控制参数整定指南

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：表7-5 发电机轴系的自然扭振频率图7-22 单台汽轮发电机组模态振型图7.6.3.2 窄带通分模态式SSDC参数整定针对以上机组参数，窄带通分模态式SSDC设计的关键是对3个自然扭振频率的分模态滤波器的设计。图7-34 呼伦贝尔电厂1#机组转矩、转速曲线7.6.3.3 宽带通式SSDC的优化设计与参数整定本节重点论述在理论上和实现方法上都更加成熟的宽带通式SSDC的优化设计与参数整定方法。

7.6.3.1 待研机组的模态参数与模态振型

如图5-18所示，伊敏电厂三期的两台汽轮发电机组通过对称结构连接于同一母线。在研究该系统的SSO和设计SSDC时，首先需要进行两台发电机组轴系扭振相互作用的分析，以得到轴系的自然扭振频率和振型。两台汽轮发电机组的参数如表7-4所示。

表7-4 1#、2#汽轮发电机组轴系模型参数

两台汽轮发电机为相同型号机组，并且与系统的连接方式对称，通过发电机的聚合将两台机组等效为一台来进行系统自然振荡模态频率和模态振型的计算。根据特征值分析法，1#、2#机组聚合等效后的自然扭振频率的计算值如表7-5所示，聚合后的发电机模态振型如图7-22所示。

表7-5 发电机轴系的自然扭振频率

图7-22 单台汽轮发电机组模态振型图

7.6.3.2 窄带通分模态式SSDC参数整定

针对以上机组参数，窄带通分模态式SSDC设计的关键是对3个自然扭振频率的分模态滤波器的设计。而相位补偿环节因为系统为分模态控制可以不考虑模态间的相互作用和对其他模态的不恰当相位调制。由于此处的SSDC采用发电机转速偏差作为输入信号，因此对不同模态的相位补偿只需要考虑由HVDC换流器及其直流电流闭环控制系统引起的滞后相位及SSDC自身控制环节引起的相位变化。本节对呼辽直流系统进行了分析和建模得到的SS-DC需要补偿的相位频谱图如图7-23所示。

本节所设计的分模态控制SSDC按照系统稳态运行点进行了参数优化，使得SSDC在系统运行点改变后也具有较好的抑制效果。在综合考虑了伊敏电厂三期两台同型号汽轮发电机组轴系扭振相互作用和系统发生扰动主要为输电网接地故障的情况，所设计的窄带通分模态式滤波器的中心频率取单台发电机组的自然扭振频率。另外，由滤波器引起的相位滞后需要完全补偿掉。在系统运行状态为双极3000MW直流功率水平时，所设计的窄带通分模态式SSDC的主要参数如表7-6所示。

图7-23 SSDC分模态相位补偿度

表7-6 窄带通分模态控制SSDC参数

SSDC的模态滤波器采用3Hz带宽低相位移的带通滤波器从发电机转速偏差提取需要阻尼的次同步振荡模态信号，该模态滤波器在带通两侧的频带内能迅速衰减100倍以上，同时带通内的相移较小，从而保证了分模态控制器在模态间的独立控制。

相位补偿环节采用进行模态频率点的滞后相位的补偿，其参数T₁、T₂、n由式（7-22）决定。

式中，ω_x为需要进行相位补偿点的角频率；ϕ为ω_x角频率点需要进行补偿的滞后相位角度；T₁、T₂为相位补偿环节的时间常数，当补偿相位的角度较大时可以用多个小的相位补偿环节串联进行补偿，使得相位补偿环节的相频响应具有较好的补偿特性。

图7-24～图7-29为SSDC的三个模态滤波器与相位补偿环节的伯德分析图。

在所搭建的EMTDC电磁暂态仿真模型上进行了SSDC抑制SSO的仿真实验，第15s时换流母线发生三相瞬时接地故障，持续时间为0.1s。SSDC的抑制效果如图7-30～图7-34所示。

图7-24 模态1的带通滤波器伯德分析图

图7-25 模态1的相位补偿环节相频特性

图7-26 模态2的带通滤波器伯德分析图

图7-27 模态2的相位补偿环节相频特性

图7-28 模态3的带通滤波器伯德分析图

图7-29 模态3的相位补偿环节相频特性

图7-30 伊敏电厂三期1#机组发电机转速曲线

图7-31 伊敏电厂三期1#机组发电机转速偏差分模态曲线

图7-32 伊敏电厂三期1#机组转矩曲线

图7-33 鄂温克电厂1#机组转矩、转速曲线

由图7-30～图7-33的窄带分模态控制SSDC投入后的对比仿真实验可以看出，所设计的SSDC具有很好的抑制效果，系统故障发生后能在5s内把伊敏电厂三期的两台汽轮发电机组的扭振转矩和转速偏差抑制住，保证了机组的安全运行和系统的稳定运行，对鄂温克电厂也具有一定的阻尼能力。然而由图7-34可以看出，如前文所述，本节所设计窄带通SSDC在保证了对伊敏三期电厂两台机组的抑制效果的同时，对呼伦贝尔电厂两台机组的次同步电气阻尼产生了相反的效果。故障情况下，SSDC的投入使得呼伦贝尔电厂的两台机组的转速和转矩需要更长的时间才能衰减掉。

图7-34 呼伦贝尔电厂1#机组转矩、转速曲线

7.6.3.3 宽带通式SSDC的优化设计与参数整定

本节重点论述在理论上和实现方法上都更加成熟的宽带通式SSDC的优化设计与参数整定方法。SSDC的宽带滤波器应该能让系统需要阻尼的所有SSO模态信号通过，但又不能包括工频和超同步振荡模态，因此SSDC滤波器的通频带一般按照HVDC直流电流闭环控制系统的低通频带进行设计，为了与HVDC的功率振荡辅助控制器的功能协调，SSDC的带通滤波器需要滤除系统低频振荡的信号。SSDC的相位补偿环节需要综合考虑系统最严重的振荡模态和系统的运行方式，采取优化算法进行相位补偿参数的设计，使得SSDC具有一定的鲁棒性。

根据前面对SSDC抑制SSO的原理和宽带通优化设计SSDC的控制系统结构的分析，SS-DC的相位补偿环节需要补偿由次同步频率变换环节和换流母线交流电压次同步分量与待研机组转速偏差引起的滞后相位。通过SSO的机电扭振相互作用本质知道，当故障下的电磁暂态扰动结束后，系统进入持续的SSO过程，换流母线三相交流电压中的次同步分量滞后于发电机扭转振荡的次同步分量的角度α=（180-θ₀）。其中，θ₀为发电机端电压工频相量与换流母线电压相量的相位差，与发电机的出力和系统结构相关，该相位差可以通过系统稳态潮流的求解得到，也可以通过WAMS的PMU测量得到。而SSDC的相位补偿的依据也在于此，补偿环节不能在线调整的SSDC需要经过优化算法整定参数。下面重点考察当发电机出力和系统结构改变对α的影响。

图7-35、图7-36的分析曲线表明，系统结构和机组出力的情况都会影响到SSDC需要补偿的相位。机组与换流站间的电气距离越远、出力越大，该机组的θ₀越大，则相应的滞后相位越小，SSDC需要补偿的相位也随着变化。从上述的分析曲线得到，对于某一模态，系统结构或者机组出力的改变引起的角度变化量在20°的范围内。本节针对该系统存在的次同步振荡问题设计了相应的宽带通SSDC，其主要的参数如表7-7所示。