静止同步补偿器抑制电网功率振荡的机理研究

发布时间：2020-02-10 21:28

【摘要】：为了揭示静止同步补偿器抑制电网功率振荡的机理,基于电气转矩分析法通过建立含静止同步补偿器的单机无穷大电网的机电尺度数学模型,分析了静止同步补偿器在电网功率振荡抑制模式下影响同步发电机动态特性的物理机制,解释了不同控制策略影响电网等效惯性系数、同步系数与阻尼系数的原理。研究结果表明:反馈同步机功角时,P、D控制器分别等效地改变系统的等效同步系数和等效阻尼系数;反馈发电机转速时,P、I、D控制器则分别等效地改变系统的等效阻尼系数、同步系数、惯性系数;上述动态参数均随P、I、D控制器控制系数的增大而增加。为了充分发挥静止同步补偿器对电网功率振荡的抑制作用,进一步分析了影响振荡抑制性能的关键因素及其作用规律,可为静止同步补偿器控制策略的分析和设计提供理论基础。仿真结果验证了静止同步补偿器抑制电网功率振荡机理分析结论的正确性。
【图文】：

振荡抑制,功率振荡,发电机转子,控制策略

转子摇摆现象。转子摇摆运动可用下述方程描述ｄδ／ｄｔ＝ω２Ｈｄω／ｄｔ＝Ｐｉｎ－Ｐｅ－Ｄ（ω－ωｓ｝）（１）式中：δ、ω分别为ＳＧ的功角、角频率；ωｓ为同步角频率；Ｈ、Ｄ分别为ＳＧ的惯性时间常数、阻尼系数；Ｐｉｎ、Ｐｅ分别为机械功率、电磁功率。ＳＧ的惯性时间常数（秒级）通常较大，电网发生功率振荡时，振荡周期通常较长。与电网并联运行的电压源型并网逆变器可通过快速无功控制，迫使处于振荡过程中的发电机转子迅速恢复稳定运行。本文以图１所示的ＳＴＡＴＣＯＭ接入单机无穷大系统模型［５－８，１２，１７－１８］来分析无功控制抑制电网振荡的工作原理以及具体的物理机制。图１振荡抑制模式下的ＳＴＡＴＣＯＭ控制策略出现功率振荡现象时，可利用发电机转子转速信号、转子位置信号或诸如发电机电磁功率之类的等效信号，来控制ＳＴＡＴＣＯＭ向电网注入大小可调的无功功率，因此注入点的电压将实时可调，进而改变ＳＧ的电磁功率Ｐｅ：当ＳＧ的转速大于同步转速时，增大ＳＧ的电磁功率；当转速小于同步转速１１３

模型图,单机无穷大系统,模型

西安交通大学学报第５１卷ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ时，减小发电机的输出功率以抑制功角的增大，通过上述运行方式即可实现功率振荡的快速抑制［１３－１６］。为了从数学模型上研究无功控制过程的机理，将图１所示的物理系统简化为图２。ＳＧ用电动势Ｅ∠δ串联同步电抗Ｘ的简化模型来表示，ＸＬ为传输线的等效电抗，且ＸＬ＝ｋＸ。考虑到功率振荡属于机电时间尺度（秒级）的慢过程，而全控型ＰＷＭ逆变器的响应速度非常快，，属于毫秒级的电磁时间尺度的快过程，因此可将ＳＴＡＴＣＯＭ视为受控电流源，根据振荡抑制模式的需要，输出可控的电流Ｉｑ。若未特别说明，本文的物理量均指标幺值。图２ＳＴＡＴＣＯＭ接入单机无穷大系统模型图２模型的相量图如图３所示。为了简化分析过程，假设Ｅ、Ｕ恒定不变，且Ｅ＝Ｕ。图３系统模型的相量图ＳＴＡＴＣＯＭ稳态运行时，通过向系统注入无功功率来影响注入点的电压Ｖ，进而影响ＳＧ的电磁功率。在图２所示的电路模型中，ＳＧ输出的电磁功率为Ｐｅ＝ＥＶｓｉｎα／Ｘ（２）无穷大电网吸收的有功功率为Ｐ∞＝ＶＵｓｉｎβ／ｋＸ（３）分析ＳＧ的静态稳定性及其动态失稳机制时，常用其线性化模型（也称为增量方程），即ｄΔδ／ｄｔ＝Δω２ＨｄΔω／ｄｔ＝ΔＰｉｎ－ΔＰｅ－ＤΔ｝ω（４）假定原动机的输入功率保持恒定，即ΔＰｉｎ＝０。将式（２）线性化并代入式（４）得到标准动态方程ｄΔδ／ｄｔ＝ΔωＴＪｄΔω／ｄｔ＝－ＴＳΔδ－ＴＤΔ｝ω（５）式中：ＴＪ、ＴＳ、ＴＤ为表征系统惯性水平、同步

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