H-SSSC附加次同步阻尼控制器的仿真分析

5.5.6.1 待研系统模型

基于IEEE次同步振荡第一标准模型，搭建了包括H-SSSC的测试模型，等效电路如图5-50所示。采用复转矩系数法分析时，发电机采用单刚体模型；时域仿真时，发电机采用多质量块模型，其自然扭振频率分别为15.7Hz（模式1）、20.2Hz（模式2）、25.5Hz（模式3）、32.3Hz（模式4）和47.5Hz（模式5）^[8]。

系统的基准容量为S_B=894.2MVA，U_B=539kV；发电机输出的有功功率为0.9pu，无功功率为0.3pu。仿真过程中，H-SSSC的补偿容量保持不变，其等效电抗X_HSC恒为容性0.4pu。定义SSSC补偿百分比k为SSSC补偿容量占H-SSSC总补偿容量的比值，即k=X_SSSC/X_H-SSSC×100%。

图5-50 测试模型等效电路

仿真模型中，SSSC的逆变侧采用3个H桥级联多电平逆变器，如图5-51所示。此种结构具有方便高压大容量设计、分相控制、便于模块化和有利于运行及维护等优点。调制方法为正弦脉宽调制。

5.5.6.2 阻尼特性分析

基于图5-50的仿真模型，采用测试信号法对SSSC不配置附加次同步阻尼控制器时，H-SSSC自身的阻尼特性进行了计算分析^[44]。

图5-51 单相SSSC的拓扑

1.H-SSCC的安装位置对发电机D_e的影响

SSSC补偿百分比为20%，保持图5-50中的其他参数不变，改变H-SSSC与输电线路的相对位置，分别计算H-SSSC位于输电线路始端、中间和末端时的电气阻尼特性D_e（步长为1Hz），仿真结果如图5-52所示。可以看出，H-SSSC安装位置对发电机电气阻尼特性影响很小。

2.H-SSSC补偿容量配比不同时对发电机D_e的影响

保持HSC总的补偿容量不变，改变SSSC和FSC补偿容量的配比，即改变SSSC的补偿百分比k的大小，计算发电机的电气阻尼系数D_e，从而分析SSSC补偿容量的变化对发电机电气阻尼特性的影响。

图5-52 安装位置不同对阻尼特性的影响

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图5-53 三种串联补偿方案的电气阻尼特性

图5-53是SSSC的补偿百分比k分别为0、20%和40%时，发电机的电气阻尼系数曲线。当仅有FSC补偿时，系统的电气谐振频率为25Hz（折算到转子侧，下文中电气谐振频率均为折算到转子侧的频率），电气负阻尼约为45pu；当k为20%时，系统的电气谐振频率变为28Hz，此时的电气负阻尼约为15pu，较之仅有固定串联电容器的系统有较大的提高；当k为40%时，电气谐振频率继续向高频方向移动，约为32Hz，电气阻尼系数提高至13pu。

为了详细分析H-SSSC补偿容量配比不同时对发电机D_e的影响，改变SSSC补偿百分比k的大小，使其在（0，80%）范围内以步长5%递增，计算每种情况下所对应电气谐振频率以及电气谐振频率对应的电气阻尼系数（电气阻尼系数的最小值）。图5-54a、图5-54b分别为电气谐振频率和最小电气阻尼系数与SSSC补偿百分比k的关系。

图5-54 电气阻尼特性与SSSC补偿百分比的关系

由图5-54可知，在不采用附加次同步阻尼控制器的情况下，SSSC补偿百分比越高，系统的电气谐振频率越高，最小电气负阻尼幅值越小，越有利于缓解SSO对系统的影响。但由图5-54可知，即使SSSC的百分比为80%的情况下，系统最小电气阻尼仍为负值，仍然存在SSO的风险。也就是说，无主动阻尼控制时，H-SSSC能缓解但不能从根本上解决SSO问题。另外，鉴于SSSC的成本较高，应用时SSSC的补偿百分比越小越能节省投资。因此，有必要为SSSC配置附加次同步阻尼控制器。

5.5.6.3 主动阻尼的有效性验证

为了验证H-SSSC主动阻尼SSO的控制机理和附加次同步阻尼控制器的有效性，采用复转矩系数法对有、无附加次同步阻尼控制器两种情况下发电机的电气阻尼特性进行了计算。SSSC的补偿百分比设置为40%，此时的电气谐振频率为32Hz，与发电机谐振模式4对应，故谐振模式4为主导不稳定模式。图5-55为SSSC的补偿百分比设置为40%时，有、无附加次同步阻尼控制两种情况下发电机的电气阻尼特性曲线。

由图5-55可知，采用附加次同步阻尼控制器后，不仅振荡模式4的电气阻尼特性得到较大提升，变为正阻尼，而且其他模式的电气阻尼特性也得到了改善，从而从根本上避免系统发生SSO的可能性。

图5-55 有、无附加阻尼控制器的D_e曲线

采用时域仿真法对附加次同步阻尼控制器抑制SSO效果进一步验证，仿真模型仍然采用测试模型。其中，SSSC的补偿百分比仍为40%，转子采用多质量块模型，忽略机组轴系机械阻尼和质量块间互阻尼的作用。2s时无穷大母线处发生单相瞬时接地故障，故障位置如图5-50所示，故障持续时间为0.075s。

图5-56中分别给出了有、无附加次同步阻尼控制器时，各质量块的角速度变化曲线。无附加次同步阻尼控制器时，各个质量块的角速度偏差不断增大，质量块之间扭矩开始自发增幅振荡，与采用复转矩系数法的分析结果一致。加入附加次同步阻尼控制器后，振荡得到了很好的抑制，并很快平息。

图5-56 各质量块的角速度变化曲线

复转矩系数法和时域仿真法的结果均表明，H-SSSC采用附加次同步阻尼控制器后，极大地改善了系统的阻尼特性，能有效地抑制SSO。