一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法及系统与流程

文档序号:30944162发布日期:2022-07-30 02:52阅读:220来源:国知局
一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法及系统与流程

1.本技术属于柔性直流输电技术领域,具体涉及一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法及系统。


背景技术:

2.在柔性直流输电技术中,模块化多电平换流器(modular multilevel converters,mmc)凭借模块化设计、易于扩展、输出电压畸变小等优势成为高压大功率柔直工程的主流选择。mmc的开关数目较多、内部动态特性复杂,控制链路延时较长导致mmc高频阻抗呈现“负电阻电感”特性,与长输电线路的分布电容相互作用可能出现高频振荡现象。高频振荡发生后导致换流站闭锁,由此产生的功率盈余/缺额对接入的交流电网产生严重的冲击。
3.工程上常采用对前馈支路频带宽度处理等手段,暂时解决高频谐振的问题,但这些手段一方面会牺牲系统其他频段的阻抗特性而可能导致新的谐振点出现,另一方面无法适应交流系统多变的运行方式。也有一些方法在系统运行方式发生变化时,首先退出已投入的陷波器,待系统谐波含量满足设定的投入条件时再重新投入陷波器。然而,由于工程上难以找到一种简单快速确定系统运行方式发生变化的方法,且系统运行方式的变化未必会导致系统出现新的谐振频率,该方法实现工程应用有一定困难。


技术实现要素:

4.发明目的:本技术的目的在于提供一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法,用于模块化多电平换流器的协调控制,能够快速抑制高频谐波分量、有效降低因交流系统运行方式改变而可能出现的多点高频谐振风险;本技术的另一目的在于提供一种柔性直流高频谐振的自适应抑制系统。
5.本技术实施例提供一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法,包括:
6.将陷波器和计数器接入换流器的电压前馈控制环节,并确定所述陷波器的中心频率;
7.实时检测所述换流器网侧母线电压的谐波含量,设定第一门槛值,将超过所述第一门槛值的含量最高的谐波频率输出给所述计数器;
8.根据所述谐波频率给所述陷波器输出二阶陷波器传递函数,确定所述陷波器的运行参数;
9.设定第二门槛值,得到所述谐波频率和所述第二门槛值的第一比较结果;
10.设定第三门槛值,确定所述谐波频率与所述中心频率的差值,得到所述差值和所述第三门槛值的第二比较结果;
11.所述计数器根据所述第一比较结果和所述第二比较结果进行计数,并决定所述陷波器的投入或退出。
12.在一些实施例中,所述实时检测所述换流器网侧母线电压的谐波含量的步骤,进
一步包括:
13.对所述换流器网侧母线电压进行实时fft分析,获得各次谐波幅值及其相比基波幅值的百分比。
14.在一些实施例中,fft分析具体是指快速傅立叶变换(fast fourier transform)。
15.在一些实施例中,所述fft分析的频率间隔为50hz,检测范围为150~4000hz。
16.在一些实施例中,所述第一门槛值为谐波含量门槛值,所述第一门槛值的范围为5%~10%。
17.在一些实施例中,所述二阶陷波器传递函数的确定方法包括:采用离线计算获得对应每个频率点的二阶陷波器传递函数,并存储入表,然后根据接收到的所述谐波频率选择对应的二阶陷波器传递函数。
18.在一些实施例中,所述二阶陷波器传递函数的表达式为:
[0019][0020]
式中,s表示拉普拉斯算子,fi表示中心频率,ξ表示阻尼比。
[0021]
在一些实施例中,阻尼比ξ根据谐波频率所处区间可选择不同数值。
[0022]
在一些实施例中,所述计数器根据所述第一比较结果和所述第二比较结果进行计数,并决定所述陷波器的投入或退出的步骤,进一步包括:
[0023]
当所述谐波频率大于所述第二门槛值,且所述差值大于所述第三门槛值时,延时一段时间后所述计数器进行计数,并控制所述陷波器投入;
[0024]
当所述谐波频率小于等于所述第二门槛值或所述计数器的计数累加到输出上限n时,所述计数器接收短脉冲后清零并重新计数,同时控制所述陷波器退出;
[0025]
所述的计数器的计数输出范围为0~n之间的任意整数;其中,n的取值比所述陷波器的总数多1,且n为正整数,n建议的取值范围为3~5。
[0026]
在一些实施例中,
[0027]
当所述计数器的输出为k时,控制第k个陷波器投入并保持k个陷波器的投入状态;其中,1≤k≤n-1,k取整数;
[0028]
当所述计数器的输出为0或n时,控制所述陷波器退出。
[0029]
在一些实施例中,
[0030]
当所述第k个陷波器投入时,前馈电压为母线电压测量值经过k个陷波器滤波之后的电压;
[0031]
当所述陷波器退出时,前馈电压为不经过所述陷波器滤波的实际采集电压。
[0032]
在一些实施例中,所述第二门槛值为高频振荡抑制频率范围的下限。
[0033]
在一些实施例中,所述第三门槛值大于实时检测所述谐波含量的频率采样间隔且小于2fiξ;其中,fi表示中心频率,ξ表示阻尼比。
[0034]
在一些实施例中,第二门槛值的建议值为300hz。
[0035]
在一些实施例中,第三门槛值的取值小于2fiξ可以避免在已投入陷波器的带阻边缘发生振荡时新的陷波器无法投入的情况。
[0036]
在一些实施例中,所述延时的时间为2~4ms;所述短脉冲的宽度为4~6ms。
[0037]
在一些实施例中,延时的目的用于保证谐波频率的稳定性,避免因为频率干扰而
造成的误判。
[0038]
在一些实施例中,所述中心频率根据所述谐波频率的大小确定;在一些实施例中,所述二阶陷波器传递函数是根据所述谐波频率的值来确定。
[0039]
在一些实施例中,本技术实施例提供一种柔性直流高频谐振的自适应抑制系统,包括:
[0040]
谐波抑制单元,所述谐波抑制单元包括接入电压前馈控制环节的陷波器和与所述陷波器并联的计数器;
[0041]
谐波检测单元,与所述谐波抑制单元通讯连接,用于实时检测所述换流器网侧母线电压谐波含量,将超过第一门槛值的含量最高的谐波频率输出给所述计数器;
[0042]
陷波参数选择单元,分别与所述谐波抑制单元和所述谐波检测单元通讯连接,用于根据所述谐波频率给所述陷波器输出二阶陷波器传递函数,确定所述陷波器的运行参数;
[0043]
所述陷波器用于滤除前馈电压中的特定频次谐波;所述计数器根据设定的累加机制计数,其输出作为控制所述陷波器投入或退出的使能信号。
[0044]
在一些实施例中,所述谐波检测单元配置在直流保护主机中,所述谐波抑制单元和陷波参数选择单元配置在直流控制主机中,陷波参数选择单元的输出为二阶陷波器传递函数。
[0045]
在一些实施例中,所述累加机制包括:
[0046]
根据所述谐波频率确定所述陷波器的中心频率;
[0047]
设定第二门槛值,得到所述谐波频率和所述第二门槛值的第一比较结果;
[0048]
设定第三门槛值,确定所述谐波频率与所述中心频率的差值,得到所述差值和所述第三门槛值的第二比较结果;
[0049]
所述计数器根据所述第一比较结果和所述第二比较结果进行计数,并决定所述陷波器的投入或退出。
[0050]
在一些实施例中,根据所述谐波频率确定所述陷波器的中心频率具体是指通过传递给陷波器的二阶陷波器传递函数来确定在对应中心频率下所述陷波器进行运行的参数。
[0051]
在一些实施例中,所述计数器根据所述第一比较结果和所述第二比较结果进行计数具体包括:
[0052]
当所述谐波频率大于所述第二门槛值,且所述差值大于所述第三门槛值时,延时一段时间后所述计数器进行计数,并控制所述陷波器投入;
[0053]
当所述谐波频率小于等于所述第二门槛值或所述计数器的计数累加到输出上限n时,所述计数器接收短脉冲后清零并重新计数,同时控制所述陷波器退出;
[0054]
所述的计数器的计数输出范围为0~n之间的任意整数;其中,n的取值比所述陷波器的总数多1,且n为正整数。
[0055]
在一些实施例中,
[0056]
当所述计数器的输出为k时,控制第k个陷波器投入并保持k个陷波器的投入状态;其中,1≤k≤n-1,k取整数;
[0057]
当所述计数器的输出为0或n时,控制所述陷波器退出。
[0058]
在一些实施例中,所述第二门槛值为高频振荡抑制频率范围的下限;所述第三门
槛值大于实时检测所述谐波含量的频率采样间隔且小于2fiξ;其中,fi表示中心频率,ξ表示阻尼比。
[0059]
在一些实施例中,所述延时的时间为2~4ms;所述短脉冲的宽度为4~6ms。
[0060]
在一些实施例中,所述谐波检测单元被配置为对网侧电压进行实时fft分析,获得各次谐波幅值及其相比基波的百分比,并将所述谐波含量超过第一门槛值的占比最大的谐波频率发送至所述陷波参数选择单元与所述谐波抑制单元。
[0061]
在一些实施例中,所述fft分析的频率间隔为50hz,检测范围为150~4000hz;所述第一门槛值的范围为5%-10%。
[0062]
在一些实施例中,所述陷波参数选择单元被配置为采用离线计算获得谐波检测范围内每个频率点的二阶陷波器传递函数,并存储入表,然后根据接收到的所述谐波频率选择对应的二阶陷波器传递函数。
[0063]
有益效果:与现有技术相比,本技术的一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法,包括:将陷波器和计数器接入换流器的电压前馈控制环节,并确定陷波器的中心频率;实时检测换流器网侧母线电压谐波含量,设定第一门槛值,将超过第一门槛值的含量最高的谐波频率输出给计数器;根据谐波频率给陷波器输出二阶陷波器传递函数,确定陷波器的运行参数;设定第二门槛值,得到谐波频率和第二门槛值的第一比较结果;设定第三门槛值,确定谐波频率与中心频率的差值,得到差值和第三门槛值的第二比较结果;计数器根据第一比较结果和第二比较结果进行计数,并决定陷波器的投入或退出。本技术的方法能够快速抑制高频谐波分量、有效降低因交流系统运行方式改变而可能出现的多点高频谐振风险,特别是通过设定第三门槛值并将其与谐波频率和中心频率的差值进行比较,可以对多组中心频率接近的陷波器进行区分并控制其分别投入或退出,逻辑简单、计算量小、适合工程应用,可为柔直输电系统的全工况稳定运行提供保障。
[0064]
本技术的一种柔性直流高频谐振的自适应抑制系统,包括:谐波抑制单元,谐波抑制单元包括接入电压前馈控制环节的陷波器和与陷波器并联的计数器;谐波检测单元,与谐波抑制单元通讯连接,用于实时检测换流器网侧母线电压谐波含量,将超过第一门槛值的含量最高的谐波频率输出给计数器;陷波参数选择单元,分别与谐波抑制单元和谐波检测单元通讯连接,用于根据谐波频率给陷波器输出二阶陷波器传递函数,确定陷波器的运行参数;陷波器用于滤除前馈电压中的特定频次谐波;计数器根据设定的累加机制计数,其输出作为控制陷波器投入或退出的使能信号。谐波检测单元利用直流保护主机中已有的谐波保护模块,检测系统出现的谐波频率及其幅值,可大大降低直流控制主机重新配置谐波检测单元而造成的负载率提升水平;陷波参数选择单元采用查表法获得对应特定频率的陷波器传递函数,尽可能减少了在线计算量、提升了谐振抑制响应速度;谐波抑制单元在电压前馈控制环节串联陷波器,并根据计数器的输出使能信号决定陷波器的投退。陷波器的串联使用可以抑制因一个陷波器投入后柔直系统阻抗改变而可能出现的新的谐振点;加之计数器的累加和清零机制,可以保证交流系统运行方式改变后自动退出已有陷波器并投入符合新运行方式特征频率的陷波器。
附图说明
[0065]
下面结合附图,通过对本技术的具体实施方式详细描述,将使本技术的技术方案
及其它有益效果显而易见。
[0066]
图1为本技术实施例公开的柔性直流高频谐振自适应抑制系统示意图;
[0067]
图2为本技术实施例公开的柔直换流器内环控制框图;
[0068]
图3为本技术实施例的仿真系统拓扑图;
[0069]
图4为本技术实施例的一种谐波抑制效果图;
[0070]
图5为本技术实施例的一种谐波检测效果图;
[0071]
图6为本技术实施例的另一种谐波抑制效果图。
具体实施方式
[0072]
下面将结合本技术实施例中的附图,对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本技术保护的范围。
[0073]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本技术。此外,本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0074]
申请人发现,现有技术中提出一种在线自适应柔直高频振荡抑制方法。该方法将多个陷波器串联安装在控制系统中,以抑制因一个陷波器投入后柔直阻抗特性变化而出现的新的谐振频率点;另一方面,当系统运行方式发生变化时,首先退出已投入的所有陷波器,待系统谐波含量满足设定的投入条件时再重新投入陷波器。然而,系统运行方式发生变化对于实际工程而言是难以确定的,且系统运行方式的变化未必会导致系统出现新的谐振频率,所以用系统运行方式发生变化作为判定标准来实现工程应用存在困难。
[0075]
因此,本技术实施例提供了一种柔性直流高频谐振自适应抑制方法和系统,以解决上述技术问题。
[0076]
参见图1的一种柔性直流高频谐振自适应抑制系统,包括:谐波检测单元、陷波参数选择单元及谐波抑制单元;
[0077]
谐波抑制单元接入换流器的电压前馈控制环节;
[0078]
谐波检测单元的一端接入换流器网侧的交流线路,配置在直流保护主机,利用已有的谐波保护模块实时检测柔直换流器网侧母线电压谐波含量,并将占比最大且超过第一门槛值的谐波频率发送至配置在直流控制主机中的陷波参数选择单元与谐波抑制单元;
[0079]
陷波参数选择单元,与谐波检测单元通讯连接,根据上述谐波频率,采用查表法获得对应的二阶陷波器传递函数。
[0080]
在一些实施例中,柔直换流器一般采用双环控制结构,外环控制根据有功、无功指令输出电流参考值给内环控制。参见图2,其中,idref和iqref分别为内环d、q轴参考电流值,isd,isq为电流测量值的d、q轴分量,pi(1)和pi(2)分别为d、q轴的pi控制环节,pi控制环节输出电压vd和vq加上前馈电压(经过滤波之后的网侧电压)和交叉耦合项,得到dq轴参考电压,最后经过park逆变换即可得到abc三相静止坐标系下的参考电压。谐波抑制单元加
在内环控制的前馈电压滤波环节,通过对前馈电压的陷波,来达到抑制谐波的目的。
[0081]
在一些实施例中,谐波检测单元对换流器网侧电压进行实时fft分析,获得各次谐波幅值及其相比基波幅值的百分比,并将谐波含量百分比超过第一门槛值的占比最大的谐波频率发送至陷波参数选择单元与谐波抑制单元,fft分析时推荐的频率间隔为50hz,检测范围为150~4000hz。
[0082]
在一些实施例中,第一门槛值为谐波含量门槛值,谐波含量的计算步骤为各次谐波幅值与基波幅值的比值,第一门槛值的范围建议为5%~10%。
[0083]
在一些实施例中,查表法具体是指:采用离线计算获得对应每个频率点的二阶陷波器传递函数,并存储入表,然后根据接收到的谐波频率选择对应的二阶陷波器传递函数;其中,二阶陷波器传递函数的表达式为:
[0084][0085]
式中,s表示拉普拉斯算子,fi表示中心频率,ξ表示阻尼比,阻尼比根据谐波频率所处区间可选择不同数值。
[0086]
在一些实施例中,通过传输的二阶陷波器传递函数可以给陷波器确定其实际运行的参数。
[0087]
在一些实施例中,谐波抑制单元包括若干串联的陷波器以及与陷波器并联的计数器,其中,陷波器串联安装在前馈电压控制环节,用于滤除前馈电压中的特定频次谐波;计数器根据设定的累加机制计数,其输出作为陷波器的使能信号,用于控制陷波器的投入和退出。
[0088]
在一些实施例中,计数器设定的累加机制为:先根据谐波频率确定陷波器的中心频率;然后设定第二门槛值,得到谐波频率和第二门槛值的第一比较结果;再设定第三门槛值,确定谐波频率与中心频率的差值,得到差值和第三门槛值的第二比较结果;最后计数器根据第一比较结果和第二比较结果进行计数,并决定陷波器的投入或退出,计数器的计数标准为:当谐波频率大于第二门槛值且差值大于第三门槛值时,延时一段时间后计数器进行计数,并控制陷波器投入;反之或计数器的计数累加到输出上限时,计数器接收短脉冲后清零并重新计数,同时控制陷波器退出。
[0089]
在一些实施例中,第二门槛值取值为高频振荡抑制频率范围的下限,建议为300hz;第三门槛值的取值应大于谐波检测单元中频率采样间隔,同时小于2fiξ;其中,fi表示中心频率,ξ表示阻尼比;以避免在已投入陷波器的带阻边缘发生振荡时新的陷波器无法投入的情况。
[0090]
在一些实施例中,陷波器设定的个数比计数器技术上限值少1,计数器的计数范围为0~n之间的任意整数,n优选的取值为3~5;其中,n表示计数器的输出上限。当计数器的输出为k时,投入第k个陷波器并保持k个陷波器的投入状态;其中,1≤k≤n-1,k取整数;当计数器的输出为0或n时,退出陷波器。当第k个陷波器投入时,前馈电压为母线电压测量值经过k个陷波器滤波之后的电压;当陷波器退出时,前馈电压为不经过陷波器滤波的实际采集电压。
[0091]
在一些实施例中,陷波器的个数建议设置为2~4个。
[0092]
在一些实施例中,计数器根据谐波检测单元发送来的谐波频率f和陷波器已锁定
的中心频率f
notch1
、f
notch2
来计数。谐波频率f是实际检测出来的,如果满足大于第一门槛值,则陷波器的中心频率(陷波器的运行参数)就等于谐波频率。以设置两个陷波器为例,计数器的初始值为0,当谐波抑制单元判断出谐波频率超过第二门槛值c2且与陷波器锁定的中心频率差值超过第三门槛值c3,即f≥c2且|f-f
notch1
|≥c3&|f-f
notch2
|≥c3时,延时一段时间后计数器加1并输出1,当计数器输出1时,投入第一个陷波器;随后根据再次传递来的谐波频率进行相同的判定,使计数器加1并输出2,当计数器输出2时,同时再投入第二个陷波器,以此类推当计数器累加至3或当输出来的谐波频率小于第二门槛值c2时,发送一个短脉冲给计数器进行短时清零并重新开始计数,且投入的陷波器进行退出并可以根据计数器重新开放。
[0093]
在一些实施例中,当第一个陷波器投入时,前馈电压为母线电压测量值经过第一个陷波器滤波之后的电压;当第二个陷波器投入时,前馈电压为经过第一个和第二个陷波器双重滤波之后的电压;当两个陷波器退出时,前馈电压为不经陷波器滤波的实际采集电压。
[0094]
仿真系统以如东海上风电柔性直流输电工程为例,其拓扑如图3所示,海上风电通过海上换流站整流,经
±
400kv直流海缆送至陆上换流站逆变送入500kv交流电网。送端mmc采用定交流电压和频率控制,受端mmc采用定直流电压和无功功率控制。在pscad/emtdc工具中通过在阀侧母线加电容的方式来模拟不同频率的谐振,以检验本发明方法及系统对谐振的抑制效果。
[0095]
请参阅图4,此时设置陷波器的个数为两个;初始状态下,网侧电压谐波含量较低,谐波检测单元检测到的150~4000hz频率范围内各次谐波幅值与基波幅值的比值均未超过门槛值c1(5%),谐波检测单元输出频率us_pick_freq_ppr和两个陷波器锁定的中心频率thd_us_freq、thd_us_freq2均为0,两个陷波器使能信号notch1_ena、notch2_ena均为0;投入电容后,网侧电压有发散趋势,谐波检测单元快速检测出网侧电压各次谐波含量,如图5所示,(a)表示频率与谐波值的变化,(b)表示谐波次数与谐波百分比的变化,(c)表示检测结果;其中600hz谐波含量最大(b相幅值为71.46kv,基波幅值为164.9kv,占比71.46/164.9=43.34%)且超过第一门槛值(5%),计数器的ppr_tena信号由0变为1,延时3ms后,投入第一个陷波器,第一个陷波器的使能信号notch1_ena变为1,第一个陷波器的中心频率thd_us_freq变为600hz,大约10ms后振荡收敛,600hz谐波得以抑制;继续投入电容,模拟出1050hz的谐波振荡,由于1050hz大于第二门槛值(300hz)且与陷波器锁定的中心频率(600hz)差值大于第三门槛值(150hz),计数器加1且输出为2,继续投入第二个陷波器,第二个陷波器的使能信号notch2_ena变为1,第二个陷波器的中心频率thd_us_freq2变为1050hz,一段时间后1050hz振荡得以快速抑制。
[0096]
请进一步参阅图6,当两个陷波器均已投入,谐波检测单元又检测出网侧电压中1250hz谐波含量超过第一门槛值(5%),且1250hz大于第二门槛值(300hz),同时与两个陷波器已经锁定的中心频率600hz及1050hz差值大于第三门槛值(150hz),此时计数器继续累加,输出为3,发送一个宽度为5ms的短脉冲s1给计数器,之后计数器清零,两个陷波器使能信号notch1_ena、notch2_ena变为0,两个陷波器的中心频率thd_us_freq、thd_us_freq2变为0,由于此时1250hz谐波还在,计数器加1并输出1,再次投入第一个陷波器,此时1250hz的高频分量得以抑制;后续若还有其他更高的谐波可依照上述的方式进行循环抑制。
[0097]
综上,本技术能够准确快速抑制柔直系统的高频谐振,有效降低因交流系统运行方式改变而可能出现的多点高频谐振风险,且逻辑简单、计算量小、适合工程应用,可为柔直输电系统的全工况稳定运行提供保障。
[0098]
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
[0099]
以上对本技术实施例所提供的一种柔性直流高频谐振的自适应抑制方法及系统进行了详细介绍,本技术中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的技术方案及其核心思想;本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分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技术各实施例的技术方案的范围。
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