直流系统为一单极12脉动系统,整流侧采用定电流控制,逆变侧采用定熄弧角控制。定电流控制系统的结构如图3所示,直流电流的偏差值经PI调节后输出触发角aord。
4.2 与整流站相联的发电机组的阻尼特性
(1)机组作用系数lUIF对阻尼的影响
对于图2所示系统,改变整流侧等值交流系统的强度,即改变ZSR的大小。由式(3)可以得到不同的lUIF,在5~50Hz频率范围内,不同lUIF下系统的电气阻尼系数如图4。lUIF=0.1时,在次同步频率范围内电气阻尼系数为正值,随着lUIF增大,电气负阻尼越来越明显,当lUIF=0.36及lUIF= 0.79时,阻尼转矩系数最小值分别达到了-0.8pu和-2.0pu。
机组作用系数lUIF反映了发电机组与直流系统之间的耦合程度。在此网络结构中,发电机机端电压的摄动要经过ZG和ZSR分压后再影响到换流母线,同时直流电流的摄动也要经过ZG和ZSR分流,因此ZG和ZSR的大小会直接影响到电磁转矩的变化量DTe,从而影响到阻尼系数De。
由式(2)、(3)可知,在发电机组额定容量及直流输送水平一定时,lUIF决定于SCi和SCTOT或者决定于ZSR与ZG的相对大小。ZG很大或者ZSR很小,才可能使lUIF取得较小的值,即只有当发电机组与直流系统之间的电气距离很远,或者与发电机组并联运行的系统很强时,才可能完全避免SSO的危险。
图4反映出来的另一个现象是,即使机组与直流系统强耦合,电气阻尼系数也只是在5~20Hz左右的频率范围内才表现出较大的负值,这种现象是由电流控制器的频域带宽决定的。一般来说,整流侧的定电流控制器的带宽为10~20Hz[9-10],即只有该频率范围内的扰动量才可以通过闭环系统引起负阻尼,而频率较高的扰动没有类似的作用。发电机组轴系有几个自然扭振频率恰好是在该带宽范围以内的,因此当发电机连接直流系统时,这几个频率下的振荡模式应该引起特别的注意。
(2)直流功率水平Pdc对阻尼的影响
由上分析可知,直流功率的摄动是引起发电机组SSO最直接的原因。保持交流侧系统结构参数不变,改变直流功率得到电气阻尼系数特性曲线如图5。图中Pdc=1.0pu时的阻尼曲线与图4中lUIF=0.79的曲线对应,在5~20Hz频率范围内,机组具有较大的负阻尼;而当直流功率Pdc减小到0.2pu时,除了5Hz左右的低频外,阻尼系数均为正值。
SSO作为一种有功功率的振荡,必然与直流系统的功率水平及发电机的有功出力密切相关。机组作用系数lUIF给出的是一个额定状态下的指标,它反映了直流输送功率以及发电机出力均为额定值时,发电机组与直流输电系统之间的耦合状况。当直流系统功率水平降低时,可认为发电机组与直流系统之间的耦合减弱,因此相互作用不明显。
(3)触发角对阻尼的影响
直流输电换流器的所有控制最终都要落实到对于触发角的控制。因为直流电压与换流器触发角之间存在着明显的非线性关系,由HVDC引起SSO的机理可知,触发角的大小必然要影响到发电机组与直流系统之间的相互作用。图6给出了对应于不同触发角的电气阻尼系数变化曲线。由图可见,触发角越大,机组的负阻尼也越大,也就越容易发生SSO问题。
为了保证换流器阀的正常开通,触发角应该大于其最小值(3°~5°),在实际运行中触发角一般在
10°~15°左右变化。一般情况下,大的触发角只出现在故障后的暂态过程中,此时SSO问题并不是关心的重点。但是在某些特殊的运行工况下,直流输电要作降压运行,系统的触发角将会维持在一个较大的值,发生SSO的危险性也就更大,应该引起特别注意。
(4)控制器参数对阻尼的影响
机组的负阻尼是由HVDC的控制系统作用引起的,直流控制方式以及控制器的参数在一定程度上决定着机组的阻尼特性。本仿真模型整流侧采用定电流控制,通过PI调节器输出整定触发角aord来控制HVDC的运行。图7和图8分别给出了PI调节器中积分时间常数Ti和比例系数Kp对电气阻尼系数的影响曲线。
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