CN103730903A - 抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统。包括有反馈信号处理器、多模式带通滤波器、多模式比例移相器、模态控制信号综合器、附加信号控制器。通过在柔性直流控制系统上附加次同步阻尼控制策略，能同时抑制多个扭振模态，功能全面，可以解决电力系统的多模态次同步谐振和振荡问题，提高了系统的次同步稳定性，进而提高电网的输电能力并保障发电机的安全。

Description

抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，特别涉及一种有效抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统。

背景技术

目前，对远距离大容量输电的需求不断上升，特别是大型煤电和风电基地由于远离负荷中心，大多采用远距离输电模式。为了提高远距离大容量输电时的输送容量和系统稳定性，越来越多地采用固定串联电容补偿（FSC，FixedSeriesCompensation）、传统高压直流输电（HVDC，HighVoltageDirectCurrentTransmission）、柔性高压直流输电和一些基于电力电子技术的高速控制装置。然而，这些装置在一定条件下可能会引发次同步谐振（SSR，SubsynchronousResonance）或次同步振荡（SSO，SubsynchronousOscillation）的问题。轻微的SSR/SSO会降低汽轮发电机轴系的寿命，严重的SSR/SSO可导致汽轮发电机轴系断裂，威胁机组和电力系统的安全稳定运行。因此，SSR/SSO问题已成为电网安全运行所面临的一个迫切需要解决的现实难题，必须采取必要措施有效化解风险，确保机网安全。

自二十世纪七十年代以来，针对SSR/SSO问题提出的解决方法已有20余种（如：晶闸管控制串联电容器、附加励磁阻尼控制等），目前柔性直流输电技术经过一定时期的发展，已经被应用到大容量远距离输电系统中，利用柔性直流输电控制系统来解决SSR/SSO问题，将具有以下优点：

（1）基于柔性直流所带的控制硬件系统，通过软件附加的方式来实现抑制SSR/SSO的功能，实现成本很低。

（2）由于柔性直流控制系统的灵活可控性，不仅能解决柔性直流输电自身与机组相互相互作用的SSO问题，还可抑制临近串联电容与机组相互作用引起的SSR问题；简言之，可同时解决SSR/SSO问题；

（3）由于柔性直流控制系统的快速响应特性，可以同时抑制送端多个模式的振荡。

而本发明则基于柔性直流输电控制系统设计了一套有效抑制次同步谐振和振荡的控制方法。

发明内容

为了更加有效地抑制多模态次同步谐振和振荡，本发明提供了一种可以解决电力系统的多模态次同步谐振和振荡问题，提高了系统的次同步稳定性，进而提高电网的输电能力并保障发电机的安全的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统。

本发明的技术方案如下：

本发明的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，包括有反馈信号处理器、多模式带通滤波器、多模式比例移相器、模态控制信号综合器、附加信号控制器；

所述反馈处理器，用于检测能反映次同步振荡的信号，包括机头、机尾转速，机端或线路电流或功率，经过处理后得到仅包含次同步频率分量的反馈信号；

所述多模式带通滤波器，用于对所述反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号进行带有预处理的滤波处理，得到次同步频率模态分量信号；

所述多模式比例移相器，用于将所述多模式带通滤波器得到的次同步频率模态分量信号，转化为模态控制信号；

所述模态控制信号综合器，用于对所述多模式比例移相器得到的模态控制信号进行限幅处理，得到限幅后的模态控制信号；

所述附加信号处理器，用于处理经过限幅的模态控制信号，得到控制柔性直流输电换流阀的一组控制信号。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过在柔性直流控制系统上附加次同步阻尼控制策略，能同时抑制多个扭振模态，功能全面，可以解决电力系统的多模态次同步谐振和振荡问题，提高了系统的次同步稳定性，进而提高电网的输电能力并保障发电机的安全。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种有效抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统的原理示意图。

图2是本发明实施例1提供的一种有效抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统应用于实际电网的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，包括有反馈信号处理器、多模式带通滤波器、多模式比例移相器、模态控制信号综合器、附加信号控制器；

所述反馈处理器，用于检测能反映次同步振荡的信号，包括机头、机尾转速，机端或线路电流或功率，经过处理后得到仅包含次同步频率分量的反馈信号；

所述多模式带通滤波器，用于对所述反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号进行带有预处理的滤波处理，得到次同步频率模态分量信号；

所述多模式比例移相器，用于将所述多模式带通滤波器得到的次同步频率模态分量信号，转化为模态控制信号；

所述模态控制信号综合器，用于对所述多模式比例移相器得到的模态控制信号进行限幅处理，得到限幅后的模态控制信号；

所述附加信号处理器，用于处理经过限幅的模态控制信号，得到控制柔性直流输电换流阀的一组控制信号。

本发明实施例提供了一种有效抑制次同步谐振和振荡的次同步阻尼控制系统。该系统可用于存在次同步谐振和振荡的发电机，下面以其应用于汽轮发电机为例进行具体说明，本发明实施例所关注的汽轮发电机有N个（N通常小于等于6）次同步扭振模态，N个次同步扭振模态对应的角频率从小到大依次为ω₁,ω₂,...ω_N（通常ω₁>12π,ω_N<ω_e-12π，ω_e为发电机额定角频率）。

实施例1

参见图1和图2，本发明实施例提供了一种有效抑制次同步谐振和振荡的次同步阻尼控制系统，具体包括：反馈信号处理器、多模式带通滤波器、多模式比例移相器、模态控制信号综合器、控制信号附加器。

其中，反馈信号处理器，用于检测可以反映次同步振荡的信号，包括机头、机尾转速，机端或线路电流或功率，得到信号后，经过处理得到仅包含次同步频率分量的反馈信号。

由于检测到的可以反映次同步振荡的信号包含了很多分量，比如正常运行分量，高频噪声和低频噪声。检测到的信号通过反馈信号处理器，经过高通滤波器，低通滤波器，和一系列运算后可以得到仅包含次同步频率分量的反馈信号。

其中，多模式带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号进行滤波，得到次同步频率模态分量信号。

多模式带通滤波器具体可以包括：第一带通滤波器、第二带通滤波器…第N-1带通滤波器和第N带通滤波器。

每个带通滤波器具体的处理过程如下：

第一带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第一次同步频率模态分量信号；第二带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第二次同步频率模态分量信号…第N-1带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第N-1次同步频率模态分量信号；第N带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第N次同步频率模态分量信号。

多模式带通滤波器由N个进行预处理的带通滤波器组合而成，每个带通滤波器对应一个次同步扭振模态(即第一带通滤波器对应次同步扭振模态1、第二带通滤波器对应次同步扭振模态2…第N带通滤波器对应次同步扭振模态N)，这样可将N个次同步扭振模态进行解耦，实现了独立模态空间控制；同时每个模态滤波器都具备足够的带宽，保证了当次同步扭振模态频率跟预设值有一定偏差时，也能顺利通过且幅值、相位波动不大，便于后续的比例-移相控制；即每个模态滤波器兼顾选择性和鲁棒性。

第二带通滤波器对应次同步扭振模态2…第N-1带通滤波器对应次同步扭振模态N-1。第二带通滤波器…第N-1带通滤波器均是由经过预处理的1个二阶带通滤波器构成的。

在预处理过程中，如图1中多模式带通滤波器所示，第i个带通滤波器的预处理是将反馈信号处理器输出信号中的第i-1和第i+1次的次同步扭振角频率分量减去，减去的第i-1和第i+1次的次同步扭振角频率信号时上一时刻由第i-1和第i+1次带通滤波器输出的信号。减去相邻两次的次同步扭振角频率信号后再经过带通滤波器，其传递函数均为：

$f_{\mathrm{mi}}\left(s\right)=\frac{s/{\mathrm{\&omega;}}_i}{1+{2\mathrm{\&xi;}}_{i,i}s/{\mathrm{\&omega;}}_i+{(s/{\mathrm{\&omega;}}_i)}^2}$

其中，ω_i为次同步扭振模态i的角频率，i∈[2,N-1]；ζ_i,i为预设的二阶带通滤波器的阻尼率系数，其较佳取值为3π/ω_i（对应带宽为3Hz）。

第一带通滤波器，对应次同步扭振模态1（对应最小的次同步扭振模态频率），没有比次同步扭振模态1对应的次同步扭振模态频率更低的相邻次同步扭振模态，所以在预处理的过程中，第一带通滤波器可设置成以下2种情形之一：

第1种情形：去除次同步扭振模态2和次同步扭振模态3两个频率的分量。

第2种情形：仅去除次同步扭振模态2一个频率的分量。

图1中画出的是第1种情况。

第N带通滤波器，对应次同步扭振模态N，对应最大的次同步扭振模态频率，没有比次同步扭振模态N对应的次同步扭振模态频率更高的相邻次同步扭振模态，带通滤波器N预处理可设置成以下3种情形之一：

第1种情形：去除次同步扭振模态N-2和次同步扭振模态N-1两个频率的分量。

第2种情形：仅去除次同步扭振模态N-1一个频率的分量。

第3种情形：去除次同步扭振模态N-1一个频率的分量和发电机额定频率分量。

图1中画出的是第1种情况。

上述通过由带有预处理的带通滤波器构成多模式带通滤波器，能在滤出所关注的次同步扭振模态信号的同时对相邻次同步扭振模态信号进行大幅衰减，可有效避免相邻次同步扭振模态信号的干扰，从而有利于实现独立模态控制，并兼顾多个模态的优化抑制效果。

其中，多模式比例移相器，用于将多模式带通滤波器得到的次同步频率模态分量信号，转化为模态控制信号。

多模式比例移相器具体包括：第一比例移相器（H_m1）、第二比例移相器（H_m2）…第N-1比例移相器（H_mN-1）和第N比例移相器（H_mN）。

每个比例移相器具体的处理过程如下：

第一比例移相器，用于对第一带通滤波器得到的第一次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第一模态控制信号；第二比例移相器，用于对第二带通滤波器得到的第二次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第二模态控制信号…第N-1比例移相器，用于对第N-1带通滤波器得到的第N-1次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第N-1模态控制信号；第N比例移相器，用于对第N带通滤波器得到的第N次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第N模态控制信号。

多模式比例移相器，由第一比例移相器、第二比例移相器…第N比例移相器组合而成，每个比例移相器对每个比例移相器相应的模态的次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到模态控制信号。每个比例移相器的传递函数为：

$H_{\mathrm{mi}}\left(s\right)=K_{\mathrm{mi}}{\left(\frac{1+T_{\mathrm{mi}}s}{1+T_{\mathrm{mi}}s}\right)}^M$

其中，K_mi为与次同步扭振模态i对应的比例系数，i∈[1,N]；T_mi为与次同步扭振模态i对应的时间常数；指数M为1或2。

K_mi控制信号的幅值，其值越大，控制输出响应反馈信号的灵敏度越高；T_mi调节信号的相位，在本发明实施例的系统中通常取0～1秒之间的某个值，其值越大，滞后的相位角度也就越大；所设计移相环节分子和分母的时间常数相同，对应的增益总为1，即只改变了信号的相位而不改变增益。跟传统的比例移相器比较，本发明实施例的比例移相器的优点是比例和相移分别由增益和移相环节独立控制，彼此不影响，有利于实际使用时参数的调节。在实际工程中，可根据机组和电网的特性设置各个模态的参数K_mi和T_mi，以使得在不同的系统运行方式和故障情况下均能有效抑制SSR/SSO。

其中，模态控制信号综合器，用于对多模式比例移相器得到的模态控制信号进行相加处理和限幅处理，得到限幅后的模态控制信号。

模态控制信号综合器具体包括：

第一加法器，用于将第一比例移相器得到的第一模态控制信号、第二比例移相器得到的第二模态控制信号…第N-1比例移相器得到的第N-1模态控制信号和第N比例移相器得到的第N模态控制信号相加，得到模态控制信号；

第一限幅处理器，用于对第一加法器得到的模态控制信号进行限幅处理，得到限幅后的模态控制信号。

其中，控制信号附加器的作用是将得到限幅后的模态控制信号经过处理，转化成控制柔性直流输电换流阀的信号。在控制信号附加器处理过程中引入变量β，和原来的模态控制信号U作为输入，由这U和β经过计算得到一组控制柔性直流输电换流阀的信号，这组信号可以是P-Q、I_d-I_q、V_sq-V_sd、U_dc-Q或者M-δ。所以控制信号附加器可以分为五种类型，每种类型的信号处理方法是类似的，这里以第一种类型P-Q为例说明，利用U和β计算出P和Q的变化量。

U×cosβ=ΔP

U×sinβ=ΔQ

将信号变化量叠加上原有的信号后最终形成信号参考值控制换流阀。如图1控制信号附加器的虚线框中所示。

Claims (10)

1.一种抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于包括有反馈信号处理器、多模式带通滤波器、多模式比例移相器、模态控制信号综合器、附加信号控制器； 

所述反馈处理器，用于检测能反映次同步振荡的信号，包括机头、机尾转速，机端或线路电流或功率，经过处理后得到仅包含次同步频率分量的反馈信号； 

所述多模式带通滤波器，用于对所述反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号进行带有预处理的滤波处理，得到次同步频率模态分量信号； 

所述多模式比例移相器，用于将所述多模式带通滤波器得到的次同步频率模态分量信号，转化为模态控制信号； 

所述模态控制信号综合器，用于对所述多模式比例移相器得到的模态控制信号进行限幅处理，得到限幅后的模态控制信号； 

所述附加信号处理器，用于处理经过限幅的模态控制信号，得到控制柔性直流输电换流阀的一组控制信号。 

2.根据权利要求1所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述多模式带通滤波器由N个进行预处理的带通滤波器组合而成，每个带通滤波器对应一个次同步扭振模态，即第一带通滤波器对应次同步扭振模态1、第二带通滤波器对应次同步扭振模态2，如此类推，第N带通滤波器对应次同步扭振模态N，这样可将N个次同步扭振模态进行解耦，实现了独立模态空间控制；同时每个模态滤波器都具备足够的带宽，保证了当次同步扭振模态频率跟预设值有一定偏差时，也能顺利通过且幅值、相位波动不大，便于后续的比例-移相控制；即每个模态滤波器兼顾选择性和鲁棒性。 

3.根据权利要求2所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述第一带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第一次同步频率模态分量信号；第二带通滤波器，用于对 反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第二次同步频率模态分量信号，如此类推，第N-1带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第N-1次同步频率模态分量信号；第N带通滤波器，用于对反馈信号处理器得到的仅包含次同步频率分量的反馈信号处理后进行滤波，得到第N次同步频率模态分量信号。 

4.根据权利要求2所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述第二带通滤波器至第N-1带通滤波器均是由经过预处理的1个二阶带通滤波器构成的； 

上述多模式带通滤波器在预处理过程中，第i个带通滤波器的预处理是将反馈信号处理器输出信号中的第i-1和第i+1次的次同步扭振角频率分量减去，减去的第i-1和第i+1次的次同步扭振角频率信号时上一时刻由第i-1和第i+1次带通滤波器输出的信号，减去相邻两次的次同步扭振角频率信号后再经过带通滤波器，其传递函数均为： 

其中，ω_i为次同步扭振模态i的角频率，i∈[2,N-1]；ζ_i,i为预设的二阶带通滤波器的阻尼率系数，其较佳取值为3π/ω_i，对应带宽为3Hz,。 

5.根据权利要求2所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述第一带通滤波器，对应次同步扭振模态1，对应最小的次同步扭振模态频率，没有比次同步扭振模态1对应的次同步扭振模态频率更低的相邻次同步扭振模态，所以在预处理的过程中，第一带通滤波器可设置成以下2种情形之一： 

第1种情形：去除次同步扭振模态2和次同步扭振模态3两个频率的分量； 

第2种情形：仅去除次同步扭振模态2一个频率的分量。 

6.根据权利要求2所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述第N带通滤波器，对应次同 步扭振模态N，对应最大的次同步扭振模态频率，没有比次同步扭振模态N对应的次同步扭振模态频率更高的相邻次同步扭振模态，带通滤波器N预处理可设置成以下3种情形之一： 

第1种情形：去除次同步扭振模态N-2和次同步扭振模态N-1两个频率的分量； 

第2种情形：仅去除次同步扭振模态N-1一个频率的分量； 

第3种情形：去除次同步扭振模态N-1一个频率的分量和发电机额定频率分量； 

上述通过由带有预处理的带通滤波器构成多模式带通滤波器，能在滤出所关注的次同步扭振模态信号的同时对相邻次同步扭振模态信号进行大幅衰减，可有效避免相邻次同步扭振模态信号的干扰，从而有利于实现独立模态控制，并兼顾多个模态的优化抑制效果。 

7.根据权利要求1至6任一项所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述多模式比例移相器，用于将多模式带通滤波器得到的次同步频率模态分量信号，转化为模态控制信号； 

多模式比例移相器具体包括：第一比例移相器（H_m1）、第二比例移相器（H_m2）…第N-1比例移相器（H_mN-1）和第N比例移相器（H_mN）； 

每个比例移相器具体的处理过程如下： 

第一比例移相器，用于对第一带通滤波器得到的第一次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第一模态控制信号；第二比例移相器，用于对第二带通滤波器得到的第二次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第二模态控制信号…第N-1比例移相器，用于对第N-1带通滤波器得到的第N-1次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第N-1模态控制信号；第N比例移相器，用于对第N带通滤波器得到的第N次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到第N模态控制信号； 

上述多模式比例移相器中的每个比例移相器对每个比例移相器相应的模态的次同步频率模态分量信号的大小和相位进行调节，得到模态控制信号，每个比例移相器的传递函数为： 

其中，K_mi为与次同步扭振模态i对应的比例系数，i∈[1,N]；T_mi为与次同步扭振模态i对应的时间常数；指数M为1或2； 

K_mi控制信号的幅值，其值越大，控制输出响应反馈信号的灵敏度越高；T_mi调节信号的相位，在本发明实施例的系统中通常取0～1秒之间的某个值，其值越大，滞后的相位角度也就越大；所设计移相环节分子和分母的时间常数相同，对应的增益总为1，即只改变了信号的相位而不改变增益，跟传统的比例移相器比较，本发明实施例的比例移相器的优点是比例和相移分别由增益和移相环节独立控制，彼此不影响，有利于实际使用时参数的调节，在实际工程中，可根据机组和电网的特性设置各个模态的参数K_mi和T_mi，以使得在不同的系统运行方式和故障情况下均能有效抑制SSR/SSO。 

8.根据权利要求7所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述模态控制信号综合器，用于对多模式比例移相器得到的模态控制信号进行相加处理和限幅处理，得到限幅后的模态控制信号；上述模态控制信号综合器具体包括：第一加法器，用于将第一比例移相器得到的第一模态控制信号、第二比例移相器得到的第二模态控制信号…第N-1比例移相器得到的第N-1模态控制信号和第N比例移相器得到的第N模态控制信号相加，得到模态控制信号。 

9.根据权利要求8所述的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述第一限幅处理器，用于对第一加法器得到的模态控制信号进行限幅处理，得到限幅后的模态控制信号。 

10.根据权利要求9所述的抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统，其特征在于上述控制信号附加器的作用是将得到限幅后的模态控制信号经过处理，转化成控制柔性直流输电换流阀的信号，在控制信号附加器处理过程中引入变量β，和原来的模态控制信号U作为输入，由这U和β经过计算得到一组控制柔性直流输电换流阀的信号，这组信号是P-Q、I_d-I_q、V_sq-V_sd、U_dc-Q或者M-δ， 所以控制信号附加器分为五种类型，每种类型的信号处理方法是类似的，这里以第一种类型P-Q为例说明，利用U和β计算出P和Q的变化量， 

U×cosβ=ΔP 

U×sinβ=ΔQ 

将信号变化量叠加上原有的信号后最终形成信号参考值控制换流阀。 

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