CN105071412A - 一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于电网侧一种次同步振荡抑制措施—附加次同步阻尼控制器(SSDC)的设计方法。公开了一种基于相位补偿原理对次同步振荡进行有效抑制从而为发电机提供有效保护的方法。首先，根据次同步振荡发生特性及工程实际，对SSDC结构进行设计，对SSDC信号提取环节对输入信号中有效次同步分量进行提取；根据相位补偿原理，对传递函数进行设计。且基于所设计SSDC，对某实际机组次同步振荡进行仿真计算，分析SSDC对次同步振荡抑制作用。

Description

一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法

技术领域

本发明属于频率提取及控制器优化设计领域。具体涉及利用锁相环对频率提取及采取频域校正对控制器主函数进行设计的方法。

技术背景

次同步阻尼控制器(SSDC)作为附加设备安装在高压直流输电系统(HVDC)整流侧定电流环节上，采取HVDC整流侧交流母线电压作为输入信号，需要对次同步振荡发生时母线电压中次同步信号进行提取，并对其进行数学处理，输出相应补偿分量，从而达到对次同步振荡的抑制作用。同时，由于HVDC交流侧与直流侧电气量频率互补，SSDC同样需完成输入输出信号相应频率转换。

实际工程表明即使在严重次同步振荡发生时，HVDC整流侧交流母线中次同步分量仍远小于基频分量与其他分量，故次同步频率大小计算及提取成为SSDC设计关键环节。基于锁相环(PLL)的提取方法，较于傅立叶算法(DFT)、去调制法等频率计算方法，虽然计算精度较低，但它可实现在信号提取的同时完成频率转换，同时可以在避免滤波器带来的干扰的同时达到对信号提取较好的效果，这是DFT、去调制等方法所达不到的。同时，基于PLL的提取方法具有较强的可实现性，能够很好的实现次同步频率信号的提取。

SSDC同样需要对提取的频率信号进行数学处理，现有方法多采取各种线性优化随机算法对传递函数进行设计，然而HVDC系统作为非线性元件，具有较强的非线性，采取优化算法等解析法对传递函数进行设计是否适用于非线性系统仍存在较大争议，不利于SSDC对次同步振荡进行有效抑制。本申请采取简单的频域校正法对传递函数进行设计，基于相位补偿原理，对次同步频率信号进行进一步处理，使SSDC最终输出目标次同步补偿分量，从而达到对次同步振荡的抑制作用。

发明内容

为解决现有实际工程中SSDC控制系统无法启动而无法提供保护的问题，本申请公开了一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法。

一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用锁相环PLL对高压直流输电系统HVDC整流侧的交流母线电压进行锁相，输出锁相角

其中，ω₀为工频50Hz，为锁相环输出相位，母线电压经过锁相环后的输出电压信号为:

其中，U_out为锁相环输出电压，ω₁为母线电压的实际频率，为母线电压的实际初相位；

锁相环输出电压U_out角频率包含(ω₀-ω₁)分量，即次同步信息；高压直流输电系统稳态时，θ_PLL＝θ₁，U_out＝0，其中θ₁为HVDC整流侧的母线电压的相位；当直流输电系统发生了次同步振荡时，输出电压信号的频率偏差为：次同步振荡越剧烈，频率偏差越大；

(2)当根据步骤(1)判断高压直流输电系统发生了次同步振荡时，将次同步频率信号输入至次同步阻尼控制器，次同步阻尼控制器对该信号进行相位补偿和幅值放大后又将其输出叠加到高压直流输电系统整流侧定电流控制系统；采用测试信号法求取次同步阻尼控制器输出信号的相位，在整流侧定电流控制器施加扰动信号，当HVDC整流侧的母线电压信号经过频率转换后，输出相同模态频率的输出信号，直接对比输入小信号即所施加的扰动信号与母线电压的输出信号的相位差求取最佳补偿相位，次同步阻尼控制器对整流侧交流母线电压q轴分量Uq移相，使之与扰动信号反相位；

(3)设计次同步阻尼控制器的传递函数设计，传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{3.745e-007s^4+0.0001628s^3+0.0177s^2}{2.083e-011s^6+2.882e-009s^5+7.62e-007s^4+6.646e-005s^3+0.004042s^2+0.1097s+1}$

次同步阻尼控制器在高频段即大于50Hz的频段的传递函数斜率小于-90dB/dec，用以抑制高频噪声；在目标频率段即10Hz-50Hz之间，传递函数的幅值保持一致，即在目标频率段，在多个对应频率处传递函数的幅值相同；在低频段即低于10Hz的片段，斜率达到40dB/dec，用于阻断低于次同步模态频率的低频信号；

(4)利用步骤(3)设计的次同步阻尼控制器传递函数，在实际的高压直流输电系统系统中进行抑制效果仿真验证。

本发明具有以下有益技术效果：

采用PLL提取方法提取母线电压信号，得到电压频率偏差信号，能够在信号提取的同时完成频率转换，在避免干扰的同时达到对信号提取较好的效果，提取的信号能够反映系统的状态；应用频域校正法对传递函数进行设计，应用测试信号法求取母线电压信号与输出信号相位差进而求得最佳补偿相位，避免难以直接获得Δω和ΔT_e的相位的问题；合理的选择带宽，达到排除噪音的目的，实现对次同步频段信号的有效提取；按照所述方法对典型实际系统进行中SSDC进行控制器设计，并进行仿真验证，取得了预期效果，所述方法能够应用与工程实际。

附图说明

图1是本申请基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法流程图；

图2是采用锁相环PLL对母线电压频率偏移量提取原理示意图；

图3是典型交直流外送系统结构示意图；图4是次同步阻尼控制器SSDC结构示意图；

图5是SSDC的幅频、相频特性示意图；

图6是SSDC不投入时，系统中出现扰动后，乙厂一期、乙厂二期以及甲厂模态一、模态二波形图；

图7是SSDC投入时，系统中出现扰动后，乙厂一期、乙厂二期以及甲厂模态一、模态二波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如附图1所示为本申请公开的基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法流程图，所述设计方法包括以下步骤：

(1)采用PLL信号提取方法继信号提取环节的设计

如图2所示，基于PLL的次同步频率信号提取结构主要由两部分构成，第一部分为通过PLL对HVDC整流侧交流母线电压进行锁相，得到电压相角θ₀，此部分主要完成对母线电压信号中次同步频信号的提取；第二部分以θ₀为dq变换角进行abc-dq变换，最终取U_q作为输出信号，此部分主要完成对所提取次同步信号频率的转换，具体过程如下所示。

HVDC整流侧母线电压可设为正弦量如下式：

$\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]=U_m\left[\begin{array}{c}sin\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ sin({\mathrm{\θ}}_1-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ sin({\mathrm{\θ}}_1+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中U_m、θ₁分别为整流侧交流母线电压幅值与频率，其中稳态时θ₁为工频50Hz。

次同步振荡发生时，由于存在次同步分量，母线电压频率偏离工频，此时母线电压中频率偏移量则能反映次同步分量大小。由于频率偏差信号中包含次同步信息；能够正确反映系统的状态，频率偏移量能够正确的反应系统中次同步分量的大小，次同步问题越严重，频率偏差越大，从而使得SSDC根据次同步振荡的严重程度来进行抑制，易于控制。本方法基于锁相环PLL对母线电压频率偏移量进行计算并提取，从而输出至下一环节。

采用锁相环PLL对高压直流输电系统HVDC整流侧的母线电压进行锁相，输出ω₀为工频50Hz，为锁相环输出相位，由PLL工作原理可知，稳态时，测量相位与实际相位之间满足关系θ_PLL＝θ₁；发生故障时，θ_PLL≠θ₁，但由于次同步分量通常较小，故可近似认为θ_PLL≈θ₁。

最终输出信号为

从表达式可以看出，首先，式中包含(ω₀-ω₁)分量，包含次同步信息；其次，此过程也完成了AC-DC的频率转换；由PLL工作原理可知，稳态时θ_PLL＝θ₁，有U_out＝0，故障时θ_PLL≈θ₁，根据数学关系有SSO越剧烈，频率偏差越大，说明此信号能有效的反映系统的状态。

(2)基于测试信号求取待补偿相位

当高压直流输电系统发生了次同步振荡时，将提取的次同步频率信号输入至次同步阻尼控制器，次同步阻尼控制器对该信号进行相位补偿和幅值放大，其中相位补偿是重要环节，一旦相位补偿错误，最终SSDC提供负阻尼，便会激发轴系的振荡。因此通过测试信号法对需补偿相位进行求取。实现方法是在整流侧触发角控制信号上叠加一个模态频率的微小幅值输入信号，得到交流母线电压q轴分量输出相同模态频率的输出信号直接对比输入小信号与此输出信号的相位差便可求取最佳补偿相位:

SSDC控制器需要对该模态信号移相，使之与输入信号反相位。依次分别对需要控制的模态信号做开环测试，找出对应各个模态频率的SSDC控制器最佳移相角度。

(3)控制器传递函数设计

传递函数设计实际上是对相位的拟合，首先对在不同次同步频率点处所需补偿的相位进行求取，然后根据所得到的相频特性对传递函数进行设计。针对传递函数设计，本方法提出在相位拟合上的两个基本条件：

(1)相位补偿应同时对所有模态进行补偿，传递函数在相频曲线上满足相应要求；

(2)传递函数的幅频特性需具有带通特性，务必使目标频率段幅值最大且基本一致，从而不被噪音干扰。

所设计传递函数的幅频带通特性同样是一项重要的评价指标，通常要求经传递函数校正后的输出信号既要能够在精度上与输入信号基本一致，同时又能对输入信号中的噪声扰动信号给予有效的抑制。对控制系统带宽的合理选择，从而能够达到排除噪音的目的，实现对次同步频段信号的有效提取，在传递函数设计中是一个关键问题。为了使输出信号能够准确跟踪输入信号，这就要求传递函数幅频特性具有较大的带宽；然而从抑制噪音角度出发，则不希望其带宽过大，造成噪声信号的干扰。此外，为了使所研究控制系统具有较高的稳定裕度，可令传递函数的开环对数幅频特性在其截止频率处的斜率为-20dB/dec；而从系统具备从较强的噪音中辨识信号的能力角度出发，则希望其在截止频率处的斜率小于-40dB/dec。

采取如图3所示的典型交直流外送系统作为研究对象，系统中甲、乙两电厂，甲厂总容量2400MW(一期2×600MW，二期2×600MW)，乙厂总容量2400MW(4×600MW)，通过CE间HVDC线路与BD双回固定串补线路向外送电，其中HVDC系统为四单元3000MW，电压等级啊为±500kV，串补线路为双回500kV线路45％固定串补。系统中甲厂、乙厂机组均存在次同步风险，甲厂机组轴系包含2个扭振模式，其自然扭振频率依次为19.07Hz(模态1)、23.65Hz(模态2)；乙厂机组轴系包含2个扭振模式，其自然扭振频率依次为12.66Hz(模态1)、21.28Hz(模态2)。

对此系统，在HVDC整流侧设计宽带SSDC结构图如图4所示，SSDC传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{3.745e-007s^4+0.0001628s^3+0.0177s^2}{2.083e-011s^6+2.882e-009s^5+7.62e-007s^4+6.646e-005s^3+0.004042s^2+0.1097s+1}$

如图5所示，为SSDC传递函数幅频相频特性，各模态所需补偿角度及SSDC补偿角度。结果如表1所示：表1SSDC相位补偿列表

由图5与表1可知，幅值上SSDC在高频段，斜率小于-90dB/dec，有效的抑制了高频噪声；在目标频率段，幅值基本保持一致；在低频段，斜率达到40dB/dec，阻断了低于次同步模态频率的低频信号。相位上，在次同步模态频率上，相频特性接近最佳相移目标。满足SSDC设计要求。

(4)效果仿真验证

利用PSCAD/EMTDC工具对SSDC抑制效果进行仿真，对系统在各种运行方式下经历大扰动、小扰动的不同工况以及SSDC不同增益情况进行了仿真分析。

设置仿真时间为15s，甲厂机组、乙厂机组均为满发，交流串补线路双回运行，串补度为45％，高压直流输电两直流单元满发3000MW，4s时刻整流侧交流母线发生单相接地故障，故障持续时间为0.08s。图6、7分别为在故障下SSDC未投入、SSDC增益为1，乙厂一期、二期机组，甲厂机组模态衰减图；表2为在SSDC作用下，乙厂一期、二期机组，甲厂机组模态初值与通过计算得出乙厂一期、二期机组，甲厂机组模态衰减率表。

表2SSDC投入前后机组模态

从表2中可以看到，投入SSDC后，各厂机组受到扰动后，各模态的收敛速度加快，SSDC对次同步振荡起到了抑制作用，表明按照所述方法设计的SSDC控制器是能够起到预期的效果。

Claims (1)

1.一种基于相位补偿原理的宽频带附加次同步阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用锁相环PLL对高压直流输电系统HVDC整流侧的交流母线电压进行锁相，输出锁相角

其中，ω₀为工频50Hz，为锁相环输出相位，母线电压经过锁相环后的输出电压信号为:

其中，U_out为锁相环输出电压，ω₁为母线电压的实际频率，为母线电压的实际初相位；

锁相环输出电压U_out角频率包含(ω₀-ω₁)分量，即次同步信息；高压直流输电系统稳态时，θ_PLL＝θ₁，U_out＝0，其中θ₁为HVDC整流侧的母线电压的相位；当直流输电系统发生了次同步振荡时，输出电压信号的频率偏差为：次同步振荡越剧烈，频率偏差越大；

(2)当根据步骤(1)判断高压直流输电系统发生了次同步振荡时，将次同步频率信号输入至次同步阻尼控制器，次同步阻尼控制器对该信号进行相位补偿和幅值放大后又将其输出叠加到高压直流输电系统整流侧定电流控制系统；采用测试信号法求取次同步阻尼控制器输出信号的相位，在整流侧定电流控制器施加扰动信号，当HVDC整流侧的母线电压信号经过频率转换后，输出相同模态频率的输出信号，直接对比输入小信号即所施加的扰动信号与母线电压的输出信号的相位差求取最佳补偿相位，次同步阻尼控制器对交流母线电压q轴分量Uq移相，使之与扰动信号反相位；

(3)设计次同步阻尼控制器的传递函数设计，传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{3.745e-007s^4+0.0001628s^3+0.0177s^2}{2.083e-011s^6+2.882e-009s^5+7.62e-007s^4+6.646e-005s^3+0.004042s^2+0.1097s+1}$

次同步阻尼控制器在高频段即大于50Hz的频段的传递函数斜率小于-90dB/dec，用以抑制高频噪声；在目标频率段即10Hz-50Hz之间，传递函数的幅值保持一致，即在目标频率段，在多个对应频率处传递函数的幅值相同；在低频段即低于10Hz的片段，斜率达到40dB/dec，用于阻断低于次同步模态频率的低频信号；

(4)利用步骤(3)设计的次同步阻尼控制器传递函数，在实际的高压直流输电系统系统中进行抑制效果仿真验证。