一种基于并网变换器锁相环优化的同步机次同步抑制方法与流程

本发明属于电力系统稳定控制领域，更具体地，涉及一种基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法。

背景技术：

同步发电机为电力系统中最为重要的电源装备之一，经济价值高，同步发电机的安全稳定运行对电力系统的安全稳定有着重要的作用。同步发电机次同步振荡属于系统振荡失稳，随着汽轮同步发电机单机容量逐渐增大，发电机的轴系变得更加细长，轴系的特性较多的体现出机械的柔性特性，更加容易引发这种特殊的机电耦合相互作为，严重的可以造成发电设备损坏，威胁电力系统的安全稳定运行。

对同步发电机轴系进行动力学分析可以知道，当机械输入转矩和电磁阻尼转矩平衡时，同步发电机轴系处于稳定状态。当同步发电机电磁转矩出现非基频谐波含量时，会引起同步发电机轴系的不平衡，当该不平衡转矩不能够得到有效的抑制的情况下，同步发电机会引发各种类型的次同步振荡问题，当该振荡频率与同步发电机轴系的固有振荡频率相同或接近时，会激发同步发电机的轴系扭振问题，严重情况下会损毁同步发电机的轴系，威胁电力系统的安全稳定。例如上世纪70年代，位于美国的mohave电厂连续出现由串联补偿线路造成的汽轮发电机组轴系振荡损坏事故，由于轴系扭振频率位于次同步振荡频率范围之内，从而引起了人们对于次同步振荡问题的广泛研究。

对于同步发电机的次同步振荡的抑制主要同研究同步发电机的电气阻尼特性，并通过一些手段实现地电气阻尼的优化，达到对同步发电机次同步振荡抑制的效果。而影响电气阻尼的因素较多，例如系统的潮流分布，稳态工作点，励磁控制系统，稳定器控制系统，同步发电机外部网架结构，输电线路阻抗，外部其他电力电子装备等等较多因素。对于同步发电机附近复杂的电网结构导致难以对同步发电机阻尼特性进行准确刻画，无法确定各装备对同步发电机的影响及其严重程度，因此，需要较多的次同步震荡抑制手段在多种设备上协同作用，实现对于同步发电机次同步振荡的抑制。

对于现有的次同步振荡抑制的方法，主要采用以下几种措施：第一：对于机械学科，可以通过同步发电机轴系的优化设计来实现，避开次同步频段的固有振荡频率，可以从根本上实现对同步发电机轴系扭振的有效抑制，但该方法需要多学科交叉研究，近期难以实现较大的突破，且对于现已有的同步发电机作用不大。第二：采用带通滤波器装置，将次同步频段的谐波成分通过滤波器进行滤除，实现对次同步的抑制，该方法理论上可以实现，但在实际工程中，较低的谐波成分，且有些谐波成分与基频频率较为接近，无法实现有效的滤除。第三：在同步发电机附近加装专门的次同步抑制装置，例如同步发电机转子上安装极面绕组、附加励磁阻尼控制器，同样可以取得较好的抑制效果，但这种类型的次同步抑制器功能较为单一，无法进行其他更多的功能扩展，无法适应未来更加复杂的电力系统的发展。第四：利用具有全控型开关器件的电力电子装置实现对同步发电机次同步振荡的有效抑制。通过相应的附加的控制算法和控制参数的优化，实现对不同工况下，对同步发电机全频段次同步振荡的有效抑制，灵活有效的实现对同步发电机的保护；同时，该种方案既可以选择在同步发电机端口附加专门的电力电子装置，实现次同步振荡的同时，可以在正常状态下实现同步发电机的无功补偿，也可以利用同步发电机附近的电力电子装置，例如新能源发电，statcom无功补偿，hvdc高压直流输电等，经济性和有效性可以有效提升。

以往利用该方案实现次同步振荡的基本原理为：利用同步发电机转速偏差信号经过一定的处理后产生电流控制回路的参考值，向机组注入次同步频段电流，在同步发电机转子上产生一定的电气阻尼达到抑制次同步振荡的目的。以同步发电机转速信号作为优化控制的输入，而同步发电机转速采集本身较慢，加之同步发电机各质量块的惯性作用导致转速信号不能及时反映出系统次同步振荡的发生，造成次同步振荡抑制发挥作用相对滞后，次同步抑制器开始起作用的时刻，次同步振荡已经相对较为严重，抑制器的性能会大打折扣；同时也有基于电气测量代替转速检测的手段，通过电气测量信号和相应的数字控制器算法，实现对同步发电机转速信号的提取，通过无功通道作为次同步抑制电流的通道，或通过有功无功双通道作为次同步抑制电流的通道，该方案可以很好的实现动态次同步抑制的效果，但是该方案需要对于装备的容量或者直流母线电容的容量提出一定的需求。

综上所述，现有同步发电机次同步振荡的方法存在以下技术问题：同步发电机转速反馈误差及滞后严重，无法及时有效的投入同步发电机次同步振荡抑制器；利用无功控制支路或者有功无功控制双支路的优化控制器，在实现同步发电机所有工况下次同步振荡的有效抑制，装置本身容量或直流母线电容的容量需要相应的提高，增加了成本和体积。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法，其目的在于不增加系统容量的同时，配合有功无功控制支路，增加抑制同步发电机次同步振荡的抑制效果，提高现有次同步振荡抑制方法在抑制次同步振荡的能力；旨在解决现有技术中由于同步发电机的转速反馈误差和滞后严重导致同步发电机次同步振荡的抑制效果差的问题。

本发明提供了一种基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法，包括下述步骤：

s1：采集并网变换器电气信号量；

s2：根据所述并网变换器电气信号量获得同步旋转信号δθ，对所述同步旋转信号δθ进行带通滤波处理后并根据处理的结果判断同步发电机是否发生次同步振荡，若是，则进入步骤s3，若否，则并网变换器锁相环的带宽不变；

s3：通过增加锁相环的带宽来提升交流系统的阻尼，并将提升后的阻尼注入到交流系统中实现次同步振荡的抑制。

更进一步地，在步骤s1中，并网变换器电气信号量包括并网变换器pcc点三相交流电压vpcc，三相交流电流ipcc和直流侧电容电压udc。

更进一步地，在步骤s2中，对所述并网变换器三相交流电压vpcc进行park变换后获得旋转坐标系下三相交流电压有功分量ud，所述同步旋转信号δθ等于所述旋转坐标系下三相交流电压有功分量ud。

更进一步地，在步骤s2中，当带通滤波处理后的结果为零时，同步发电机没有发生次同步振荡；当带通滤波处理后的结果不为零时，同步发电机发生了次同步振荡。

更进一步地，在步骤s2中，所述同步旋转信号δθ依次经过带通滤波处理和增益放大后得到锁相环带宽调整因子m。

更进一步地，在步骤s3中，根据所述锁相环带宽调整因子m增加锁相环的带宽来提升交流系统的阻尼。

更进一步地，所述带通滤波处理中采用的带通滤波器的截止频率为5hz-50hz。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明仅通过改变并网变换器锁相环控制器的调节速度，增加了并网变换器的次同步振荡的抑制能力，配合原有的有功无功控制支路，降低了对并网变换器容量或器件的需求。

(2)本发明可以实现在同步旋转信号发生扰动初始时刻，开始进行次同步振荡，相比于其他通过转速信号进行反馈的抑制方案，速度更快，操作更加便捷，降低了对通信的需求。

(3)本发明仅需要测量并网变换器pcc点的电压和电流的电气量，通过锁相环控制器，实现了对同步旋转信号，现有数字采样技术上更为成熟，且采样更为精确。

(4)本发明主要根据并网变换器本身的电气信号量进行次同步阻尼的增加，可以方便的扩展到其他同种类型的换流器中，且不需要对已有的换流器进行器件的升级改造，只需要对控制器中加入锁相环的优化控制即可，控制实现简单，便于扩展。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的锁相环优化控制器的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法，在不增加系统容量的同时，配合有功无功控制支路，增加抑制同步发电机次同步振荡的抑制效果，可以提高现有次同步振荡抑制方法在抑制次同步振荡的能力。

图1示出了本发明实施例提供的基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供的同步发电机次同步抑制方法应用于并网变换器中实现同步发电机次同步抑制方法，包括下述步骤：

步骤1：采集并网变换器pcc点三相交流电压vpcc，三相交流电流ipcc，直流侧电容电压udc。

步骤2：对三相交流电压vpcc进行park变换，得到旋转坐标系下三相交流电压有功分量ud和电压无功分量uq。

步骤3：旋转坐标系下三相交流电压有功分量ud近似等于同步旋转信号δθ，同步旋转信号δθ经锁相环pi控制器和积分控制器得到电压锁相相角θ，即其中kp和ki为锁相环pi控制器参数，m为优化控制器输出带宽调整因子。

更进一步地，步骤3包括：同步旋转信号δθ作为输入信号，依次经过带通滤波器，增益放大器所组成的优化控制器，得到的信号即为抑制次同步振荡的锁相环带宽调整因子m，通过增加锁相环控制器的带宽，增加了并网变换器交流侧输出的次同步频段的阻尼，从而实现抑制该交流系统中同步发电机次同步频段的振荡，其中，带通滤波器设计在5hz-50hz之间。

步骤4：对并网变换器三相交流电流ipcc进行park变换，得到旋转坐标系下三相交流电流有功分量id和电流无功分量iq。

步骤5：并网变换器主控制器有功外环可选择定直流母线电压控制和定有功功率控制，输出有功电流指令idref。

更进一步地，步骤5具体包括：当直流母线电压无其他设备进行稳定控制的情况下，所述并网变换器主控制器有功外环选择定直流电压控制，来稳定直流母线电压，直流母线电压参考值udcref与直流母线电压测量值udc作差，经直流电压pi控制器得到有功电流指令idref1，即其中kp1和ki1为直流电压pi控制器参数，直流母线电压参考值udcref在标幺系统下设为1。

当直流母线电压有其他设备进行稳定控制的情况下，所述并网变换器主控制器有功外环选择定有功功率控制，有功功率参考值pref与有功功率实际值p作差，经有功功率pi控制器得到有功电流指令idref2，即其中kp2和ki2为有功功率pi控制器参数，有功功率参考值pref在标幺系统下在(-1，1)之间，有功功率实际值p等于udid+uqiq。

步骤6：并网变换器主控制器无功外环可选择定无功功率控制和定交流电压控制，输出无功电流指令值iqref。

更进一步地，步骤6具体包括：当交流电压需要并网变换器进行稳定控制的情况下，并网变换器主控制器无功外环选择定交流电压来稳定交流侧电压，交流电压幅值参考值uref与交流电压幅值实际值u作差，经交流电压pi控制器得到无功电流指令iqref1，即其中kp3和ki3为交流电压pi控制器参数，交流电压参考值uref在标幺系统下设为1，交流电压实际值u等于ud。

当交流电压不需要并网变换器进行稳定控制的情况下，并网变换器主控制器无功外环选择定无功功率控制，无功功率参考值qref与无功功率实际值q作差，经无功功率pi控制器得到无功电流指令iqref2，即其中kp4和ki4为无功功率pi控制器参数，无功功率参考值qref在标幺系统下在(-1，1)之间，绝对值小于无功功率实际值q等于uqid-udiq。

步骤7：将步骤5得到的有功功率指令值idref与步骤4得到的电流有功分量实际值id作差，经有功电流pi控制器得到换流器內电势有功分量ed，即其中kp5和ki5为有功电流pi控制器参数。

步骤8：将步骤6得到的无功功率指令值iqref与步骤4得到的电流无功分量实际值iq作差，经无功电流pi控制器得到换流器內电势无功分量eq，即其中kp6和ki6为无功电流pi控制器参数。

步骤9：对步骤7、8所述换流器內电势有功分量ed和无功分量eq进行park反变换，得到三相交流內电势eabc，用于产生pwm信号驱动变流器。从而实现将由步骤3锁相环控制器优化增加的电气系统阻尼注入到交流系统中，实现在次同步振荡初期进行次同步振荡的抑制。

本发明涉及到一种基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法，更具体地，涉及到一种利用并网变换器pcc电气信号，通过锁相环控制器的优化控制，实现并网变换器阻尼特性的改善的方法。

与传统系统次同步振荡的抑制方案相比，本发明仅需要测量并网变换器pcc点的电压和电流的电气量，通过锁相环控制器，实现了对同步旋转信号，现有数字采样技术上更为成熟，且采样更为精确。本发明仅通过改变并网变换器锁相环控制器的调节速度，增加了并网变换器的次同步阻尼的抑制能力，配合原有的有功无功控制支路，降低了对并网变换器容量或器件的需求。本发明可以实现在同步旋转信号发生扰动初始时刻，开始进行次同步振荡，相比于其他通过转速信号进行反馈的抑制方案，速度更快，操作更加便捷，降低了对通信的需求。本发明主要根据并网变换器本身的电气信号量进行次同步阻尼的增加，可以方便的扩展到其他同种类型的换流器中，且不需要对已有的换流器进行器件的升级改造，只需要对控制器中加入锁相环的优化控制即可，控制实现简单，便于扩展。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法，现结合附图，并选择定直流电压有功外环控制器和定无功功率无功外环控制器为例，说明本发明提出的基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法的应用。

图2是基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制系统的结构示意图：1表示并网变换器，为本发明优化控制器所在装备，连接在主变压器的低压侧；其中11为电压测量装置，用来测量并网变换器端口pcc点电压，为提取同步旋转信号和锁相角做准备；12为电流测量装置，用来测量并网变换器输出电流；13为并网变换器主电路拓扑，该拓扑可以是两电平vsc换流器，也可以是mmc等多电平电压源型换流器；2表示主变压器，用来连接并网变换器和系统侧，低压侧连接并网变换器，高压侧连接外部系统；3表示并网变换器外部系统，里面包含同步发电机等电源设备；4表示本发明装置，通过测量装置11、12检测并网变换器端口的电气分量，经锁相环控制器45得到电压相位信号θ，并通过41、42坐标变换装置，将三相电压信号转换到同步旋转坐标系下，得到同步旋转坐标系下电压分量ud、uq，通过43、44坐标变换装置，将三相电流信号转换到同步旋转坐标系下，得到同步旋转坐标系下电流分量id、iq；其中锁相控制器45由锁相pi控制器452，锁相积分控制器451和锁相优化控制器453构成，由根据锁相环的同步旋转坐标信号通过优化控制器453，调节锁相pi控制器452的带宽，实现并网变换器系统阻尼的改善；5表示并网变换器主要的控制环路，其中有功外环可以选择定直流电压控制器和定有功功率控制器，本发明以定直流电压控制器为例来说明，直流电压测量值和直流电压参考值通过pi控制器51，得到内环有功电流控制器参考值，无功外环控制器可以先选择定交流电压和定无功功率控制器，本发明以定无功功率控制器为例来说明，无功功率测量值和无功功率参考值通过pi控制器53，得到内环无功电流控制器参考值，主控制器内环电流控制器根据前述外环控制得到的参考值和实际值通过pi控制器52、54，得到内电势同步旋转坐标系下分量ed、eq，并通过坐标反变换控制器55得到调制所需的三相交流电压信号eabc，并经过pwm模块56产生控制全控型开关器件的开关信号，使该装置输出需要的电流信号。

具体实施步骤如下：

如图1-3所示，所述基于并网变换器锁相环优化的同步发电机次同步抑制方法主要步骤为：

s1：采集并网变换器电气信号量；

并网变换器输出电气信号量包括pcc点电压vpcc，输出电流ipcc，其中，可以采用电压测量装置11来测量并网变换器pcc点电压信号，可以采用电流测量装置12来测量并网变换器输出电流。

s2：并网变换器锁相环优化控制器参数设计；

通过步骤s1得到的电气信号量，经过第一坐标变换单元41和第二坐标变换单元42后得到δθ，将δθ通过pi控制器452和积分控制器451后得到pcc点电压相角θ，同时，在该经典锁相上附加锁相优化控制器，将δθ经过锁相优化控制器得到锁相环控制器带宽调整因子m，并将该比例作用到锁相环pi控制器中，通过锁相环调节系统阻尼特性，实现在系统发生次同步振荡初期进行次同步振荡的有效抑制。

s3：并网变换器主控制器设计；

并网变换器主要的控制环路为模块5，其中有功外环可以选择定直流电压控制器和定有功功率控制器，本发明以定直流电压控制器为例来说明，直流电压测量值和直流电压参考值通过pi控制器51，得到内环有功电流控制器参考值，无功外环控制器可以先选择定交流电压和定无功功率控制器，本发明以定无功功率控制器为例来说明，无功功率测量值和无功功率参考值通过pi控制器53，得到内环无功电流控制器参考值，主控制器内环电流控制器根据前述外环控制得到的参考值和实际值通过pi控制器52、54，得到内电势同步旋转坐标系下分量ed、eq，并通过坐标反变换控制器55得到调制所需的三相交流电压信号eabc，并经过pwm模块56产生控制全控型开关器件的开关信号，使该装置输出需要的电流信号。

如图3所示，δθ经过带通滤波器之后，如果带通滤波器的输出结果为零，则m为1，当带通滤波器的输出结果不为零的情况下，m在1的基础上成比例增加。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。