5.3.5.1 系统的构成[28-30]
近年来，为解决发电资源与用电负荷分布极不均衡的问题，TCSC和高压直流输电系统（HVDC）在我国得到了广泛应用，在某些地区电网中出现了两者并列运行的特殊网架结构。TCSC和HVDC均与SSO存在复杂的作用，当两者并列运行时，它们的相互作用使SSO问题更加复杂。
作者结合国内的一个带TCSC的交直流并列实际系统对此问题进行了分析。基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了该系统的电磁暂态模型，并运用测试信号法和时域仿真法研究连接方式和串联补偿装置对电气阻尼特性的影响，从而得出一些较有工程实际价值的结论。
待研系统为呼辽±500kV高压直流系统与伊冯500kV交流系统构成的大系统，如图5-18所示。联网运行时，呼伦贝尔地区有6×600MW发电机组，装机容量合计3600MW，扣除厂用电后实际输出有功功率3220MW。呼辽±500kV直流输电工程额定容量为3000MW，其余容量将通过双回500kV交流伊冯线输送。若不采用串联补偿装置，双回交流线路按照单相永久故障校验，暂态稳定极限仅为1600MW左右，输送能力难以满足伊敏电厂满发的送出要求。考虑到伊冯线在原路径扩建新线路需长距离穿越原始林区，方案不可行，因此为保证电力输送并提高系统的暂态稳定性，抑制系统发生SSO，在伊冯线上装设串联补偿度为15%的TCSC装置和串联补偿度为30%的FSC装置，其中TCSC连续运行的阻抗提升系数为1.2。
图5-18 伊冯/呼辽交直流系统模型
在电磁暂态模型中，10台发电机均采用多质量块模型，伊敏一期发电机采用5质量块，伊敏二期、三期发电机采用4质量块。分析过程中不计机械阻尼，而只分析系统电气阻尼，所得结果偏于保守。HVDC为定功率/定熄弧角控制，额定运行状态为500kV/3000MW。交流输电线路采用分布参数，TCSC中上层控制包括由暂态稳定控制回路、阻尼振荡控制回路以及电容器短时过载能力和MOV过电压保护回路构成的调节范围限制回路共3部分，底层控制为闭环阻抗控制。
5.3.5.2 基于测试信号法的电气阻尼分析
由现场数据可知，鄂温克和宝日希勒电厂的汽轮发电机组离直流输电系统整流侧较远，存在SSO的危险性较小。伊敏三期电厂的汽轮发电机组的机组作用系数（Unit Interaction Factor，UIF）为0.63，其发电机组存在SSO的可能性很大。同时，伊冯交流线路的串联补偿装置易诱发伊敏一、二期电厂的SSO现象，因此，本节重点研究伊敏电厂汽轮发电机组的电气阻尼特性。
1.运行方式对电气阻尼特性的影响分析
系统的两种运行方式如下：
1）联网运行。即伊敏三期与一、二期间的双回500kV交流母线之间断路器QF合上时的运行方式，记为HVDC/AC（TCSC+FSC）。
2）单独运行。即伊敏三期与一、二期间的双回500kV交流母线之间断路器QF断开时的运行方式，交流和直流输送功率与联网运行时相同，记为AC（TCSCFSC）及HVDC。
由于伊敏各期的每2台发电机参数及运行条件完全相同，由此仅记录其中3台发电机，记为YM1G1、YM2G1、YM3G1。运用测试信号法计算单独运行与联网运行时对应机组在次频（5～45Hz）下的电气阻尼特性，即HVDC/AC（TCSC+FSC）时计算YM1G1、YM2G1、YM3G1的电气阻尼特性，AC（TCSC+FSC）时计算YM1G1、YM2G1的电气阻尼特性，HVDC时计算YM3G1的电气阻尼特性，对比结果如图5-19～图5-21所示。
图5-19 不同运行方式下伊敏一期发电机电气阻尼特性对比
图5-20 不同运行方式下伊敏二期发电机电气阻尼特性对比
图5-21 不同运行方式下伊敏三期发电机电气阻尼特性对比
由图5-19～图5-21可知，当联网运行时发电机的电气阻尼特性皆为正值，改善了在交流线路及HVDC单独运行时局部频率为负值的情况。由复转矩系数法的判断依据可知，此时系统将不会发生SSO现象。由此可得，对于伊冯/呼辽交直流系统，联网运行比单独运行更稳定。
分析上述现象的原因可知，一方面，对于TCSC装置引起的SSO问题，其引发可能性除了与轴系的扭振频率和阻尼有关外，还与电气系统的自振频率和电气阻尼有关，而系统接线方式则直接影响到系统的自振频率和电气阻尼。经验表明，在网状输电系统中，由于电气阻尼较大，不容易出现SSO。例如1970年和1971年Mohave电厂2次SSO事故时的运行系统，现象与损坏情况基本相同，都是在Mohave和E1dorado的连线跳开、Mohave电厂单独通过一条283km串联补偿线路向Lugo系统送电的情况下发生的。而当Mohave电厂通过500kV线路与Lugo和Eldorado两母线相连形成网状输电时，就没有SSO现象。同样，内蒙古自治区的托克托电厂以点对网方式通过串联补偿线路向华北送电时，可能出现严重的SSO问题，但若将托克托电厂与约30km外的内蒙古电网相连，再通过串联补偿线路向华北送电，则SSO问题基本消失。
另一方面，由HVDC引起的SSO问题与整流侧汽轮发电机组和交流大电网联系的强弱有关。在联网模式下，交流侧常规的电力负荷具有随频率而变化的特性，从而对汽轮发电机组的SSO起阻尼作用，同时也起到分压、分流的作用，因此在一定程度上减轻了HVDC与发电机组之间的耦合。汽轮发电机组与交流大电网联系薄弱，可以用联络线的阻抗来表达。由现场数据可知，当呼辽直流与伊冯交流联网运行时，联络双回线的阻抗很小，因此伊冯交流部分将对整流侧伊敏电厂汽轮机组的SSO起阻尼作用。同样，在贵广Ⅱ直流系统中也有类似的现象，即系统在强交流系统连接方式下是稳定的，而在弱交流连接方式及孤岛方式下都有发生SSO的危险。
2.串联补偿方式对电气阻尼特性的影响
在保持串联补偿度不变，即保持交流线路强度的情况下，将15%TCSC+30%FSC串联补偿方式改为全固定串联补偿方式，相关运行方式记为AC（FSC），HVDC/AC（FSC）。同样运用测试信号计算对应机组的电气阻尼特性，并与AC（FSC+TCSC）及HVDC/AC（FSC+TCSC）的计算结果进行对比，如图5-22～图5-24所示，其中交直流联网运行时以伊敏三期机组为例说明情况，伊敏一、二期的阻尼变化情况与之类似。
图5-22 串联补偿装置对伊敏一期发电机电气阻尼特性影响(www.xing528.com)
图5-23 串联补偿装置对伊敏二期发电机电气阻尼特性影响
图5-24 串联补偿装置对伊敏三期发电机电气阻尼特性影响
当交流输电线路采用全固定串联补偿时，由图5-22、图5-23看出，伊敏一、二期发电机电气谐振的频率向低频方向转移（折算到转子侧），对应电气谐振点的负阻尼增大。由图5-24看出，伊敏三期发电机在23Hz附近出现负阻尼。由此可知，交流输电线路安装TCSC后，伊敏各期电厂发电机组的电气阻尼特性都得到了提高，即TCSC不仅改善了交流线路的SSO稳定性，也改善了HVDC的SSO稳定性，提高了系统的整体稳定性。这是由于TCSC自身在次同步频率下的次频阻抗特性起到了调制解调作用，减少了出现SSO的可能性。
要进一步说明的是，为了达到抑制SSO的目的，必须合理地选择TCSC和FSC的比例，其中TCSC部分的比例不能太低，太低可能达不到抑制SSO的目的，比例太高就达不到节省投资的目的。合理的串联补偿比例随总串联补偿度、系统情况、机组情况等因素变化，需通过详细的系统研究确定。IEEE推荐采用以下原则，即以不发生SSO为目的来确定最高固定串联补偿度，如果需要更高的串联补偿度，则附加采用可控串联补偿，形成TCSC与FSC相结合的串联补偿方式。本书采用的串联补偿比例（30%FSC+15%TCSC）以及TCSC提升系数皆由实际工程数据所得。
5.3.5.3 时域仿真验证
为验证上述测试信号法分析结果的准确性，采用PSCAD/EMTDC时域仿真法进行对照，通过以下2种方案来验证：
方案1：在呼伦贝尔开关站设置三相短路接地故障，观测伊敏三期发电机（YM3G1）在HVDC、HVDC/AC（TCSC+FSC）、HVDC/AC（FSC）时的轴系扭振变化。
方案2：在冯屯高压母线设置三相短路接地故障，观测伊敏一期发电机（YM1G1）在AC（FSC+TCSC）及HVDC/AC（TCSC+FSC）时的轴系扭振变化。
上述方案下各发电机的轴系扭矩波形如图5-25～图5-29所示，图中THI表示高压缸HP与中压缸IP之间的扭矩，TIL表示中压缸IP与低压缸LP之间的扭矩，TLG表示低压缸LP与发电机质量块GEN之间的扭矩，另外，由于伊敏一期发电机YM1G1是5质量块，有LPA、LPB两个低压缸，因此它们之间扭矩表示为TLL。
方案1和方案2的时域仿真波形验证了上述阻尼特性分析的有效性，其中，图5-25、图5-26验证了联网运行比高压直流输电孤岛运行更稳定；图5-26、图5-27验证了TCSC在改善次同步阻尼特性时起到的积极作用；图5-28、图5-29验证了联网运行比交流输电单独运行更稳定。
图5-25 HVDC时YM3G1轴系扭矩波形
图5-26 HVDC/AC（FSC+TCSC）时YM3G1轴系扭矩波形
图5-27 HVDC/AC（FSC）时YM3G1轴系扭矩波形
通过对比复转矩系数法和时域仿真法的分析结果可得出以下结论：
1）系统连接方式对抑制SSO有影响。对于伊冯/呼辽交直流系统，联网运行增强了与交流系统的联系，增大了系统的电气阻尼，从而比交流或直流系统单独运行时更稳定。
2）串联补偿装置对抑制SSO有影响。TCSC不仅改善了交流线路的SSO稳定性，也改善了HVDC的SSO稳定性，从而提高了系统的整体稳定性。
上述结论对其他复杂交直流系统的电气阻尼特性分析及系统网架结构建设提供了一定的参考价值，具有一定的工程实用价值[29]。
图5-28 AC（FSC+TCSC）时YM1G1轴系扭矩波形
图5-29 HVDC/AC（FSC+TCSC）时YM1G1轴系扭矩波形
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
