一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法与流程

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体地说是一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法。

背景技术：

次同步振荡首次出现在汽轮发电机经远距离串补线路输出的系统中，会造成发电机轴系损伤的严重后果。近些年来，在直流输电的送端机组以及新能源大规模接入弱电网的系统中都发生过次同步振荡，严重影响了电力系统的稳定运行。

目前从发电机侧抑制次同步振荡的有效措施主要有两类：基于常规励磁的附加励磁阻尼控制器sedc和基于机端电力电子新装备的附加次同步阻尼控制器ssdc。现有次同步阻尼控制器的整定方法又可分为三类：基于简化解析方程的参数整定法(简称解析法)、基于数值仿真模型的全局优化参数整定方法(简称全局优化法)和基于现场测试的参数整定方法(简称现场测试法)。

解析法通过建立电气阻尼模型对控制全局优化法参数进行设计，以满足需要的次同步阻尼，但目前的解析法通常假定磁链恒定，从而得到交直轴解耦的简化计算公式，虽然有利于快速整定参数，但无法全面反映发电机系统的阻尼特性，难以确保获得最优的参数整定。全局优化法利用智能优化算法可基于精确的数值仿真模型开展，理论上可实现全局优化的控制参数整定，但优化整定结果比较依赖模型的准确性，难以利用现场数据进行校核。现场测试法是基于系统实际响应，进而通过公式整定方法或者工程经验方法对控制参数进行整定，但由于通道阻尼控制器作用产生的阻尼特性与系统阻尼相互耦合，现有的公式法和工程经验法均无法对次同步阻尼控制器进行精细化的解耦参数整定。

技术实现要素：

针对上述问题和现有技术存在的不足，本发明提供一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法，以提升发电机次同步控制器参数整定的精准性。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，基于数值仿真分析或者现场实测数据，提供一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法，其包括：

步骤一，基于次同步风险机组系统的数值仿真分析或者通过现场实测，获得目标整定频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)；

步骤二，投入一种附加通道次同步阻尼控制器，仅设置控制器增益参数，获得此时系统的次同步复转矩系数频率特性ks(jλ)；

步骤三，基于通道解耦理论，次同步阻尼控制器通道的次同步复转矩系数频率特性kc(jλ)通过ks(jλ)与k0(jλ)相减计算得到，进而得到该控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性；

步骤四，若同时采用两种附加通道次同步阻尼控制器，则退出步骤二中投入的次同步阻尼控制器，投入另一种附加通道次同步阻尼控制器，按上述步骤二和步骤三获得另一种次同步阻尼控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性；

步骤五，基于通道解耦理论，以次同步阻尼控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性为依据，采用通道独立整定、结果线性叠加的整定方法，以目标整定频段内系统综合阻尼转矩系数优化为目标，进行各个附加通道次同步阻尼控制器移相环节和增益环节控制参数的解耦整定。

进一步地，所述步骤一、二、三中的次同步复转矩系数频率特性用如下复数公式表示：

k(jλ)＝ke(λ)+jλde(λ)，

其中，λ为频率的标幺值，ke(λ)为同步转矩系数频率特性，de(λ)为阻尼转矩系数频率特性。

即上述的k0(jλ)＝ke_0(λ)+jλde_0(λ)，ks(jλ)＝ke_s(λ)+jλde_s(λ)，kc(jλ)＝ke_c(λ)+jλde_c(λ)。

进一步地，所述步骤二中的附加通道次同步阻尼控制器包括：基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器或基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器；所述步骤四中的附加通道次同步阻尼控制器包括：基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器和基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器，所述基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器简称转子励磁通道，基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器简称定子机端通道。

进一步地，所述步骤三中的通道解耦理论是指，当次同步阻尼控制器采用转速偏差及其等效信号作为控制器输入，且系统参数和励磁自动电压调节器控制器参数或发电机组参数一定时，系统自然通道和转子励磁通道或定子机端通道均相互解耦，各通道次同步复转矩系数频率特性线性叠加。

进一步地，所述步骤五中的通道解耦理论是指，当次同步阻尼控制器采用转速偏差及其等效信号作为控制器输入，且发电机组参数、系统参数和励磁自动电压调节器控制器参数一定时，系统自然通道、转子励磁通道和定子机端通道均相互解耦，各通道次同步复转矩系数频率特性线性叠加。

进一步地，所述步骤三和步骤四中的相频特性公式表示如下：

其中，ke(λ)为同步转矩系数频率特性，de(λ)为阻尼转矩系数频率特性

根据本发明的另一个方面，基于次同步第一标准模型的次同步解析模型，提供一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法，包括：

步骤一，建立基于次同步第一标准模型的次同步解析模型，模型包含两种附加通道次同步阻尼控制器，分别是基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器即转子励磁通道和基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器即定子机端通道；次同步解析模型如下：

ks(p)＝δte/δδ，

其中，p为拉普拉斯算子，δte为电磁转矩偏差，δδ为功角偏差；

电磁转矩偏差模型如下：

其中ψd0、ψq0分别为定子直轴和交轴磁链初始分量，id0、iq0为定子直轴和交轴电流初始分量，ut0为定子电压初始分量，ud0、uq0为定子直轴和交轴电压初始分量，xd(p)、xq(p)分别为直轴和交轴运算电抗，δid和δiq为直轴和交轴电流偏差，δud和δuq为直轴和交轴电压偏差，g(p)为励磁电压对直轴励磁的传递函数，gpid(p)为励磁avr的pid控制传递函数；

机端电压的dq轴分量偏差模型如下：

其中，mg为励磁相关换算矩阵，md为发电机相关换算矩阵，ra为定子绕组电阻，xd’和xq’为直轴和交轴暂态电抗，gse(p)为转子励磁通道附加励磁阻尼控制器传递函数；

电流偏差模型如下，包含独立的三部分：分别为系统自然通道电流偏差模型δid_0和δiq_0、转子励磁通道电流偏差模型δid_se和δiq_se、定子机端通道电流偏差模型δid_ss和δiq_ss；

其中，me为系统线路相关换算矩阵，re为系统线路等效电阻，xe为系统线路等效感性电抗，xce为系统线路串补等效容性电抗，gss(p)为定子机端通道附加次同步阻尼控制器传递函数；

步骤二，基于次同步解析模型，计算获得目标整定频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)、转子励磁通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kse(jλ)、定子机端通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kss(jλ)，进而得到各个通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性；

步骤三，基于通道解耦理论，以次同步阻尼控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性为依据，采用通道独立整定、结果线性叠加的整定方法，以目标整定频段内系统综合阻尼转矩系数优化为目标，进行各个附加通道次同步阻尼控制器移相环节和增益环节控制参数的解耦整定。

进一步地，所述步骤一、二中的次同步复转矩系数频率特性用如下复数公式表示：

k(jλ)＝ke(λ)+jλde(λ)，

其中，λ为频率的标幺值，ke(λ)为同步转矩系数频率特性，de(λ)为阻尼转矩系数频率特性。即：k0(jλ)＝ke_0(λ)+jλde_0(λ)，kse(jλ)＝ke_se(λ)+jλde_se(λ)，kss(jλ)＝ke_ss(λ)+jλde_ss(λ)。

进一步地，所述步骤二中各通道次同步复转矩系数频率特性的具体计算方法如下：

将gse(p)和gss(p)设置为0，计算获得目标整定频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)；

将gse(p)设置为1，gss(p)设置为0，且不考虑系统自然通道电流偏差，计算获得目标整定频段内转子励磁通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kse(jλ)；

将gse(p)设置为0，gss(p)设置为1，且不考虑系统自然通道电流偏差，计算获得目标整定频段内定子机端通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kss(jλ)。

进一步地，所述步骤二和步骤三中的相频特性公式表示如下：

其中，ke(λ)为同步转矩系数频率特性，de(λ)为阻尼转矩系数频率特性。

本发明具有的有益效果在于：基于系统自然通道、转子励磁通道和定子机端通道相互解耦的特性，基于通道相位独立整定、综合阻尼线性叠加的方法，实现各通道次同步阻尼控制器参数的解耦整定，解决了由于系统阻尼和相位相互耦合导致次同步阻尼控制器，特别是多通道次同步阻尼控制器，无法实现精准解耦整定的参数设计难题。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中包含附加励磁阻尼控制器(sedc)的发电机系统结构图；

图2为本发明具体实施方式中包含附加次同步阻尼控制器(ssdc)的发电机系统结构图；

图3为本发明具体实施方式中包含多通道次同步阻尼控制器的次同步第一标准模型图；

图4为本发明具体实施方式中数值仿真计算获得的系统阻尼转矩系数频率特性图；

图5为本发明具体实施方式中数值仿真计算获得的转子励磁通道阻尼转矩系数频率特性和相频特性图；

图6为本发明具体实施方式中数值仿真计算获得的定子机端通道阻尼转矩系数频率特性和相频特性图；

图7为本发明具体实施方式中解析模型计算获得的转子励磁通道阻尼转矩系数频率特性和相频特性图；

图8为本发明具体实施方式中解析模型计算获得的定子机端通道阻尼转矩系数频率特性和相频特性图；

图9为本发明具体实施方式中解析模型计算获得的系统阻尼转矩系数频率特性图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。

基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器(sedc)如图1所示，其通过转子励磁通道向发电机系统提供次同步阻尼。

基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器(ssdc)如图2所示，其通过定子机端通道向发电机系统提供次同步阻尼。

用于数值仿真的次同步第一标准模型如图3所示，该模型包含sedc和ssdc两种次同步阻尼控制器。

由数值仿真计算获得的系统自然通道阻尼转矩系数频率特性以及次同步阻尼控制器参数整定投入后的系统阻尼转矩系数频率特性如图4所示。

由数值仿真计算获得的转子励磁通道(sedc)阻尼转矩系数频率特性和相频特性，包括无补偿通道特性和参数整定后的有补偿通道特性，如图5所示。

由数值仿真计算获得的定子机端通道(ssdc)阻尼转矩系数频率特性和相频特性，包括无补偿通道特性和参数整定后的有补偿通道特性，如图6所示。

由解析模型计算获得的转子励磁通道(sedc)阻尼转矩系数频率特性和相频特性，包括无补偿通道特性和参数整定后的有补偿通道特性，如图7所示。

由解析模型计算获得的定子机端通道(ssdc)阻尼转矩系数频率特性和相频特性，包括无补偿通道特性和参数整定后的有补偿通道特性，如图8所示。

由解析模型计算获得的系统自然通道阻尼转矩系数频率特性以及次同步阻尼控制器参数整定投入后的系统阻尼转矩系数频率特性如图9所示。

实施例一

利用所提出的一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法，基于数值仿真分析，对次同步第一标准模型系统中的sedc和ssdc进行参数整定，具体整定步骤如下：

步骤一，基于数值仿真软件，建立如图3所示的次同步第一标准模型，仿真模型包含sedc和ssdc两种次同步阻尼控制器，在sedc和ssdc均未投入的状态下仿真计算获得次同步频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)，根据如下次同步复转矩的复数表达式，可计算得到系统自然通道的阻尼转矩系数频率特性de_0(λ)，如图4所示；

k0(jλ)＝ke_0(λ)+jλde_0(λ)，

式中，λ为频率的标幺值，ke_0(λ)为系统自然通道的同步转矩系数频率特性，de_0(λ)为系统自然通道的阻尼转矩系数频率特性。

步骤二，投入sedc阻尼控制器，仅设置控制器增益参数，获得此时的系统次同步复转矩系数频率特性ks_se(jλ)。

步骤三，基于通道解耦理论，次同步阻尼控制器通道的次同步复转矩系数频率特性kc_se(jλ)可通过ks_se(jλ)与k0(jλ)相减计算得到，进而得到sedc控制通道的阻尼转矩系数频率特性dc_se(λ)，并通过如下相频特性计算公式得到sedc控制通道的相频特性φc_se(λ)，如图5所示；

步骤四，退出sedc阻尼控制器，投入ssdc阻尼控制器，按上述步骤二和步骤三获得得到ssdc控制通道的相频特性φc_ss(λ)和阻尼转矩系数频率特性dc_ss(λ)，如图6所示。

步骤五，基于通道解耦理论，以次同步阻尼控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性为依据，采用通道相位独立整定、阻尼结果线性叠加的整定方法，以5hz～45hz频段内系统阻尼转矩系数为正且阻尼控制器的增益尽量较小为优化为目标，进行各个附加通道次同步阻尼控制器参数的解耦整定，本例中sedc和ssdc均采用由一阶超前滞后移相环节和增益环节组成的控制器，传递函数如下：

式中，t1为超前时间常数、t2为滞后时间常数、kp为增益系数。

整定后的各通道阻尼特性和相频特性如图5～6所示，系统综合阻尼提升效果如图4所示。

实施例二

利用所提出的一种通道解耦的发电机次同步阻尼控制器参数整定方法，基于考虑磁链变化的解析模型，对次同步第一标准模型系统中的sedc和ssdc进行参数整定，具体整定步骤如下：

步骤一，建立基于次同步第一标准模型的解析模型，模型包含两种附加通道次同步阻尼控制器，分别是基于励磁系统的附加励磁阻尼控制器(sedc，转子励磁通道)和基于机端电力电子装备的附加次同步阻尼控制器(ssdc，定子机端通道)，次同步复转矩系数模型如下，其中p为拉普拉斯算子，δte为电磁转矩偏差，δδ为功角偏差：

ks(p)＝δte/δδ(1)

转矩偏差模型如下，其中ψd0、ψq0分别为定子直轴和交轴磁链初始分量，id0、iq0为定子直轴和交轴电流初始分量，ut0为定子电压初始分量，ud0、uq0为定子直轴和交轴电压初始分量，xd(p)、xq(p)分别为直轴和交轴运算电抗，δid和δiq为直轴和交轴电流偏差，δud和δuq为直轴和交轴电压偏差，g(p)为励磁电压对直轴励磁的传递函数，gpid(p)为励磁avr的pid控制传递函数，

机端电压的dq轴分量偏差模型如下，其中，mg为励磁相关换算矩阵，md为发电机相关换算矩阵，ra为定子绕组电阻，xd’和xq’为直轴和交轴暂态电抗，gse(p)为转子励磁通道附加励磁阻尼控制器传递函数：

电流偏差模型如下，包含独立的三部分：分别为系统自然通道电流偏差模型δid_0和δiq_0，转子励磁通道电流偏差模型δid_se和δiq_se，定子机端通道电流偏差模型δid_ss和δiq_ss。其中，me为系统线路相关换算矩阵，re为系统线路等效电阻，xe为系统线路等效感性电抗，xce为系统线路串补等效容性电抗，gss(p)为定子机端通道附加次同步阻尼控制器传递函数：

步骤二，基于次同步解析模型，计算获得次同步频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)、转子励磁通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kse(jλ)、定子机端通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kss(jλ)，具体方法包括：将gse(p)和gss(p)设置为0可计算获得目标整定频段内系统自然通道的次同步复转矩系数频率特性k0(jλ)；将gse(p)设置为1，gss(p)设置为0，且不考虑系统自然通道电流偏差(即公式7模型)，可计算获得目标整定频段内转子励磁通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kse(jλ)；将gse(p)设置为0，gss(p)设置为1，且不考虑系统自然通道电流偏差(即公式7模型)，可计算获得目标整定频段内定子机端通道的无补偿次同步复转矩系数频率特性kss(jλ)；

进而根据如下次同步复转矩公式和相频特性计算公式，计算得到各个通道的相频特性φc(λ)和阻尼转矩系数频率特性dc(λ)，如图7～8所示；

k(jλ)＝ke(λ)+jλde(λ)，

其中，λ为频率的标幺值，ke(λ)为同步转矩系数频率特性，de(λ)为阻尼转矩系数频率特性。

步骤三，以次同步阻尼控制器通道的相频特性和阻尼转矩系数频率特性为依据，采用通道相位独立整定、阻尼结果线性叠加的整定方法，以系统综合阻尼转矩系数优化为目标，对各个附加通道次同步阻尼控制器移相环节和增益环节控制参数进行解耦整定。

整定后的各通道阻尼特性和相频特性如图7～8所示，系统综合阻尼提升效果如图9所示。