一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置及方法与流程

本发明涉及新能源并网系统稳定分析技术领域，尤其涉及一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置及方法。

背景技术

电力系统次同步振荡是由于电力系统中机械设备和电气设备的动态过程相互耦合作用而引发的持续的，甚至增幅的振荡，属于电力系统稳定分析领域的常见问题之一。因其振荡频率小于工频50hz，所以被称为次同步振荡。目前关于次同步振荡的研究领域多集中于大规模火力和水力发电经串补技术和高压直流输电技术远距离送出。而对于风电并网系统次同步振荡问题的研究起步较晚。随着风电并网容量的不断提高，大规模风电并网引起的次同步振荡问题日益增多，严重威胁着电网的安全稳定运行。因此，有必要对于风电并网系统的次同步振荡防控措施进行深入研究。

目前，对于次同步振荡的抑制措施的研究，主要包括附加阻尼控制策略和基于facts装置的控制方法。附加阻尼控制策略是通过改进风机变流器的控制方式，在风机的控制回路引入阻尼控制环节，经过滤波器选频，使系统在次同步频率下呈现正阻尼，并使次同步分量快速衰减。这种控制方式附加装置简单，体积小，适用于小规模小扰动风电并网系统。对于已建成的大规模风电场，这种方法需要逐一改进风机变流器，不够简单易行。

facts装置有串联和并联之分。基于串联facts装置的控制策略，多为改变线路阻抗，类似于附加阻尼控制。基于并联facts装置的控制策略多为模态电流注入。这种方法将facts装置作为电流源，通过采集发电机转速偏差信号，经过适当的增益和相移处理后，作为控制信号，使facts装置注入与线路电流反相的次同步电流分量，抵消线路中原有的次同步电流分量，起到抑制次同步振荡的作用。这种方法响应速度快，抑制效果好，但是控制参数设计比较复杂，对系统运行状况比较敏感。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置及方法，不需要facts装置作为注入电流源，减少了外部电流及谐波的干扰，简化了抑制系统的控制结构，能够保证电力系统的安全经济运行。

为解决上述技术问题，本发明是采取以下技术方案来实现的：

一方面，本发明提供一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置，包括并联带通滤波器、控制模块、电流调节器；

所述并联带通滤波器，与电流调节器相互并联，然后串联接入风机与升压变压器之间，i1＝i3，i2＝0；当电力系统中含有次同步频率谐波分量时，并联带通滤波器阻抗增大，i2≠0；

所述控制模块，包括测量装置、谐波提取模块、选频调节模块、相位调节模块、幅值调节模块、求和器、整流模块；其中，测量装置，用于获取流经并联带通滤波器的支路电流i1、流出电流调节器的支路电流i2、风机出口线路的干路电流i3；谐波提取模块，用于对电流i1进行谐波分离提取，找出幅值最大的谐波分量，并计算它的幅值、频率、相位信息；将所得频率fsx传送到选频调节模块，将所得幅值a1sx传送到幅值调节模块；选频调节模块，用于根据频率fsx调节内部滤波器的通频带，从电流i2中选出频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx；幅值调节模块，用于根据谐波提取模块得到的幅值，对次同步频率谐波分量i2sx进行调节；相位调节模块，用于对经过幅值调节的次同步频率谐波分量i2sx进行移相处理；所述求和器，用于对流出电流调节器的支路电流i2、电流i2中选出频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx、次同步频率谐波分量-i1sx进行求和，并将所得结果交流参考信号i″2输出至电流调节器和整流模块；整流模块，用于将交流参考信号i″2转换为直流参考信号idcref；

所述电流调节器，包括线路整流模块、直流斩波调节模块、逆变模块、pwm1、pwm2；所述线路整流模块用于将流入电流调节器的支路电流转换为直流电流，并将直流电流传送至直流斩波调节模块；所述直流斩波调节模块用于对输入的直流电流进行大小调节，然后将结果传送至逆变模块；所述逆变模块用于将直流斩波调节模块的输出电流进行逆变，使流出电流调节器的支路电流发生相应改变；所述pwm1将直流参考信号idcref变换为占空比信号驱动直流斩波调节模块对输入电流进行调节；所述pwm2将交流参考信号i″2变换为离散控制信号驱动逆变模块对输入电流进行逆变；

所述并联带通滤波器与电流调节器相互并联，然后串联接于风机和升压变压器之间，升压变压器与电网侧相连，测量装置将测量结果输出至谐波提取模块，选频调节模块、相位调节模块、幅值调节模块相互串联，构成信号处理通道，求和器对输入信号求和后，将结果传送至电流调节器，整流模块串联接于求和器与电流调节器之间。

另一方面，本发明还提供一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制方法，通过所述的一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置实现，包括以下步骤：

步骤1：通过测量装置测量流经并联带通滤波器的支路电流i1、流出电流调节器的支路电流i2、风机出口线路的干路电流i3；

步骤2：对流经并联带通滤波器的支路电流i1进行谐波分离提取，找出幅值最大的次同步频率谐波分量i1sx，并计算出该谐波分量所对应的频率fsx和幅值a1sx；具体方法如下：

对支路电流i1进行快速傅里叶变换分析，得到电流各个分量：

其中，i10为支路电流i1的工频分量，i1sn为电流i1的次同步频率谐波分量，a1sn，ω1sn和分别为谐波分量i1sn的幅值、角频率和相位，然后对谐波分量i1s1、i1s2、i1s3、……、i1sn的幅值进行比较，

max(a1s1，a1s2，a1s3......a1sn)＝a1sx

a1s1，a1s2，a1s3......a1sn分别为i1s1，i1s2，i1s3......i1sn的幅值，选出幅值最大的次同步频率谐波分量i1sx，x∈[1，2，3，……n]，记录其所对应的频率fsx和所对应的幅值a1sx；

步骤3：根据频率fsx调节选频调节模块的滤波器的通频带，从电流i2中选出频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx，然后对次同步频率谐波分量i2sx进行幅值和相位调节，得到交流参考信号i″2和直流参考信号idcref；具体步骤如下：

步骤3.1：根据步骤2得到的频率fsx设定选频调节模块的通频带中心频率，通过选频，筛选出电流i2中频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx；

步骤3.2：对次同步频率谐波分量i2sx进行幅值相位调节，得到次同步频率谐波分量-i1sx，幅值调节选用比例控制器kp，相位调节选用多级移相环节进行调节，

其中，kp为比例调节系数，a1sx为次同步频率谐波分量i1sx的幅值，a2sx为次同步频率谐波分量i2sx的幅值；

步骤3.3：从电流i2中去除次同步频率谐波分量i2sx，然后与次同步频率谐波分量-i1sx求和，得到交流参考信号i″2，

i″2＝i2-i2sx+(-i1sx)

然后对交流参考信号i″2进行整流，得到直流参考信号idcref。

步骤4：根据交流参考信号i″2和直流参考信号idcref生成pwm控制信号，对流入电流调节器的支路电流i2l进行调节，调节i2的大小，使i2中频率为fsx的谐波分量i2sx与电流i1中频率为fsx的谐波分量i1sx幅值相等，相位相反，相互抵消，达到抑制次同步振荡的目的；具体方法如下：

步骤4.1：通过整流电路将流入电流调节器的支路电流i2l进行调节转换为直流电流idc；

步骤4.2：利用直流斩波电路对idc进行调节，以直流参考信号idcref作为参考值，经过pwm1生成占空比信号，通过调节占空比d，得到电流i′dc，并使i′dc＝idcref；

步骤4.3：利用逆变电路对电流i′dc进行变换，以交流参考信号i″2作为参考值，经过pwm2生成离散控制信号，调节i2的大小，i2表示为：

其中，i20为支路电流i2的工频分量，i2sn为i2的次同步频率谐波分量，i1sx、i2sx分别为电流i1和i2中频率为fsx的次同步频率谐波分量；

由于i3＝i1+i2，可知在电流i3中不含i1sx和i2sx，即不含频率为fsx的次同步谐波分量，实现了对次同步振荡的抑制；

步骤4.4：将调节后的i2引入控制模块，利用控制模块重新计算次同步频率，交流参考信号和直流参考信号，构成闭环反馈控制。

步骤5：循环步骤1～步骤4，对电流i1中的次同步频率谐波分量进行逐一提取，逐一抑制，构成闭环反馈控制系统。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置及方法，具有以下优点：

(1)本发明采用支路电流调节抑制次同步振荡，不需要外部功率源注入电流和功率，减少了外部电流和谐波对系统本身的影响，控制结构简单，易于实现；采用一条支路的谐波分量去抑制另一条直路的谐波分量，可以大大减少抑制次同步振荡所需的反相功率和电流。

(2)本发明为串联抑制装置，除了利用支路电流反相抑制次同步振荡，还可以为系统在次同步频率下提供正阻尼，进一步加强对次同步振荡的抑制作用，有助于系统的安全稳定运行。

(3)本发明采用最大幅值谐波分量作为次同步振荡的谐波参考信号，可以动态跟踪次同步振荡的谐波频率，针对次同步振荡发生时的多频率谐振问题，能够逐一识别，逐一抑制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旁路谐波电流信号提取处理的控制框图；

图3为本发明实施例提供的电流调节器对旁路电流处理的控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例如下所述：

一方面，本发明提供一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置，如图1所示，包括并联带通滤波器、控制模块、电流调节器；

所述并联带通滤波器，与电流调节器相互并联，然后串联接入风机与升压变压器之间，工频条件下并联带通滤波器阻抗小，相当于短路，用于通过工频电流，不影响风机功率的正常传输，即i1＝i3，i2＝0；当电力系统中含有次同步频率谐波分量时，并联带通滤波器阻抗增大，i2≠0；

所述控制模块，包括测量装置、谐波提取模块、选频调节模块、相位调节模块、幅值调节模块、求和器、整流模块；其中，测量装置，用于获取流经并联带通滤波器的支路电流i1、流出电流调节器的支路电流i2、风机出口线路的干路电流i3；谐波提取模块，用于对电流i1进行谐波分离提取，找出幅值最大的谐波分量，并计算它的幅值、频率、相位信息；将所得频率fsx传送到选频调节模块，将所得幅值a1sx传送到幅值调节模块；选频调节模块，用于根据频率fsx调节内部滤波器的通频带，从电流i2中选出频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx；幅值调节模块，用于根据谐波提取模块得到的幅值，对次同步频率谐波分量i2sx进行调节；相位调节模块，用于对经过幅值调节的次同步频率谐波分量i2sx进行移相处理；所述求和器，用于对流出电流调节器的支路电流i2、电流i2中选出频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx、次同步频率谐波分量-i1sx进行求和，并将所得结果交流参考信号i″2输出至电流调节器和整流模块；整流模块，用于将交流参考信号i″2转换为直流参考信号idcref；

所述电流调节器包括线路整流模块、直流斩波调节模块、逆变模块、pwm1、pwm2；所述线路整流模块用于将流入电流调节器的支路电流转换为直流电流，并将直流电流传送至直流斩波调节模块；所述直流斩波调节模块用于对输入的直流电流进行大小调节，然后将结果传送至逆变模块；所述逆变模块用于将直流斩波调节模块的输出电流进行逆变，使流出电流调节器的支路电流发生相应改变；所述pwm1将直流参考信号变换为占空比信号驱动直流斩波调节模块对输入电流进行调节；所述pwm2将交流参考信号i″2变换为离散控制信号驱动逆变模块对输入电流进行逆变；

所述并联带通滤波器与电流调节器相互并联，然后串联接于风机和升压变压器之间，测量装置将测量结果输出至谐波提取模块，选频调节模块、相位调节模块、幅值调节模块相互串联，构成信号处理通道，求和器对输入信号求和后，将结果传送至电流调节器，整流模块串联接于求和器与电流调节器之间。

另一方面，本发明提供一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制方法，通过所述的一种基于旁路电流补偿的次同步振荡抑制装置实现，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1：通过测量装置测量流经并联带通滤波器的支路电流i1、流出电流调节器的支路电流i2、风机出口线路的干路电流i3；

步骤2：对流经并联带通滤波器的支路电流i1进行谐波分离提取，找出幅值最大的次同步频率谐波分量i1sx，并计算出该谐波分量所对应的频率fsx和幅值a1sx；具体方法如下：

对支路电流i1进行快速傅里叶变换分析，得到电流各个分量：

其中，i10为支路电流i1的工频分量，i1sn为i1的次同步频率谐波分量，a1sn，ω1sn和分别为谐波分量i1sn的幅值、角频率和相位，然后对谐波分量i1s1、i1s2、i1s3、……、i1sn的幅值进行比较，

max(a1s1，a1s2，a1s3......a1sn)＝a1sx

a1s1，a1s2，a1s3......a1sn分别为i1s1，i1s2，i1s3......i1sn的幅值，选出幅值最大的谐波分量i1sx，x∈[1，2，3，……n]，记录其所对应的频率fsx和所对应的幅值a1sx。

步骤3：根据频率fsx调节选频调节模块的滤波器的通频带，从电流i2中选出频率为fsx的谐波分量i2sx，然后对谐波分量i2sx进行幅值和相位调节，得到交流参考信号i″2和直流参考信号idcref；具体步骤如下：

步骤3.1：根据步骤2得到的频率fsx设定选频调节模块的通频带中心频率，通过选频，筛选出电流i2中频率为fsx的次同步频率谐波分量i2sx；

步骤3.2：对次同步频率谐波分量i2sx进行幅值相位调节，得到次同步频率谐波分量-i1sx幅值调节选用比例控制器kp，相位调节选用多级移相环节进行调节，

其中，kp为比例调节系数，a1sx为次同步频率谐波分量i1sx的幅值，a2sx为次同步频率谐波分量i2sx的幅值；

步骤3.3：从电流i2中去除次同步频率谐波分量i2sx，然后与次同步频率谐波分量-i1sx，求和，得到交流参考信号i″2，

i″2＝i2-i2sx+(-i1sx)

然后对交流参考信号i″2进行整流，得到直流参考信号idcref。

步骤4：根据交流参考信号i″2和直流参考信号idcref生成pwm控制信号，对流入电流调节器的支路电流i2l进行调节，调节i2的大小，使i2中频率为fsx的谐波分量i2sx与电流i1中频率为fsx的谐波分量i1sx幅值相等，相位相反，相互抵消，达到抑制次同步振荡的目的；如图3所示，具体方法如下：

步骤4.1：通过整流电路将流入电流调节器的支路电流i2l进行调节转换为直流电流idc；

步骤4.2：利用直流斩波电路对idc进行调节，以直流参考信号idcref作为参考值，经过pwm1生成占空比信号，通过调节占空比d，得到电流i′dc，并使i′dc＝idcref；

步骤4.3：利用逆变电路对电流i′dc进行变换，以交流参考信号i″2作为参考值，经过pwm2生成离散控制信号，调节i2的大小，i2表示为：

其中，i20为支路电流i2的工频分量，i2sn为i2的次同步频率谐波分量，i1sx、i2sx分别为电流i1和i2中频率为fsx的次同步频率谐波分量；

由于i3＝i1+i2，可知在电流i3中不含i1sx和i2sx，即不含频率为fsx的次同步谐波分量，实现了对次同步振荡的抑制；

步骤4.4：将调节后的i2引入控制模块，利用控制模块重新计算次同步频率，交流参考信号和直流参考信号，构成闭环反馈控制。

步骤5：循环步骤1～步骤4，对电流i1中的次同步频率谐波分量进行逐一提取，逐一抑制，构成闭环反馈控制系统。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。