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一种抑制风电系统次同步谐振的方法 Download PDF

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一种抑制风电系统次同步谐振的方法，以可控串补方法为基础，通过控制可控串补的晶闸管阀组触发延迟角，调节阀组电抗L的电流，实现对可控串补等效阻抗的控制，进而采用闭环控制方式对等效阻抗进行校正，实时修正触发延迟角；其特征在于：采用PSCAD/EMTDC软件和MATLAB软件联合运行方式，在MATLAB计算方法的基础上，基于电容电压过零时刻和同步翻转时刻之间的相位移，设计附加阻尼控制算法，求取可控串补的实际触发延迟角，实现抑制次同步谐振。

Description

一种抑制风电系统次同步谐振的方法
技术领域
本发明涉及风电并网技术，尤其涉及一种抑制风电系统次同步谐振的方法。
背景技术
随着风力发电技术的发展和成熟，风电机组的装机容量越来越大，这意味着风力发电功率大规模接入现有电网成为一种必然的趋势。考虑到风电场和电网的网架结构特点，为了提高接入电网的风电传输功率，改善沿线路电压分布，使用串补电容则是一种有效方式。然而串补电容的接入同时将导致电力系统次同步谐振(SSR)，从而危及电网的安全稳定运行。为了抑制这种破坏性的现象，通常用可控串补(TCSC)来代替固定串补，并同时实现潮流控制和提高暂态稳定性等功能。
可控串补装置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和反并联晶闸管阀组组成。通过控制TCSC的晶闸管阀组触发延迟角，控制阀组电抗L的电流，从而实现控制可控串补等效阻抗，达到控制调节电力系统其它物理量如电压、有功功率、无功功率等的目的。
可控串补对次同步谐振的抑制效果与可控串补本身的控制方式有很大的关系。现有的可控串补控制方式有开环控制，闭环控制等。开环控制即开环阻抗控制，其控制策略简单、易于实现但是无法修正触发延迟角，因而控制效果有限。闭环控制相对于开环控制多了反馈控制环节，通过对阻抗、电流或有功功率的控制实时修正触发延迟角，控制器一股采用比例积分(PI)环节，而控制效果受该环节的参数、所选取的控制量影响。因而对于不同的触发延迟角设定值，PI环节的参数不同，控制效果也有所区别。
发明内容
本发明针对现有技术之不足，为了进一步提高可控串补(TCSC)对风电系统SSR振荡模式的阻尼，提出了一种有效抑制风电系统次同步谐振的方法，该方法基于可控串补(TCSC)，采用PSCAD/EMTDC软件和MATLAB软件联合运行方式，基于电容电压过零时刻和同步电压翻转时刻之间的相位移，实现对可控串补触发延迟角的控制，从而达到抑制次同步谐振的目的。
本发明采取的技术方案是：
一种抑制风电系统次同步谐振的方法，以可控串补方法为基础，通过控制可控串补的晶闸管阀组触发延迟角，调节阀组电抗L的电流，实现对可控串补等效阻抗的控制，进而采用闭环控制方式对等效阻抗进行校正，实时修正触发延迟角；其特征在于：采用PSCAD/EMTDC软件和MATLAB软件联合运行方式，在MATLAB计算方法的基础上，基于电容电压过零时刻和同步翻转时刻之间的相位移，设计附加阻尼控制算法，求取可控串补的实际触发延迟角，具体步骤如下：
(1)测量、采样得到包括电容电压，线路电流在内的本地数据；
(2)基于快速Fourier变换算法，从测量得到的电容电压和线路电流中提取出各自的基频分量；
(3)根据基频电容电压分量和基频线路电流分量，根据欧姆定律计算出可控串补在基频下的等效阻抗；
(4)由测量得到的线路电流信息，通过锁相环获取初始同步参考信号，作为提升因子控制器的一个输入信号；
(5)等效阻抗的虚部即等效电抗被可控串补电容支路的物理电抗XC0归一化后与提升因子参考值Kref比较后得到提升因子偏差值ΔK，ΔK作为提升因子控制环节的另一个输入信号和初始同步参考信号一起输入到提升因子控制器，其输出为同步参考时间序列；
获取同步参考时间序列具体步骤：
1)根据提升因子偏差值ΔK，按照下式计算出实际电容电压过零时刻和同步电压翻转时刻之间的相位移
Figure BDA0000027401520000021
Figure BDA0000027401520000022
式中，s为Laplace算子，fN为基频频率；
2)根据计算所得的
Figure BDA0000027401520000023
和初始同步参考信号确定同步参考时间序列；
(6)根据某一时刻的电容电压、线路电流测量值，基于MATLAB软件进行计算：
1)测量电容电压和线路电流，记录测量时刻，并由同步参考时间序列确定电容电压过零时刻tz，然后按照下式计算出在该过零时刻电容电压u(tZ)的实际值：
u(tZ)＝u(tM)+X0i(tM)kωN(tZ-tM)
式中，k＝ω0/ωN，
Figure BDA0000027401520000024
ωN为基频时的角速度，i(tM)和u(tM)分别为tM时刻线电流和电容电压的瞬时值；
2)根据计算出的u(tZ)，由下式计算出可控串补触发滞后角β：
u(tZ)＝X0i(tM)[kβ-tan(kβ)]
3)根据计算出的β，由下式计算出可控串补实时触发延迟角α：
α＝ωNtZ-β
(7)由MATLAB输出计算所得的触发延迟角α，在PSCAD/EMTDC软件中控制可控串补触发，为可控串补提供合适的触发脉冲，实现抑制次同步谐振。
本发明的有益效果是：
(1)采用本地信息量作为输入信号，易于实现；
(2)直接控制电容电压过零时刻来实现控制目标；
(3)避开了触发延迟角和电容电压之间的高度非线性，使得可控串补等效阻抗在次同步频率范围内呈感性，能够有效抑制SSR。
附图说明
图1是现有技术可控串补TCSC主电路结构示意图；
图2是本发明的PSCAD/EMTDC和MATLAB接口结构图；
图3是本发明的实现过程框图。
具体实施方式
本发明基于PSCAD/EMTDC软件和MATLAB软件联合运行方式，利用MATLAB的计算功能，可以设计附加阻尼控制算法，通过MATLAB，提出了一种求取可控串补TCSC的触发延迟角的方法，由MATLAB输出计算所得的触发延迟角，在PSCAD/EMTDC软件中控制可控串补触发。
本发明的PSCAD/EMTDC和MATLAB联合运行结构的示意图如图2所示。PSCAD/EMTDC内有一个Fortran文件DSDYN，通过它可以调用外部Fortran子程序。该Fortran子程序可以启动MATLAB数据引擎并建立起Fortran子程序和MATLAB数据引擎之间的通信管道，同时，含MATLAB命令的M文件也传到MATLAB数据引擎中，这样P SCAD/EMTDC和MATLAB就紧密地结合了起来。此处，包括如下几个环节：
(1)在PSCAD/EMTDC中测量、采样，从而得到电容电压uC，线路电流iL等本地数据，并将该数据输入到MATLAB数据引擎中；
(2)数值计算，根据得到的本地数据，基于MATLAB语言M文件，编程计算可控串补的触发延迟角α；
(3)数据输出，由MATLAB输出计算所得的触发延迟角，在PSCAD/EMTDC软件中控制可控串补触发。
PSCAD/EMTDC和MATLAB联合运行结构可以提高PSCAD软件对数据的处理能力，使得在PSCAD/EMTDC中对非线性方程的计算成为可能。
下面，结合图3对本发明的具体实施过程进行详细描述。
基于现有技术可控串补(结构见图1)实际接入电网的情况，其实现抑制次同步谐振的整体实现过程包括以下几部分：
(1)数据测量：使用测量装置，如电压表和电流表，测量电容电压和线路电流；
(2)相量评估：基于快速Fourier变换算法，从测量得到的电容电压和线路电流中提取出各自的基频分量；
(3)等效阻抗Z求取：根据之前求得的基频电容电压分量和基频线路电流分量，按照欧姆定律计算出可控串补在基频下的等效阻抗Z；
(4)获取初始同步参考信号：根据测量得到的线路电流信息，通过锁相环获取初始同步参考信号，并作为提升因子控制器的一个输入信号；
(5)获取同步参考时间序列：等效阻抗的虚部即等效电抗被TCSC电容支路的物理电抗XC0归一化后，将与提升因子参考值Kref比较后得到提升因子偏差值ΔK，该提升因子偏差值作为提升因子控制环节的另一个输入信号，和初始同步参考信号一起输入到提升因子控制器，其输出为同步参考时间序列。
此处所述获取同步参考时间序列具体包括以下步骤：
步骤1：根据提升因子偏差值ΔK，按照以下公式(1)计算出实际电容电压过零时刻和同步电压翻转时刻之间的相位移
Figure BDA0000027401520000031
Figure BDA0000027401520000032
式中，s为Laplace算子，fN为基频频率。
步骤2：由步骤1所得的
Figure BDA0000027401520000041
和初始同步参考信号按相位相加确定同步参考时间序列。
(6)产生触发脉冲序列：基于SVR触发脉冲发生器，根据同步参考时间序列、电容电压和线路电流，按照触发延迟角求取方法获得触发延迟角，为TCSC提供合适的触发脉冲。
求取可控串补触发延迟角具体包括以下步骤：
步骤1：测量电容电压，线路电流，并记录该测量时刻，根据由同步参考时间序列确定电容电压过零时刻tz，然后按照以下公式(2)计算出电容电压理想过零时刻的电容电压u(tZ)；
u(tZ)＝u(tM)+X0i(tM)kωN(tZ-tM)            (2)
式中，k＝ω0/ωN，
Figure BDA0000027401520000042
ωN为基频时的角速度，i(tM)和u(tM)分别为tM时刻线电流和电容电压的瞬时值。
步骤2：由步骤1所得u(tZ)，根据以下公式(3)计算出可控串补触发滞后角β；
u(tZ)＝X0i(tM)[kβ-tan(kβ)]               (3)
步骤3：由步骤2所得β，根据以下公式(4)计算出可控串补实时触发延迟角α。
α＝ωNtZ-β                               (4)

Claims (1)

1.一种抑制风电系统次同步谐振的方法，以可控串补方法为基础，通过控制可控串补的晶闸管阀组触发延迟角，调节阀组电抗L的电流，实现对可控串补等效阻抗的控制，进而采用闭环控制方式对等效阻抗进行校正，实时修正触发延迟角；其特征在于：采用PSCAD/EMTDC软件和MATLAB软件联合运行方式，在MATLAB计算方法的基础上，基于电容电压过零时刻和同步翻转时刻之间的相位移，设计附加阻尼控制算法，求取可控串补的实际触发延迟角，具体步骤如下：
(1)测量、采样得到包括电容电压，线路电流在内的本地数据；
(2)基于快速Fourier变换算法，从测量得到的电容电压和线路电流中提取出各自的基频分量；
(3)根据基频电容电压分量和基频线路电流分量，根据欧姆定律计算出可控串补在基频下的等效阻抗；
(4)由测量得到的线路电流信息，通过锁相环获取初始同步参考信号，作为提升因子控制器的一个输入信号；
(5)等效阻抗的虚部即等效电抗被可控串补电容支路的物理电抗XC0归一化后与提升因子参考值Kref比较后得到提升因子偏差值ΔK，ΔK作为提升因子控制环节的另一个输入信号和初始同步参考信号一起输入到提升因子控制器，其输出为同步参考时间序列；
获取同步参考时间序列具体步骤：
1)根据提升因子偏差值ΔK，按照下式计算出实际电容电压过零时刻和同步电压翻转时刻之间的相位移
Figure FDA0000027401510000012
式中，s为Laplace算子，fN为基频频率；
2)根据计算所得的
Figure FDA0000027401510000013
和初始同步参考信号确定同步参考时间序列；
(6)根据某一时刻的电容电压、线路电流测量值，基于MATLAB软件进行计算：
1)测量电容电压和线路电流，记录测量时刻，并由同步参考时间序列确定电容电压过零时刻tz，然后按照下式计算出在该过零时刻电容电压u(tZ)的实际值：
u(tZ)＝u(tM)+X0i(tM)kωN(tZ-tM)
式中，k＝ω0/ωN，
Figure FDA0000027401510000014
ωN为基频时的角速度，i(tM)和u(tM)分别为tM时刻线电流和电容电压的瞬时值；
2)根据计算出的u(tZ)，由下式计算出可控串补触发滞后角β：
u(tZ)＝X0i(tM)[kβ-tan(kβ)]
3)根据计算出的β，由下式计算出可控串补实时触发延迟角α：
α＝ωNtZ-β
(7)由MATLAB输出计算所得的触发延迟角α，在PSCAD/EMTDC软件中控制可控串补触发，为可控串补提供合适的触发脉冲，实现抑制次同步谐振。
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