CN103259472B - 大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，包括信号测量控制系统和静止无功补偿器系统，其中：所述信号测量控制系统将测量到的大型发电机组扭振模式分量依次经过测量处理、反相放大、低通滤波、相位补偿和自适应控制参数生成处理得到所需控制信号，并将控制信号输入静止无功补偿器系统；所述静止无功补偿器系统根据信号测量控制系统产生的控制信号来控制触发角的大小，以便调节静止无功补偿器系统的等值导纳，自适应地改变静止无功补偿器系统输出的无功功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对大型发电机组次同步振荡的自适应抑制。本发明能更好地抑制大型发电机组中次同步振荡的发生。

Description

大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统

技术领域

本发明涉及大型发电机组稳定控制领域，具体地说，是一种大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统。

背景技术

我国能源分布不均而形成的“西电东送”电力格局使得我国电网输电线路的长度不断增加。远距离输电往往会产生较多的电力损耗，降低电力输送效率。串联补偿装置作为解决此问题的最佳选择，虽然具有占地较少、运行简便、成本低廉等优点，但是它有可能导致大型发电机组出现次同步振荡的问题。

次同步振荡是由电力系统中一种特殊的机电耦合作用产生的，它既可能由上述常见的串联补偿装置引起，也可能由电力系统稳定器、高压直流输电系统中的换流器和以大功率电力电子器件为基础的柔性交流输电系统等引起。次同步振荡可能导致大型发电机组的转子轴系出现严重的损坏，使电网出现严重的运行事故，因而采用有效方案对次同步振荡进行反振荡抑制对于电力系统的安全稳定运行具有重大的意义。

静止无功补偿器将电力电子器件引入到传统的静止无功补偿装置中，能够快速而且连续地调节输出的无功功率，以便实现稳定系统电压和增加系统电气阻尼的目的。以静止无功补偿器为载体对大型发电机组出现的次同步振荡进行反振荡抑制，属于采用阻尼和滤波方法来抑制次同步振荡。但是，静止无功补偿器控制参数的选取对系统数学模型的依赖度较高，控制参数通常为针对某一具体运行状况而选定的固定数值，因而此种反振荡抑制方案在非线性时变的实际电力系统中往往不能达到理想的抑制效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，该系统以反振荡理论为基础，静止无功补偿器为载体，采用自适应控制参数对大型发电机组检测到的扭振模式分量进行处理和控制，从而使静止无功补偿器能够自适应地输出所需无功功率。本发明解决了在大型发电机组扭振模式分量的检测信号转化为静止无功补偿器的控制信号的过程中生成自适应控制参数，采用固定控制参数的不足，从而更好地抑制大型发电机组中次同步振荡的发生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，包括信号测量控制系统和静止无功补偿器系统两大部分，其中：

所述信号测量控制系统将测量到的大型发电机组扭振模式分量依次经过测量处理、反相放大、低通滤波、相位补偿和自适应控制参数生成处理得到所需控制信号，并将控制信号输入静止无功补偿器系统；

所述静止无功补偿器系统安装在大型发电机组的出口处，它根据信号测量控制系统产生的控制信号来控制触发角的大小，以便调节静止无功补偿器系统的等值导纳，自适应地改变静止无功补偿器系统输出的无功功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对大型发电机组次同步振荡的自适应抑制。

优选地，所述信号测量控制系统包括测量处理模块、反相放大模块、低通滤波模块、相位补偿模块和自适应控制参数生成模块，其中：

所述测量处理模块，用于对测量得到的大型发电机组扭振模式分量进行处理，然后将处理信号输入反相放大模块；扭振模式分量可以有多种选择方式，由于大型发电机组的转速偏差信号对控制器的相位移敏感度较低，本发明将其选为大型发电机组扭振模式分量；

所述反相放大模块，用于对测量处理后的大型发电机组扭振模式分量进行反相放大，使信号可以控制静止无功补偿器系统输出抑制大型发电机组次同步振荡所需要的无功功率，然后将此控制信号输入低通滤波模块；

所述低通滤波模块，用于滤除高频信号的干扰，由于次同步振荡中的所有振荡频率均在10Hz到工频之间，所以在次同步振荡的抑制中，可以将所有高于工频的干扰信号全部滤除后再将控制信号输入相位补偿模块；

所述相位补偿模块，用于对测量处理模块、低通滤波模块和静止无功补偿器系统引起的相位延迟进行相位补偿，使得相位延迟角度低于10°以下，然后将完成相位补偿的控制信号输入静止无功补偿器系统；

所述自适应控制参数生成模块，将测量处理模块中的时间系数、反相放大模块中的放大系数、低通滤波模块中的截止频率和相位补偿模块中的补偿系数视为自适应控制参数，以阻尼比极大值为目标函数，计算出静止无功补偿器系统在不同运行状况下的控制参数并将这些控制参数提供给测量处理模块、反相放大模块、低通滤波模块和相位补偿模块，从而最终完成信号测量控制系统的功能。

优选地，所述静止无功补偿器系统包括触发角计算模块、触发脉冲发生模块以及晶闸管控制电抗器模块，其中：

所述触发角计算模块，将信号测量控制系统处理后得到的自适应控制信号，通过等值导纳和触发角的关系，计算出所需无功功率对应的晶闸管控制电抗器模块中晶闸管的触发角，使其能够输出一个自适应的无功功率；

所述触发脉冲发生模块，将计算得到的触发角与电力系统进行同步处理后所得角度转化为晶闸管控制电抗器模块中晶闸管的触发脉冲信号，以便完成对静止无功补偿器系统的控制，使其向大型发电机组的出口处输出所需无功功率；

所述晶闸管控制电抗器模块是最终发出自适应无功功率的部分，将前述所有模块处理后得到的触发脉冲信号用于对晶闸管开通时间的控制，使静止无功补偿器系统产生能够有效抑制大型发电机组次同步振荡的无功功率，并且输入大型发电机组的出口处，消除大型发电机组定子电流中次同步分量的不利影响，增加大型发电机组对次同步振荡的电气阻尼，从而自适应地抑制大型发电机组的次同步振荡。

本发明中，反振荡理论抑制次同步振荡的原理如下：次同步振荡发生时，大型发电机组的电气振荡频率与汽轮机的轴系某一模态频率f_m互补，在扰动发生后，大型发电机组的定子上将流过次同步频率为f_o-f_m的电流分量(其中f_o为工频)，由于其产生的转矩与转速偏差同相位，因此会产生负阻尼的作用，使振荡越来越严重，故要实现大型发电机组次同步振荡的抑制，就要减小定子电流中次同步频率分量的影响。具体办法是将大型发电机组扭振模式分量的测量信号，转化为与之相抵消的无功功率，并且通过无功补偿装置将产生的无功功率输入大型发电机组的出口处，就能减小定子中次同步电流分量的负阻尼作用，达到抑制大型发电机组次同步振荡的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)不需要对次同步振荡复杂的成因、过程及振荡波形成分做详细分析就能够实现对次同步振荡的抑制；

(2)静止无功补偿器在电力系统中已广泛使用，只需要对其现有控制系统进行改进就能在实际的工程应用中实现对大型发电机组次同步振荡的抑制；

(3)在自适应控制参数的作用下，静止无功补偿器输出的无功功率可以自动适应各种运行状况。

综上所述优点，使得本发明成为一种既适合电力系统非线性时变特点又原理简便易于应用的大型发电机组反振荡自适应抑制方案。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制方案接入电力系统的结构示意图。

图2为本发明中自适应控制参数生成环节结构图。

图中：信号测量控制系统1，静止无功补偿器系统2，测量处理模块3，反相放大模块4，低通滤波模块5，相位补偿模块6，自适应控制参数生成模块7，触发角计算模块8，触发脉冲发生模块9，晶闸管控制电抗器模块10。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统包括信号测量控制系统1和静止无功补偿器系统2。

所述信号测量控制系统1包括测量处理模块3、反相放大模块4、低通滤波模块5、相位补偿模块6和自适应控制参数生成模块7。测量得到的大型发电机组转速偏差信号作为扭振模式分量输入由一阶惯性模块组成的测量处理模块3进行处理，处理后的信号输入反相放大模块4进行反相放大，反相放大后的信号输入采用一阶低通滤波器的低通滤波模块5进行低通滤波，滤除高频干扰后的信号输入采用全通数字滤波器串联的相位补偿模块6进行相位补偿，相位补偿后的信号输入触发角计算模块8。测量处理模块3中的时间系数、反相放大模块4中的放大系数、低通滤波模块5中的截止频率和相位补偿模块6中的补偿系数均由自适应控制参数生成模块7生成。

所述静止无功补偿器系统2包括触发角计算模块8，触发脉冲发生模块9和晶闸管控制电抗器模块10。计算触发角时，依据等值导纳与触发角的关系： $B=\frac{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}}{\mathrm{\π}{X}_L}$      式1

式中，B为等值导纳，α为触发角，X_L为晶闸管控制电抗器模块中电抗器阻抗。

然后将计算所得的触发角输入触发脉冲发生模块9，并与采自电力系统的同步信号进行同步处理后，产生控制晶闸管开通时间的触发脉冲信号，触发脉冲信号输入晶闸管控制电抗器模块10，使电抗器向大型发电机组的出口处输入自适应的无功功率，从而自适应地抑制大型发电机组的次同步振荡。

如图2所示，自适应控制参数生成模块7包括建立状态空间方程模块11、求取阻尼比模块12和计算控制参数模块13。

所述状态空间方程为： $\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{BU}$ 式2

式中，X为状态变量，A为状态变量系数矩阵，U为输入变量，B为输入变量系数矩阵。

建立状态空间方程模块11将旧的控制参数带入上述状态空间方程以建立系统当前的状态空间方程。由状态空间方程可以求解出特征值：

λ＝σ±jω_d    式3

式中，λ为特征值，σ为特征值实部，ω_d为特征值虚部。

求取阻尼比模块12由求解出的特征值得到：

$\mathrm{\ξ}=\frac{-\mathrm{\σ}}{\sqrt{{\mathrm{\σ}}^2+{{\mathrm{\ω}}_d}^2}}$ 式4

式中，ζ为阻尼比。

阻尼比确定了振荡幅值衰减速度，各特征值实部最大限度地往复平面左移，即阻尼比越大就越能有效地抑制次同步振荡，因而将阻尼比极大值确定为目标函数。目标函数为：

$F=\underset{C\∈R}{\max \mathrm{\ξ}}$     式5

式中，F为目标函数，C为运行条件，R为所有可能运行条件的集合。

计算控制参数模块13将求取阻尼比模块12得到的阻尼比带入目标函数，通过优化算法进行迭代和比较以找出新的控制参数并且替换旧的控制参数，从而使得信号测量控制系统1能够自动适应大型同步发电机组的各种运行状况，静止无功补偿器系统2能够更好地抑制大型同步发电机组的次同步振荡。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，其特征在于包括信号测量控制系统和静止无功补偿器系统两大部分，其中：

所述信号测量控制系统将测量到的大型发电机组扭振模式分量依次经过测量处理、反相放大、低通滤波、相位补偿和自适应控制参数生成处理得到所需控制信号，并将控制信号输入静止无功补偿器系统；

所述静止无功补偿器系统安装在大型发电机组的出口处，它根据信号测量控制系统产生的控制信号来控制触发角的大小，以便调节静止无功补偿器系统的等值导纳，自适应地改变静止无功补偿器系统输出的无功功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对大型发电机组次同步振荡的自适应抑制；

所述信号测量控制系统包括测量处理模块、反相放大模块、低通滤波模块、相位补偿模块和自适应控制参数生成模块，其中：

所述测量处理模块，用于对测量得到的大型发电机组扭振模式分量进行处理，然后将处理信号输入反相放大模块；

所述反相放大模块，用于对测量处理后的大型发电机组扭振模式分量进行反相放大，使信号可以控制静止无功补偿器系统输出抑制大型发电机组次同步振荡所需要的无功功率，然后将此控制信号输入低通滤波模块；

所述低通滤波模块，用于滤除高频信号的干扰，次同步振荡中的所有振荡频率均在10Hz到工频之间，在次同步振荡的抑制中，将所有高于工频的干扰信号全部滤除后再将控制信号输入相位补偿模块；

所述相位补偿模块，用于对测量处理模块、低通滤波模块和静止无功补偿器系统引起的相位延迟进行相位补偿，使得相位延迟角度低于10°以下，然后将完成相位补偿的控制信号输入静止无功补偿器系统；

所述自适应控制参数生成模块，将测量处理模块中的时间系数、反相放大模块中的放大系数、低通滤波模块中的截止频率和相位补偿模块中的补偿系数视为自适应控制参数，以阻尼比极大值为目标函数，计算出静止无功补偿器系统在不同运行状况下的控制参数并将这些控制参数提供给测量处理模块、反相放大模块、低通滤波模块和相位补偿模块，从而最终完成信号测量控制系统的功能。

2.根据权利要求1所述的大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，其特征在于，所述自适应控制参数生成模块包括建立状态空间方程模块、求取阻尼比模块和计算控制参数模块；其中：

状态空间方程为：

$\stackrel{\·}{X}=\mathrm{AX}+\mathrm{BU}$

式中，X为状态变量，A为状态变量系数矩阵，U为输入变量，B为输入变量系数矩阵；

所述建立状态空间方程模块将旧的控制参数带入上述状态空间方程以建立系统当前的状态空间方程，由状态空间方程求解出特征值；

求取阻尼比模块根据求解出的特征值得到阻尼比，将阻尼比极大值确定为目标函数；

计算控制参数模块将求取阻尼比模块得到的阻尼比带入目标函数，通过优化算法进行迭代和比较以找出新的控制参数并且替换旧的控制参数，从而使得信号测量控制系统能够自动适应大型同步发电机组的各种运行状况，静止无功补偿器系统能够更好地抑制大型同步发电机组的次同步振荡。

3.根据权利要求1-2任一项所述的大型发电机组次同步振荡的反振荡自适应抑制系统，其特征在于，所述静止无功补偿器系统包括触发角计算模块、触发脉冲发生模块以及晶闸管控制电抗器模块，其中：

所述触发角计算模块，将信号测量控制系统处理后得到的自适应控制信号，通过等值导纳和触发角的关系，计算出所需无功功率对应的晶闸管控制电抗器模块中晶闸管的触发角，使其能够输出一个自适应的无功功率；

所述触发脉冲发生模块，将计算得到的触发角与电力系统进行同步处理后所得角度转化为晶闸管控制电抗器模块中晶闸管的触发脉冲信号，以便完成对静止无功补偿器系统的控制，使其向大型发电机组的出口处输出所需无功功率；

所述晶闸管控制电抗器模块是最终发出自适应无功功率的部分，将前述所有模块处理后得到的触发脉冲信号用于对晶闸管开通时间的控制，使静止无功补偿器系统产生能够有效抑制大型发电机组次同步振荡的无功功率，并且输入大型发电机组的出口处，消除大型发电机组定子电流中次同步分量的不利影响，增加大型发电机组对次同步振荡的电气阻尼，从而自适应地抑制大型发电机组的次同步振荡。