制自发低频振荡的发生,减小系统中由负荷波动等引起的联络线功率波动,加速功率振荡的衰减。PSS是采取转速偏差、频率偏差、加速功率偏差、电功率偏差中的一个信号或几个信号作为励磁调节器的输入,产生阻尼力矩,来提高电力系统的动态稳定。

PSS的作用：电力系统稳定器的作用主要是抑制电力系统0.1~2.5Hz的低频振荡。电力系统稳定器的任务是接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器。通过电压调节器的自动控制作用，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制^[8]。

SVC的基本功能：静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件产生无功功率,并且根据需要调节容性或感性电流。静补的一个显著特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能,它们可以频繁的调节和投切。其动作速度是毫秒级的,远比机械设备的速度要快^[2]。

SVC的基本功能是从电力网吸收或向电网输送可连续调节的无功功率,以维持装设点的电压恒定,并有利于电网的无功功率平衡。在远距离输电系统中,若输电线路的中点装设静止无功补偿器,通过连续的调节,可以维持该点的电压恒定,相当于将该输电线路的输电距离缩短了一半,这样就使得远距离输电系统在小干扰和大干扰下的稳定性均得以改善,当然电压质量同时也得以提高。由于静止无功补偿器具有控制快速、维护简单、效果显著等优点,因此其应用正日趋广泛^[2]。

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^[7]。

三. SVC分析

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 ControlledReactor，TCR) 与晶闸管投切的电容器( ThyristorSwitched 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。

图1 svc原理示意图

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。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^[7]。

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^［10］。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^［11］。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。

四．实际应用

电力系统的变电站中安装基于TCR的SVC的作用主要有三点：稳定电压、提高电压合格率；无功强补、促进电压恢复；抑制振荡、增强系统阻尼。具体到220kv或110kv变电站10kv母线上安装的svc，其作用主要是稳定电压。这是由于如果要阻尼系统振荡，则svc的容量要求较高，而10kv母线上安装的svc容量又不能太大（容量太大，则TCR电流过大，增加成本和制造难度）。例如国内已在500 kv变电站安装的六套svc，其TCR的容量都在100MVA以上，如果安装于10kv母线，则三相TCR的每支路电流要求达到3KA以上，其作用主要是调节安装母线的电压，即在重负荷时提供容性无功避免电压过低，在轻负荷时发出感性无功防止电压过高，遇有冲击负荷时利用svc的快速调节能力，抑制10kv母线上的电压波动^【12】。

五．展望

1. 在实际工程中，PSS参数的实测建模工作、方法有待深入研究，特别是频率小于o．1 Hz的超低频振荡的产生机理尚待研究；
2. 基于以上控制策略，引入新的算法，力求寻找针对大系统的低频振荡在线协调鲁棒白适应控制方法，以便适应超大系统不同运行情况的稳定要求；
3. 多机系统PSS安装地点选择和参数优化配置方面有待更进一步研究；
4. 由于FACTS技术的发展，电力系统的输电容量越来越接近其运行极限，加之区域电网的互联，低频振荡问题日益突出，对电力系统的安全运行构成了很大威胁，因此这方面的研究将是未来的重要方向之一，特别是FACTS装置之间的相互配合，参数优化以及与PSS之间的相互协调控制问题；
5. 智能稳定控制器的研究，目前还处于实验阶段，下一步要开发出实用的、经济效益高的智能控制系统，实现对大规模互联系统的智能化稳定控制，为全国联网打下坚实的基础^[13]。
6. 近年来，智能算法理论也被逐渐引入PSS的设计中^[14～15],借助智能算法自学习、自推理等特性，得到一种依赖于系统精确的数学模型。PSS结构简单，适应性强，鲁棒性好，在未来大规模互联电力系统稳定性控制中具有较好的应用前景。

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