CN103326382A

CN103326382A - 基于statcom的次同步振荡反振荡抑制系统及方法

Info

Publication number: CN103326382A
Application number: CN2013101428248A
Authority: CN
Inventors: 姜建国; 瞿文慧; 罗; 郜登科; 徐亚军; 乔树通
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供了一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统及方法，所述系统包括前置测量控制装置和STATCOM功率信号发生装置，其中：前置测量控制装置将包含原动机扭振模式分量的信号测量出来，经过测量处理、反相放大、低通滤波以及相位补偿处理后，输入所述STATCOM功率信号发生装置；STATCOM功率信号发生装置依据反振荡抑制理论，根据所述前置测量控制装置处理后的扭振模式分量来生成能够有效抑制系统次同步振荡的无功电流，调节发电机的输出功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对次同步振荡的动态抑制。本发明可以有效抑制大型发电机组中存在的次同步振荡，保障电力系统的安全运行。

Description

基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统及方法

技术领域

本发明涉及大型发电机组稳定控制领域，具体地，是一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统及方法。

背景技术

我国由于能源分布不均，形成了“西电东送”的电力格局。这种采用串联补偿电容进行大容量、远距离输电的方式，使得大型发电机组的次同步振荡成为电力系统的一个突出问题。

次同步振荡属于系统的振荡失稳，它是由电力系统中一种特殊的机电耦合作用引起的。次同步振荡最大的危害是，可能导致大型汽轮发电机组转子轴系的严重破坏，造成重大事故，危机电力系统的运行安全。如20世纪70年代初，美国Mohave电厂发生的大型汽轮发电机组转子大轴损坏的严重事故。我国内蒙古托克托、上都、东北伊敏电厂、陕西锦界等送出工程，在实际应用或分析计算中，均发现了不同程度的次同步振荡问题。

依据IEEE工作组的报告，次同步振荡抑制措施主要分四类：①阻尼和滤波；②继电保护及监测保护；③系统开关操作和机组切除；④发电机组和系统的改造。本发明专利中，基于STATCOM功率信号发生装置，利用反振荡控制方法对次同步振荡进行抑制，属于阻尼和滤波方法。通过反振荡控制方法，将次同步振荡中的谐波滤除，增加系统对次同步振荡的电气阻尼。

次同步振荡是一种复杂的系统失稳现象：首先，它的发生过程很复杂，涉及一种原动机轴系与电气系统的相互激发行为，属于机电耦合振荡；其次，它的成因多种多样，不仅有常见的串补电容引起的次同步振荡，HVDC和一些有源快速控制装置也能引起次同步振荡；最后，它的谐波成分也比较复杂，汽轮机有几个扭振模态，次同步振荡就有几种可能的频率。

由于次同步振荡的这些复杂性，目前被提出用来抑制次同步振荡的控制方法，大多还无法实际应用到工程中去，有很多需要研究和讨论的地方。如最优控制方法，神经网络调节法，以及通过对次同步振荡的极点配置设计控制器的方法等。反振荡抑制理论控制方便，结构简单。STATCOM功率信号发生装置，相较于基于晶闸管的功率信号发生装置鲁棒性能更好，速度更快。本发明提出的基于STATCOM的次同步振荡的反振荡抑制方案，在实际工程应用中是一种很好的选择。

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基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统及方法。本发明所要解决的技术问题是将从系统检测到的扭振模式分量，通过反振荡理论转化为STATCOM功率信号发生器的控制信号，使其发出相应无功，抑制次同步振荡的发生。

根据本发明的一个方面，提供一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统，所述系统包括前置测量控制装置和STATCOM功率信号发生装置两部分，其中：

所述前置测量控制装置将包含原动机扭振模式分量的信号测量出来，经过测量处理、反相放大、低通滤波以及相位补偿处理后，输入所述STATCOM功率信号发生装置；

所述STATCOM功率信号发生装置依据反振荡抑制理论，根据所述前置测量控制装置处理后的扭振模式分量来生成能够有效抑制系统次同步振荡的无功电流，调节发电机的输出功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对次同步振荡的动态抑制。

优选地，所述前置测量控制装置包括测量处理模块，反相放大模块，低通滤波模块和相位补偿模块。其中：

所述测量处理模块，用于测量含有原动机扭振模式分量的信号，然后将信号输入反相放大模块；

所述反相放大模块，对测量处理后的原动机扭振模式分量进行反相放大，使信号可以控制STATCOM功率信号发生装置输出电网功率级别电流，然后将信号输入低通滤波模块；

所述低通滤波模块，用于滤除干扰的高频信号，一般将高于工频的干扰信号全部滤除，然后将信号输入相位补偿模块；

所述相位补偿模块，用于对系统引起的相位延迟进行补偿，然后将信号输入STATCOM功率信号发生装置中。

优选地，所述STATCOM功率信号发生装置包括控制角计算模块，脉冲发生模块和逆变器，其中：

所述控制角计算模块，将前置测量控制装置处理后的信号，计算转化为STATCOM的控制角；

所述脉冲发生模块，将计算得到的控制角转化为控制STATCOM的脉冲信号，并将该信号与系统进行同步处理；

所述逆变器是最终反振荡无功电流发生的部分，将前述所有模块处理后的信号转化为能够有效抑制系统次同步振荡的无功电流，输入系统，消除系统中的次同步分量，增加系统对次同步振荡的电气阻尼。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方法，具体步骤如下：

第一步，信号的前置测量与控制

1)测量处理环节。测量处理环节是指含有原动机扭振模式分量的信号的测量。这里的扭振模式分量可以是发电机转速偏差，也可以是机端输出功率或高压缸转速偏差等。实际选取时，要根据具体情况，选出可与其它物理现象的表现相区分，且易于测量、获取及传输，便于工程应用的信号。

2)反相放大环节。即原动机扭振模式分量的反相放大，将测量到的扭振模式分量，反相放大，使信号可以控制STATCOM功率信号发生装置输出电网功率级别电流，输入系统中，抑制次同步振荡电流，减小电气负阻尼。

3)低通滤波环节。由于次同步振荡中的所有振荡频率均在10赫兹到工频之间，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都滤除。实际工程中，如果工频信号对整个抑制系统产生干扰，可以将工频也包含在低通滤波模块的滤除范围内，或另外增加工频的带阻滤波器。

4)相位补偿环节。前述步骤中的测量和滤波环节会引起时间延迟，另外STATCOM功率信号发生装置也会带来延迟。实际应用中，需要通过增加适当的超前-滞后环节，将这些延迟的角度降低到10°以下。

第二步，STATCOM功率信号的发生

1)控制角计算环节。依据STATCOM的结构和特性，计算出所需无功电流对应的STATCOM控制角，使得STATCOM成为一个稳定的连续无功输入。

2)脉冲发生环节。根据所需的控制角确定控制逆变器的脉冲，并与电气系统进行同步。

3)三相反振荡无功电流输入系统。脉冲驱动三相逆变器中的电力电子器件，产生反振荡无功电流，输入系统，抑制系统的次同步振荡，增加系统对次同步振荡的电气阻尼。

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，发电机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，发电机定子上将流过次同步频率为f₀-f_m的电流分量(f₀为工频)，由于其产生的转矩与转速偏差Δω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，即减小次同步频率为f₀-f_m的电流分量。反振荡控制法，就是将系统中含有原动机扭振模式分量的测量信号，转化为与之相抵消的电网功率级电流，通过电力电子装置输入系统，从而消除系统中频率为f₀-f_m的次同步频率电流，减小定子中次同步电流分量的负阻尼作用。

本发明以反振荡理论为基础，STATCOM功率信号发生器为载体，可以有效抑制大型发电机组中存在的次同步振荡，保障电力系统的安全运行。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出一种基于STATCOM的次同步振荡的反振荡抑制方案，给出了抑制系统及其控制方法。与现有的方法相比，反振荡抑制系统及方法不需要对次同步谐振复杂的成因、过程及振荡波形成分做详细分析，控制原理比较清晰，具体到每一个控制模块也都易于工程实现，STATCOM鲁棒性性能好，速度快。反振荡抑制系统及控制方法在实际应用中，控制简单，安装方便，灵活快速，易于工程实现。

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为本发明中基于STATCOM的反振荡抑制系统接入电气系统的结构框图。

图2为本发明实施例中仿真试验的系统结构框图。

图3为本发明实施例中未引入基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方案的系统轴系扭振波形。

图4为本发明实施例中引入基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方案的系统轴系扭振波形。

图中：前置测量控制装置1，STATCOM功率信号发生装置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，控制角计算模块7，脉冲发生模块8，逆变器9。

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，一种基于STATCOM的次同步振荡的反振荡抑制系统，该系统包括前置测量控制装置1和STATCOM功率信号发生装置2。前置测量控制装置1将包含原动机扭振模式分量的信号测量出来，经过测量处理、反相放大、低通滤波以及相位补偿处理后，输入所述STATCOM功率信号发生装置2；STATCOM功率信号发生装置2依据反振荡抑制理论，根据所述前置测量控制装置处理后的扭振模式分量来生成能够有效抑制系统次同步振荡的无功电流，调节发电机的输出功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对次同步振荡的动态抑制。

本实施例中，所述前置测量控制装置1包括扭振模式信号的测量处理模块3，反相放大模块4，低通滤波模块5和相位补偿模块6。所述STATCOM功率信号发生装置2包括控制角计算模块7，脉冲发生模块8和逆变器9。汽轮机和发电机中采集的扭振模式分量，输入测量处理模块3，输出的信号输入反相放大模块4，经反相放大后的信号输入低通滤波模块5，滤除高频干扰后的信号输入相位补偿模块6，补偿后的信号输入控制角计算模块7，然后将计算所得的控制角α输入脉冲发生模块，并与原电气系统同步，产生控制脉冲。所述逆变器9以电压源型逆变器为基础，在控制脉冲的驱动下，产生所需的无功电流。

本实施例中，所述逆变器9由储能元件和可关断电力电子器件组成的。这里的储能元件为电容C，可关断电力电子器件为性能良好的绝缘栅双极性晶体管IGBT。

基于上述系统，一种基于STATCOM的次同步振荡的反振荡抑制方法如下所述：

第一步，信号的前置测量与控制

1)测量处理环节：测量含有原动机扭振模式分量的信号；

2)反相放大环节：将测量到的扭振模式分量，反相放大，使信号可以控制STATCOM功率信号发生装置输出电网功率级别电流，输入系统中，抑制次同步振荡电流，减小电气负阻尼；

3)低通滤波环节：将所有高于工频的干扰信号都滤除；

4)相位补偿环节：通过增加超前-滞后环节，将延迟的角度降低到10°以下；

第二步，STATCOM功率信号的发生

1)控制角计算环节：依据STATCOM的结构和特性，计算出所需无功电流对应的STATCOM控制角，使得STATCOM成为一个稳定的连续无功输入；

2)脉冲发生环节：根据所需的控制角确定控制逆变器的脉冲，并与电气系统进行同步；

3)三相反振荡无功电流输入系统：脉冲驱动三相逆变器中的电力电子器件，产生反振荡无功电流，输入系统，抑制系统的次同步振荡，增加系统对次同步振荡的电气阻尼。

本实施例中，所述测量处理环节由上述系统中的测量处理模块3实现，该环节由一个一阶惯性环节构成，其传递函数为：

H_{1} (s) = \frac{1}{1 + s T_{1}}

式1

式中，T₁为时间常数。

由于发电机转速偏差信号对控制器的相位移敏感度比较低，所以一般取发电机的转速偏差信号即可。有时也会使用机端输出功率作为测量对象。

本实施例中，所述反相放大环节由上述反相放大模块4实现，将测量环节后的信号进行反相放大，以抑制系统中的次同步振荡电流，其放大系数为K。这个放大系数需根据实际情况进行整定，太小达不到有效抑制次同步振荡的目的，太大又会影响系统的稳定性。

本实施例中，所述低通滤波环节由上述低通滤波模块5实现，滤去高频干扰信号，这里采用二阶低通滤波模块，其传递函数为：

H_{2} (s) = \frac{G_{0} {ω_{n}}^{2}}{s^{2} + ξ ω_{n} s + {ω_{n}}^{2}}

式2

式中，G₀为低通滤波模块的带通增益，ω_n为自然角频率，ξ为滤波器的阻尼系数。

本实施例中，所述相位补偿环节由上述相位补偿模块6实现，该环节是针对滤波、测量环节中的延迟设计的，另外STATCOM也会造成一些延迟。可采用全通数字滤波器串联进行补偿。其优点在于幅频特性对所有频率不改变信号幅值，只进行相位补偿。其传递函数为：

H (s) = \frac{s - c}{s + c}

式3

设计相位补偿环节时，要考虑各次同步频率分量的相位偏移α₁，低通滤波环节在模态频率引起的相位偏移α₂，测量引起的时间延迟α₃，及电力电子设备可能引起的时间延迟α₄。则c的值由以下公式确定。

式4

式中，ω_p为当前次同步振荡的频率。

本实施例中，所述STATCOM功率信号发生装置2实现控制角计算环节，脉冲发生环节和三相反振荡无功电流输入。实施例中的STATCOM功率信号发生装置采用六脉波逆变器，接线如图1所示。

STATCOM输出无功电流如式5所示。其中E_a为系统母线电压，R+jX为系统等效阻抗；U_L为等效阻抗上的压降；α为STATCOM输出电压与系统电压的相位差。

I_{Q} = \frac{U_{L}}{\sqrt{X^{2} + R^{2}}} \sin (\frac{π}{2} - α) = \frac{E_{α}}{2 R} \sin 2 α

式5

可见，控制整个反振荡抑制系统与STATCOM之间的电压相位差，即可控制其输出的无功电流。将这个相位差信号再转化为IGBT的脉冲控制角，并与同步信号进行调制，即可产生控制IGBT的驱动脉冲，使逆变器向系统输入反振荡无功电流，消除次同步分量。

由于次同步振荡试验对于大型机组是一个破坏性试验，故不易开展，下面将在Matlab/Simulink中对IEEE提供的次同步振荡第二模型进行本实施例的仿真试验。如图2所示，该系统的参数：发电机：600MVA，22kV；主升压变压器：22kV/500Kv；串补度：55％；无穷大系统：3333MVA，500kV。实验开始后4/3个周期，线路发生三相短路故障，故障时间为0.0169s。

系统串补度为55％时，电气系统的谐振频率为44.53Hz，与汽轮机的一个扭振频率15.54Hz互补(仿真中，系统工频为60Hz)。经计算确定STATCOM功率信号发生装置的容量为60MVA。

由图3可见，故障发生后，机组的轴系扭矩振荡逐渐增加，发生了次同步振荡现象。故障发生8s以后，发电机与低压缸间轴系扭矩达到了17p.u，低压缸与高压缸间轴系扭矩达到了7p.u。

采用上述实施例中的反振荡抑制系统及控制方法对该次同步振荡进行抑制。由图4可见，加入了反振荡抑制系统以后，系统轴系扭矩快速衰减。故障发生8s以后，发电机与低压缸间轴系扭矩降到了0.1p.u以下，低压缸与高压缸间轴系扭矩也降到了0.1p.u以下。

通过本实施例的说明和验证，可见，引入基于STATCOM功率信号发生装置的次同步振荡反振荡抑制方案后，系统的次同步振荡得到有效的抑制，系统轴系间的扭矩被大大减小。

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

1.一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统，其特征在于所述系统包括前置测量控制装置和STATCOM功率信号发生装置两部分，其中：

所述STATCOM功率信号发生装置依据反振荡抑制理论，根据所述前置测量控制装置处理后的扭振模式分量来生成能够有效抑制系统次同步振荡的无功电流，调节发电机的输出功率，产生相应的阻尼转矩，从而实现对次同步振荡的动态抑制；

所述前置测量控制装置包括测量处理模块，反相放大模块，低通滤波模块和相位补偿模块，其中：

所述低通滤波模块，用于滤除干扰的高频信号，然后将信号输入相位补偿模块；

2.根据权利要求1所述的基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统，其特征在于，所述低通滤波模块进一步设置工频的带阻滤波器。

3.根据权利要求1或2所述的基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制系统，其特征在于，所述STATCOM功率信号发生装置包括控制角计算模块，脉冲发生模块和逆变器，其中：

4.一种基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方法，其特征在于所述方法具体步骤如下：

第一步，信号的前置测量与控制

1)测量处理环节：测量含有原动机扭振模式分量的信号；

3)低通滤波环节：将所有高于工频的干扰信号都滤除；

第二步，STATCOM功率信号的发生

5.根据权利要求4所述的基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方法，其特征在于，所述测量含有原动机扭振模式分量的信号，其中扭振模式分量是发电机转速偏差，或者是机端输出功率或高压缸转速偏差。

6.根据权利要求4所述的基于STATCOM的次同步振荡反振荡抑制方法，其特征在于，所述低通滤波环节，进一步将工频也包含在低通滤波模块的滤除范围内。