一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法与流程

本发明涉及一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法，属于次同步振荡(Subsynchronous Oscillation，SSO)抑制技术领域。

背景技术：

电力系统次同步电力系统次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)是一种非常严重的电网稳定性问题。SSO最初出现在带串补电容的交流输电系统中，随后发现了由高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)线路引起的SSO。常规HVDC输电系统整流站附近的发电机组有可能与HVDC控制系统发生扭振相互作用，引起SSO问题。SSO激发的汽轮发电机组轴系扭振会造成发电机组轴系的疲劳损伤，严重情况下暂态过程中的强烈扭振甚至可以导致发电机大轴的瞬间断裂。

随着电力电子技术、信息控制技术的进步和发展，基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的柔性直流输电(VSC_HVDC)发展迅速。目前研究发现，VSC_HVDC的输出波形中不含有次同步频率分量，不会引发SSO现象。但在包含VSC_HVDC、HVDC和交流串补线路的交直流混合系统中，该混合系统仍有发生SSO的风险。

柔性直流输电具有有功无功可独立调节、无需大容量无功补偿和滤波器、不会出现换相失败、受端可连接与无源系统等诸多优点，近年来在各种供电场合得到越来越多的应用。相对于传统直流输电其在次同步频段内能够提供更高的直流正阻尼，且其灵活的控制方式较容易通过软件附加的策略抑制次同步振荡，因此基于柔性直流的附加直流阻尼控制可成为抑制次同步振荡的发展方向。

目前，附加励磁阻尼控制在抑制电网中出现的小幅扰动时具有较好的抑制效果，但对大扰动引发的次同步振荡抑制效果有限。对于交直流混合电力系统，可以在直流系统整流侧配置附加直流阻尼控制的方法抑制因大扰动引发的次同步振荡，作为对汽轮发电机组直流电网侧抑制次同步方法的有效补充。

技术实现要素：

本发明提供了一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法，旨在抑制直流整流站附近的传统火力发电厂的次同步振荡，保证机组和系统的安全稳定运行。

为了帮助读者理解本发明的技术方案，首先对本申请中出现的现有技术中的几种控制器介绍如下：

直流附加阻尼控制器，属于直流系统的附加设备，其原理是通过引入机组的次同步分量，经滤波、相位补偿、增益放大和限幅后将输出叠加到整流站控制器上，为受到SSO威胁的发电机组在次同步频率范围内提供电气正阻尼，从而达到抑制振荡的效果。

柔性直流控制器，这里是指基于直接电流控制中的矢量控制技术在同步旋转坐标系(dq轴坐标系)下建立的控制器，控制器可分解为电流内环控制器和外环控制器。其中，电流内环控制器(本文现有出现“电流内环控制器”“电流内环控制器”，请在全文你统一技术术语)通过调节换流器的输出电压，使dq轴电流快速跟踪其参考值；外环控制器可根据有功、无功和交直流电压等参考值，计算电流内环控制器dq轴电流参考值。外环控制器根据参考值选取的不同，可以分为有功外环控制器、无功外环控制器、交流电压外环控制器和直流电压外环控制器，四种典型控制方式。

触发脉冲调制器，其作用是利用脉宽调制或阶梯波调制等方式，确定如何向换流阀施加开通关断信号，利用直流电压在交流侧生成恰当的电压波来逼近控制指令需要的交流电压波。

为达到上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法，所述方法用于抑制与柔性直流输电系统相连的火力发电机组的次同步振荡，其特征在于：

采用整流站交流母线电压的测量信号作为控制器的输入信号，将直流阻尼附加控制信号叠加在里层内环控制环节上。

一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法，所述方法用于抑制与柔性直流输电系统相连的火力发电机组的次同步振荡，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)测量柔性直流输电系统整流站的交流母线电压，并通过锁相环节PLL获取交流母线电压相对于电网额定工频的频率偏差信号；

(2)将步骤(1)中得到的频率偏差信号作为输入信号，依次经过带通滤波、相位补偿、增益放大和限幅四个环节所组成的直流附加阻尼控制器后，得到的信号即为抑制次同步振荡的直流阻尼附加控制信号；

(3)测量整流站直流母线的直流电压，然后经过截止频率为10Hz的低频滤波器，滤掉直流电压中因次同步振荡引发的低频分量后输入至直流电压外环控制器，直流电压外环控制器输出信号即为内环d轴参考电流信号；

(4)将步骤(2)输出的直流阻尼附加控制信号与步骤(3)得到的内环d轴参考电流信号叠加作为电流内环控制器的输入信号，经过电流内环控制器得到柔性直流换流阀的触发控制信号；

(5)将步骤(4)中得到的柔性直流换流阀的触发控制信号输入至触发脉冲调制器，得到触发脉冲调制器的输出信号即为开通和关断换流阀的触发脉冲，该触发脉冲控制换流阀的开通关断最终生成附加的电磁转矩以抑制次同步振荡。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤(1)中，所述频率偏差信号包括次同步频率信号和噪声、工频信号，其中，次同步频率为10Hz～40Hz。

步骤(2)中，所述的带通滤波是指：输入的频率偏差信号经过带通滤波后，能让其中的次同步频率分量信号通过，抑制频率偏差信号中的工频、噪声及其他频率信号。

带通滤波采用巴特沃斯带通滤波器，通带频率为7Hz～50Hz，即截止频率为：下限频率ω_c1＝7Hz，上限频率ω_c2＝50Hz。

在步骤(2)中，所述相位补偿是指采用2～4个(1+sT₁)/(1+sT₂)频域模型的超前滞后环节对经过带通滤波后的频率偏差信号进行相位补偿，其中；T₁、T₂分别为超前、滞后时间常数，s为拉氏算子。

在相位补偿环节中，需要补偿的相位角度φ采用时域仿真或现场试验测试的方法确定；之后，由以下公式确定超前和滞后时间常数：

其中，ω为所选择相位补偿的次同步频率信号；是从频率偏差中提取的次

x

同步频率信号)φ为ω_x对应的需要补偿的相角；T₁、T₂分别为超前时间常数和滞后时间常数；s为拉氏算子。

在步骤(2)中，在增益放大环节，增益系数K取值为能够抑制次同步振荡的最小值，其范围在0.1～100之间。

在步骤(2)中，所述限幅环节，其取值范围通常为±10％倍的内环d轴额定值的。本发明具有以下有益的技术效果：

采用整流站交流母线电压的测量信号作为控制器的输入信号，不必考虑到实际工程中发电厂与换流站的通信距离及延时，信号也方便获取。附加控制输出信号叠加在里层内环控制环节上，内环d轴电流控制逻辑较底层，响应速度更快，不受外环控制模式的影响，通用性更强；叠加在d轴电流控制环节上，可避免与交流系统交换无功功率维持对交流电压的调节能力。通过在直流电压外环控制器的直流电压测量反馈环节增加低频滤波器，可避免整流侧运行在定直流电压控制方式下时，直流电压中的交流低频分量被引入内环有功电流控制环节中，造成对次同步抑制效果和交流侧的影响。

该种抑制柔性直流次同步振荡的附加控制方法可通过整定一套参数，实现对整流站处次同步频带内的电气正阻尼。可有效抑制次同步振荡现象，特别是系统发生大扰动所引起的次同步振荡，进而提高次同步稳定性保证系统的输电能力和发电机的安全。

附图说明

图1是柔性直流拓扑及附加直流阻尼控制系统接线示意图；

图2是本发明抑制次同步振荡的柔性附加阻尼控制方法流程示意图；

图3是直流附加阻尼控制器直流附加阻尼控制器直流附加阻尼控制器原理框图；

图4是柔性直流四种典型运行方式下次同步附加直流阻尼控制原理框图。

具体实施方式：

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明的技术方案。

图1所示为柔性直流拓扑及抑制次同步的直流阻尼附加控制接线示意图。直流整流站侧包有G1～GN共N台可能产生次同步振荡的火力发电机组，每台机组与整流侧换流母线的距离用LineN表示。直流整流站侧电压互感器将测量到的换流母线交流电压u_abc送给柔性直流次同步阻尼控制器，并将生成的控制输出信号附加到柔直控制器上。

本发明公开的抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法，如附图2所示，包括以下步骤：

步骤1：测量柔性直流输电系统整流站的交流母线电压，并通过锁相环节PLL获取交流母线电压相对于电网额定工频的频率偏差信号；考虑到实际工程汽轮机高压缸转速偏差信号获取较困难，采用整流站交流母线电压u_abc作为输入信号。次同步振荡时，换流母线的三相瞬时电压含有与汽轮发电机轴系振荡频率互补的次同步分量，通过PLL锁相环节可提取交流母线频率偏差信号，其中包含需要的次同步信息。；

步骤2：将步骤1中得到的频率偏差信号作为输入信号，依次经过带通滤波、相位补偿、增益放大和限幅四个环节所组成的直流附加阻尼控制器后，得到的信号即为抑制次同步振荡的直流阻尼控制信号；柔直附加阻尼控制器的类型主要包括窄带通多通道和宽带通单通道两种。这里选用工程通用性较强、参数整定相对简单的宽带通单通道控制类型。该控制方法注意考虑在不引起其他模态不恰当调整的基础上，保证对主要振荡模态的抑制。如图3所示，其参数整定原则如下：

宽带通单通道滤波环节，对输入的频率偏差信号经过该滤波环节后，能让系统所有的扭振模态的次同步频率(一般在10～40Hz之间)分量通过，抑制其中的工频、超同步振荡信号和噪声信号；采用2阶巴特沃斯带通滤波器，通带频率为7Hz～50Hz，即截止频率为ω_c1＝7Hz，ω_c2＝50Hz；

相位补偿环节是参数整定的关键，补偿目标是为次同步频段内振荡频率提供正阻尼，即应使Δf与其产生的附加电磁转矩相位差在-90°到+90°的范围内，工程中考虑安全裕度，通常该范围在-45°到+45°内。采用2～4个形如(1+sT₁)/(1+sT₂)的超前滞后环节进行相位补偿；工程设计中，需要补偿的相位角度φ可采用时域仿真或现场试验测试的方法确定；之后，由以下公式确定时间常数：

其中，ω_x为所选择相位补偿的频率；φ为ω_x对应的需要补偿的相角；T₁、T₂为超前滞后环节时间常数；s为拉氏算子。

增益环节，决定输入信号经过相位补偿环节后，所能提供的附加电磁转矩的大小；比例放大环节中放大倍数越大，SSO抑制效果越好；但增益过大会影响系统的高频稳定性；工程设计中，采用数字或动模仿真的方法，确定能够抑制SSO的最小K值为增益系数；

限幅环节，限幅值的大小反映抑制系统能够提供的附加电磁转矩的最大值，根据直流阻尼控制的上下限值确定；是根据控制器可接受的最大i_MAX、最小i_MIN量，确定附加输出信号i_SSDC。

如需要抑制25.0Hz次同步频率，可设计参数如下表所示。

表1 设计参数

步骤3：测量整流站的直流电压，然后经过截止频率为10Hz的低频滤波器，滤掉直流电压中因次同步振荡引发的低频分量后输入至直流电压外环控制器，直流电压外环控制器输出信号即为内环d轴参考电流信号；

当柔直整流侧采用定直流电压控制模式时，发生次同步振荡时，直流电压中将会含有f_n-f_s频率的交流分量；其中，f_n为电网额定频率，f_s是次同步振荡频率；若该交流分量被引入到内环电流给定上，成对次同步抑制效果和交流侧产生影响。该滤波器的参数设计要求能够滤除低频交流分量。

步骤4：将步骤2输出的直流阻尼附加控制信号与步骤3得到的内环d轴参考电流信号(叠加作为电流内环控制器的输入信号，经过电流内环控制器得到柔性换流阀的触发控制信号；对于柔性直流输电系统，次同步抑制信号的叠加位置可以在外环控制器或内环控制器。柔性直流外环控制主要由4种典型模式，有功功率控制模式、无功功率控制模式、直流电压控制模式和交流电压控制模式，如图4所示。。当抑制信号叠加到外环某种控制环节上时，如叠加到有功外环P_ref、无功外环Q_ref、定直流电压外环U_{DC_REF}或定交流电压外环U_{S_REF}，其抑制效果则受运行方式的影响，不具备通用性。

当抑制信号叠加到内环q轴无功电流控制环节上时，其改变的是换流站与交流系统交换的无功功率，因无功功率一般采用就地补偿的方式不宜在线路上传输，对于距离换流站母线较远的发电机组，无功类叠加方式基本起不到抑制效果；可见，对于柔性直流系统，次同步抑制信号的最佳叠加位置是d轴电流内环参考值i_dref，其叠加方式如图4所示。

步骤5：将步骤4中得到的柔直换流阀的控制信号输入至触发脉冲调制器，得到触发脉冲调制器的输出信号即为开通和关断换流阀的触发脉冲，该触发脉冲控制换流阀的开通关断最终生成附加的电磁转矩以抑制次同步振荡。柔直换流阀的控制信号通过脉冲调制环节后生成触发脉冲，如图4所示，最终提供一个附加的电磁转矩，为系统提供一个正的电气阻尼转矩以抑制次同步振荡。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。