CN101447675A - 一种抑制次同步谐振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于可控串补(TCSC)技术，涉及一种基于次同步频率电容电压在工频上的等效量抑制次同步谐振的方法，具体涉及到可控串补的触发级控制算法，采用一种附加阻尼控制算法结构，通过对可控串补触发角的微调，达到抑制次同步谐振的目的。包括求取电容电压的次同步频率分量，计算该分量在半个工频周期上的等效量U_{add_s}，近似计算U_{add_s}引起TCSC基波阻抗提升系数的变化ΔX和根据ΔX计算触发角的附加值Δα等步骤。

Description

一种抑制次同步谐振的方法

技术领域

本发明属于可控串补(TCSC)技术领域，涉及一种抑制电力系统次同步谐振(SSR)的方法，具体涉及到可控串补的触发级控制算法，采用一种触发级附加阻尼控制算法结构和一种基于次同步频率电容电压在工频上的等效量抑制次同步谐振的方法，通过对可控串补触发角的微调，达到抑制次同步谐振的目的。

背景技术

为了增加远距离高压输电系统的传输容量，串联电容补偿技术是一项非常经济且有效的措施。但是采用固定串联电容补偿技术可能引发次同步谐振(SSR)。采用可控串补，不仅具有固定串联电容补偿的所有作用，如提高输送能力、改善沿线路电压分布等，还能够进行潮流控制、提高暂态稳定性、阻尼线路低频功率振荡以及抑制次同步谐振。

可控串补装置的主电路结构示意图如图1所示，主要由串联电容器组C、阀控电抗L、反并联晶闸管阀组组成。通过控制TCSC晶闸管阀的触发角，控制阀控电抗L的电流，从而实现控制可控串补的等效基波阻抗，达到控制调节电力系统其它的物理量如电流、电压、有功功率、无功功率等目的。

稳态情况下，不考虑晶闸管特性和阀控电抗器的等值电阻，TCSC稳态基波阻抗与晶闸管触发角的关系如下式：

$X_{\mathrm{TCSC}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{\mathrm{\ωc}}-\frac{A}{\mathrm{\π\ωc}}[2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})]+\frac{4A{\cos }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\mathrm{\π\ωc}(k^2-1)}[k\tan (\mathrm{k\π}-\mathrm{k\α})-\tan (\mathrm{\π}-a)]---\left(1\right)$

式中， $A=\frac{k^2}{k^2-1},$ $k=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}},$ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}},$ α为以电容电压过零点为同步信号来计算的触发角(弧度)。

可控串补TCSC根据系统的需要能够快速调节，实现各种控制功能。对于TCSC的不同控制功能，根据系统对TCSC控制器响应要求的不同，在控制装置的设计中可按照控制命令的响应时间作为分层依据采用分层控制，见图2。上层控制主要用于电力系统控制，根据系统要求提供系统控制命令，上层控制的响应时间为30-600ms；中层控制即阻抗控制，根据系统控制的要求给出阻抗控制命令，中层控制的响应时间为30-100ms；底层控制，即触发级控制，主要任务是实现晶闸管阀的触发控制，响应时间在10ms以内。

底层控制采用本地的电容电压或/和线路电流信息量，响应速度快，因此在底层控制中采用适当的控制方法能有效抑制SSR。通常较简便的是采用常规触发算法，即采用开环阻抗控制或闭环阻抗控制，底层控制接收中层控制的阻抗命令，根据阻抗命令和稳态阻抗与触发角的关系，查表确定触发角并转换成对应的时间偏移量，以同步信号的过零点为基准，经过时间偏移量的延时发出触发脉冲。该方式抑制SSR的效果与同步信号的预处理方式有关，利用TCSC晶闸管阀按工频导通时对工频以外的其他频率解调的能力，达到阻尼SSR的目的。

在现有采用TCSC抑制SSR的技术中，未见有专门在底层控制中设计附加阻尼算法抑制SSR的技术方案。

发明内容

本发明针对电力系统中采用可控串补TCSC作为抑制次同步谐振SSR的技术手段。为了进一步提高TCSC对SSR振荡模式的阻尼，从而更有效的抑制次同步谐振，同时设计的控制算法要采用易于获得的本地信息量，要方便的与现有控制器的分层控制结构相结合，提出了一种触发级附加阻尼控制算法结构和一种基于次同步频率电容电压在工频上的等效量抑制次同步谐振的方法。

基于触发级附加阻尼控制结构，可以测量线路电流或/和电容电压，进行附加阻尼控制算法的设计。这里，通过测量电容电压，提出了一种求取触发角的附加值Δα的方法。

步骤1：求取电容电压的次同步频率分量，计算该分量在半个工频周期上的等效量Uadd_s；

步骤2：近似计算Uadd_s引起TCSC基波阻抗提升系数的变化ΔX；

步骤3：根据ΔX计算触发角的附加值Δα。

具体来说本发明公开了一种抑制次同步谐振的方法，其特征在于包括以下四个步骤：

(1)测量、采样，从而得到本地量数据；

(2)信号处理，通过高通滤波或带通滤波等信号处理手段，从测量、采样得到的本地量数据中获取次同步频率分量的信息；

(3)数值计算，根据次同步频率分量的信息，计算触发角的附加值Δα；

(4)限幅及数据输出，附加值Δα经过限幅环节后，叠加到中层阻抗控制的输出命令对应触发角α₀上，作为TCSC当前半周波的触发角α。

其中所述第(3)步中的计算触发角的附加值Δα，采用基于次同步频率电容电压分量在工频上的等效量来计算，具体包括以下步骤：

步骤1：测量电容电压，采样、滤波得到电容电压中的次同步频率电容电压信息，然后预测本半个工频周期内的次同步频率电容电压，计算预测的次同步频率电容电压在半个工频周期内的算术平均值，记为次同步频率电容电压在工频上的等效量U_{add_s}；

步骤2：近似计算U_{add_s}引起可控串补基波阻抗提升系数的变化ΔX；

步骤3：判断当前电容电压过零点是正向过零还是负向过零，若正向过零则k＝1，若负向过零则k＝-1，并标记变量Sign＝k*sign(Uadd_s)；

根据以下公式(4)，由ΔX计算触发角的附加值Δα(弧度)：

Δα＝g(X₀+ΔX*Sign)-α₀            (4)

式中，α₀＝g(X₀)，X₀为中层阻抗控制的输出值，g函数为可控串补稳态基波阻抗与晶闸管触发角的关系式(1)所述的可控串补基波阻抗公式的反函数：

$X_{\mathrm{TCSC}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{\mathrm{\ωc}}-\frac{A}{\mathrm{\π\ωc}}[2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})]+\frac{4A{\cos }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\mathrm{\π\ωc}(k^2-1)}[k\tan (\mathrm{k\π}-\mathrm{k\α})-\tan (\mathrm{\π}-a)]---\left(1\right)$

式中， $A=\frac{k^2}{k^2-1},$ $k=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}},$ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}},$ α为以电容电压过零点为同步信号来计算的触发角；

步骤4：将Δα经过限幅环节输出。

其中，所述步骤2中近似计算U_{add_s}引起可控串补基波阻抗提升系数的变化ΔX，采用以下公式(3)进行计算：

$\mathrm{\ΔX}=\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{\left|U_{\mathrm{add}-}s\right|}{U_{C0}};U_{C0}=\sqrt{2}*I*\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}---\left(3\right)$

式中U_C0为晶闸管闭锁时，该线路电流下的电容电压峰值，I为线路电流有效值，ω₀为工频角频率，C为固定补偿电容值。

本发明的有益效果是：

(1)采用本地信息量作为控制输入，工程中易于实现；

(2)基于TCSC的分层控制结构，将中层阻抗控制功能与底层SSR抑制功能解耦设计，不影响TCSC分层控制结构的设计和阻抗触发算法的实现，在兼顾实现中层阻抗控制的同时，能够进一步提高TCSC抑制SSR的效果；

(3)该算法结构可以方便的与其他常规触发算法相结合；

(4)触发级附加阻尼算法对阻抗控制的影响很小。

通常系统中发生SSR时，次同步频率分量的幅值同工频分量相比较会小很多，从而Δα的值也比较小，因此TCSC的基波阻抗值仍然主要由触发角α₀决定。为了确保减小附加值Δα对阻抗控制的影响，触发算法中可以对Δα进行限幅。另外，通过触发级附加阻尼算法的作用，随着次同步频率分量的逐渐衰减，附加值Δα的值也逐渐减小。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是依据本发明的可控串补TCSC主电路结构示意图；

图2是依据本发明的控制器功能分层框图；

图3是依据本发明的触发级附加阻尼算法结构示意图。

具体实施方式

本发明的触发级附加阻尼控制结构的示意图如图3所示，包括如下几个环节：

(1)测量、采样，得到本地量数据；

(2)信号处理。通过高通滤波、带通滤波等信号处理手段，从测量、采样得到的本地量数据中获取次同步频率分量的信息；

(3)数值计算。根据次同步频率分量的信息，计算触发角的附加值Δα。可以有多种方法得到Δα，其目标都是为了提高TCSC对次同步频率模态的阻尼；

(4)限幅及数据输出。Δα经过限幅环节后，叠加到中层阻抗控制的输出命令对应触发角α₀上，作为TCSC当前半周波的触发角α。

触发级附加阻尼控制算法是为了提高TCSC对SSR振荡模式的阻尼，可以在常规触发算法的基础上进一步提高TCSC抑制SSR的能力。

下面，结合图3对本发明的具体实施过程进行详细描述。

基于次同步频率电容电压分量在工频上的等效量来求取触发角的附加值Δα的方法，包括以下步骤：

步骤1：测量电容电压，采样、滤波得到电容电压中的次同步频率电容电压信息，然后预测本半个工频周期内的次同步频率电容电压，计算预测的次同步频率电容电压在半个工频周期内的算术平均值，记为次同步频率电容电压在工频上的等效量U_{add_s}；

步骤2：近似计算U_{add_s}引起TCSC基波阻抗提升系数的变化，例如可以采用式(3)计算。

$\mathrm{\ΔX}=\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{\left|U_{\mathrm{add}-}s\right|}{U_{C0}};U_{C0}=\sqrt{2}*I*\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}---\left(3\right)$

式中U_C0为晶闸管闭锁时，该线路电流下的电容电压峰值，I为线路电流有效值，ω₀为工频角频率，C为固定补偿电容值。

步骤3：判断当前电容电压过零点是正向过零或负向过零，若正向过零则k＝1，若负向过零则k＝-1，并标记变量Sign＝k*sign(U_{add_s})；

根据式(4)，由ΔX计算触发角的附加值Δα(弧度)为：

Δα＝g(X₀+ΔX*Sign)-α₀            (4)

式中，α₀＝g(X₀)，X₀为图3所示的中层阻抗控制的输出值，g函数为式(1)所述的TCSC基波阻抗公式的反函数。

步骤4：如图3所示，将Δα经过限幅环节输出。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (3)

1、一种抑制次同步谐振的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)测量、采样，从而得到本地量数据；

(2)信号处理，通过高通滤波和/或带通滤波等信号处理手段，从测量、采样得到的本地量数据中获取次同步频率分量的信息；

(3)数值计算，根据次同步频率分量的信息，计算触发角的附加值Δα；

(4)限幅及数据输出，附加值Δα经过限幅环节后，叠加到中层阻抗控制的输出命令对应触发角α₀上，作为TCSC当前半周波的触发角α。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述第(3)步中的计算触发角的附加值Δα，采用一种基于次同步频率电容电压分量在工频上的等效量来计算的方法，其特征在于包括以下4个具体步骤：

步骤1：测量电容电压，采样、滤波得到电容电压中的次同步频率电容电压信息，然后预测本半个工频周期内的次同步频率电容电压，计算预测的次同步频率电容电压在半个工频周期内的算术平均值，记为次同步频率电容电压在工频上的等效量U_{add_s}；

步骤2：近似计算U_{add_s}引起可控串补基波阻抗提升系数的变化ΔX；

步骤3：判断当前电容电压过零点是正向过零还是负向过零，若正向过零则k＝1，若负向过零则k＝-1，并标记变量Sign＝k*sign(U_{add_s})；

根据以下公式(4)，由ΔX计算触发角的附加值Δα(弧度)：

Δα＝g(X₀+ΔX*Sign)-α₀     (4)

式中，α₀＝g(X₀)，X₀为中层阻抗控制的输出值，g函数为可控串补稳态基波阻抗与晶闸管触发角的关系式(1)所述的可控串补基波阻抗公式的反函数：

$X_{\mathrm{TCSC}}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{\mathrm{\ωc}}-\frac{A}{\mathrm{\π\ωc}}[2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin 2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})]+\frac{4A{\cos }^2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})}{\mathrm{\π\ωc}(k^2-1)}[k\tan (\mathrm{k\π}-\mathrm{k\α})-\tan (\mathrm{\π}-a)]---\left(1\right)$

式中， $A=\frac{k^2}{k^2-1},$ $k=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}},$ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}},$ α为以电容电压过零点为同步信号来计算的触发角；

步骤4：将Δα经过限幅环节输出。

3、如权利要求2所述的方法，所述步骤2中近似计算U_{add_s}引起可控串补基波阻抗提升系数的变化ΔX，采用以下公式(3)进行计算：

$\mathrm{\ΔX}=\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{(U_{\mathrm{add}}\_s)}{U_{C0}};$ $U_{C0}=\sqrt{2}*I*\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{0}C}---\left(3\right)$

式中U_C0为晶闸管闭锁时，该线路电流下的电容电压峰值，I为线路电流有效值，ω₀为工频角频率，C为固定补偿电容值。

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