CN103117551B - 一种激励电力系统次同步振荡的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统稳定与控制领域中一种激励电力系统次同步振荡的方法与装置。该装置由计数器、时变频率信号发生器、正弦波信号幅值发生器和正弦波信号发生器组成，计数器、时变频率信号发生器和正弦波信号发生器依次串联，正弦波信号幅值发生器与正弦波信号发生器相连。该方法包括：步骤1：时变频率信号发生器产生按照设定时变函数变化的次同步频率信号；步骤2：正弦波信号幅值发生器产生次同步频率正弦波信号的幅值；步骤3：正弦波发生器接收次同步频率信号和次同步频率正弦波信号的幅值，产生次同步频率的正弦波信号。本发明解决了真实的振荡往往破坏性较强且难以控制的问题，为仿真分析和次同步振荡实际装置提供了有效措施和方法。

Description

一种激励电力系统次同步振荡的装置和方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定与控制领域，尤其涉及一种激励电力系统次同步振荡的装置和方法。

背景技术

随着我国经济的发展，电力需求逐渐加大，但由于我国能源分布与经济发展呈现逆向分布的特点，远距离输送不可避免。在采用了高压大容量远距离送电方式后，发电厂仍存在输出功率受限的问题。串联电容补偿作为提高线路输送功率及电力系统暂态稳定性的一种经济有效的方式得到了广泛的应用。然而，该方式可能引起电力系统的次同步谐振问题，威胁机组轴系的安全。此外，随着高压直流输电（HVDC）及柔性交流输电（FACTS）技术的不断成熟及广泛使用，由他们引起的次同步振荡问题也日益突出。

在次同步振荡抑制方面，国内外学者提出了较多的方法和抑制装置，并有一部分已经投入现场使用，如阻塞滤波器、附加励磁阻尼控制、静止无功补偿器、直流附加阻尼控制，可控串联补偿等。这些装置在正式投入运行前，需要进行大量的仿真验证及现场测试。在仿真中，通常通过故障的方式激励系统产生次同步振荡。但实际系统往往比较复杂，即使同样的故障类型，仿真出的系统动态特性也可能会和实际系统存在较大差异。此外，在一些情况下，实际系统中的一个很小的扰动也会引起相关发电机组的次同步振荡，这种振荡可能是发散的，也可能是收敛的，但都会引起机组的轴系扭振疲劳，这种扰动在仿真中往往很难再现，需要采取其他措施加以模拟；在现场测试中，需要通过抑制真实的振荡检测抑制装置的效果，但真实的振荡往往破坏性较强且难以控制。因此需要一种次同步振荡激励方法及装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对真实的振荡往往破坏性较强且难以控制的不足，本发明提出了一种激励电力系统次同步振荡的装置和方法。

一种激励电力系统次同步振荡的装置，该装置由计数器、时变频率信号发生器、正弦波信号幅值发生器和正弦波信号发生器组成，其中，

所述计数器，用于产生与时间同步的信号，并作为时变频率信号发生器的输入；

所述时变频率信号发生器，用于设定基准频率，并产生与基准频率相关的按照设定时变函数变化的次同步频率信号传送给正弦波信号发生器；

所述正弦波信号幅值发生器，用于产生次同步频率正弦信号的幅值传送给正弦波信号发生器；

所述正弦波信号发生器，接收时变频率信号发生器的次同步频率信号和正弦波信号幅值发生器的幅值信号，用于产生次同步频率的正弦波信号；

所述计数器、时变频率信号发生器和正弦波信号发生器依次串联，所述正弦波信号幅值发生器与正弦波信号发生器相连。

当所述装置接入的系统为励磁系统、调速系统或直流输电系统时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当所述装置接入的系统为柔性交流输电系统并且在两相同步旋转坐标系下进行控制时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当所述装置接入的系统为柔性交流输电系统并且在三相对称坐标系下进行控制时，所述基准频率是系统工作频率与发电机轴系固有扭振频率的差值。

所述次同步频率信号为基准频率。

所述次同步频率信号为与基准频率相差小于0.5Hz的频率信号。

所述次同步频率信号为在基准频率附近，频率随时间按分段折线或正弦曲线规律变化的频率信号。

所述次同步频率正弦波信号的幅值为固定值或正弦曲线或分段折线。

一种激励电力系统次同步振荡的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：时变频率信号发生器产生按照设定时变函数变化的次同步频率信号；

步骤2：正弦波信号幅值发生器产生次同步频率正弦波信号的幅值；

步骤3：正弦波发生器接收次同步频率信号和次同步频率正弦波信号的幅值，产生次同步频率的正弦波信号，接入电力系统的控制装置中，在系统中激发次同步振荡。

本发明的有益效果：本发明根据次同步振荡发生的机理，并利用发生次同步振荡时系统中电流的次同步频率与发电机轴系的固有扭振频率互补的特性，解决了真实的振荡往往破坏性较强且难以控制的问题，为仿真分析和次同步振荡实际装置的成功投运提供了有效措施和方法。同时本发明提出的激励电力系统次同步振荡的方法物理概念明确，思路清晰。装置实施简便，便于实现。

附图说明

图1是该激励电力系统次同步振荡的装置振荡激励方法示意图；

图2是按照分段线性变化的时变频率信号发生器的示意图；

图3是该激励电力系统次同步振荡的装置接入高压直流输电控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是该激励电力系统次同步振荡的装置振荡激励方法示意图。图1中，计数器开始计数后，计数值作为图2频率信号发生器的分段线性函数的输入量，形成相应的频率增量输出，频率增量的变化范围为0~0.5Hz，与低于发电机轴系固有扭振频率0.5Hz的基准频率相加后输出量作为图1中正弦波信号发生器的输入，产生相应频率的正弦扰动，根据分段函数的不同，可以得到不同特征频率的正弦扰动。

图3是该激励电力系统次同步振荡的装置接入高压直流输电控制系统示意图，根据图1的原理，由该激励电力系统次同步振荡的装置形成相应的正弦扰动，经数模转换后，加入到高压直流输电系统的整流侧的电流控制环节中。根据高压直流输电系统的控制原理，整流侧无论采用定功率控制还是定电流控制，最终都转换为对直流电流的控制。实测直流电流与指令电流作偏差后经调节器形成触发整流侧桥臂晶闸管的触发角。扰动源作为整流侧电流控制的指令值，通过控制触发角调节直流线路电流使其产生含有扰动源频率的纹波。

考虑换向过程的开关函数可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{a1}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos n{\mathrm{\ω}}_{1}t\\ S_{b1}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos n({\mathrm{\ω}}_{1}t-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ S_{c1}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\cos n({\mathrm{\ω}}_{1}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，三相电流开关函数分别为S_a1，S_b1，S_c1；ω₁为基频角速度；A_n为开关函数的系数；n为谐波次数；t为时间。

考虑了换相过程的电压开关函数系数A_nu为：

$A_{\mathrm{nu}}=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{n}\·\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}\·\cos \frac{\mathrm{n\π}}{6}\·\cos \frac{\mathrm{n\μ}}{2}$

其中，μ为换相过程的换相角。

而电流开关函数的系数A_ni为

$A_{\mathrm{ni}}=\frac{4}{\mathrm{\π}}\·\frac{1}{n}\·\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}\·\cos \frac{\mathrm{n\π}}{6}\·\frac{\sin (\mathrm{n\μ}/2)}{\mathrm{n\μ}/2}---\left(3\right)$

设三相电流开关函数分别为S_ia，S_ib，S_ic，则换流器调制作用的交流侧三相交流电流分别为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=i_{\mathrm{dc}}\·S_{\mathrm{ia}}\\ i_b=i_{\mathrm{dc}}\·S_{\mathrm{ib}}\\ i_c=i_{\mathrm{dc}}\·S_{\mathrm{ic}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，i_dc为高压直流输电系统的直流电流。

高压直流输电系统的直流电流可以用式(5)表示。

$i_{\mathrm{dc}}=I_d+\underset{r=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_r\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\β}}_r)---\left(5\right)$

其中，I_d为直流电流中的稳态分量；I_r，ω_r，β_r分别为纹波电流的幅值、角频率和初相位；r为纹波电流分量的个数。

则经过换流器调制作用的交流侧电流可以表示为(以a相电流为例)

$i_a=i_{\mathrm{dc}}\·S_{\mathrm{ia}}=I_d{S}_{\mathrm{ia}}+\underset{r=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ni}}\·I_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\β}}_r)\cos n{\mathrm{\ω}}_{1}t$

$=I_d{S}_{\mathrm{ia}}+\underset{r=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{\mathrm{ni}}{I}_r}{2}\left\{\cos \right[({\mathrm{\ω}}_r+{\mathrm{n\ω}}_1)t+{\mathrm{\β}}_r]+\cos [({\mathrm{\ω}}_r-{\mathrm{n\ω}}_1)t+{\mathrm{\β}}_r\left]\right\}---\left(6\right)$

因此，当直流电流中存在次同步频率为ω_r的纹波分量时，经过换流器后在交流侧相电流中将存在显著的频率为(ω₁±ω_r)的分量。该分量流入发电机定子后，在转子上形成次同步频率为ω_r的振荡转矩，从而引起发电机发生次同步振荡。根据这一原理，可以通过激励次同步振荡的装置在直流系统整流侧电流控制器中施加与发电机轴系固有扭振频率相关的正弦扰动，引起发电机组的次同步振荡。

本发明可以适用于各种控制器激励系统发生次同步振荡。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，该装置由计数器、时变频率信号发生器、正弦波信号幅值发生器和正弦波信号发生器组成，其中，

所述计数器，用于产生与时间同步的信号，并作为时变频率信号发生器的输入；

所述时变频率信号发生器，用于设定基准频率，并产生与基准频率相关的按照设定时变函数变化的次同步频率信号传送给正弦波信号发生器；

所述正弦波信号幅值发生器，用于产生次同步频率正弦信号的幅值传送给正弦波信号发生器；

所述正弦波信号发生器，接收时变频率信号发生器的次同步频率信号和正弦波信号幅值发生器的幅值信号，用于产生次同步频率的正弦波信号；

所述计数器、时变频率信号发生器和正弦波信号发生器依次串联，所述正弦波信号幅值发生器与正弦波信号发生器相连。

2.根据权利要求1所述的一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，当所述装置接入的系统为励磁系统、调速系统或直流输电系统时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当所述装置接入的系统为柔性交流输电系统并且在两相同步旋转坐标系下进行控制时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当所述装置接入的系统为柔性交流输电系统并且在三相对称坐标系下进行控制时，所述基准频率是系统工作频率与发电机轴系固有扭振频率的差值。

3.根据权利要求1或2所述的一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，所述次同步频率信号为基准频率。

4.根据权利要求1或2所述的一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，所述次同步频率信号为与基准频率相差小于0.5Hz的频率信号。

5.根据权利要求1或2所述的一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，所述次同步频率信号为在基准频率设定范围，频率随时间按分段折线或正弦曲线规律变化的频率信号。

6.根据权利要求1所述的一种激励电力系统次同步振荡的装置，其特征在于，所述次同步频率正弦波信号的幅值为固定值或正弦曲线或分段折线。

7.一种激励电力系统次同步振荡的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据待接入的系统，设定基准频率，当待接入的系统为励磁系统、调速系统或直流输电系统时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当待接入的系统为柔性交流输电系统并且在两相同步旋转坐标系下进行控制时，所述基准频率是发电机轴系固有扭振频率；当待接入的系统为柔性交流输电系统并且在三相对称坐标系下进行控制时，所述基准频率是系统工作频率与发电机轴系固有扭振频率的差值；

步骤2：设定计数值，计数值在时间轴上变化得到恒定值、分段折线函数或正弦函数，作为频率增量，频率增量的变化范围为0～0.5Hz；

步骤3：将频率增量与基准频率相加，得到次同步信号的频率；

步骤4：正弦波信号幅值发生器产生次同步频率正弦波信号的幅值，所述幅值为固定值或正弦曲线或分段折线；

步骤5：正弦波信号发生器接收次同步频率信号和次同步频率正弦波信号的幅值，产生次同步频率的正弦波信号，该信号为基准频率的正弦信号，或与基准频率相差小于0.5Hz的正弦信号，或在基准频率附近，频率随时间按分段折线或正弦曲线规律变化的正弦信号；

步骤6：将产生的次同步频率的正弦波信号接入电力系统的控制装置中，在系统中激发次同步振荡。