CN103124077A - 抑制发电机组次同步谐振的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于抑制发电机组次同步谐振的系统及方法，所述系统包括控制器和次同步谐振抑制装置，所述控制器根据所述发电机组的机端电压或频率信息判断所述发电机组系统的运行模式，并在发生次同步谐振时输出信号至所述次同步谐振抑制装置；所述次同步谐振抑制装置包括全控型变流设备和储能系统，所述全控型变流设备产生并控制电网注入阻尼电流的幅值和相位以抑制次同步谐振。本发明的有益效果在于在注入无功功率的同时，还可以通过注入有功功率电流，提供更大的阻尼电流，获得更好/更快速的谐振抑制效果。

Description

抑制发电机组次同步谐振的系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，特别涉及一种抑制次同步谐振的系统和方法，以及储能系统与全控型电力电子变换装置在电力系统运行稳定性控制中的应用。

背景技术

随着远距离大容量输电线路的增加，为了提高远距离输电的输送容量和系统稳定性，电网越来越多的采用固定串联电容补偿、高压直流输电等基于电力电子技术的高速控制装置。然而这类装置在一定条件下可能会引发系统次同步振荡问题，造成机组轴系振荡，影响机组寿命，严重的更可能影响机组和电网的安全稳定运行。

在现有领域中，为了解决系统次同步振荡问题采用了基于静止同步补偿器结构（STATCOM或SVG）的次同步谐振抑制装置。这种次同步谐振抑制装置本质上为一种无功调节或补偿设备，只能通过调整向系统注入的无功功率电流，来实现注入次同步谐振阻尼的目标。

此外，现有技术中这种基于静止同步补偿器结构的装置，为了满足并网运行的要求，需要实时的直流母线电压控制系统，将直流母线电压控制在一个稳定的范围内，这增大了系统控制的复杂性，提高了成本。

本发明的目标在于克服上述缺陷，并且提供一种能够解决系统次同步振荡问题的基于储能系统与全控型电力电子变流设备构成的抑制次同步谐振装置，以及基于该装置的发电机组抑制次同步谐振的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于储能系统与全控型电力电子变流设备构成的抑制次同步谐振系统，以及基于该装置的发电机组抑制次同步谐振的控制方法。通过在发电机组机端加入该系统，在特定次同步谐振模态下提供受控的阻尼负载，达到抑制机组次同步谐振，提高电力系统运行稳定性，降低机组扭矩疲劳的作用。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于抑制发电机组次同步谐振的系统，所述系统包括控制器和次同步谐振抑制装置，所述控制器根据所述发电机组的机端电压或频率信息判断所述发电机组系统的运行模式，并在发生次同步谐振时输出信号至所述次同步谐振抑制装置；所述次同步谐振抑制装置包括全控型变流设备和储能系统，所述全控型变流设备产生并控制电网注入阻尼电流的幅值和相位以抑制次同步谐振。

优选地，所述次同步谐振抑制装置还包括控制子单元。

优选地，所述控制器包括发电机机端电压/频率侦测装置，用于侦测所述发电机端口电压或频率波动。

优选地，所述储能系统为锂电池、钠硫电池、液流电池或飞轮储能系统。

优选地，还包括将所述次同步谐振抑制装置经由母线连接至所述发电机输出端的升压变压器。

优选地，所述全控型变流设备为三相全桥PWM整流逆变器。

优选地，所述全控型变流设备的每一相由两个开关器件及与其并联的钳位二极管串联构成。

优选地，所述全控型变流设备通过IGBT、IGCT、MOSFET或GTO的半导体器件实现。

优选地，所述全控型变流设备三相连接方式为Y型或Δ型。

优选地，所述储能系统的额定功率为2MW~10MW，额定容量为30kWh~1600kWh。

优选地，所述全控型变流设备的额定容量为所述储能系统额定功率的1.5~10倍。

本发明还提供了一种用于抑制发电机组系统的次同步谐振现象的方法，所述系统包括控制器和次同步谐振抑制装置，所述方法包括下列步骤：

a) 通过所述控制器测量发电机组机端电压或频率信号；

b) 对所述发电机组机端电压或频率信号进行滤波，得到仅含有次同步模态的电压或频率信号；

c) 根据所述仅含有次同步模态的机端电压或频率信号对所述发电机组的运行模式判断，如果没有超过稳定限幅则所述次同步谐振抑制装置进入待机模式，若超过稳定限幅，则进入步骤d)；

d) 进行发电机组电压或频率的次同步模态辨识，得到不同次同步模态下的次同步电压或频率数据;

e) 将所述不同次同步模态下的次同步电压或频率数据经处理合成得到的信号输出给所述次同步谐振抑制装置。

优选地，所述次同步谐振抑制装置还包括全控型变流设备，所述全控型变流设备包括的控制子单元对接收自所述控制器产生的合成信号进行进一步处理。

优选地，所述进一步处理包括对并网电压进行锁相、对电流环进行控制以及利用脉宽调制发生器产生将要输出到所述全控型变流设备的触发信号。

优选地，所述次同步谐振抑制装置包括全控型变流设备和储能系统。

优选地，所述储能系统为锂电池、钠硫电池、液流电池或飞轮储能系统。

本发明的技术效果在于在注入无功功率的同时，还可以通过注入有功功率电流，提供更大的阻尼电流，获得更好/更快速的谐振抑制效果。

根据本发明的抑制次同步谐振装置和方法，储能系统能够保证全控型变流设备直流母线电压稳定，从而简化装置的控制逻辑，不再需要复杂/高速/实时的直流母线控制算法。此外，避免了现有的基于静止同步补偿器结构的设备直流母线电压控制与次同步阻尼控制逻辑间的相互作用和干扰，改善次同步抑制效果。

根据本发明的抑制次同步谐振装置和方法，不需要从电网额外获得控制母线电压稳定所需的电能。在采用同样容量的全控型变流设备时，基于本发明的储能系统的装置较现有技术中基于静止同步补偿器结构的装置能够提供更大容量用于提供阻尼电流。

此外，根据本发明的抑制次同步谐振装置和方法，避免了现有的基于静止同步补偿器结构的设备直流侧电压波动问题，改善变流设备运行可靠性。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中： 

图1a示意性示出了根据本发明一个实施例的基于储能系统和全控型变流设备的发电机组系统。

图1b示意性示出了根据本发明另一个实施例的基于储能系统和全控型变流设备的发电机组系统。

图2a示出了根据本发明一个实施例的基于储能系统与全控型变流设备的次同步谐振抑制装置的结构图。

图2b示出了根据本发明另一个实施例的基于储能系统与全控型变流设备的次同步谐振抑制装置的结构图。

图3示意性示出了根据本发明的基于储能系统和全控型变流设备的发电机组系统中控制器的工作流程图。

图4示意性示出了根据本发明的次同步谐振抑制装置中的变流设备控制子单元的工作流程图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

本发明装置将储能系统与全控型变流设备相结合，与发电机组并联，提供完全可控的系统阻尼调节，能够有效抑制电网系统的次同步振荡问题，并且响应速度快、跟踪精度高、系统运行稳定可靠，可大大提高电网的稳定性和可靠性。

图1a示出了根据本发明一个实施例的基于储能系统和全控型变流设备的抑制发电机组次同步谐振的系统100。如图1所示，发电机组系统包括电压或频率侦测单元101、控制器102、发电机103、次同步谐振抑制装置104、第一升压变压器105和第二升压变压器106。其中，抑制发电机组次同步谐振的系统100包含控制器102和次同步谐振抑制装置104。电压或频率侦测单元101与发电机103的输出机端相连接，另一端通过光缆连接控制器102，用于测量发电机的机端电压或频率，并将发电机机端电压或频率数据发送给控制器102。测量发电机的机端电压或频率，提取相应次同步谐振模态分量，使得次同步谐振抑制装置104控制并产生实际的次同步模态阻尼电流，保证系统100在次同步谐振模态下阻尼为正，从而达到快速抑制机组次同步谐振的目的。控制器102对并网的电压、电流信号进行测量，并输出控制信号到次同步谐振抑制装置104。次同步谐振抑制装置104装置的另一端经由690V母线连接第二升压变压器106的输出。第二升压变压器106用于将发电机103输出经22kV母线降压后提供给所述次同步谐振抑制装置104。升压变压器105连接至发电机103的输出，经22kV母线将输出电压升压再并入500kV母线传输。

可选地，根据本发明的另一实施例，如图1b所示，控制器102也包括网侧电压/电流侦测与发电机机端电压或频率侦测单元，以及控制算法实现单元。控制器的硬件实现可以基于数字信号处理器（DSP）或其他数字或模拟芯片。控制器102通过发电机机端电压传感器侦测发电机机端电压或频率的实时数据，将发电机同步电压或频率信号滤除后得到仅含次同步电压或频率信号的数据。所述仅含次同步信号的电压或频率数据经过一系列的带通滤波器，得到不同次同步模态下的次同步电压或频率数据。将该次同步模态电压或频率数据经比例放大、移相、运算处理，得到不同次同步模态下阻尼电流指令，并输出给次同步谐振抑制装置104。

所述控制器102中所包含的带通滤波器可以由不同形式高通与低通滤波器串联构成，也可由其他非线性滤波器或组合滤波器构成。所述控制器所包含的发电机机端电压或频率侦测单元可以由电压传感器实现，也可以通过电压比较器直接获得发电机机端频率信号，或者可以通过直接的发电机转速传感器测量发电机转速信号获得发电机转速信号用于次同步模态辨识和阻尼控制。

根据本发明的次同步谐振抑制装置104包括全控型变流设备1041和储能系统1042。全控型变流设备1041接收来自控制器102的电流信号指令。储能系统1042输出储能系统状态信号到控制器102。全控型变流设备1041控制电网与储能系统1042间的能量交互，根据控制器输出控制信号实际产生并控制电网注入阻尼电流的幅值和相位。储能系统1042为所述次同步谐振抑制装置104提供直流母线电压支撑，保证满足全控型变流设备1041的并网运行要求，并提供实功阻尼电流所需能量。

全控型变流设备1041侦测并网电压，通过锁相、电流环控制器、PWM发生器，控制功率器件导通关断，从而控制并网电流实现接收到的不同次同步模态下阻尼电流指令。

储能系统1042提供直流母线电压支撑，保证直流母线电压稳定在全控型变流设备并网运行范围内。当装置在非次同步谐振抑制工作状态下，可以通过全控型变流设备1041对储能系统1042进行充电，保证储能系统1042状态处于可用范围内。

图2a进一步示出了根据本发明一个实施例基于储能系统与全控型变流设备的次同步谐振抑制装置104的详细结构图。如图2a所示，全控型变流设备的每一相由两个开关器件107串联构成，每个开关器件107并联一个钳位二极管108。然后每一相通过第二升压变压器106连接到电网上。可选地，全控型变流设备还可以采用三相全桥PWM整流逆变器，控制储能系统与电网间的能量双向流动，控制并网电流的相位与幅值。

所述全控型变流设备的硬件可以基于IGBT/IGCT/MOSFET/GTO或其他全控型功率半导体器件实现。所述全控型变流设备三相连接方式可以为Y型（星接）或Δ型（角接）。可选地，所述全控型变流设备的拓扑包括三相全桥PWM逆变器、二极管中点钳位多电平逆变器、电容中点钳位多电平逆变器、级联型逆变器，还可以包括升压变压器或不包括升压变压器。

储能系统1042与每一相的串联后的开关器件107并联。所述储能系统可以由各类电池储能系统，包括锂电池、钠硫电池、液流电池等，或飞轮储能系统构成。飞轮储能系统又由飞轮本体和高速电机构成。

储能系统的额定功率和容量与全控型变流设备额定视在功率的选择可以根据不同机组实际参数确定。储能系统的额定功率可以选择为2MW~10MW，额定容量可以选择为30kWh~1600kWh。典型的储能系统选择容量为2MW*30kWh或4MW*60kWh，全控型变流设备额定容量选择为储能电池功率容量的1.5~10倍。由于储能系统具有短时间的倍率放电能力，因此变流设备的容量可以选择为是储能系统功率容量的数倍，从而可以充分利用储能系统的倍率放电能力，提供更大的次同步谐振阻尼电流。

由于储能系统具有1.5~10倍额定功率的短时间倍率放电能力，上述配置方案可以充分利用储能系统的短时倍率放电能力，提供更大阻尼电流能力，同时降低储能系统的配置成本。换言之，在提供同样的阻尼电流容量下，可以降低储能系统的成本。

所述储能系统与全控型变流设备功率容量配置方案，根据不同储能系统瞬间过放电能力特性不同，可选择不同的配置比例。例如，一种锂电池具有短时间10倍倍率电流放电能力，全控型变流设备功率容量可按照储能电池功率容量的10倍配置，例如1MW*30kWh储能系统配置10MVA全控型变流设备。

所述全控型变流设备可以根据所采用的储能系统的不同采取不同的结构。例如，在储能系统采用飞轮储能时，全控型变流设备通常采用两级结构，前级逆变器控制飞轮转速，后级逆变器实现并网功能。图2b示意性地示出了两级结构的全控型变流设备。在图2b中，省略了与图2a类似的母线、第二升压变压器106和控制子单元1043。

或者，所述全控型变流设备可以采用两级双向逆变器结构，例如与电池储能系统配合的双向buck-boost DC-DC变换器结构，将直流母线电压首先升压到工作范围，再通过前述各种全控型变流设备拓扑进行DC-AC变换，实现并网功能。所述全控型变流设备的双级逆变器结构，DC-DC变换器可由双向全控PWM单元与高频变压器构成。双向全控型PWM单元将电池直流端电压变换为高频方波电压，通过高频变压器升压后整流获得直流母线电压。

在采用两级双向逆变器结构时，直流母线电压的控制功能由前级逆变器完成，后级并网逆变器仅承担并网控制功能，从而避免了直流母线电压控制和并网控制在硬件容量和控制逻辑上的冲突。

所述全控型变流设备1041还可以包括控制子单元1043，所述控制子单元1043可基于数字信号处理器、可编程逻辑器件或其他数字或模拟芯片实现。变流设备控制子单元的功能包括并网电压/电流侦侧、锁相、并网电流控制、脉宽调制发生器，根据全控型变流设备拓扑可采用不同的硬件装置和算法实现。

优选地，所述次同步谐振抑制装置104可以采取多个装置并联运行的方式，从而提供更大的阻尼容量。

图3示出了根据本发明的基于储能系统和全控型变流设备的发电机组系统中控制器的工作流程图。

如图3所示，在步骤301中，控制器测量发电机组机端电压信号V或频率信号F。所述电压/频率测量可以通过发电机组系统中的机端电压/频率侦测单元进行，也可通过控制器包括的网侧电压/电流侦测与发电机机端电压/频率侦测单元进行测量。

在步骤302中，对发电机组机端电压信号进行滤波，得到仅含有次同步模态的电压信号VSS。

在步骤303中，根据电压信号VSS对发电机组的运行模式判断，即判断VSS的绝对值是否超过稳定限幅。如果没有超过，则说明不需要对发电机组系统进行次同步谐振抑制，所述次同步谐振抑制装置进入待机模式，即STANDBY模式。所述STANDBY模式与次同步谐振模式判据可以由其他的稳定性判据、机组疲劳性判据或上述判据组合构成。所述次同步谐振模态特征频率和稳定性判据可通过对机组特征的离线仿真与在线测量获得，并作为控制器的设计参数。

若在步骤303中判断出VSS的绝对值已经超过稳定限幅，则说明发电机组的次同步谐振现象已经超过阈值需要进行抑制，进入步骤304。

在步骤304中，进行发电机组的次同步模态辨识，即对仅含次同步信号的电压数据经过一系列的带通滤波器的滤波，得到不同次同步模态下的次同步电压数据Vn，其中n=1，2，…。n为发电机组次同步谐振模态数量。

在步骤305中，将该不同次同步模态下的次同步电压数据Vn经比例放大、移相、运算处理，得到不同次同步模态下的阻尼电流In，其中In=PI(Vn)，n=1，2，…。PI为比例-积分控制器，这里比例-积分控制器也可以采用其他控制器形式，例如自适应控制器、滞环控制器等。

在步骤306中，将次同步模态阻尼电流In进行合成得到合成的电流信号ISSR，即ISSR=SUM(In), n=1，2，…。最后将该合成的电流信号ISSR输出给次同步谐振抑制装置。

图4示意性示出了根据本发明的次同步谐振抑制装置中的变流设备控制子单元的工作流程图。

如图4所示，在步骤401中，根据本发明的全控型变流设备的控制子单元接收来自所述发电机组的控制器产生的合成的电流信号ISSR，即接收来自控制器的电流指令。

在步骤402中，控制子单元对并网电压/电流进行侦侧。

在步骤403中，控制子单元对并网电压进行锁相。

在步骤404中，控制子单元对电流环进行控制。

在步骤405中，控制子单元采用脉宽调制发生器产生将要输出到全控型变流设备中的全控型功率器件的触发信号。

根据本发明的次同步谐振抑制装置较现有的次同步谐振抑制装置的设计优势在于，无论所述次同步谐振抑制装置是否运行在次同步谐振抑制模式，全控型变流设备工作模式不会变化，均为接收控制系统输出电流指令，并控制实际并网电流跟随上述电流指令。另外，无论所述次同步谐振抑制装置是否运行在次同步谐振抑制模式，电池储能系统均能提供直流母线电压支撑，保证直流母线电压稳定在全控型变流设备并网运行范围内。全控型变流设备仅接收控制系统输出电流指令，不需要控制直流母线电压，从而简化了系统控制器设计。 

Claims (16)

1.一种用于抑制发电机组次同步谐振的系统，所述系统包括控制器和次同步谐振抑制装置，其特征在于，

所述控制器根据所述发电机组的机端电压或频率信息判断所述发电机组系统的运行模式，并在发生次同步谐振时输出信号至所述次同步谐振抑制装置；

所述次同步谐振抑制装置包括全控型变流设备和储能系统，所述全控型变流设备产生并控制电网注入阻尼电流的幅值和相位以抑制次同步谐振。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述次同步谐振抑制装置还包括控制子单元。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器包括发电机机端电压/频率侦测装置，用于侦测所述发电机端口电压或频率波动。

4.根据权利要求1所述的系统，所述储能系统为锂电池、钠硫电池、液流电池或飞轮储能系统。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括将所述次同步谐振抑制装置经由母线连接至所述发电机输出端的升压变压器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述全控型变流设备为三相全桥PWM整流逆变器。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述全控型变流设备的每一相由两个开关器件及与其并联的钳位二极管串联构成。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述全控型变流设备通过IGBT、IGCT、MOSFET或GTO的半导体器件实现。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述全控型变流设备三相连接方式为Y型或Δ型。

10.根据权利要求4所述的系统，其中所述储能系统的额定功率为2MW~10MW，额定容量为30kWh~1600kWh。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述全控型变流设备的额定容量为所述储能系统额定功率的1.5~10倍。

12.一种用于抑制发电机组系统的次同步谐振现象的方法，所述系统包括控制器和次同步谐振抑制装置，所述方法包括下列步骤：

a) 通过所述控制器测量发电机组机端电压或频率信号；

b) 对所述发电机组机端电压或频率信号进行滤波，得到仅含有次同步模态的电压或频率信号；

c) 根据所述仅含有次同步模态的机端电压或频率信号对所述发电机组的运行模式判断，如果没有超过稳定限幅则所述次同步谐振抑制装置进入待机模式，若超过稳定限幅，则进入步骤d)；

d) 进行发电机组电压或频率的次同步模态辨识，得到不同次同步模态下的次同步电压或频率数据;

e) 将所述不同次同步模态下的次同步电压或频率数据经处理合成得到的信号输出给所述次同步谐振抑制装置。

13.根据权利要求12的用于抑制发电机组系统的次同步谐振现象的方法，其中所述次同步谐振抑制装置还包括全控型变流设备，所述全控型变流设备包括的控制子单元对接收自所述控制器产生的合成信号进行进一步处理。

14.根据权利要求13的用于抑制发电机组系统的次同步谐振现象的方法，其中所述进一步处理包括对并网电压进行锁相、对电流环进行控制以及利用脉宽调制发生器产生将要输出到所述全控型变流设备的触发信号。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述次同步谐振抑制装置包括全控型变流设备和储能系统。

16.根据权利要求15所述的方法，所述储能系统为锂电池、钠硫电池、液流电池或飞轮储能系统。

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