专利名称：一种发电机机端次同步阻尼控制系统及次同步阻尼控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统稳定与控制技术领域，具体涉及一种发电机机端次同步阻尼控制器的设计方法，为解决系统次同步振荡提供一种新的解决方法。
背景技术：
随着远距离大容量输电的需求上升，特别是大型煤电基地由于远离负荷中心，大多采用远距离厂对网输电模式，为了提高输送容量和系统稳定性，越来越多地采用固定串联电容补偿(FSC)、高压直流输电(HVDC)和一些基于电力电子技术的高速控制装置。然而， 这些装置在一定条件下可能引发次同步谐振(SSR)或振荡(SSO)问题。轻微的SSR/SS0会降低汽轮发电机轴系寿命，严重的SSR/SS0可导致汽轮发电机轴系断裂，威胁机组和电力系统的安全稳定运行。调研显示，我国一些大型煤电基地，如华北电网的托克托电厂、上都电厂、锦界电厂，东北电网的伊敏电厂等，普遍采用远距离大容量厂对网串补输电模式。分析表明，这种远距离O00公里及以上)、中高串补度(30%及以上)的大容量厂对网输电系统，存在不同程度的SSR风险，且常在一定条件下出现不止一个的不稳定或欠阻尼次同步频率模态(即多模态SSR/SS0)；另一方面，与HVDC系统相连的大型火电厂(如国华绥中发电有限责任公司)也可能存在潜在的SSO问题；SSR/SS0问题成为电网安全运行面临的一个迫切需要解决的现实难题，必须采取必要措施有效化解风险，确保机网运行安全。在解决SSR/SS0问题上，目前存在多种解决方法，主要包括基于晶闸管电力电子器件的SVC解决方法；基于励磁系统的附加励磁阻尼控制解决方法以及阻塞滤波器进行滤波的解决方法等，并且都已经在国内有使用的案例。这些解决方法各自的控制技术特点决定了各自在实际应用时的一些局限性=(I)SVC的采用的传统的晶闸管控制，技术相对落后，谐波特性比较差，同时占地面积比较大，造价成本比较高。( 附加励磁阻尼控制是目前性价比最好的一种解决方法，它是采用二次设备通过附加在励磁调节器上来抑制SSR问题。但是这种方法收发电机励磁容量的限制，提供的抑制能力有限。( 采用阻塞滤波器的方案造价成本最高，并且滤波特性受一次元器件(电感、电容)的影响非常大，而电感、电容受温度等环境因素影响比较大，所以运行后设备的维护费用非常高。本发明所设计的发电机机端次同步阻尼控制方法，采用先进的控制器件，控制策略先进，价比比较高，谐波特性比较好，容量扩展很方便，满足大容量工程使用的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种发电机机端次同步阻尼控制系统的设计方法来来抑制系统发生的SSR/SS0问题，为解决电力系统多模态次同步谐振和振荡问题提供一种全新的
解决方案。本发明具体采用以下技术方案
一种发电机机端次同步阻尼控制系统，包括上侧控制器、下侧控制器、电力电子功率单元、阻尼控制系统升压变压器；其特征在于所述上侧控制器采集发电机的转速脉冲信号，从转速脉冲信号中提取出扭振信号后，通过模态滤波得到各次同步模态扭振信号，并对模态扭振信号比例放大以及移相处理， 得到发电机转子侧的模态控制量；所述上侧控制器采集发电机机端的三相电压、三相电流电气量，获得发电机当前的磁场旋转角度，将发电机转子侧的模态控制量转换成三相目标电流指令；所述上侧控制器和下侧控制器通过光纤连接通讯，所述上侧控制器将所述三相目标电流指令下发给下侧控制器；所述下侧控制器的输出端连接电力电子功率单元输入端，并依据接收到的三相目标电流指令来控制电力电子功率元件IGBT的导通、关断角度，将三相目标电流转换成三相交流电流输出；所述电力电子功率单元的输出端连接至阻尼控制系统升压变压器的输入端，通过阻尼控制系统升压变压器将电力电子功率单元的所述三相交流电流输出转换成和发电机机端同一电压水平等级的补偿电流注入发电机机端。基于上述发电机机端次同步阻尼控制系统，本申请还公开了一种次同步阻尼控制方法，所述方法能够实现增加发电机组的次同步模态频率的阻尼，达到抑制机组次同步谐振的控制目标，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)上侧控制器采集发电机的转速脉冲信号、发电机机端三相电压、三相电流信号，通过电缆把电力电子功率单元输出三相电压、输出三相电流接入上侧控制器进行监测， 上层控制器和下层控制器通过光纤连接通讯；(2)所述上侧控制器对转速脉冲信号进行解调获取机组的扭振信号(1ω，同时对机组的扭振信号dco进行滤波处理得到模态分离后的各次同步模态扭振信号dco (k)；(3)所述上侧控制器对经过滤波处理的所述模态扭振信号dco (k)经过比例放大、 移相以及限幅环节的处理得到转子侧的模态控制量dco' (k)；(4)上侧控制器对采集到的发电机机端三相电压进行锁相闭环处理，获取发电机系统的电气角度θ ；(5)转子侧的模态控制量(1ω ‘ (k)通过包含系统电气角度θ及可整定角度θ ‘ 的dq坐标变换，变换成定子侧的控制量，即最终控制的三相目标电流指令ia、ib、i。，三相目标电流指令ia、ib、i。包含两个频率分量ω。+(1ω' (k)和coQ-dco ‘ (k)，其中，ω。为电力系统频率，可整定角度θ ‘通过现场试验的方式来整定；(6)下侧控制器接收上侧控制器下发的三相目标电流指令ia、ib、i。，同时通过直流电压平衡控制生成目标电流指令的偏差量，把此偏差量和三相目标电流指令ia、ib、i。综合求和，生成最终的跟踪输出目标指令ia'、ib'、i。'；(7)所述下侧控制器根据最终的跟踪输出目标指令ia'、ib'、i。'控制电力电子
功率单元各链接中的IGBT导通、关断角度，最终生成低电压等级的三相功率电流输出ia"、
i 〃 i 〃
!b > 1C；(8)所述三相功率电流输出ia〃、ib〃、i。〃再经过阻尼控制系统升压变压器最终生成补偿到发电机机端的三相补偿电流ia〃 ‘、ib〃 ‘、i。〃 ‘。
本发明提出了一种通过在发电机机端进行次同步电流补偿的机端次同步阻尼控制系统和基于该控制系统的控制方法，通过本发明的控制系统和控制方法，可以实现在机端进行次同步谐振抑制的目标，同时该方法的容量控制层次分明，容量扩展方便，可以适应解决不同实际现场问题的需求。
图1机端次同步阻尼控制系统结构图；图2机端次同步阻尼控制方法流程图；图3转速信号模态分离过程；图4坐标变换的实现过程图5下侧控制器的控制流程；图6电力电子元件的结构图；图7动模试验的数据分析。
具体实施例方式下面结合说明书附图对本发明的技术方案的具体实施作进一步详细说明。本发明的设计方法包含一次设备和二次设备，关键的控制算法应用在二次设备的嵌入式环境中，本例介绍应用该方法实现的具体上下侧控制器控制流程以及大功率电流输出接入发电机机端的一次设备接入过程，以实现10MVA容量为例。如图1所示为本发明公开的机端次同步阻尼控制系统结构图。转速脉冲信号通过传感器经电缆接入上侧控制器，发电机机端的三相电压、三相电流通过发电机机端的互感器经电缆接入上侧控制器，电力电子功率单元发出的三相电流通过发电机机端的互感器经电缆接入上侧控制器。发电机机端的三相电压、三相电流通过发电机机端的互感器经电缆接入下侧控制器，电力电子功率单元发出的三相电流通过发电机机端的互感器经电缆接入下侧控制器，阻尼控制系统升压变压器的低压侧电压通过互感器经电缆接入下侧控制器。上侧控制器采集的数据有发电机的转速脉冲信号、发电机机端三相电压、三相电流以及电力电子功率单元发出的三相电流。上侧控制器对转速脉冲信号进行解调，提取出扭振信号后，通过模态滤波得到各次同步模态信号，并对模态扭振信号比例放大以及移相处理，得到发电机转子侧的模态控制量；上侧控制器把转子侧模态控制量经过基于机端三相电压锁相获取系统电气角度的坐标变换，生成定子侧的模态控制量，并以光纤通讯的方式下传给下侧控制器。下侧控制器的输出端连接电力电子功率单元输入端，并依据接收到的上侧控制器三相目标电流命令来控制电力电子功率元件IGBT的导通、关断角度，将三相目标电流指令转换成三相交流电流输出，电力电子元件采用链式的拓补结构，每相由多个功率单元串联， 本实现方式中每相由11个单元串联而成，实现大功率的输出，电力电子功率单元的拓补结构如图5所示。电力电子功率单元的输出端连接至升压变压器的输入端，通过升压变压器将电力电子功率单元的所述三相交流电流输出转换成和发电机机端同一电压水平等级的补偿电流注入发电机机端。如附图2所示为本发明公开的基于次同步阻尼控制系统的次同步阻尼控制方法，所述方法包括以下步骤。步骤1 控制系统的搭建，上侧及下侧控制采集发电机机端信号上侧控制器采集的信号主要有(1)发电机转子的转速脉冲信号，转速信号通过传感器变换成上侧控制器适应的转速脉冲信号接入上侧控制器，转速脉冲的信号频率在 0 10K，常见的有3K、6. 7Κ等；(2)发电机机端的三相电压、三相电流电气量通过电气量接入控制器，用于监测和锁相功能；(3)就地电力电子功率单元的输出电流通过电缆接入控制器。下侧控制器主要采集的信号有(1)发电机机端的三相电压、三相电流电气量通过电气量接入控制器；(2)各个链接的直流电压通过传感器接入控制器；(3)就地电力电子功率单元的输出电流通过电缆接入控制器。上侧控制器和下侧控制器通过光纤进行连接。步骤2 解调滤波模态信号分离将转速脉冲信号进行解调处理，转速脉冲根据具体现场实际转速齿盘配置的齿数，频率在: IOK之间，国内使用比较多的是134齿的齿盘，即对应转速脉冲的频率在 6. 7Κ，当有扭振信号时，转速脉冲的频率在6. 7Κ附近变化。从转速脉冲信号中提取出扭振信号后，需要进行各个模态频率信号的实时分离以便于进行独立的多模态控制。以国内 600MW汽轮发电机组主流机组为例，机组轴系的次同步模态频率有三个，分别在16Hz、27Hz 以及30Hz附近。通过设计的模态滤波器组对该模态频率信号进行分离，得到实时的各个模态信号，模态分离的滤波器组构成如图3所示。在本实现实例中，滤波器按照采样频率为 IKHz进行设计。步骤3 各个模态信号进行单独的比例放大相位控制在本例中，数据处理中断是Ims的定时间隔，把处理后的3个模态信号dco (1)、 (1ω O)以及dco (3)分别进行单独的增益相位幅值控制，增益相位幅值控制变换为
厂"|2
1 _ T7 V彻'(l)= lim/Y(dto* ——L )
|_1 + 7^」
厂"|2
丁dm\2) = Yimit(dm(2)*k2 *)
厂"|2
丁dm\3) = Yimit(dmO)*k2 *)
|_1 + Γ35」其中Tl、Τ2、Τ3是3个模态的移相时间常数，kl、k2、k3是3个模态的控制环节的比例系数，limit表示对3个模态经过比例移相后的实时数据进行限幅。在计算机实现时， 对s域表达式在IK的采样率下进行离散变换，生成离散域表达式。步骤4 系统电气角度的获取通过步骤1、2获取了转子侧的模态控制量，要把该控制量补偿到定子侧，需要知道系统的电气角度，通过对发电机机端三相电压的实时跟踪来进行，以采样率为IK的采样率上侧控制器采集三相相电压，以三相电压的q轴分量为0为控制目标，实时计算三相电压的q轴分量，以q轴的分量作为偏差量进行负反馈控制，最终实现q轴分量趋向0的目标， 此时的系统电气角度即为实际系统的电气角度。步骤5 控制量的坐标变换因为最终的控制量是加在发电机的定子侧进行补偿控制，而控制输入量是发电机转子的轴系扭振信号，需要把3个模态的控制量进行坐标变换，变换成定子控制量进行控制。其中
cos(^ + φχ)- sin(没 + φχ) 1
Wabc= οο8(θ-2π/3 + φι) - η(θ-2π/3 + φι) 1 cos(^ + 2^-/3 + ^1) - η(θ + 2π Ι3 + φλ) 1
cos(没 + φ)- sin(没 + (P2) 1
T2dq—Ac= οο5φ-2π/3 + φ2) -sm(0-2π/3 + φ2) 1 cos(^ +2^-/3+ ζ >2) - sin(^ +2^-/3+ ζ >2) 权利要求
1.一种发电机机端次同步阻尼控制系统，包括上侧控制器、下侧控制器、电力电子功率单元、阻尼控制系统升压变压器；其特征在于所述上侧控制器采集发电机的转速脉冲信号，从转速脉冲信号中提取出扭振信号后， 通过模态滤波得到各次同步模态扭振信号，并对模态扭振信号比例放大以及移相处理，得到发电机转子侧的模态控制量；所述上侧控制器采集发电机机端的三相电压、三相电流电气量，获得发电机当前的磁场旋转角度，将发电机转子侧的模态控制量转换成三相目标电流指令；所述上侧控制器和下侧控制器通过光纤连接通讯，所述上侧控制器将所述三相目标电流指令下发给下侧控制器；所述下侧控制器的输出端连接电力电子功率单元输入端，并依据接收到的三相目标电流指令来控制电力电子功率元件IGBT的导通、关断角度，将三相目标电流转换成三相交流电流输出；所述电力电子功率单元的输出端连接至阻尼控制系统升压变压器的输入端，通过阻尼控制系统升压变压器将电力电子功率单元的所述三相交流电流输出转换成和发电机机端同一电压水平等级的补偿电流注入发电机机端。
2.根据权利要求1所述的发电机机端次同步阻尼控制系统，其特征在于所述下侧控制器还采集所述电力电子功率单元中各个链接的直流电压，实现对电力电子功率单元直流电压的闭环控制。
3.根据权利要求1或2所述的发电机机端次同步阻尼控制系统，其特征在于所述电力电子功率单元采用链式逆变器拓补结构，所述电力电子功率单元的每一相链接由多个功率单元串联组成。
4.一种基于权利要求1-3所述的发电机机端次同步阻尼控制系统的次同步阻尼控制方法，所述方法能够实现增加发电机组的次同步模态频率的阻尼，达到抑制机组次同步谐振的控制目标，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)上侧控制器采集发电机的转速脉冲信号、发电机机端三相电压、三相电流信号，通过电缆把电力电子功率单元输出三相电压、输出三相电流接入上侧控制器进行监测，上层控制器和下层控制器通过光纤连接通讯；(2)所述上侧控制器对转速脉冲信号进行解调获取机组的扭振信号(1ω，同时对机组的扭振信号do进行滤波处理得到模态分离后的各次同步模态扭振信号do (k)；(3)所述上侧控制器对经过滤波处理的所述模态扭振信号dco(k)经过比例放大、移相以及限幅环节的处理得到转子侧的模态控制量(1ω ‘ (k)；(4)上侧控制器对采集到的发电机机端三相电压进行锁相闭环处理，获取发电机系统的电气角度θ ；(5)转子侧的模态控制量do'(k)通过包含系统电气角度θ及可整定角度θ ‘的 dq坐标变换，变换成定子侧的控制量，即最终控制的三相目标电流指令ia、ib、i。，三相目标电流指令ia、ib、i。包含两个频率分量ω。+(1ω' (k)和coQ-dco ‘ (k)，其中，ω Q为电力系统频率，可整定角度θ ‘通过现场试验的方式来整定；(6)下侧控制器接收上侧控制器下发的三相目标电流指令ia、ib、i。，同时通过直流电压平衡控制生成目标电流指令的偏差量，把此偏差量和三相目标电流指令ia、ib、i。综合求和，生成最终的跟踪输出目标指令ia'、ib'、i。'；(7)所述下侧控制器根据最终的跟踪输出目标指令ia'、ib'、i。'控制电力电子功率单元各链接中的IGBT导通、关断角度，最终生成低电压等级的三相功率电流输出ia"、i 〃 i 〃!b > 1C；(8)所述三相功率电流输出ia"、ib"、i。"再经过阻尼控制系统升压变压器最终生成补偿到发电机机端的三相补偿电流ia〃 ‘、ib〃 ‘、i。〃 ‘。
5.根据权利要求4所述的次同步阻尼控制方法，其特征在于所述步骤O)中，采用基于椭圆滤波器原型的HR带通数字滤波器对扭振信号do进行滤波处理，通带频率范围满足发电机组轴系模态频率的波动。
6.根据权利要求1所述的次同步阻尼控制方法，其特征在于在所述步骤(5)中，转子侧的模态控制量do' (k)经过由包含电力系统电气角度θ 和可整定角度θ ‘的dq坐标变换，得到最终控制的目标电流指令ia、ib、i。，可整定角度 θ ‘通过试验对c^+dco'(k)两个频率信号在转子上的相移特性进行测量来整定。
全文摘要
本发明公开了一种发电机机端次同步阻尼控制的设计方法。发电机机端次同步阻尼控制按照上层控制器、下层控制器以及一次设备进行设计，上侧控制器实现次同步谐振的控制策略和信息监测，下侧控制器通过驱动电力电子功率元件实现控制指令的大电流输出，一次设备包含电力电子功率元件和控制电流补偿到机端的变压器；上侧控制器对转速脉冲信号进行采样、解调，以及滤波处理，以及独立的比例移相处理，得到转子侧的模态控制量，再依据获取的系统电气角度坐标变换转换成三相控制电流指令，下侧控制器依据接收到的控制电流指令来控制电力电子功率元件输出三相功率电流；此三相功率电流通过升压变压器注入发电机机端。该设计方法能够用来根据辨识出的发电机组扭振模态信号，在发电机机端输出电流进行补偿，提高机组模态阻尼。
文档编号H02J3/24GK102570950SQ20121001656
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者刘全, 吴景龙, 常富杰, 康君, 张涛, 李向良, 李英伟, 薛惠民, 裴志宏, 谢小荣, 郭锡玖 申请人:四方蒙华电(北京)自动化技术有限公司