基于电力电子变流器的机端次同步阻尼控制器研究与测试_谢小荣

2 多模态次同步阻尼控制器设计
MSDC 的结构如图 2 所示[10-11]。为抑制多模态 SSR，它采用了多个模态控制通道对进行处理， 各通道首先采用带通滤波器分离出相应模态，然后 分别通过比例放大及相位补偿获得模态控制信号 i。 “补偿电流计算器” 的作用是利用 Park 反变换 将 i 转 换 成 对 应 模 态 的 三 相 补 偿 电 流 参 考 值 iai,bi,ci。各模态补偿电流参考值经限幅、叠加后形 成总的电流指令ia,b,c，发送给 CTI 控制器。 图 2 中的模态滤波器是一个数字式窄带型带通 滤波器，其中心频率为关注的模态频率，同时需要 对相邻模态、50 Hz 工频和噪声具有良好的抑制作 用，目标是尽量滤出所关注的模态，而减小其他模 态的干扰，带宽一般设置为 3 Hz。 图 2 中“补偿电流计算器”采用简化的 Park 反变换，计算公式为
上， 设计并开发专用于抑制 SSR 的主动变流器式工 业控制器，并通过现场试验来验证其有效性。首先 提 出 一 种 称 为 机 端 次 同 步 阻 尼 控 制 器 (generator terminal subsynchronous damping controller， GTSDC) 的 SSR 控制系统，它由一个数字式控制器——“多 模态次同步阻尼控制器”和一组基于链式变流器的 “电流跟踪逆变器”构成；其次分别阐述两者的原 理、构成和参数设计方法；继而针对上都电厂新投 产的 660 MW 汽轮发电机组，设计一个等效容量为 10 MVA 的 GTSDC 工业装置并投入现场试运行； 最 后，通 过现 场参数 整定 和自激 发扰 动试验 测试 GTSDC 的 SSR 抑制功能。 结果表明： GTSDC 能大 幅提高扭振模态阻尼并有效抑制持续激励引发的 强迫性轴系扭振，从而验证了方法和装置的有效 性，为进一步应用这种新型的扭振抑制设备奠定了 基础。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51322701，51077080)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51322701, 51077080).
0 引言
大容量、远距离输电系统中的固定串补可能会 引 起 次 同 步 谐 振 (subsynchronous resonance ， SSR)[1]，危及机网的安全稳定运行。近几年来，随 着新开发的大型煤电基地采用远距离厂对网串补 输电模式， 导致 SSR 问题成为我国电网安全运行面 临的一个新的现实难题[2]。目前学术界和工业界已 研究出一系列的 SSR 抑制方法， 如附加励磁阻尼控 制 [3] 、静 止 无功补偿 器 (static var compensator ， SVC)[4-5] 、可控串联电容补偿 (thyristor controlled series compensation，TCSC)[6]、阻塞滤波器[7]等， 并得到实际应用。而随着柔性交流输电(flexible AC transmission systems，FACTS)技术在电力系统的应 用，采用性能更好的高压大容量快速变流技术，如
666
第 34 卷 第 4 期 2014 年 2 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.4 Feb.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 712；TM 761
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.04.019
第4期
谢小荣等：基于电力电子变流器的机端次同步阻尼控制器研究与测试
发电机 Te 升压变压器 封闭 母线 iGTSDC

667
静止同步补偿器(static synchronous compensator， STATCOM) 、 静 止 同 步 串 联 补 偿 器 (static synchronous series compensator，SSSC)和统一潮流 控制器(unified power flow controller，UPFC)等来抑 制次同步谐振/振荡，已得到广泛关注和研究。如： 文献[8]采用戴维南等值电压作为反馈信号， 对位于 线路中间的 STATCOM 进行无功功率调制控制，以 抑制 SSR 现象；文献[9]设计了一种“智能轴系观 测器” ，从电流中获得扭振反馈信号，并提供给 STATCOM 的辅助控制环， 达到抑制风机–串补系统 感 应 发 电 机 效 应 的 目 标 ； 文 献 [10] 分 析 了 串 联 FACTS 装置——SSSC 对串补系统次同步特性的影 响， 阐明了其有利于避免 SSR 风险的特点； 文献[11] 针对 IEEE 第二标准系统，采用 UPFC 并为其并联 变流器设计一种附加 ANFIS 控制，获得抑制 SSR 的效果。但此前这些研究大多停留在模型和仿真层 面，且只将 SSR 抑制作为 FACTS 装置的辅助控制 功能和固有特性；迄今为止尚没有开发专门针对扭 振阻尼控制的变流器式工业装置的报道，更无相关 的现场测试结果。 本文研究的目的是：在前期工作
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China; 2. Northern United Power Corporation, Hohhot 010020, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 3. Sifang Electric (Group) Co., Ltd, Haidian District, Beijing 100085, China) ABSTRACT: A novel generator terminal subsynchronous damping controller (GTSDC) based on power electronic converter confronted was by proposed resonance larger and developed a to mitigate problem to subsynchronous (SSR), serious controller，GTSDC)。它由多模态次同步阻尼控制器和基于 链式结构的高压大容量电流跟踪变流器构成， 通过向机组定 子侧注入幅值和相位可控的扭振模态互补频率的电流， 实现 抑制轴系扭振的目标。 阐述 GTSDC 的工作原理和设计方法， 研发一套等效容量为 10 MVA、输出电压为 22 kV 的装置， 并在上都电厂 660 MW 机组上进行现场参数整定和效果试 验，结果表明：所研发的 GTSDC 能大幅提高扭振模态阻尼 并有效抑制持续激励引发的强迫性轴系扭振， 为解决次同步 谐振和振荡问题提供了一种新颖而有效的技术手段。 关键词：次同步谐振；机端次同步阻尼控制器；模态阻尼； 电流跟踪控制；现场试验
turbine-generators
connected
series-compensated power systems. The proposed GTSDC is composed of a multimodal subsynchronous damping controller and a high-power current-tracking inverter. It can depress the torsional vibration by injecting controllable currents at complementary frequencies to torsional modes into the stator of the target generator. Its working principle and designing approach were elaborated in the paper. A practical equipment with a rating of 10 MVA/22 kV had been manufactured and then tested on a 660 MW turbine-generator at Shangdu Power Plant. Test results verified that GTSDC can improve modal damping considerably and suppress sustained torsional oscillation effectively. It provides a new countermeasure to inhibit subsynchronous resonance and oscillation. KEY WORDS: subsynchronous resonance (SSR); generator terminal subsynchronous damping controller (GTSDC); modal damping; current-tracking control; field test 摘要： 针对大型汽轮发电机接入串补输电系统面临的次同步 谐振问题， 研制出一种基于电力电子变流器的机端次同步阻 尼控制器 (generator terminal subsynchronous damping
文章编号：0258-8013 (2014) 04-0666-06
Leabharlann Baidu
基于电力电子变流器的机端次同步阻尼 控制器研究与测试
谢小荣 1，郭锡玖 2，吴景龙 2，赵永林 2，刘全 3，康君 2, 董晓亮 1
(1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084； 2．北方联合电力有限责任公司，内蒙古自治区 呼和浩特市 010020； 3．四方电气(集团)有限公司，北京市 海淀区 100085)
[12-13]
多模态次同 i abc 步阻尼控制 器(MSDC)
电流跟踪逆 变器(CTI)
图1 Fig. 1
GTSDC 的构成与原理
Configuration and principle of GTSDC
MSDC) 和 电 力 电 子 式 电 流 跟 踪 逆 变 器 (currenttracking inverter，CTI)两部分。其中 MSDC 采用发 电机的转速偏差 作为反馈信号，产生与轴系扭 振模态频率互补的补偿电流参考值 Δia,b,c， CTI 作为 波形可控的电流补偿器，通过内部控制调节其输出 电流 iGTSDC 动态跟踪参考值而向电网注入次(超)同 步频率电流，部分电流进入机组内部，产生抑制扭 振所需的电磁阻尼转矩。 GTSDC 的工作原理为：设系统额定频率为0， 对于频率为i 的扭振模态，通过 GTSDC 产生两组 频率关于0 对称，即频率分别为0i(次同步)和
的基础
0i(超同步)的补偿电流，这两组电流通过定-转 子磁场作用后在机组轴系产生抑制模态 i 所需的
电磁转矩增量Te。根据文献[10]的研究，只要适当 设计 MSDC 参数，动态调节 GTSDC 输出电流，进 而控制所激发电磁转矩的幅值和相位，使得由此产 生的电气阻尼系数为正值且足够大，即可有效抑制 轴系扭振，阻尼 SSR。
Research and Test of a Generator Terminal Subsynchronous Damping Controller Based on Power Electronic Converter
XIE Xiaorong1, GUO Xijiu2, WU Jinglong2, ZHAO Yonglin2, LIU Quan3, KANG Jun2, DONG Xiaoliang1