CN105515020A - 一种基于svg的抑制次同步振荡控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无功补偿装置,公开了电力系统稳定与控制领域中一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：利用对SVG并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号，将从SVG补偿母线或SVG所在系统PCC点采集的次同步振荡电流信号进行abc/dq坐标变换，滤波后提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，获得次同步振荡抑制电流指令信号，并利用功率信号发生装置产生抑制次同步振荡的电流与功率。本发明基于SVG的附加阻尼控制，工程实施成本低，仅需进行SVG控制器系统升级，无需进行频率等参数调整，便可实现次同步振荡抑制目的，且能够对各次同步振荡频率及其互补频率实现宽范围的抑制。

Description

一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法和系统

技术领域

本发明涉及抑制次同步振荡控制方法，尤其涉及一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法和系统。

背景技术

近些年，我国新能源并网装机容量获得了快速增长，集中式并网、远距离输送的风电、光伏等新能源，在大规模接入高压直流HVDC输电系统后，因风电、光伏等发电电站中的光伏与风机快速独立的有源控制特性，易于引发输电与并网系统的次同步振荡，导致该类新能源难于接入电网，更可能使发电机组受损，甚至严重威胁电网安全运行。

现有的次同步振荡抑制方法主要有阻塞滤波器、利用SEDC/PSS实现的附加励磁阻尼控制以及利用SVC/SVG附加阻尼控制。附加阻尼控制方式可方便应用于新型无功补偿设备SVG上，其一般应用的基本原理是利用可采集的发电机组轴系振荡的机械或电气信号作为输入，通过SVG合适的控制策略输出补偿电流，使得SVG能够在系统次同步振荡处向系统提供一个电气正阻尼，该阻尼加上发电机轴的机械阻尼，使得系统整个阻尼大于零，从而实现次同步振荡抑制。

目前，光伏与风电等新能源并网电站均配备一定容量的无功补偿设备，但大部分SVC或SVG不具备次同步振荡抑制功能或抑制功能很有限，SVC补偿设备响应速度慢、电压特性差，而基于SVG的抑制次同步振荡的控制系统一般应用为基于转速反馈信号，一方面该结构往往无法在风电场或光伏电站等新能源并网系统获得该转速信号，或者该附加阻尼的振荡抑制仅针对电气与机械特定次同步频率，无法动态跟踪和调节，抑制效果很有限；另一方面，即使采用非转速电气信号作为输入，往往系统工程实施复杂，且无法对次同步及其互补频率信号实现宽频率范围的全面抑制效果。

发明内容

为解决上述问题的不足之处，本发明提供了一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法和系统，增强SVG振荡抑制效果、增加SVG次同步振荡抑制的频率范围适用性、降低振荡工程实施成本,有效抑制典型风电场或光伏发电等新能源并网系统存在的次同步振荡，提高系统运行稳定性与可靠性。

技术方案

一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：利用对SVG并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号，将从SVG补偿母线或SVG所在系统公共连接PCC接入点采集的次同步振荡电流信号进行abc/dq坐标变换，滤波后提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，获得次同步振荡抑制电流指令信号。

将所述次同步振荡抑制电流指令信号结合SVG运行模式下dq轴常规补偿电流指令信号，通过电流内环跟踪控制与限幅处理，生成进一步的次同步振荡抑制电流指令信号。

所述次同步振荡抑制电流指令信号进行SPWM调制后输出功率开关脉冲信号，根据所述功率开关脉冲信号，利用功率信号发生装置产生抑制次同步振荡的电流与功率。

进一步，本方法包括以下步骤：第一步，对从SVG补偿母线或SVG所在系统公共连接PCC接入点采集的次同步振荡电流信号进行从abc三相坐标系到dq两相旋转坐标系下的信号变换；第二步，针对第一步变换后dq轴下的信号，对d轴和q轴下分别设置一个低通滤波器进行滤波；第三步，针对第二步滤波后的信号，利用获得的SVG并网点母线电压的PLL锁相信号，对所述滤波后的信号进行从dq两相旋转坐标系到abc三相坐标系下的信号反变换；第四步，针对采集的次同步振荡电流信号与第三步变换后的信号，先进行加减处理，然后通过低通滤波器与比例相移器，提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，经限幅处理后获得次同步振荡抑制电流指令信号。

所述第一步的从abc三相坐标系到dq两相旋转坐标系下的信号变换矩阵为：

$C_{dq/abc}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ω}t& -\sin \mathrm{\ω}t\\ \cos (\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

其中，ωt为并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角。

所述第三步的对滤波后的信号进行从dq两相旋转坐标系到abc三相坐标系下的信号反变换的变换矩阵为：

$C_{dq/abc}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\\ cos(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

一种基于SVG的抑制次同步振荡控制系统，其特征在于：包括次同步补偿器和功率信号发生装置；所述次同步补偿器包括设置在SVG补偿点或SVG所在系统公共连接PCC接入点的次同步振荡电流信号采集装置，连接SVG并网点电压进行PLL锁相的锁相环电路，abc三相与dq轴之间的坐标变换模块以及低通滤波与次同步信号滤波综合器，所述次同步补偿器利用锁相环电路得到母线电压的同步信号，将采集的次同步振荡电流信号通过坐标变换模块和低通滤波与次同步信号滤波综合器进行坐标变换后进行滤波、相位调整和幅值补偿，得到次同步振荡抑制电流指令信号；所述功率信号发生装置包括SPWM调制转换电路和功率信号发生器，根据所述次同步补偿器输出的次同步振荡抑制电流指令信号，经过SPWM调制转换电路转换为功率开关脉冲信号，功率信号发生器产生可抑制次同步振荡的电流与功率。

进一步，还包括SVG运行模式dq控制器，输出SVG运行模式下的dq轴常规补偿电流指令信号至功率信号发生装置，所述功率信号发生装置还包括电流内环控制器，所述电流内环控制器结合所述次同步补偿器输出的次同步振荡抑制电流指令信号和SVG运行模式dq控制器输出的dq轴常规补偿电流指令信号，进行电流内环跟踪控制与限幅处理后输出进一步的次同步振荡抑制电流指令信号至SPWM调制转换电路和功率信号发生器。

所述功率信号发生器的主电路拓扑结构包括三相两电平结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构或MMC结构。

所述功率信号发生装置通过电抗器或变压器接入系统线路。

有益效果

本发明提供的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法和控制系统，基于SVG的附加阻尼控制，工程实施成本低，无需其他工程变更或改造，仅需进行SVG控制器系统升级，升级到具备次同步振荡抑制功能后，针对不同电网系统，根据振荡抑制功率需求设置补偿系数，无需进行频率等参数调整，便可实现次同步振荡抑制目的，且能够对各次同步振荡频率及其互补频率实现有效、宽范围的抑制。

附图说明

图1为本发明的控制系统示意框图；

图2为本发明的SVG次同步振荡抑制功能开启前、开启后系统次同步振荡功率、振荡电压及SVG输出电流波形图，其中开启时刻为0.3s。

其中：1-发电机组，2-无穷大系统，3-系统公共连接PCC接入点，4-SVG补偿母线，5-负载，6-功率信号发生装置，7-抑制次同步振荡控制系统，8-次同步补偿器，9-AD采集装置，10-PLL锁相环电路，11-abc/dq坐标变换模块，12-LPF低通滤波器，13-dq/abc坐标变换模块，14-次同步信号滤波综合器，15-SVG运行模式dq控制器，16-电流内环控制器，17-SPWM调制转换器，18-电抗器或变压器，19-功率信号发生器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图，进一步对本发明进行阐述。

本发明提出一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，利用对SVG并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号，将从SVG补偿母线或SVG所在系统公共连接PCC接入点采集的次同步振荡电流信号进行abc/dq坐标变换，滤波后提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，获得次同步振荡抑制电流指令信号。

将所述次同步振荡抑制电流指令信号结合SVG运行模式下dq轴常规补偿电流指令信号，通过电流内环跟踪控制与限幅处理，生成进一步的次同步振荡抑制电流指令信号。

所述次同步振荡抑制电流指令信号进行SPWM调制后输出功率开关脉冲信号，根据所述功率开关脉冲信号，利用功率信号发生装置产生抑制次同步振荡的电流与功率。

本控制方法基于SVG的附加阻尼控制，无需其他工程变更或改造，仅需进行SVG控制器系统升级，升级到具备次同步振荡抑制功能后，即能够针对不同电网系统，根据振荡抑制功率需求设置补偿系数，无需进行频率等参数调整，便可实现次同步振荡抑制目的。

如附图1示意的基于本控制方法的SVG抑制次同步振荡控制系统实施原理框图，GEN为发电机组1，SVG与SVG补偿母线4相连，SVG抑制次同步振荡控制系统包括次同步补偿器8、SVG运行模式dq控制器15及功率信号发生装置6。

所述次同步补偿器8，用于通过AD采集装置9采集SVG补偿点或SVG所在系统公共连接PCC接入点3次同步振荡电流信号Isys，利用SVG并网点电压采用PLL锁相环电路10进行PLL锁相，并通过abc/dq坐标变换模块11与dq/abc坐标变换模块13进行坐标变换、LPF低通滤波12与次同步信号滤波综合器14进行滤波，获得含有系统振荡信息的次同步和次同步互补频率的电流补偿指令信号I_ref1。

所述SVG运行模式dq控制器15，用于进行SVG各种运行模式下q轴无功补偿指令及直流电压控制所需的d轴指令信号综合，获得dq轴常规补偿指令I_ref2。

所述功率信号发生装置6，用于根据所述次同步补偿器8获得的次同步补偿指令信号及所述SVG运行模式dq控制器15获得的dq轴常规补偿指令，通过电流内环控制器16生成最终的指令并经过SPWM调制转换器17转换为功率开关脉冲信号，产生可抑制次同步振荡的电流与功率。所述功率信号发生装置6还包括功率信号发生器19，功率信号发生器19的主电路拓扑结构可以采用三相两电平结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构或MMC结构。所述功率信号发生装置6通过电抗器或变压器18接入系统线路。功率信号发生器19在本领域已有多种实现方式，此处不予赘述。

通过以下一个模拟实施例来说明本系统的工作过程，具体如下：

首先，通过AD采集装置9采集SVG补偿母线4或SVG所在系统公共连接PCC接入点3处的次同步振荡电流信号Isys，利用SVG并网点母线电压进行PLL锁相，并通过abc/dq坐标变换、LPF低通滤波、dq/abc坐标变换与次同步信号滤波综合器14滤波，获得含有系统振荡信息的次同步和次同步互补频率的电流补偿指令信号I_ref1。该次同步补偿器8主要包括abc/dq坐标变换模块11、LPF低通滤波器12、dq/abc坐标变换模块13、次同步信号滤波综合器14四个环节，以下介绍四个环节的具体实施。

第一环节，abc/dq坐标变换：通过AD采集装置9获得的含有系统次同步振荡信息的电流信号Isys，利用获得的SVG并网点母线电压PLL锁相信号，对该电流信号Isys进行从abc三相坐标系到dq两相旋转坐标系下的信号变换，变换矩阵C_abc/dq如下式(1)所示：

$C_{abc/dq}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ω}t& cos(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& cos(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\ω}t& -sin(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中，ωt为含有PLL锁相环电路获得的电网母线4电压同步信号的基波正序相角。

第二环节，LPF低通滤波：针对第一环节变换后dq轴下的信号，各设置1个二阶低通滤波器，其传递函数为下式(2)所示：

$\frac{G_{01}{\mathrm{\ω}}_{01}^2}{S^2+2{\mathrm{\ξ}}_{01}{\mathrm{\ω}}_{01}s+{\mathrm{\ω}}_{01}^2};---\left(2\right)$

上式中，G₀₁为低通滤波器的通带增益，ω₀₁为低通滤波器自然角频率，ξ₀₁为滤波器的阻尼系数。

第三环节，abc/dq反变换：针对第二环节滤波后的信号，利用获得的SVG并网点电压PLL锁相信号，对该信号进行从dq两相旋转坐标系到abc三相坐标系下的信号反变换，变换矩阵C_dq/abc如下式(3)所示，ωt同式(1)：

$C_{dq/abc}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\ω}t& -\sin \mathrm{\ω}t\\ \cos (\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]---\left(3\right)$

第四环节，次同步信号滤波综合器：针对电流信号与第三环节滤波后的信号，先进行加减处理，然后设置一个低通滤波器与比例相移器，提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，最后经限幅处理后输出最终的次同步振荡抑制电流指令信号I_ref1,该信号即为次同步补偿器8的最终输出信号。其中低通滤波器传递函数为式(4)所示，比例移相器为一个比例相位校正滤波器，其传递函数为式(5)所示，

$\frac{G_{02}{\mathrm{\ω}}_{02}^2}{S^2+2{\mathrm{\ξ}}_{02}{\mathrm{\ω}}_{02}s+{\mathrm{\ω}}_{02}^2}---\left(4\right)$

式(4)中，G₀₂为低通滤波器的通带增益，ω₀₂为低通滤波器自然角频率，ξ₀₂为滤波器的阻尼系数。

$\frac{1-T_{c1}s}{1+T_{c2}s}{K}_c---\left(5\right)$

式(5)中，K_c为比例相位校正滤波器的比例系数，T_c1与T_c2为比例相位校正滤波器的相移补偿时间常数，其值由采样延时时间常数、滤波延迟时间常数和控制延迟时间常数进行确定。

需要说明的是，该次同步信号滤波综合器14中，低通滤波器与比例移相器级联位置没有严格顺序关系。

其次，利用SVG运行模式dq控制器15，获得SVG各种运行模式下q轴无功补偿指令及直流电压控制所需的d轴指令信号综合，最终得到dq轴常规补偿指令I_ref2。

再次，利用电流内环控制器16，通过电流内环跟踪控制与限幅处理，生成最终的指令并进行SPWM调制环节输出功率开关脉冲信号。

最后，利用功率信号发生器19，根据功率开关脉冲信号，产生可抑制次同步振荡的电流与功率。

需要说明的是，所述功率信号发生器19的主电路拓扑结构包括三相两电平结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构或者MMC结构。所述功率信号发生装置通过电抗器或变压器18接入系统线路。

本发明提出的次同步振荡抑制系统的工程实现与启用：该次同步振荡抑制系统工程实现简单，无需其他工程变更或改造，仅需进行SVG控制器系统升级，升级到具备次同步振荡抑制功能后，针对不同电网系统，仅需根据振荡抑制功率需求设置补偿系数，无需进行频率等参数调整，便可实现次同步振荡抑制目的。

附图2为仿真验证本发明的SVG开启振荡抑制功能前后系统次同步振荡功率、振荡电压及SVG输出电流波形图，检测到的系统次同步振荡电流频率成分为25Hz，0.3s前仅开启常规基波容量补偿功能，0.3s时再同时开启次同步振荡抑制功能，从该验证结果可知，SVG开启次同步振荡抑制功能后，SVG在进行了常规基波容量补偿的同时，输出了振荡抑制电流，在开启次同步振荡抑制功能后，系统次同步振荡功率与电压波动幅度被抑制减小约70％，SVG次同步振荡抑制响应速度快、抑制振荡效果明显。

上面结合具体实施例和附图对本发明作了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：利用对SVG并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号，将从SVG补偿母线或SVG所在系统公共连接PCC接入点采集的次同步振荡电流信号进行abc/dq坐标变换，滤波后提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，获得次同步振荡抑制电流指令信号。

2.如权利要求1所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：将所述次同步振荡抑制电流指令信号结合SVG运行模式下dq轴常规补偿电流指令信号，通过电流内环跟踪控制与限幅处理，生成进一步的次同步振荡抑制电流指令信号。

3.如权利要求1或2所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：所述次同步振荡抑制电流指令信号进行SPWM调制后输出功率开关脉冲信号，根据所述功率开关脉冲信号，利用功率信号发生装置产生抑制次同步振荡的电流与功率。

4.如权利要求1所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，对从SVG补偿母线或SVG所在系统公共连接PCC接入点采集的次同步振荡电流信号进行从abc三相坐标系到dq两相旋转坐标系下的信号变换；第二步，针对第一步变换后dq轴下的信号，对d轴和q轴下分别设置一个低通滤波器进行滤波；第三步，针对第二步滤波后的信号，利用获得的SVG并网点母线电压的PLL锁相信号，对所述滤波后的信号进行从dq两相旋转坐标系到abc三相坐标系下的信号反变换；第四步，针对采集的次同步振荡电流信号与第三步变换后的信号，先进行加减处理，然后通过低通滤波器与比例相移器，提取含有次同步振荡信息的电流信号并进行相位校正与幅值补偿，经限幅处理后获得次同步振荡抑制电流指令信号。

5.如权利要求4所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：所述第一步的从abc三相坐标系到dq两相旋转坐标系下的信号变换矩阵为：

$C_{abc/dq}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ω}t& cos(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& cos(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -sin\mathrm{\ω}t& -sin(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

其中，ωt为并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角。

6.如权利要求4所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于：所述第三步的对滤波后的信号进行从dq两相旋转坐标系到abc三相坐标系下的信号反变换的变换矩阵为：

$C_{dq/abc}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\ω}t& -sin\mathrm{\ω}t\\ cos(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ cos(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -sin(\mathrm{\ω}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

其中，ωt为并网点母线电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角。

7.一种基于SVG的抑制次同步振荡控制系统，其特征在于：包括次同步补偿器和功率信号发生装置；所述次同步补偿器包括设置在SVG补偿点或SVG所在系统公共连接PCC接入点的次同步振荡电流信号采集装置，连接SVG并网点电压进行PLL锁相的锁相环电路，abc三相与dq轴之间的坐标变换模块以及低通滤波与次同步信号滤波综合器，所述次同步补偿器利用锁相环电路得到母线电压的同步信号，将采集的次同步振荡电流信号通过坐标变换模块和低通滤波与次同步信号滤波综合器进行坐标变换后进行滤波、相位调整和幅值补偿，得到次同步振荡抑制电流指令信号；所述功率信号发生装置包括SPWM调制转换电路和功率信号发生器，根据所述次同步补偿器输出的次同步振荡抑制电流指令信号，经过SPWM调制转换电路转换为功率开关脉冲信号，功率信号发生器产生可抑制次同步振荡的电流与功率。

8.如权利要求7所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制系统，其特征在于：还包括SVG运行模式dq控制器，输出SVG运行模式下的dq轴常规补偿电流指令信号至功率信号发生装置，所述功率信号发生装置还包括电流内环控制器，所述电流内环控制器结合所述次同步补偿器输出的次同步振荡抑制电流指令信号和SVG运行模式dq控制器输出的dq轴常规补偿电流指令信号，进行电流内环跟踪控制与限幅处理后输出进一步的次同步振荡抑制电流指令信号至SPWM调制转换电路和功率信号发生器。

9.如权利要求7或8所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制系统，其特征在于：所述功率信号发生器的主电路拓扑结构包括三相两电平结构、嵌入式多电平结构、H桥级联结构或MMC结构。

10.如权利要求7所述的基于SVG的抑制次同步振荡控制系统，其特征在于：所述功率信号发生装置通过电抗器或变压器接入系统线路。