ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОНДЕНСАТОР С ТИРИСТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ, ВЫПОЛНЕННЫЙ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ГАШЕНИЯ ПОДСИНХРОННЫХ РЕЗОНАНСОВ
THYRISTOR-CONTROLLED SERIES CAPACITOR DAMPING SUBSYNCHRONOUS RESONANCES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управлению колебаниями в системе электрического питания. В частности, изобретение относится к такому управлению посредством последовательно соединенных конденсаторов с тиристорным управлением (TCSC). Система электрического питания содержит электрическую цепь и механическую цепь в сочетании. Механическая цепь содержит электрогенератор и турбину, соединенные между собой валом. В частности, изобретение относится к гашению подсинхронных резонансов (SSR) в такой системе питания.
Уровень техники
Колебания активной мощности в системах передачи электроэнергии могут возникать в коридорах между генерирующими областями и областями нагрузки в результате плохого гашения взаимной связи, особенно в процессе передачи большой мощности. Такие колебания могут быть вызваны рядом причин, таких как повреждение линии или внезапное изменение выходной мощности генератора или нагрузки.
Управление, предлагаемое TCSC, представляет собой управление типа «импеданс». Вносимое напряжение пропорционально току линии. Такой тип управления, как правило, лучше всего подходит для применения в коридорах потока энергии, где существует строго определенная разность фазового угла между концами линии передачи для компенсации и управления.
Важным преимуществом TCSC является возможность быстрого управления степенью компенсации. Это делает TCSC очень полезным в качестве инструмента для улучшения поведения сетей после сбоя в работе. За счет такого качества TCSC степень компенсации последовательного конденсатора временно возрастает, сопровождая сбой в работе сети. Тем самым для сети (напряжения и фазы) добавляется динамическая стабильность именно тогда, когда необходимо. Дополнительная активная модуляция вольтдобавки TCSC (в зависимости от некоторых локально измеренных величин, например активной мощности) используется для обеспечения гашения электромеханических колебаний (0,1-2 Гц) в взаимосоединенной системе передачи. Благодаря данному признаку последовательный конденсатор для установившихся режимов может быть более низкого номинала и благодаря этому сохраняет низкую стоимость.
В TCSC вся батарея конденсаторов или альтернативно секция батареи конденсаторов снабжена параллельным индуктором с тиристорным управлением, который распространяет импульсы тока, которые добавляются в фазу с током линии. Напряжение конденсатора, таким образом, повышается сверх уровня, который был бы достигнут одним лишь током линии. Каждый тиристор отпирается один раз за цикл и имеет интервал проводимости, который короче, чем половина цикла номинальной частоты питающей сети. Управляя дополнительным напряжением для его пропорциональности току линии, TCSC будет являться системой передачи, обладающей фактически увеличенным реактивным сопротивлением сверх физического реактивного сопротивления конденсатора.
TCSC дает уникальную возможность применения последовательной компенсации в сетях, где имеется риск подсинхронного резонанса (SSR). SSR может возникать, когда дополнительная частота последовательного резонанса компенсационной линии совпадает со слабо погашенной частотой крутильного колебания вала турбогенератора. Результирующее взаимодействие может проявлять очень малое или даже отрицательное гашение. Это может быть причиной крутильного колебания с очень высокой амплитудой в системе вала турбогенератора. Такое колебание создает очень высокое механическое напряжение в вале. TCSC действует таким образом, чтобы устранить риск совпадения резонансных частот путем создания последовательных конденсаторов, действующих индукционно в полосе частот субсинхронного резонанса. Таким образом, присутствие последовательного резонанса в системе передачи для подсинхронных частот стало бы вообще невозможным. Таким образом, включая TCSC, можно облегчить ограничения степени компенсации, которые вызваны проблемами с SSR. Благодаря этому пропускная способность системы передачи повышается.
Система управления TCSC должна учитывать ряд требований, на каждое из которых влияет реакция системы управления в определенные временные промежутки:
- на поведение SSR влияет реакция TCSC на изменения тока линии в пределах менее 10 мс (диапазон частот от 10 до 50 Гц),
- на управление вносимым реактивным сопротивлением в частоте сети влияет реакция TCSC на изменение амплитуды тока линии в течение 50-100 мс, и
- на управление мощностью системы питания, например добавление гашения электромеханических перепадов мощности, влияет реакция TCSC в течение нескольких циклов, т.е. 100-5000 мс (диапазон частот от 0,1 до 2 Гц).
При физическом подходе система управления реализовывалась бы как многоуровневая структура управления, где каждый уровень действует в определенный промежуток времени и где уровень с самой короткой «памятью» расположен наиболее близко к TCSC. Главное преимущество данного подхода состоит в том, что становится возможным обрабатывать различные задачи управления раздельно.
Способ и оборудование управления для последовательного конденсатора, соединенного с линией электрического питания, ранее известны из патента США № 5801459. Целью управляющего оборудования является обеспечение простого и в принципе не допускающего потерь оборудования, которое эффективно гасит подсинхронные резонансы независимо от изменений рабочих условий. В известном оборудовании тиристорный вентиль управляется таким образом, что явный импеданс оборудования последовательного конденсатора  в пределах всего диапазона, в котором может возникнуть колебание SSR, становится индуктивным вместо емкостного.
Известное оборудование управляет полупроводниковым вентилем  так, что точка перехода через ноль напряжения конденсатора остается равноудаленной во время процессов, когда ток линии содержит подсинхронные составляющие. Оборудование последовательного конденсатора будет систематически проявлять индуктивный характер в пределах всего диапазона частот, который представляет интерес для SSR. Такой индуктивный характер достигается независимо от состояния управления конденсатора, независимо от характеристик линии питания или сети питания и независимо от величины основной составляющей тока в линии питания.
Средство конденсатора и параллельная ветвь, содержащая тиристор, включающий дроссель, формирует TCSC. Управляющее оборудование содержит цепь запуска, которая по командному сигналу посылает пусковой импульс тиристорному вентилю. Основываясь на измеренных мгновенных значениях напряжения конденсатора и тока линии, такая цепь компенсирует изменяющееся запаздывание между запуском тиристорного вентиля и точкой перехода через ноль напряжения конденсатора, которое возникает из-за конечного времени реверсирования цепи тиристор-индуктор-конденсатор. Компенсационная цепь запуска доставляет пусковые импульсы к тиристорному вентилю. Управляющее оборудование также содержит регулятор вольтдобавки, который, посылая команду цепи запуска, выполняет повышение уровня напряжения до требуемого.
Несмотря на то что управляющее оборудование по патенту США № 5801459 эффективно понижает отрицательное гашение в широком диапазоне частот, там, где может появиться SSR, оно все еще зависит от присутствия положительного механического гашения в системе. В реальных системах механическое гашение всегда присутствует и оно положительное, несмотря на то что коэффициент гашения очень мал. Главным затруднением является то, что очень сложно определить точное значение механического гашения. Некоторые значения можно получить с помощью измерений на генераторе, если только он установлен. Однако невозможно получить гарантированные расчетные значения на стадии проектирования. Таким образом, потенциальный риск SSR должен определяться исходя из  предполагаемых значений механического гашения, полученных из предшествующего эксперимента.
Сущность изобретения
Главной целью настоящего изобретения является поиск путей улучшения управления сетью питания для уменьшения присутствия подсинхронных резонансов (SSR), которые могут нанести ущерб механическому или электрическому оборудованию.
Согласно изобретению данная цель достигается с помощью управляющего устройства, отличающегося признаками по независимому п.1 формулы изобретения, или способом, отличающимся стадиями по независимому п.8 формулы изобретения. Предпочтительный вариант осуществления описан в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению TCSC управляется для получения положительного гашения модуляции мощности в узкой полосе частот вблизи дискретной частоты. Дискретная частота выбирается заранее и представляет собой собственную частоту крутильного колебания механической системы. Таким образом, когда такая частота дискретной модуляции появляется в линии передачи, TCSC управляется для увеличения гашения в узкой полосе частот вблизи дискретной частоты. Следовательно, благодаря средствам защиты положительное гашение от электрической сети системы питания не зависит от положительного гашения механической системы.
Дискретная частота из выборки является результатом расчета собственной частоты колебательного поведения системы. Дискретная частота также может быть выбрана из воспринятых собственных частот линии передачи. Следовательно, управление гашением может определяться исходя из непосредственной ситуации и не должно определяться до установки электростанции. В варианте осуществления изобретения гашение классифицируется по множеству дискретных частот.
В варианте осуществления изобретения появление дискретной частоты воспринимается фильтром полосы пропускания, действующим на измеряемую активную мощность в линии передачи. При восприятии сигнала, указывающего на наличие такой частоты, сигнал усиливается, и сдвигается фаза и подается на цепь запуска управляющего оборудования для TCSC, таким образом, производя положительное гашение в маленьком диапазоне вблизи воспринятой дискретной частоты.
В дополнительном варианте осуществления изобретения управляющее оборудование для TCSC содержит регулятор гашения и цепь запуска. Регулятор гашения принимает информацию о появлении дискретной частоты и обеспечивает управляющий сигнал для цепи запуска, которая обеспечивает гашение в узкой полосе частот вблизи дискретной частоты. В варианте осуществления управление гашением принимает информацию обратной связи от местных измерений на линии питания для управления выходным сигналом цепи запуска.
Еще в одном дополнительном варианте осуществления изобретения управляющее оборудование содержит регулятор вольтдобавки и контур фазовой автоматической подстройки частоты (PLL). При таком варианте осуществления сигнал от вольтдобавочного управления и сигнал от управления гашением объединяются и подаются на цепь запуска. Еще в одном дополнительном варианте осуществления сигнал гашения может объединяться с сигналом от PLL. Так как электрическое гашение приближается к нулевой линии при использовании TCSC с управлением запуском, необходимо довольно малое дополнительное управление обратной связью, чтобы сделать электрическое гашение определенно положительным, тем самым устраняя зависимость от механического гашения.
Идеальная система гашения воспринимает изменение скорости вращения генератора как входной сигнал и управляет приводом, который производит пропорциональные изменения тормозного момента. Однако, как правило, генератор располагается далеко от расположения последовательного конденсатора, и очень сложно и дорого обеспечивать надежную передачу сигнала с достаточно маленькой задержкой. Применение местных сигналов, которые настолько тесно связаны с изменением скорости вращения генератора, насколько то возможно, таким образом, выгодно.
Топология системы питания определяет, насколько сложно или легко осуществить такую дополнительную обратную связь гашения. Радиальная система, которая по своей топологии более склонна иметь проблемы SSR, также является одной из тех, в которых надежное дополнительное гашение может быть осуществлено наиболее просто.
Полный поток мощности в радиальной системе передачи отображает фазовый угол генератора относительно остальной системы питания. Полная мощность высока в момент, когда фаза генератора является опережающей фазой относительно остальной сети, и низка, когда фаза отстает. Таким образом, изменения фазы генератора получаются из местных измерений полного потока активной мощности в коридоре размещения последовательного конденсатора. Для получения информации о фактической фазе генератора или отклонениях скорости также применяются другие параметры, такие как местная частота.
Из измеренных параметров формируются соответствующие управляющие сигналы, которые добавляются к управлению TCSC таким образом, что в результате получается положительный вклад в электрическое гашение. Часто известны критические механические частоты в системе вала генерирующей станции, и тогда формируется дополнительный сигнал, чтобы обеспечить гашение на таких выбранных известных частотах.
Система гашения согласно изобретению содержит систему управления TCSC с управлением запуском тиристора, которое по алгоритму в точности определяет конкретный момент для запуска тиристоров, и дополнительную систему гашения обратной связи, которая воспринимает локально измеренный сигнал как входной, и обеспечивает выходной сигнал, который применяется в качестве входного сигнала для управления запуском. Таким образом, сигнал гашения добавляется к выходному сигналу вольтдобавочного управления или сигналу PLL.
В первом аспекте изобретения цель достигается с помощью управляющего устройства последовательным конденсатором с тиристорным управлением, присоединенного к линии передачи; причем  управляющего устройства, содержащего управление запуском тиристора, которое реагирует на командный сигнал для создания пусковых импульсов для тиристорного вентиля в зависимости от тока линии и напряжения конденсатора, чтобы вызвать переключение вентиля в требуемый момент; командного управления, реагирующего на внешнюю фазу задающего сигнала для создания командных импульсов для управления запуском тиристора, где командное управление содержит управление гашением, реагирующее на наличие дискретной частоты в линии передачи для создания командных сигналов для управления запуском тиристора, чтобы достичь положительного гашения сети в диапазоне частот вблизи дискретной частоты. В варианте осуществления изобретения командное управление содержит вольтдобавочное управление и контур фазовой автоматической подстройки частоты.
Во втором аспекте изобретения цель достигается посредством способа обеспечения положительного гашения колебания дискретной частоты, присутствующей в линии передачи электроэнергии, причем линии передачи электроэнергии, содержащей средство последовательного конденсатора с тиристорным управлением с управлением запуском тиристора; способа, содержащего обеспечение сигнала, означающего присутствие колебания в линии передачи электроэнергии, фильтрации сигнала, восприятие наличия дискретной частоты, сдвиг фазы сигнала и посылку командного сигнала для управления запуском тиристора для создания эффекта гашения.
Краткое описание чертежей
Признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными для специалиста в данной области техники из следующего подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
на фиг.1 представлено принципиальное расположение механической системы, соединенной с электрической системой,
на фиг.2 представлена принципиальная схема управляющего устройства по изобретению,
на фиг.3 представлена диаграмма, показывающая действие управляющего устройства,
на фиг.4 представлен один из вариантов осуществления управляющего устройства по изобретению,
на фиг.5 представлен дополнительный вариант осуществления управляющего устройства.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 показана механическая система 1, соединенная с электрической системой 2. Механическая система содержит турбину 3 и роторную часть 4 генератора 5, соединенную с турбиной через вал 6. Электрическая система содержит статорную часть 7 генератора и сеть 8, соединенную с генератором. Система механического вала отличается функцией передачи малого сигнала от отклонения приложенного момента к отклонению скорости вращения вала (система «Турбина и Вал»). Электрическая система может быть представлена блоком «Генератор и система передачи», который имеет функцию передачи от отклонения приложенной скорости к отклонению электрического момента. Эти две функции передачи соединены каскадно. Устойчивость системы обратной связи определяется свойствами электрической системы.
f
f
.
f
- f
f
+ f
f
- f
f
f
f
f
- f
мех
мех
ген
мех
ген
мех
ген
мех
ген
мех
мех
ген
мех
Когда скорость вращения вала генератора модулируется частотой , его фаза относительно остальной электрической сети будет изменяться с той же самой частотой. Активная мощность обменивается с сетью, когда колеблется с частотой Фаза колебания привносит суб- и сверхсинхронные токи в систему передачи. Эти токи имеют частоты  и  соответственно. Подсинхронная частота  близка к , когда  мала и когда импеданс сети является индуктивным, так как степень компенсации меньше чем 100%. Тогда изменение электрического момента противодействует модуляции скорости. Тем не менее, когда частота модуляции  увеличивается, то подсинхронная частота  уменьшается. Если линия последовательно компенсирована пассивной конденсаторной батареей, то импеданс сети становится емкостным при определенной частоте и тогда электромеханический момент, созданный подсинхронным током, вместо увеличения модуляции скорости вала увеличивает амплитуду колебания.
Средство последовательного конденсатора с тиристорным управлением (TCSC) по изобретению описано на фиг.2. Средство 11 конденсатора последовательно соединено в линии 12 передачи электрической мощности. Вторая ветвь, параллельная средству конденсатора, содержит средство 13 индуктора и тиристорный переключатель 14. Тиристорный переключатель содержит первое 15 и второе 16 средства тиристора, установленные в антипараллельных ветвях. Дополнительно TCSC содержит управляющее устройство 17, установленное для создания управления тиристорому переключателю в ответ на заданную операцию.
Управляющее устройство содержит управление 18 запуском и командное управление 19. Управляющее устройство дополнительно содержит средство 20 восприятия напряжения, выполненное с возможностью измерения напряжения конденсатора, и средство 21 восприятия тока. Дополнительное средство 25 восприятия напряжения выполнено с возможностью измерения напряжения линии. Средство восприятия напряжения может содержать в качестве примера трансформатор напряжения или делитель напряжения с передачей оптического сигнала. Управление запуском содержит компьютерное средство для вычисления точного момента для запуска тиристоров в ответ на командный сигнал и напряжения конденсатора для осуществления перехода через ноль напряжения конденсатора в момент, заданный командой.
Командное управление содержит вольтдобавочное управление 22 и средство 23 контура фазовой автоматической подстройки частоты  (PLL) для обеспечения равноудаленности командных импульсов к командному управлению. Командное управление дополнительно содержит управление 24 гашением. Управление гашением вычисляет сигнал гашения в ответ на ток линии и напряжение линии. Управление гашением содержит средство фильтрации для обнаружения дискретной частоты местных измерений. Следовательно, управление гашением действует по сигналу, содержащему комбинацию сигналов тока линии и напряжения в линии передачи (например, активной мощности). Дополнительно средство гашения содержит компьютерное средство для создания командного сигнала управлению запуском, воздействующего на создание положительного гашения электрической сети в узкой полосе частот вблизи дискретной частоты. Дискретная частота является выбранной частотой из одной из собственных частот механической системы. Обеспечивая положительное гашение в полосе частот вблизи такой дискретной частоты, для затухания обеспечивается выходная собственная частота.
В общем случае условия гашения для электрической подсистемы могут быть охарактеризованы кривой, которая показывает связь между составляющей фазы со скоростью модуляции электрического момента и скоростью модуляции самой по себе.  На фиг.3 нарисованы такие кривые для определенного генератора в радиальной сети передачи. Точечная линия показывает отрицательное электрическое гашение в широком диапазоне частот от 15 Гц до примерно 30 Гц, являющееся результатом электрического гашения для последовательной компенсации с применением только фиксированных батарей конденсаторов. Эти характеристики делают невозможным применение последовательной компенсации с заданной степенью компенсации, если система вала генератора имеет какой-нибудь значительный вид перепада в пределах диапазона.
Реактивное сопротивление индуктивности в TCSC намного меньше, чем реактивное сопротивление батареи конденсаторов; обычно отношение диапазонов составляет от 5 до 15 раз. TCSC управляется по фазовому углу, и тиристорная ветвь пропускает короткие импульсы тока в течение каждого полуцикла частоты сети. TCSC имеет совершенно отличную реакцию на подсинхронные токи линии, чем фиксированный последовательный конденсатор. На низких частотах кажущийся импеданс TCSC приближается к нулю, тогда как реактивное сопротивление для фиксированного последовательного конденсатора приближается к отрицательной бесконечности. Эксперименты показывают, что кажущийся импеданс части с тиристорным управлением TCSC может оставаться индуктивным во всем диапазоне частот подсинхронного резонанса приблизительно от 10 Гц до приблизительно 30-45 Гц (50 Гц системы) или 40-55 Гц (60 Гц). Когда участок установленных фиксированных последовательных конденсаторов заменяется на TCSC, кривая электрического гашения преобразуется так, как показано пунктирной линией на фиг.3.
На фиг.3 также показана кривая электрического гашения, черная линия, в определенном случае, когда дополнительное гашение по изобретению было добавлено к механическим частотам 13,8 Гц и 24,5 Гц. В примере ширина полосы частот активного гашения при более низкой частоте была выбрана более узкой, чем при более высокой частоте.
p(t)
На фиг.4 показана радиальная система, имеющая несколько параллельных линий в коридоре передачи большой мощности. Турбина 3 и генератор 7 присоединены к первой линии передачи 12а и ко второй линии передачи 12б. Обе линии передачи содержат TCSC по изобретению. Управление 24 гашением воспринимает местный сигнал  от первой и второй линий передачи. Сигнал фильтруется первым полосовым фильтром 26 и вторым полосовым фильтром 28. Эти фильтры настроены на обнаружение дискретной частоты задания. При появлении сигнала от первого фильтра сигнал от первого регулятора 27 усиления сдвигает сигнал по фазе. При появлении сигнала от второго фильтра второй регулятор 29 усиления сдвигает сигнал по фазе. Оба таких сигнала добавляются перед отправкой к управлению запуском.
В другом альтернативном варианте используют измеренное напряжение и ток в узле TCSC. Импеданс линии от узла до точки, близкой к генератору, известен, и, следовательно, можно оценить вектор напряжения в данной точке. Скорость (частота) вектора напряжения отражает механическую скорость вращения генератора. Следовательно, его можно использовать в качестве входного сигнала для дополнительной системы гашения. На фиг.5 показана такая система.
На фиг.5 показан второй вариант осуществления управления гашением. Второй вариант осуществления имеет такую же принципиальную структуру, как вариант осуществления, показанный на фиг.4, и использованы такие же числа указателей. Однако в таком варианте осуществления сигнал, воспринимаемый фильтрами, оценивается с обоих измерений тока и измерений напряжения на обеих линиях передачи. Средство 31 оценки доставляет сигнал средству 30 измерения частоты в ответ на информацию, полученную от линий передачи. Первый 26 и второй 28 фильтры выполнены с возможностью обнаружения наличия первой и второй дискретной частоты от сигнала, подводимого от средства 30 измерения.
Помимо того что рамки изобретения не должны ограничиваться представленными вариантами осуществления, они также должны включать в себя варианты осуществления, очевидные специалисту в данной области техники. Например, средство фильтра может содержать множество фильтров, каждый из которых спроектирован для обнаружения наличия, по меньшей мере, одной из множества заданных дискретных частот.