CN105186544A - 基于upfc的次同步振荡抑制方法、装置及一种发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UPFC的次同步振荡抑制方法。本发明通过在统一潮流控制器UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中叠加附加控制信号，从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号通过以下方法得到：提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，将所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。本发明还公开了一种基于UPFC的次同步振荡抑制装置及一种发电系统。本发明可对次同步振荡进行有效抑制，且实现简单。

Description

基于UPFC的次同步振荡抑制方法、装置及一种发电系统

技术领域

本发明涉及一种次同步振荡抑制方法，尤其涉及一种基于UPFC的次同步振荡抑制方法、装置，属于电力系统稳定与控制技术领域。

背景技术

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，既有可能在受到小扰动时，以相对长的时间，逐步形成发电机轴系的增幅扭振；也有可能出现在发生大扰动时，短时间内以很大的暂态扭矩造成发电机轴系较大幅度的扭振。这两种方式都会极大的影响系统稳定性和供电可靠性，柔性交流输电(FACTS)技术是解决上述问题的有效措施之一。

1991年美国西屋科技中心的博士Gyugyi.L首先提出了统一潮流控制器(UnifiedPlowFlowController,UPFC)的概念，UPFC是FACTS家族中最复杂也是最有吸引力的一种补偿器，它综合了许多器件的灵活控制手段，被认为是最有创造性，且功能最强大的元件，它的成功运行被称作FACTS技术发展的重要里程碑，因而受到了产业界和学术界的普遍重视。传统的元件功能都是单一的，就需要在该处设置几种装置，增大了安装、调试工作量，同时设备的投资也相当可观。UPFC的基本思想正是用一种统一的晶闸管控制装置，仅仅通过控制规律的变化就能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同功能。UPFC是第三代元件，也是最有力、最全面的晶闸管控制装置，它是由并联补偿的静止同步补偿器(STATCOM)和串联补偿的静止同步串联补偿器(SSSC)相结合组成的新型潮流控制装置，其功能是将一个由换流器产生的幅值和相角均可以连续变化的交流电压串联加在输电线相电压上，从而实现线路有功、无功功率的准确调节,并可以提高输送能力以及阻尼系统振荡。

虽然UPFC具有较强的阻尼系统振荡能力，但与其他控制装置相比要求更高，设计时需要考虑更多因素，也使得所设计的系统更为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于UPFC的次同步振荡抑制方法、装置，可对次同步振荡进行有效抑制，且实现简单。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于UPFC的次同步振荡抑制方法，通过在统一潮流控制器UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中叠加附加控制信号，从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号通过以下方法得到：提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，将所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。

一种基于UPFC的次同步振荡抑制装置，包括统一潮流控制器UPFC；所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的输入端接有附加控制信号生成单元，用于生成附加控制信号叠加于所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号生成单元包括依次连接的扭振分量提取模块、放大移相及限幅模块，所述扭振分量提取模块用于提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，所述放大移相及限幅模块用于将扭振分量提取模块所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅模块的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过在UPFC并联侧或/和串联测控制信号中叠加参数优化的附加控制信号，来产生次同步频率阻尼转矩，从而抑制次同步振荡；本发明可有效利用UPFC并联侧和串联侧对次同步振荡的抑制能力，最大化UPFC的效率，对实际电网的安全稳定运行有着重要的实际意义。

附图说明

图1为具体实施方式中附加控制信号生成单元的结构原理示意图；

图2为附加控制信号生成单元与UPFC原本控制回路的连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基本思路是通过在UPFC并联侧或/和串联测控制信号中叠加参数优化的附加控制信号，来产生次同步频率阻尼转矩，从而抑制次同步振荡。

具体地，本发明次同步振荡抑制装置，包括统一潮流控制器UPFC；所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的输入端接有附加控制信号生成单元，用于生成附加控制信号叠加于所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号生成单元包括依次连接的扭振分量提取模块、放大移相及限幅模块，所述扭振分量提取模块用于提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，所述放大移相及限幅模块用于将扭振分量提取模块所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅模块的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。

可以在UPFC的并联侧和串联侧的其中一个加装附加控制信号生成单元，也可以在两侧分别加装附加控制信号生成单元。

上述扭振分量提取模块可以利用一组并联的带通滤波器实现，各带通滤波器的通带中心频率与发电机的各扭振频率一一对应。所述带通滤波器优选采用Butterworth(巴特沃兹)滤波器。

在UPFC的并联侧或串联侧，发电机转速偏差信号经扭振分量提取模块分解为其在各个扭振模态下的分量；放大移相及限幅模块将各分量信号单独进行放大、相位补偿和限幅，叠加后生成附加控制信号，从而起到改变并联侧电流以产生次同步频率阻尼转矩的目的。

放大移相及限幅模块中的放大相位补偿环节可写成传递函数，其形式为：

$K\frac{1+T_{1}S}{1+T_{2}S}\frac{1+T_{3}S}{1+T_{4}S}$

式中，K为放大环节的放大倍数，T₁、T₂、T₃、T₄为相位补偿环节的时间常数，两个相位补偿环节可以保证补偿角度的范围为0度到360度，s为复变量。

图1为UPFC并联侧或串联侧的附加控制信号生成单元的结构原理示意图，如图所示，各带通滤波器将发电机转速偏差信号Δω中与自身带通中心频率相对应的扭振模态分量提取出来，之后分别经放大、相位补偿及限幅处理，最后叠加生成信号Sig，输入UPFC并联侧(串联侧)控制器的输入端。附加控制信号生成单元与UPFC原控制回路连接关系如图2所示。

上述同步振荡抑制装置中，放大移相及限幅模块中的各参数(例如各扭振模态信号的放大系数、相位补偿时间常数等)直接决定了次同步振荡的抑制效果，且参数之间会产生相互影响，因此有必要对这些参数进行协调优化。对这些参数进行优化时，可采用现有的遗传优化算法、蚁群优化算法、粒子群优化算法等优化算法，但无论采用何种优化算法，优化目标函数是能否获得最优解的核心。本发明所使用的优化目标是使得发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大。

以遗传优化算法同时优化并联侧和串联侧的放大移相及限幅模块参数为例，其具体内容如下：

(1)根据UPFC系统的实际情况，选取合适的优化变量，本实施例中选择并联侧的放大倍数和相位补偿时间常数、串联侧的放大倍数和相位补偿时间常数。

(2)设定遗传算法优化的目标函数，采用测试信号法获得各个扭振频率下的电气阻尼，与根据电机参数计算得到的机械阻尼求和，以电气阻尼与机械阻尼之和最大作为优化目标；本实施例中所采用的目标函数具体如下：

$max\{J=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}({\mathrm{\α}}_i{K}_i-W)\}$

st.

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i=1,$

$W=\left\{\begin{array}{cc}C,& if{K}_i\≤K_{i\min }\\ 0,& else\end{array}\right.,$

其中，α_i表示为发电机所有的m个扭振模态中的第i个扭振模态所赋予的权重；K_i为第i个扭振模态的评价，用来衡量该模态的稳定程度，其值等于该模态下电气阻尼系数和机械阻尼系数之和；K_imin是第i个扭振模态的评价值下限；W为惩罚因子，C为一较大正常数。当K_i越出下限时，目标函数中将出现较大的惩罚项。

(3)设定遗传算法的种群规模、选择方法、交叉率、变异率、最大迭代代数和终止规则，进行迭代优化，得到优化后的各项参数。

Claims (10)

1.一种基于UPFC的次同步振荡抑制方法，其特征在于，通过在统一潮流控制器UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中叠加附加控制信号，从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号通过以下方法得到：提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，将所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。

2.如权利要求1所述基于UPFC的次同步振荡抑制方法，其特征在于，利用一组并联的带通滤波器提取电机转速信号中在各扭振模态下的分量信号，各带通滤波器的通带中心频率与发电机的各扭振频率一一对应。

3.如权利要求1所述基于UPFC的次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述优化求解的优化目标函数具体如下：

$max\{J=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}({\mathrm{\α}}_i{K}_i-W)\}$

st.

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i=1,$

$W=\left\{\begin{array}{cc}C,& if{K}_i\≤K_{i\min }\\ 0,& else\end{array}\right.,$

其中，α_i表示为发电机所有的m个扭振模态中的第i个扭振模态所赋予的权重；K_i为第i个扭振模态的评价，用来衡量该模态的稳定程度，其值等于该模态下电气阻尼系数和机械阻尼系数之和；K_imin是第i个扭振模态的评价值下限；W为惩罚因子，C为一较大正常数。

4.如权利要求1～3任一项所述基于UPFC的次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述优化求解使用遗传优化算法或蚁群优化算法。

5.一种基于UPFC的次同步振荡抑制装置，其特征在于，包括统一潮流控制器UPFC；所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的输入端接有附加控制信号生成单元，用于生成附加控制信号叠加于所述UPFC的并联侧控制器或/和串联测控制器的参考信号中从而产生次同步频率阻尼转矩；所述附加控制信号生成单元包括依次连接的扭振分量提取模块、放大移相及限幅模块，所述扭振分量提取模块用于提取发电机转速偏差信号在各扭振模态下的分量信号，所述放大移相及限幅模块用于将扭振分量提取模块所提取的各分量信号分别进行放大移相及限幅后进行叠加；所述放大移相及限幅模块的参数是以发电机在其各扭振频率下的电气阻尼与机械阻尼之和最大为优化目标，通过优化求解预先确定。

6.如权利要求5所述基于UPFC的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述扭振分量提取模块包括一组并联的带通滤波器，各带通滤波器的通带中心频率与发电机的各扭振频率一一对应。

7.如权利要求6所述基于UPFC的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述带通滤波器为巴特沃兹滤波器。

8.如权利要求5所述基于UPFC的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述优化求解的优化目标函数具体如下：

$max\{J=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}({\mathrm{\α}}_i{K}_i-W)\}$

st.

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i=1,$

$W=\left\{\begin{array}{cc}C,& if{K}_i\≤K_{i\min }\\ 0,& else\end{array}\right.,$

其中，α_i表示为发电机所有的m个扭振模态中的第i个扭振模态所赋予的权重；K_i为第i个扭振模态的评价，用来衡量该模态的稳定程度，其值等于该模态下电气阻尼系数和机械阻尼系数之和；K_imin是第i个扭振模态的评价值下限；W为惩罚因子，C为一较大正常数。

9.如权利要求5～8任一项所述基于UPFC的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述优化求解使用遗传优化算法或蚁群优化算法。

10.一种发电系统，包括发电机，其特征在于，所述发电系统还包括如权利要求5～9任一项所述基于UPFC的次同步振荡抑制装置，所述附加控制信号生成单元中的扭振分量提取模块的输入端与发电机的转速监控单元的输出端连接。