CN105071409B - 一种次谐波无功发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网技术领域，公开了一种次谐波无功发生装置，包括控制单元和阀组单元，其中：所述控制单元，用于获得发电机组的转速偏差信号，并根据该转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流，再基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功‑无功解耦和脉宽调制，并用调制后的信号驱动所述阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功；所述阀组单元，用于在所述控制单元的驱动下发出次谐波电流，并将发出的次谐波电流以无功的形式注入电网。本发明采用dq变换，将电力系统中有功分量和无功分量解耦后，分别进行独立控制，以确保发出的次谐波均为无功，在恒无功模式下更好地抑制了次同步振荡。

Description

一种次谐波无功发生装置

技术领域

本发明涉及电网技术领域，具体地，涉及一种次谐波无功发生装置。

背景技术

随着电网系统的不断扩张，超高压直流输电和大容量发电机组需求也在提高，为降低线路传输损耗，目前常用可控串补来提高网侧电压，尽管带来了的巨大经济效益，但也给发电机组的安全稳定运行带来了新的麻烦，电力系统次同步振荡是其中较为严重的问题之一。

为此提出了许多抑制发电机次同步振荡的措施，现有技术中采用较多的为：由无源器件组成的旁路阻尼滤波器和静止阻塞滤波器；加入了电力电子器件的SVC装置。但这些技术都存在响应速度慢，跟踪能力差等缺点，且产生次谐波能力有限，无法从根本上解决存在的问题。针对现有技术存在响应速度慢、跟踪性能差等缺点，因此需要提出新的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种次谐波无功发生装置，用于实现产生次谐波电流以抑制次同步振荡的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种次谐波无功发生装置，包括控制单元和阀组单元，其中：所述控制单元，用于获得发电机组的转速偏差信号，并根据该转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流，再基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和脉宽调制，并用调制后的信号驱动所述阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功；所述阀组单元，用于在所述控制单元的驱动下发出次谐波电流，并将发出的次谐波电流以无功的形式注入电网。

优选地，还包括柜式结构的供电单元，该供电单元用于为所述控制单元和所述阀组单元提供相应的工作电源，且该供电单元又包括：UPS模块，用于提供不间断的交流电源；电源隔离模块，共连接所述UPS模块和低压配电模块，用于对UPS模块提供的不间断的交流电源进行整流，并将整流后的电源提供给低压配电模块；以及所述低压配电模块，其连接所述控制单元和所述阀组单元，用于向所述控制单元和所述阀组单元分配工作电源。

优选地，所述控制单元为柜式结构，包括：工控机，用于实现界面显示和操作；系统控制模块，其与所述工控机通讯，用于根据转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流；以及装置控制模块，其与所述工控机通讯，并位于所述系统控制模块的下游，用于基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和调制，并用调制后的信号驱动阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功。

优选地，所述装置控制模块包括：锁相环模块，用于对电网电压进行跟踪和锁相；电压环模块，用于计算阀组单元的直流侧电压参考值和直流侧电压反馈值的偏差信号，并对该偏差信号进行PI调节和相位变换，输出有功分量两个Park变换模块，其中一个位于所述锁相环模块的下游，用于对电网电压进行dq变换，得到电网电压的有功分量和另一个用于对所需的次谐波电流进行dq变换，得到所需的次谐波电流的有功分量和无功分量有功-无功电流解耦控制模块，其位于所述Park变换模块的下游，用于将以上得到的所有有功分量和无功分量进行解耦，输出电压矢量Park逆变换模块，其位于所述有功-无功电流解耦控制模块的下游，用于将电压矢量变换得到三相调制信号和以及SPWM调制模块，其位于所述Park逆变换模块的下游，用于对三相调制信号和进行SPWM调制，得到对应的PWM驱动信号，以驱动所述阀组单元。

优选地，所述装置控制模块还包括位于所述SPWM调制模块下游的载波移相模块，用于对PWM驱动信号进行载波移相处理。

优选地，所述阀组单元为对应三相三线制电网的链式结构，每相串联有若干个IEGT相模块。

优选地，所述IEGT相模块包括：开关器件IEGT1和开关器件IEGT2，开关器件IEGT1并联有续流二极管D1，开关器件IEGT2并联有续流二极管D2，开关器件IEGT1和开关器件IEGT2串联在一起，中间连接端引出为输出端。

优选地，所述IEGT相模块还包括缓冲吸收电路，该缓冲吸收电路包括两个串联的电感L1、L2以及电阻R、二极管D3和电容C，二极管D3正极端与电感L2相连，二极管D3负极端与电阻R的一端相连，电阻R的另一端与电感L1相连；二极管D3的负极端还连接电容C的一端，电容C另一端与电源负端相连接。

优选地，还包括：散热单元，用于对所述阀组单元进行散热。

优选地，所述散热单元采用水冷系统。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用dq变换，将电力系统中有功分量和无功分量解耦后，分别进行独立控制，以确保发出的次谐波均为无功，在恒无功模式下更好地抑制了次同步振荡。综合来说，本发明的次谐波无功发生装置具有响应速度快、可调范围广泛、容量大等优点，能够很好地抑制电力系统中的次同步振荡现象。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的实施方式中次谐波无功发生装置的结构示意图，并同时示意了该次谐波无功发生装置与电网的连接；

图2是本发明的实施方式中控制单元的结构示意图；

图3是本发明的实施方式中装置控制模块的结构示意图；

图4是本发明的实施方式中阀组单元的结构示意图；

图5是本发明的实施方式中IEGT相模块的结构示意图。

附图标记说明

1、次谐波无功发生装置；

10、控制单元；20、阀组单元；30、供电单元；40、散热单元；

101、工控机；102、系统控制模块；103、装置控制模块；

1031、锁相环模块；1032、电压环模块；1033、Park变换模块；1034、有功-无功电流解耦控制模块；1035、Park逆变换模块；1036、SPWM调制模块。

301、UPS模块；302、电源隔离模块；303、低压配电模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，在电力系统中，发电机组通过变压器及输电线路向电网输送电能，为降低输电线路的传输损耗，目前常采用增加串补的方法来提高输电线路的输送能力。但是，这种增加串补的方法也可能引发次同步振荡问题，使发电机组以低于同步频率的振荡频率运行，严重影响电力系统的安全性，因此电厂使用了很多抑制次同步振荡的装置。

本实施方式的目的在于通过产生次谐波电流来抑制次同步振荡，给出了一种次谐波无功发生装置1，如图1所示，其设置在发电机组与电网之间，包括控制单元10和阀组单元20，其中：所述控制单元10，用于获得发电机组的转速偏差信号，并根据该转速偏差信号确定抑制次同步振荡所需的次谐波电流，再基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和脉宽调制，并用调制后的信号驱动所述阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功；所述阀组单元20，用于在所述控制单元的驱动下发出次谐波电流，并将发出的次谐波电流以无功的形式注入电网。

如图2所示，所述控制单元为柜式结构的控制单元10，可以包括：工控机101，用于实现界面显示和操作；系统控制模块102，其与所述工控机11通讯，用于根据转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流；以及装置控制模块103，其与所述工控机101通讯，并位于所述系统控制模块的下游，用于基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和调制，并用调制后的信号驱动阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功。此外，根据现场情况，所述控制单元10还可配置交换机，其配合所述工控机使用，使工控机的应用范围更广。

所述系统控制模块主要是完成操作逻辑、信号测量、系统控制(功率因数补偿、抑制振荡控制)等。本领域所公知的是发电机组的转速变化与次同步振荡密切相关，因此根据转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流的算法在本领域有很多，一般是采用将转速偏差信号进行模态滤波，提取出后关注的次谐波电流相关的模态分量，再对该模态分量进行锁相、比例放大、移相及运算，得到所需次谐波电流的幅值和相位，再结合发电机组的轴系扭振频率，计算出对应的次谐波电流。

所述装置控制模块103具备dq解耦控制功能，本实施方式中所述装置控制模块的结构优选为图3所示的结构，其包括：锁相环模块1031，用于对电网电压进行跟踪和锁相；电压环模块1032，用于计算阀组单元的直流侧电压参考值和直流侧电压反馈值的偏差信号，并对该偏差信号进行PI调节和相位变换，输出有功分量两个Park变换模块1033，其中一个位于所述锁相环模块的下游，用于对电网电压进行dq变换，得到电网电压的有功分量和另一个用于对所需的次谐波电流进行dq变换，得到所需的次谐波电流的有功分量和无功分量有功-无功电流解耦控制模块1034，其位于所述Park变换模块1033的下游，用于将以上得到的所有有功分量和无功分量进行解耦，输出电压矢量Park逆变换模块1035，其位于所述有功-无功电流解耦控制模块1034的下游，用于将电压矢量变换得到三相调制信号和以及SPWM调制模块1036，其位于所述Park逆变换模块1035的下游，用于对三相调制信号和进行SPWM调制，得到对应的PWM驱动信号，以驱动所述阀组单元。

参考图3，装置控制模块的功能实现主要包括如下几个环节：

(1)锁相环(PLL)

锁相环用来跟踪A、B、C相系统电压可得到其基波相位θ，以及得到系统电压相位的正弦值和余弦值。

(2)电压环

计算直流侧电压参考值和直流侧电压反馈值的偏差信号，该偏差信号经PI调节和相位变换后，输出有功分量

(3)Park变换

将所需的次谐波电流经Park变换，得到的有功分量和无功分量电网电压同样通过Park坐标变换从abc坐标系变换到dq坐标系下，得到和

(4)电流解耦控制

将以上变换后得到的量输入有功、无功电流解耦控制器，并结合相应的相位变换，输出电压矢量 经过Park逆变换得到三相调制信号和调制信号经SPWM发生器输出PWM驱动信号，使新型次谐波无功发生器输出所需无功功率。

本实施方式的控制单元采用了dq控制策略，将系统中有功分量和无功分量解耦后，分别进行独立闭环控制。dq解耦控制具有跟踪性能好、稳态误差小等优点。

另外，本实施例的控制单元还采用了载波移相技术，在所述SPWM调制模块的下游设置载波移相模块，用于对经所述SPWM调制模块处理后的PWM驱动信号进行载波移相，具体包括：通过多路载波在时间轴上移动一定角度来生成PWM波的控制算法，N级功率单元串联需要N路三角载波。该载波移相技术能够在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果，通过开关次谐波的相互抵消提高等效开关频率，而不是简单地将谐波向高次推移，因而具有良好的谐波特性，在提高装置容量的同时，有效地减小了输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽。除此之外，载波移相技术还具备线性度好、控制性能优越等一系列优点。

如图4所示，本实施方式中所述阀组单元20优选为对应三相三线制电网的链式结构，每相串联有若干个IEGT相模块，优选地，每相均由六个IEGT相模块级联组成。图4中阀组单元采用星型连接方式通过电抗器与电网连接，通过电抗器滤除次谐波无功发生装置中的各种高次特征谐波。另外，每个IEGT相模块并联有电容，该电容起到旁路保护功能。本实施方式利用次谐波电流叠加到无功轴上，以确保装置发出的次谐波均为无功，而不会影响阀组单元的电容电压。

图5给出了所述IEGT相模块的一种优选结构，其包括：开关器件IEGT1和开关器件IEGT2，开关器件IEGT1并联有续流二极管D1，开关器件IEGT2并联有续流二极管D2，开关器件IEGT1和开关器件IEGT2串联在一起，中间连接端引出为输出端。

本实施方式中所述IEGT相模块采用封闭安装、水冷散热技术，且满足IEGT的功率相模块的安装、散热、电磁兼容、高压绝缘、模块化设计等相关要求。

此外，所述IEGT相模块还包括缓冲吸收电路，同样如图5所示，该缓冲吸收电路包括两个串联的电感L1、L2以及电阻R、二极管D3和电容C，二极管D3正极端与电感L2相连，二极管D3负极端与电阻R的一端相连，电阻R的另一端与电感L1相连；二极管D3的负极端还连接电容C的一端，电容C另一端与电源负端相连接。

此外，如图1所示，本实施方式的次谐波无功发生装置还包括有柜式结构的供电单元30，该供电单元30用于为所述控制单元10和所述阀组单元20等提供相应的工作电源，该供电单元又包括：UPS模块301，用于提供不间断的交流电源；电源隔离模块302，共连接所述UPS模块301和低压配电模块303，用于对UPS模块301提供的不间断的交流电源进行整流，并将整流后的电源提供给低压配电模块303；以及所述低压配电模块303，其连接所述控制单元和所述阀组单元，用于向所述控制单元和所述阀组单元分配工作电源。

本实施方式中，电源隔离模块可采用电源隔离柜，其可以将380V电源转化为所需要的电源，且具有隔离功能。而所述UPS模块还配置有电池，确保在市电断电的情况下能直接向阀组单元提供电源，避免器件损坏。本实施方式中所述的低压配电模块也是柜式结构，主要为双路供电，工作电源为三相四线380VAC/50HZ，采用ATS自动切换系统，输出电压为AC380V/50HZ和AC220/50HZ两种。低压配电模块主要作用是为次谐波发生装置的用电设备分配交流电源，采集UPS反馈电源，并分配UPS电源，其输出的交流负载主要为阀组单元、控制单元和散热单元等。

同时，为了对阀组单元20进行散热，本实施方式的次谐波无功发生装置还包括散热单元40，其用于对所述阀组单元进行散热，以保证系统的长时间稳定运行。本实施方式中，所述散热单元优选为水冷系统。

综上所述，本发明的次谐波无功发生装置，可运行于恒无功模式，以抑制发电机组的次同步振荡，具有响应速度快、跟踪性能好等优点。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种次谐波无功发生装置，其特征在于，包括控制单元和阀组单元，其中：

所述控制单元，用于获得发电机组的转速偏差信号，并根据该转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流，再基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和脉宽调制，并用调制后的信号驱动所述阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功；

所述阀组单元，用于在所述控制单元的驱动下发出次谐波电流，并将发出的次谐波电流以无功的形式注入电网；

其中，所述控制单元为柜式结构，包括：工控机，用于实现界面显示和操作；系统控制模块，其与所述工控机通讯，用于根据转速偏差信号计算抑制次同步振荡所需的次谐波电流；以及装置控制模块，其与所述工控机通讯，并位于所述系统控制模块的下游，用于基于dq变换对电网电压和所需的次谐波电流依次进行有功-无功解耦和调制，并用调制后的信号驱动阀组单元，以使所述阀组单元发出的次谐波电流均为无功；

其中，所述装置控制模块包括：

锁相环模块，用于对电网电压进行跟踪和锁相；

电压环模块，用于计算阀组单元的直流侧电压参考值和直流侧电压反馈值的偏差信号，并对该偏差信号进行PI调节和相位变换，输出有功分量

两个Park变换模块，其中一个位于所述锁相环模块的下游，用于对电网电压进行dq变换，得到电网电压的有功分量和另一个用于对所需的次谐波电流进行dq变换，得到所需的次谐波电流的有功分量和无功分量

有功-无功电流解耦控制模块，其位于所述Park变换模块的下游，用于将以上得到的所有有功分量和无功分量进行解耦，输出电压矢量

Park逆变换模块，其位于所述有功-无功电流解耦控制模块的下游，用于将电压矢量变换得到三相调制信号和以及

SPWM调制模块，其位于所述Park逆变换模块的下游，用于对三相调制信号和进行SPWM调制，得到对应的PWM驱动信号，以驱动所述阀组单元。

2.根据权利要求1所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，还包括柜式结构的供电单元，该供电单元用于为所述控制单元和所述阀组单元提供相应的工作电源，且该供电单元又包括：

UPS模块，用于提供不间断的交流电源；

电源隔离模块，共连接所述UPS模块和低压配电模块，用于对UPS模块提供的不间断的交流电源进行整流，并将整流后的电源提供给低压配电模块；以及

所述低压配电模块，其连接所述控制单元和所述阀组单元，用于向所述控制单元和所述阀组单元分配工作电源。

3.根据权利要求1所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，所述装置控制模块还包括位于所述SPWM调制模块下游的载波移相模块，用于对PWM驱动信号进行载波移相处理。

4.根据权利要求1所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，所述阀组单元为对应三相三线制电网的链式结构，每相串联有若干个IEGT相模块。

5.根据权利要求4所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，所述IEGT相模块包括：开关器件IEGT1和开关器件IEGT2，开关器件IEGT1并联有续流二极管D1，开关器件IEGT2并联有续流二极管D2，开关器件IEGT1和开关器件IEGT2串联在一起，中间连接端引出为输出端。

6.根据权利要求5所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，所述IEGT相模块还包括缓冲吸收电路，该缓冲吸收电路包括两个串联的电感L1、L2以及电阻R、二极管D3和电容C，二极管D3正极端与电感L2相连，二极管D3负极端与电阻R的一端相连，电阻R的另一端与电感L1相连；二极管D3的负极端还连接电容C的一端，电容C另一端与电源负端相连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，还包括：

散热单元，用于对所述阀组单元进行散热。

8.根据权利要求7所述的次谐波无功发生装置，其特征在于，所述散热单元采用水冷系统。