CN105226679A - 一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，首先通过传感器采集电网电压和电流，转换成数字处理器可读的信号后，通过数字信号处理器DSP进行在线实时快速FFT，然后进行SVG电流控制策略的设计，使SVG根据实时的电网低频振荡成分和次同步振荡成分输出精确无功功率补偿的控制方法，在原有的SVG控制策略基础上增加了在线动态抑制电网次同步振荡的控制算法，可以有效地为风电场提供正阻尼，稳定风力发电系统，相比现有抑制策略，可以使SVG根据实时的电网次同步振荡成分输出更加精确、快速的有功功率和无功功率，解决电网中的次同步振荡问题。

Description

一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法

【技术领域】

本发明属于电网无功补偿系统控制技术应用领域，特别一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法。

【背景技术】

我国幅员辽阔，能源及经济的发展在地域上呈逆向分布，极不平衡。远距离大容量的输电势在必行，采用固定串联补偿解决高压远距离输电的功率受限问题是实现电网安全运行和经济输电、解决我国电力送出受限问题的有效途径，但是，固定串补输电在提高输电线路输送能力的同时，也给一些风电场带来了次同步振荡问题，将会严重影响风力发电系统的稳定运行。

针对电网的次同步振荡问题，目前存在的抑制方法主要包含以下几种：附加励磁阻尼控制、阻塞滤波器、次同步附加阻尼控制以及静止无功补偿器。但是以上抑制方法不是采用全控型功率器件，对系统中的次同步振荡抑制效果非常有限。

近年来，柔性交流输电系统(FACTS)得到了较为广泛的应用及发展，采用SVG等基于全控型功率器件的FACTS装置以其灵活的控制性能、快速的动态特性，受到了人们的青睐。SVG是一种并联的、能进行无功补偿的全控型交流输配电装置，可在容性和感性范围内进行调节，响应速度快。用其作为次同步振荡的抑制装置具有更好的阻尼效果，从而有效地增加风力发电系统的稳定性。目前还没有采用SVG进行阻尼控制的方案。

【发明内容】

本发明的目的在于提出了一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，为风电场提供正阻尼，有效地改善风力发电系统的稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、通过静止无功发生器的电流传感器和电压传感器分别采集电网电流i_a，i_b，i_c和电网电压v_a，v_b，v_c，将采集的电流转换成数字处理器可读的信号后，并进行d，q旋转坐标变换，得到有功电流i_d和无功电流i_q；

步骤二，通过数字信号处理器对得到的有功电流i_d和无功电流i_q进行在线实时数字运算，经过快速FFT方法，对电网电压和电网电流进行快速傅里叶分解，得到电网中所含的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}；

步骤三，在双环解耦PI控制策略的电流环中原有的有功电流给定和无功电流给定中额外地加入所得到的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}，作为静止无功发生器有功电流和无功电流分量的附加给定值；

步骤四，将步骤三得到静止无功发生器有功电流和无功电流分量的附加给定值与步骤一得到有功电流i_d和无功电流i_q进行比较，将电流偏差通过比例积分控制，得到所需的控制量，以脉冲宽度调制方式生成驱动信号以控制开关管的动作，从而使静止无功发生器根据实时的电网次同步振荡成分输出精确的有功功率和无功功率。

进一步，将步骤一中得到的电网有功电流和无功电流通过抗混叠低通滤波器，并对信号进行采样，最后通过快速FFT方法得到电网中所含的次同步振荡有功电流分量和无功电流分量。

进一步，通过抗混叠低通滤波器将信号的最高频率限制在二分之一采样频率以下对信号进行采样，使采样信号变成离散信号，然后按照FFT算法对信号进行频谱分析，分离出电网的次同步震荡成分；

具体过程如下：

设i(n)为电流的离散采样信号序列，对序列进行FFT运算求得I(k)，I(k)为采样序列在[0,2π]之间的频谱值，设i(n)是长为N的序列，则有I(k)＝FFT[i(n)],k＝0,1,2,…,N-1；将I(k)表示成极坐标，即记I_R(k)和I_I(k)分别为其实部和虚部，则：

幅度谱 $\left|I\left(k\right)\right|=\sqrt{I_R^2\left(k\right)+I_I^2\left(k\right)}$

相位谱

进一步，步骤一中采用用如下公式，对采集电网电流i_a，i_b，i_c转换成数字处理器可读的信号后，进行d，q旋转坐标变换，得到有功电流i_d和无功电流i_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& cos(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& cos(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ sin\mathrm{\α}& sin(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& sin(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，α＝ωt，ω为角频率。

本发明首先通过传感器采集电网电压和电流，转换成数字处理器可读的信号后，通过数字信号处理器DSP进行在线实时快速FFT，然后进行SVG电流控制策略的设计，使SVG根据实时的电网低频振荡成分和次同步振荡成分输出精确无功功率补偿的控制方法，在原有的SVG控制策略基础上增加了在线动态抑制电网次同步振荡的控制算法，可以有效地为风电场提供正阻尼，稳定风力发电系统，相比现有抑制策略，可以使SVG根据实时的电网次同步振荡成分输出更加精确、快速的有功功率和无功功率，解决电网中的次同步振荡问题。

同时对本发明中的方法进行了仿真验证，仿真结果证明了该方法的准确性、简易性、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。本发明简单、易于实现，且无需增加任何成本。

【附图说明】

图1本发明SVG控制系统的结构图；

图2本发明模态滤波器结构图；

图3本发明给定前馈控制等效阻尼法的有功功率和无功功率仿真结果图；

图3-1是无功功率仿真结果图；图3-2是有功功率仿真结果图；

图4本发明给定前馈控制等效阻尼法的转矩波动仿真结果图；

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施方式对本发明方案进行详细说明：

参照图1，2，本发明基于静止无功发生器在线动态抑制电网次同步振荡的给定前馈等效阻尼控制策略，包括对电网次同步振荡有功功率成分和无功功率成分的滤波筛选，模态滤波器的设计实现，给定前馈等效阻尼控制策略的设计以及SVG抑制次同步振荡的整体控制方案。

本发明具体是通过以下步骤实现：

步骤1，通过静止无功发生器的电流传感器和电压传感器分别采集电网电流i_a，i_b，i_c和电网电压v_a，v_b，v_c，将电网电流i_a，i_b，i_c转换成数字处理器可读的信号后，进行d，q旋转坐标变换，得到有功电流i_d和无功电流i_q。具体推导过程如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\α}& cos(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& cos(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ sin\mathrm{\α}& sin(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& sin(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，α＝ωt，ω为角频率。

步骤2，利用步骤1中的有功电流i_d和无功电流i_q，通过抗混叠低通滤波器、采样及N点FFT运算后，得到电网中所含的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}，参见图2。

设i(n)为电流的离散采样信号序列，对序列进行FFT运算求得I(k)，I(k)代表了采样序列的在[0,2π]之间的频谱值。设i(n)是长为N的序列，则有I(k)＝FFT[i(n)],k＝0,1,2,…,N-1。将I(k)表示成极坐标，即记I_R(k)和I_I(k)分别为的实部和虚部，则有：

幅度谱 $\left|I\left(k\right)\right|=\sqrt{I_R^2\left(k\right)+I_I^2\left(k\right)}$

相位谱

步骤3，在SVG的传统双环解耦PI控制策略的电流环中加入给定前馈等效阻尼控制策略，即在原有的有功电流给定和无功电流给定中额外地加入所得到的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}，作为SVG有功电流和无功电流分量的附加给定值，参见图1。

步骤4，步骤3得到有功电流给定值和无功电流给定值，分别与实际的有功电流反馈值i_d和无功电流反馈值i_q进行比较，将电流的偏差通过比例积分(PI)控制，得到所需的控制量，以脉冲宽度调制(PWM)方式生成驱动信号以控制开关管的动作，从而使SVG根据实时的电网次同步振荡成分输出精确的有功功率和无功功率，参见图1。

图3给出了含有和不含有给定前馈控制等效阻尼法的有功功率和无功功率波动仿真结果图，图3-1是无功功率仿真结果图；图3-2是有功功率仿真结果图；可以看出采用本发明的控制方法可以有效地抑制电网有功功率和无功功率波动。

图4给出了含有和不含有给定前馈控制等效阻尼法的转矩波动仿真结果图，可以看出采用本发明的控制方法可以有效地抑制转矩波动。

Claims (4)

1.一种在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、通过静止无功发生器的电流传感器和电压传感器分别采集电网电流i_a，i_b，i_c和电网电压v_a，v_b，v_c，将采集的电流转换成数字处理器可读的信号后，并进行d，q旋转坐标变换，得到有功电流i_d和无功电流i_q；

步骤二，通过数字信号处理器对得到的有功电流i_d和无功电流i_q进行在线实时数字运算，经过快速FFT方法，对电网电压和电网电流进行快速傅里叶分解，得到电网中所含的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}；

步骤三，在双环解耦PI控制策略的电流环中原有的有功电流给定和无功电流给定中额外地加入所得到的次同步振荡有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}，作为静止无功发生器有功电流和无功电流分量的附加给定值；

步骤四，将步骤三得到静止无功发生器有功电流和无功电流分量的附加给定值与步骤一得到有功电流i_d和无功电流i_q进行比较，将电流偏差通过比例积分控制，得到所需的控制量，以脉冲宽度调制方式生成驱动信号以控制开关管的动作，从而使静止无功发生器根据实时的电网次同步振荡成分输出精确的有功功率和无功功率。

2.根据权利要求1所述的在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，其特征在于：将步骤一中得到的电网有功电流和无功电流通过抗混叠低通滤波器，并对信号进行采样，最后通过快速FFT方法得到电网中所含的次同步振荡有功电流分量和无功电流分量。

3.根据权利要求2所述的在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，其特征在于：通过抗混叠低通滤波器将信号的最高频率限制在二分之一采样频率以下对信号进行采样，使采样信号变成离散信号，然后按照FFT算法对信号进行频谱分析，分离出电网的次同步震荡成分；

具体过程如下：

设i(n)为电流的离散采样信号序列，对序列进行FFT运算求得I(k)，I(k)为采样序列在[0,2π]之间的频谱值，设i(n)是长为N的序列，则有I(k)＝FFT[i(n)],k＝0,1,2,…,N-1；将I(k)表示成极坐标，即记I_R(k)和I_I(k)分别为其实部和虚部，则：

幅度谱 $\left|I\left(k\right)\right|=\sqrt{I_R^2\left(k\right)+I_I^2\left(k\right)}$

相位谱

4.根据权利要求2所述的在线动态抑制电网低频振荡和次同步振荡的控制方法，其特征在于：步骤一中采用用如下公式，对采集电网电流i_a，i_b，i_c转换成数字处理器可读的信号后，进行d，q旋转坐标变换，得到有功电流i_d和无功电流i_q：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \cos \left(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)& \cos \left(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)\\ \sin \mathrm{\α}& \sin \left(\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)& \sin \left(\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

式中，α＝ωt，ω为角频率。