CN103795070B - 同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制装置及其参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制装置及其参数整定方法，其特点是该装置是基于具有高运算效率和抗扰能力的矩阵束算法辨识直流在孤岛运行下的次同步振荡和低频振荡频率、阻尼，以及系统降阶模型，采用根轨迹法设计多通道直流附加阻尼控制器，降低振荡模式间的相互影响，能够同时抑制次同步振荡和低频振荡。将发电机转速信号根据矩阵束算法对系统振荡特性分析的结果划分为各类频段，各频段所对应的通道均可单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数，进而分别为不同频段的低频振荡和次同步振荡提供合适的阻尼。该装置不仅高效易行，而且在高压直流输电领域首次实现了直流附加阻尼控制器同时抑制低频振荡和次同步振荡的功能。

Description

同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制 装置及其参数整定方法

技术领域

本发明涉及一种同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制装置及其参数整定方法，属于高压直流输电领域。

背景技术

在智能互动电网的大背景下，强交流与强直流并存已成为“三华”特高压同步电网的必然选择。目前，形成了电力系统送端多直流落点局面。这种特殊的系统由若干个大型电厂与送端换流站群联接构成，极有可能孤岛运行。在孤岛运行方式下，高压直流(HVDC)的快速控制引起次同步振荡的风险增加，并能伴随因发电机转子间阻尼不足而引起的低频振荡。两种不同性质振荡的相互作用，一旦控制不当，就会恶化系统阻尼，甚至造成孤岛系统的崩溃(胡云花，赵书强，马燕峰，等.电力系统低频振荡和次同步振荡统一模型阻尼分析[J].电力自动化设备，2005，25(7)：6-11.)。当前，基于数学模型的严格控制理论方法应用于电网实际工程时，复杂拓扑和多变工况的存在，增加了系统建模的难度。因此，利用辨识方法通过非线性时域仿真或现场测量数据直接导出简单的、精确的系统低阶线性化模型，单独针对次同步振荡或低频振荡设计直流附加控制器(武凌云，李兴源，杨煜，等.基于Prony辨识的次同步阻尼控制器研究[J].电力自动化设备，2007，27(9)：12-17.)。但是，未见有同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制器装置的专利文献和非专利文献报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种多通道直流附加阻尼控制装置及其参数整定方法，其特点是该控制装置采用多通道设计，包含次同步振荡的抑制通道(Ⅱ)和低频振荡的抑制通道(Ⅰ)的多通道结构，能够降低振荡模式间的相互影响，同时抑制次同步振荡和低频振荡。

本发明的目的由以下技术措施实现：

同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制装置，其特征在于该装置含有次同步振荡的抑制通道(Ⅱ)和低频振荡的抑制通道(Ⅰ)的多通道结构，将发电机的转速信号根据系统次同步振荡和低频振荡特性分析的结果划分为次同步振荡频段和低频振荡频段，各频段所对应的通道均能单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数，进而分别为不同频段的次同步振荡和低频振荡提供合适的阻尼。

所述次同步振荡的抑制通道(Ⅱ)是由合理整定的带通滤波器1、带通滤波器2……带通滤波器n，(Ⅲ)、校正装置1、校正装置2……校正装置n，(Ⅳ)和限幅环节1、限幅环节2……限幅环节n，(Ⅴ)串联而成，以实现抑制次同步振荡的功能。

所述低频振荡的抑制通道L(Ⅰ)是由合理整定的带通滤波器L(Ⅲ)、校正装置L(Ⅳ)和限幅环节L(Ⅴ)串联而成，以实现抑制低频振荡的功能。

同时抑制次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制器装置的参数整定方法包括以下步骤：

1)通过矩阵束算法对系统振荡特性进行分析，确定需要抑制的次同步振荡和低频振荡的振荡模式；

2)通过矩阵束算法对系统模型进行辨识，利用保留系统关键特性的低阶模型代替原来复杂的高阶系统模型；

3)根据步骤1)分析的振荡模式确定直流附加阻尼控制器中各通道滤波器的带宽，从而降低模式间的相互影响，分别对不同的振荡模式提供阻尼，以避免控制器抑制次同步振荡和低频振荡时，对某个模式提供正阻尼，另一模式却提供负阻尼，甚至激发新的振荡模式。同时，基于根轨迹法整定控制器的校正装置的参数。

带通滤波器(Ⅲ)主要采用巴特沃兹滤波器。

校正装置(Ⅳ)的结构为：

其中，K_s、K_D1、K_D2、K_D3、K_I1、K_I2、K_I3为校正环节的可调参数，s为复变量。

4)通过数字仿真软件验证控制装置的准确性。

本发明具有如下优点：

本控制器是通过不同带宽的滤波器实现附加直流阻尼控制器的多通道设计来同时抑制低频振荡和次同步振荡，通过将转速信号根据矩阵束算法对系统振荡特性分析的结果划分为低频振荡和次同步振荡频段，各频段所对应的通道均可单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数，进而分别为不同频段的低频振荡和次同步振荡提供合适的阻尼。该方法不仅高效易行，而且，该控制器实现的直流附加阻尼控制器同时抑制低频振荡和次同步振荡的功能在该领域尚属首次。

附图说明

图1为多通道直流附加阻尼控制器结构。

图2为直流系统孤岛运行的拓扑结构。

图3为第1种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器前的转子角速度图。

图4为第1种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器后的转子角速度图。

图5为第2种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器前的转子角速度图。

图6为第2种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器后的转子角速度图。

图7为第2种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器前的轴系扭振图。

图8为第2种扰动下投入多通道直流附加阻尼控制器后的轴系扭振图。

Ⅰ次同步振荡的抑制通道；Ⅱ低频振荡的抑制通道；Ⅲ带通滤波器；Ⅳ校正装置；Ⅴ限幅环节；Ⅵ比例积分控制器；VII测量环节。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

1.通过矩阵束算法对系统振荡特性进行分析

孤岛运行方式，#1直流系统降功率至25％(1600MW)单极运行。利用机组作用系数法(UIF)对#1直流在以上方式下引发的电网次同步振荡的风险进行评估。机组作用系数(UIF)的计算结果如表1所示。

表1UIF计算结果

由表1可知，在以上构造的孤岛方式下，#1和#2电厂相关机组的UIF计算结果超过0.1。因此，相关火电厂同#1换流站之间的相互作用增强，加大了引发交直流互联电网次同步振荡的风险。

利用矩阵束算法辨识系统的次同步振荡和低频振荡模式，结果如表2和表3所示。

表2扭振模式

表3低频振荡模式

由表2和表3可知，孤岛运行方式，#1直流系统降功率至25％(1600MW)单极运行的情况下，#1与#2电厂的次同步振荡和低频振荡并存，13.4Hz和24.5Hz的次同步振荡模式，阻尼比接近零，造成轴系扭振情况严重。并且，0.74Hz的低频振荡模式属于弱阻尼振荡模式。

2.通过矩阵束算法对系统模型进行辨识

利用保留系统关键特性的低阶模型代替原来复杂的高阶系统模型。

3.整定多通道直流附加阻尼控制器参数

多通道直流附加阻尼控制器结构如图1所示。

根据表2和表3的分析，分别设置对应次同步振荡模式的13.4Hz、24.5Hz及低频振荡模式的0.74Hz通道的巴特沃兹滤波器，并且，通过根轨迹法整定各通道校正装置对应的参数分别为K_s1＝0.058，K_s2＝0.05，K_sL＝0.032，K_D11＝K_D12＝K_D1L＝1，K_D21＝K_D22＝K_D2L，K_D31＝K_D32＝K_D3L＝1。

4.通过数字仿真软件验证控制装置的准确性

通过根轨迹法整定图1所示控制器参数后，对图2所示系统进行数字仿真。数字仿真的扰动方式为：

1)2s时刻，系统受到一个扰动，该扰动使得整流侧定电流控制器的电流整定值由1p.u增加至1.02p.u；

2)2s时刻，某单回线路在距#1换流站母线1％处发生单相短路接地故障，0.2s后故障消失(瞬时故障)。根据系统特点和控制目标，选取#1电厂机组进行观测。

以上两种扰动下，配置多通道直流附加阻尼控制器前后，#1电厂的转子角速度如图3～图6所示。

以上两种扰动下，配置多通道直流附加阻尼控制器前后，#1电厂的轴系扭振如图7和图8所示。

仿真结果表明，控制器不仅有效抑制了24.5Hz和13.4Hz的次同步振荡频率，而且增大了0.74Hz的低频振荡模式的阻尼。因此，该控制器能够实现同时抑制低频振荡和次同步振荡的功能，并且有效隔离控制器各通道的相互作用。

Claims (1)

1.一种同时抑制次同步和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制器的参数整定方法，该多通道直流附加阻尼控制器包含次同步振荡的抑制通道和低频振荡的抑制通道的直流附加控制多通道结构，将转速信号根据系统次同步和低频振荡特性分析的结果划分为次同步频段和低频频段，各频段所对应的通道均可单独调节增益、相位、输出限幅及滤波器参数，利用直流附加控制进而分别为不同频段的低频和次同步振荡提供合适的阻尼，一种同时抑制次同步和低频振荡的多通道直流附加阻尼控制器的参数整定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)通过矩阵束算法对系统振荡特性进行分析，确定需要抑制的次同步和低频振荡的振荡模式；

2)通过矩阵束算法对系统模型进行辨识，利用保留系统关键特性的低阶模型代替原来复杂的高阶系统模型；

3)根据步骤1)分析的振荡模式确定直流附加阻尼控制器中各通道滤波器的带宽，从而抑制振荡模式间的相互影响，分别对不同的振荡模式提供阻尼，以避免控制器抑制次同步振荡和低频振荡时，对某个模式提供正阻尼，另一模式却提供负阻尼，甚至激发新的振荡模式；同时，基于根轨迹法整定控制器的校正装置的参数；

带通滤波器采用巴特沃兹滤波器；

校正装置的结构为：

$K_s\left(\frac{1+K_{D1}s}{1+K_{I1}s}\right)\left(\frac{1+K_{D2}s}{1+K_{I2}s}\right)\left(\frac{1+K_{D3}s}{1+K_{I3}s}\right)$

其中，K_s、K_D1、K_D2、K_D3、K_I1、K_I2、K_I3为校正环节的可调参数，s为复变量。