基于SVG动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法与流程

本发明涉及电网无功功率补偿
技术领域：
，具体涉及一种基于SVG(StaticVarGenerator，静止无功发生器)的动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法。
背景技术：
：我国幅员辽阔，能源和经济的发展在地域上呈逆向分布，极不平衡，因而进行大容量、远距离的输电势在必行。但是，高压、远距离输电技术存在功率受限的问题。现有技术中，一般采用固定串联补偿输电技术来解决高压、远距离输电技术存在的功率受限问题，从而实现电网安全运行和经济输电，解决我国电力送出受限问题。但是，固定串联补偿输电技术在提高输电线路输送能力的同时，也给一些风力发电场带来次同步振荡(SSO,SubsynchronousOscillation)的问题，而次同步振荡将会严重影响风力发电系统的稳定运行。为解决电网的次同步振荡问题，目前主要采用如下几种抑制电网次同步振荡的方法：附加励磁阻尼控制抑制法、阻塞滤波器抑制法、次同步附加阻尼控制抑制法，以及静止无功补偿器抑制法。但是，上述抑制方法均未采用全控型功率器件，因而对输电系统中的次同步振荡的抑制效果非常有限。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种基于SVG并能动态、有效地抑制电网的次同步振荡的频率闭环控制方法。解决本发明技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种基于SVG动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法，所述控制方法包括如下步骤：1)采集电网三相电压；2)对所述电网三相电压进行跟踪处理，以得到电网频率；3)对所述电网频率进行滤波处理，以得到抑制电网次同步振荡的频率实际值；4)将所述抑制电网次同步振荡的频率实际值和抑制电网次同步振荡的频率参考值做差，形成电网频率偏差值，并对所述电网频率偏差值进行比例积分控制，以得到与所述电网频率偏差值对应的控制量；5)对与所述电网频率偏差值对应的控制量进行闭环控制，以得到抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而抑制电网的次同步振荡。优选地，在所述步骤1)中，采用SVG内置的电压传感器实现电网三相电压的采集。优选地，所述步骤2)具体为：21)将所述电网三相电压变换成有功电压实际值和无功电压实际值；22)利用锁相环对所述无功电压实际值进行跟踪处理，以得到所述电网频率。优选地，所述步骤21)具体为：使三相静止坐标系下的所述电网三相电压通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的所述有功电压实际值和无功电压实际值。优选地，在所述步骤3)中，采用模态滤波器对所述电网频率进行滤波处理，所述模态滤波器包括依次连接的低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器，或者包括依次连接的高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器。优选地，在所述步骤3)中，所述带通滤波器以其输入信号的次同步振荡频率为中心频率。优选地，在所述步骤3)中，所述抑制电网次同步振荡的频率实际值的频率范围为2～50Hz。优选地，所述步骤5)具体为：51)使与所述电网频率偏差值对应的控制量依次经过直流电压环和有功电流环处理，以形成第一控制量；以及使与所述电网频率偏差值对应的控制量依次经过无功功率环和无功电流环处理，以形成第二控制量；52)将所述第一控制量和所述第二控制量变换成抑制电网次同步振荡的控制量；53)对所述抑制电网次同步振荡的控制量进行脉冲宽度调制，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件进行控制，以产生抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而抑制电网的次同步振荡。优选地，所述步骤51)具体为：将与所述电网频率偏差值对应的控制量作为直流电压额外给定值，在所述直流电压额外给定值中加入直流电压给定值，以得到总直流电压给定值，对所述总直流电压给定值和直流电压实际值做差，形成有功功率偏差值，对所述有功功率偏差值进行比例积分控制，以得到与有功功率偏差值对应的控制量，将所述与有功功率偏差值对应的控制量作为有功电流给定值，将所述有功电流给定值和有功电流实际值做差，形成有功电流偏差值，对所述有功电流偏差值进行比例积分控制，以得到与所述有功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第一控制量；以及将与所述电网频率偏差值对应的控制量作为无功功率额外给定值，在所述无功功率额外给定值中加入无功功率给定值，以得到总无功功率给定值，对所述总无功功率给定值和无功功率实际值做差，形成无功功率偏差值，对所述无功功率偏差值进行比例积分控制，以得到与无功功率偏差值对应的控制量，将所述与无功功率偏差值对应的控制量作为无功电流给定值，将所述无功电流给定值和无功电流实际值做差，形成无功电流偏差值，对所述 无功电流偏差值进行比例积分控制，以得到与所述无功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第二控制量。优选地，所述步骤52)具体为：使两相旋转坐标系下的所述第一控制量和所述第二控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的所述抑制电网次同步振荡的控制量。有益效果：本发明所述动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法在现有SVG双环(电流内环+直流电压外环/无功功率外环)解耦PI控制策略中加入电网频率闭环等效阻尼控制策略，具体地，将抑制电网次同步振荡的频率实际值和抑制电网次同步振荡的频率参考值做差，形成电网频率偏差值，将其经过比例积分控制形成与该电网频率偏差值对应的控制量，将该控制量分别作为现有SVG直流电压外环和无功功率外环的额外给定值(额定值)，即，对于现有SVG直流电压外环来说，将该控制量作为其直流电压额外给定值，对于现有SVG无功功率外环来说，将该控制量作为其无功功率额外给定值，然后经过现有SVG双环解耦PI控制策略处理后生成相应的控制量，对该控制量进行脉冲宽度调制以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件进行控制，以产生抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而构成电流内环+直流电压中环/无功功率中环+电网频率外环三环解耦PI控制策略，进而在现有SVG控制策略的基础上有效地补偿(抑制)了电网中的次同步振荡。可见，本发明在现有SVG双环解耦PI控制策略的基础上增加了在线动态抑制电网次同步振荡的控制算法，且现有SVG采用全控型功率器件，因而可以有效地为风力发电场提供正阻尼，有效地改善风力发电系统的稳定性。此外，本发明具有简单、易于实现、成本低的优点，相比于现有其它抑制电网次同步振荡的控制策略，可以使SVG根据实时的抑制电网次同步振荡的补偿电压快速地输出更加精确的有功功 率和无功功率，从而能有效解决电网中的次同步振荡问题。附图说明图1为本发明实施例所述基于SVG的动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法的流程图；图2为图1中步骤S200的子流程图；图3为本发明实施例所述模态滤波器的一种结构示意图；图4为本发明实施例所述模态滤波器的另一种结构示意图；图5为图1中步骤S500的子流程图；图6为本发明实施例所述基于SVG的动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法的应用示意图；图7a为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG输出的有功功率的波形图；图7b为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG输出的无功功率的波形图；图8为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG的电机转矩的波形图。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。近年来，柔性交流输电系统(FACTS，FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems)得到了较为广泛的应用和发展。基于全控型功率器件(IGBT)的SVG以其灵活的控制性能和快速的动态特性，受到了用户的青睐，从而广泛地应用于柔性交流输电系统。SVG(StaticVarGenerator，静止无功发生器)是一种并联的、能进行无功补偿的全控型交流输配电装置，可在容性和感性范围内进行调节，响应速度快，本发明应用其抑制电网的次同步振荡具有更好的阻尼效果，从而为风力发电场提供正阻尼，有效地改善了风力发电系统的稳定性。本发明采用的控制策略包括： 对抑制电网次同步振荡的频率实际值的滤波筛选，模态滤波器的设计实现，电网频率闭环等效阻尼控制策略的设计，以及基于SVG抑制电网次同步振荡的整体控制方案，下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。实施例：如图1所示，本实施例提供一种基于SVG的在线动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法，其包括如下步骤：S100.采集电网三相电压ua,ub,uc。优选地，采用SVG内置的电压传感器实现电网三相电压ua,ub,uc的采集。S200.对电网三相电压ua,ub,uc进行跟踪处理，以得到电网频率f。可利用现有的频率跟踪技术对电网三相电压ua,ub,uc进行跟踪处理以实现对电网频率的自动跟踪。优选地，如图2所示，步骤S200包括如下步骤：S201.将电网三相电压ua,ub,uc变换成有功电压实际值ud和无功电压实际值uq。优选地，步骤S201具体为：使三相静止坐标系下的电网三相电压ua,ub,uc通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的有功电压实际值ud和无功电压实际值uq。具体地，对电网三相电压ua,ub,uc进行三相-两相(3s/2r)坐标变换，即在三相静止坐标系abc和两相旋转坐标系dq之间进行变换，从而得到有功电压实际值ud和无功电压实际值uq。三相-两相坐标变换所采用的公式如下：uduq=23sinαsin(α-23π)sin(α+23π)cosαcos(α-23π)cos(α+23π)uaubuc]]>上式中的参数α为d轴与a轴夹角。S202.利用锁相环(PLL，PhaseLockedLoop)对无功电压实际值uq进行跟踪处理，以得到电网频率f。由于锁相环技术属于现 有技术，对其结构和原理不再赘述。S300.对电网频率f进行滤波处理，以得到抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf。其中，抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf的频率范围为2～50Hz。在步骤S300中，采用模态滤波器对电网频率f进行滤波处理，模态滤波器包括依次连接的低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器(如图3所示)，或者包括依次连接的高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器(如图4所示)。优选地，带通滤波器以其输入信号的次同步振荡频率为中心频率。优选地，在模态滤波器中，低通滤波器的截止频率高于带通滤波器的上限截止频率，高通滤波器的截止频率低于带通滤波器的下限截止频率，使得低通滤波器和高通滤波器先滤除了大部分无用的信号，再经过带通滤波器的窄带滤波，有效地筛选出抑制电网次同步振荡的成分，即筛选出抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf。以次同步振荡频率值为24Hz为例，选择低通滤波器的截止频率为40Hz，高通滤波器的截止频率为10Hz，带通滤波器的中心频率为24Hz，则低通滤波器的传递函数G1、高通滤波器的传递函数G2和带通滤波器的传递函数G3分别如下：G1=63165.44s2+251.2s+63165.44]]>G2=s2s2+62.8s+3947.84]]>G3=150.7ss2+150.7s+22710.49]]>S400.将抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf与抑制电网次同步振荡的频率参考值Δfref做差，形成电网频率偏差值，并对电网频率偏差值进行比例积分控制，以得到与电网频率偏差值对应的控制量。其中，抑制电网次同步振荡的频率参考值Δfref可由本领域技术人员根据电网的实际情况自行设置。S500.对与电网频率偏差值对应的控制量进行闭环控制，以 得到抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而抑制电网的次同步振荡。具体地，如图5所示，步骤S500包括如下步骤：S501.使与电网频率偏差值对应的控制量依次经过直流电压环和有功电流环处理，以形成第一控制量；以及使与电网频率偏差值对应的控制量依次经过无功功率环和无功电流环处理，以形成第二控制量。具体地，步骤S501具体为：将与电网频率偏差值对应的控制量作为直流电压额外给定值Δudc_ref，在直流电压额外给定值Δudc_ref中加入直流电压给定值udc_ref，以得到总直流电压给定值，对总直流电压给定值和直流电压实际值udc做差，形成有功功率偏差值ΔP，对有功功率偏差值ΔP进行比例积分控制，以得到与有功功率偏差值ΔP对应的控制量，将与有功功率偏差值ΔP对应的控制量作为有功电流给定值Id_ref，将有功电流给定值Id_ref和有功电流实际值id做差，形成有功电流偏差值，对有功电流偏差值进行比例积分控制，以得到与有功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第一控制量；以及将与电网频率偏差值对应的控制量作为无功功率额外给定值ΔQm_ref，在无功功率额外给定值ΔQm_ref中加入无功功率给定值Qm_ref，以得到总无功功率给定值，对总无功功率给定值和无功功率实际值Qm做差，形成无功功率偏差值ΔQ，对无功功率偏差值ΔQ进行比例积分控制，以得到与无功功率偏差值ΔQ对应的控制量，将与无功功率偏差值ΔQ对应的控制量作为无功电流给定值Iq_ref，将无功电流给定值Iq_ref和无功电流实际值iq做差，形成无功电流偏差值，对无功电流偏差值进行比例积分控制，以得到与无功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第二控制量。其中，有功电流实际值id和无功电流实际值iq可通过如下方式获得：(采用SVG内置的电流传感器)采集电网三相电流ia,ib,ic；使三相静止坐标系下的电网三相电流ia,ib,ic通过abc/dq坐标 变换，得到两相旋转坐标系下的有功电流实际值id和无功电流实际值iq。具体地，对电网三相电流ia,ib,ic进行三相-两相(3s/2r)坐标变换，即在三相静止坐标系abc和两相旋转坐标系dq之间进行变换，从而得到有功电流实际值id和无功电流实际值iq。三相-两相坐标变换所采用的公式如下：idiq=23sinαsin(α-23π)sin(α+23π)cosαcos(α-23π)cos(α+23π)iaibic]]>上式中的参数α为d轴与a轴夹角。本实施例中，直流电压环、无功功率环、有功电流环和无功电流环均属于现有SVG双环(电流内环+直流电压外环/无功功率外环)解耦PI控制策略，故上述直流电压给定值udc_ref、直流电压实际值udc、无功功率给定值Qm_ref、无功功率实际值Qm、有功电流实际值id、无功电流实际值iq均为现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数，这里不再赘述。S502.将第一控制量和第二控制量变换成抑制电网次同步振荡的控制量。优选地，使两相旋转坐标系下的第一控制量和第二控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的抑制电网次同步振荡的控制量。具体地，对第一控制量kd和第二控制量kq进行两相-三相(2r/3s)坐标变换，即在两相旋转坐标系dq和三相静止坐标系abc之间进行变换，从而得到抑制电网次同步振荡的控制量ka,kb,kc。两相-三相坐标变换所采用的公式如下：kakbkc=sinαcosαsin(α-23π)cos(α-23π)sin(α+23π)cos(α+23π)kdkq]]>上式中的参数α为d轴与a轴相位角(夹角)。S503.对抑制电网次同步振荡的控制量进行脉冲宽度调制，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件(全控型开关管，例如IGBT)进行控制，即控制相应的全控型开关管动作，以产生抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而抑制电网的次同步振荡。在实际应用中，步骤S100至步骤S500是循环往复的，换言之，每采集到一组电网三相电压ua,ub,uc，就按照步骤S200至步骤S500所述的方法对其进行处理，以产生对应的抑制电网次同步振荡的补偿电压，使SVG根据实时的抑制电网次同步振荡的补偿电压输出精确的有功功率和无功功率，从而能够动态、有效地抑制电网的次同步振荡。而且，本实施例所述控制方法可通过在现有SVG双环解耦PI控制策略中加入电网频率闭环等效阻尼控制策略实现，从而在一定程度上节约了成本。本实施例中，所述控制方法可采用数字信号处理器(DSP,DigitalSignalProcessing)实现，其具有在线、实时进行数字运算的优点。当采用SVG内置的电压传感器实现电网三相电压的采集时，由于电压传感器输出的信号无法直接被DSP识别，因此所述控制方法中还需要先将电压传感器输出的信号转换成DSP可读的信号后再进行步骤S200。下面结合图6详细描述采用DSP实现的基于SVG的动态抑制电网次同步振荡的频率闭环控制方法。图6中，PLL表示锁相环模块，PI表示比例积分控制器(即PI控制器)，PWM表示脉冲宽度调制模块(即PWM模块)。采用SVG内置的电压传感器实时采集电网三相电压ua,ub,uc；使三相静止坐标系下的电网三相电压ua,ub,uc通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的有功电压实际值ud和无功电压实际值uq，将无功电压实际值uq输出至PLL，由PLL对无功电压实际值uq进行跟踪处理，得到电网频率f，并输出至模态滤波器，由模态滤波器对电网频率f依次进行低通滤波、高通滤波和带通滤 波处理，以得到抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf，将抑制电网次同步振荡的频率实际值Δf和抑制电网次同步振荡的频率参考值Δfref做差，形成电网频率偏差值；将电网频率偏差值分别输出至两个PI控制器，通过这两个PI控制器(称为PI1和PI2)分别对电网频率偏差进行比例积分控制，从而得到两个分别与电网频率偏差对应的控制量，其中一个与电网频率偏差对应的控制量作为直流电压额外给定值Δudc_ref，在直流电压额外给定值Δudc_ref中加入直流电压给定值udc_ref，以得到总直流电压给定值，对总直流电压给定值和直流电压实际值udc做差，形成有功功率偏差值ΔP，并输出至PI控制器(称为PI3)，通过该PI控制器对有功功率偏差值ΔP进行比例积分控制，得到与有功功率偏差值ΔP对应的控制量，将与有功功率偏差值ΔP对应的控制量作为有功电流给定值Id_ref，将有功电流给定值Id_ref和有功电流实际值id做差，形成有功电流偏差值，并输出至PI控制器(称为PI5)，通过该PI控制器对有功电流偏差值进行比例积分控制，得到与有功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第一控制量；以及，另一个与电网频率偏差对应的控制量作为无功功率额外给定值ΔQm_ref，在无功功率额外给定值ΔQm_ref中加入无功功率给定值Qm_ref，以得到总无功功率给定值，对总无功功率给定值和无功功率实际值Qm做差，形成无功功率偏差值ΔQ，并输出至PI控制器(称为PI4)，通过该PI控制器对无功功率偏差值ΔQ进行比例积分控制，以得到与无功功率偏差值对应的控制量，将与无功功率偏差值对应的控制量作为无功电流给定值Iq_ref，将无功电流给定值Iq_ref和无功电流实际值iq做差，形成无功电流偏差值，并输出至PI控制器(称为PI6)，通过该PI控制器对无功电流偏差值进行比例积分控制，以得到与无功电流偏差值对应的控制量，将该控制量作为第二控制量；使两相旋转坐标系下的第一控制量和第二控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的抑制电网次同步振荡的控制量，并输出至PWM模块；PWM模块以脉冲宽度调制的方式对抑制电网次同步振荡的控制量进行调制，以生成相应的驱动 信号，并控制SVG中相应的全控型开关管动作，以产生抑制电网次同步振荡的补偿电压，从而动态抑制电网的次同步振荡。需要说明的是，直流电压给定值udc_ref、直流电压实际值udc、无功功率给定值Qm_ref、无功功率实际值Qm、有功电流实际值id、无功电流实际值iq均为现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数。本发明还对所述控制方法进行了仿真验证，仿真结果如图7a、图7b和图8所示，图7a为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG输出的有功功率的波形图，图7b为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG输出的无功功率的波形图，图8为应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的SVG的电机转矩的波形图，而且仿真图中实线为应用本发明所述控制方法而得到的仿真波形，虚线为现有技术的仿真波形，可以看出，本发明所述控制方法有效地抑制了SVG输出的有功功率的波动、无功功率的波动和电极的输出转矩的波动，从而证明了本发明所述控制方法的准确性、简易性和可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3