CN105656061B - 风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，其具体为：通过在风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，分别设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。然后，将设计好的风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器，用于在线抑制次同步振荡，当风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡时，通过比较风电机组轴系转速偏差与火电机组轴系转速偏差的幅值大小，来决定风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器的投入顺序。本发明在实际应用时，能够有效地迅速地抑制风电火电捆绑经高压直流送电时发生的次同步振荡，并明显地提高系统的鲁棒性。

Description

风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，特别涉及一种风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法。

背景技术

风力发电具有不污染环境，储备资源丰富的优点，近年来风电装机容量不断提高。海上风电能源鉴于其高速稳定的风速、相较于内陆风机可用较大机组、且单机容量将大于3MW的优点，在国内外都得到了迅猛发展。目前对于风机的研究大多将风机、齿轮箱和转子看作一个集中质块，且用统一的惯性时间常数。这种统一质块的研究思路结构简单，无法反映出风机在故障情况下实际的动态特性；且统一的惯性时间常数无法反应出实际系统的暂态稳定性，故为了得到风机较为准确的稳态及暂态特性，在实际分析时需将风机轴系模型考虑为两质块模型或三质块模型。

海上风电场具有装机容量大，电量输出较为稳定的特点，通过高压直流输电可以解决海上风电场的大容量、高电压、远距离输电问题，有效减小了电能损耗。出于风电场出力不能长时间维持在同一功率水平考虑，目前国内选择在附近风电场建设火电机组来实现调峰调频目的，从而形成了风电火电捆绑经高压直流输电的工况。但由于高压直流的换流站为电力电子设备，其晶闸管的触发方式多采用等间隔触发脉冲方式，换流阀的高频触发特性有可能向附近的发电机组引入负阻尼，有可能与风机轴系、汽轮机轴系发生机网耦合，造成风机和汽轮机的次同步振荡。发生风机和汽轮机的轴系振荡后，会造成轴系的疲劳积累，严重情况下会造成轴系断裂，严重影响了电力系统的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于解决在风电火电捆绑经高压直流送电时，有可能发生次同步振荡，严重影响系统安全稳定的运行的问题，并进一步解决在抑制风电机组和火电机组的次同步振荡过程中，将风电机组与火电机组的阻尼控制器同时附加在直流整流侧主控制器时，控制器之间有可能发生相互影响甚至形成负反馈，导致次同步振荡进一步严重的问题。且将两种阻尼控制器同时投入，会造成直流功率调制幅值较大，不利于系统稳定运行。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，用于抑制风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡，其技术方案为：

第一步：设计风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器；其中，当风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡，将整流侧换流母线的频率偏差作为风电机组次同步振荡的观测信号，将火电机组轴系的转速偏差作为火电机组次同步振荡的观测信号，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，分别设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器；

第二步：在线抑制次同步振荡；其中，风电机组和火电机组同时发生次同步振荡，首先比较风电机组轴系转速偏差与火电机组轴系转速偏差的幅值大小，若风电机组轴系转速偏差的幅值大，则先投入风电机组次同步振荡阻尼控制器，再投入火电机组次同步振荡阻尼控制器；反之，则先投入火电机组次同步振荡阻尼控制器，再投入风电机组次同步振荡阻尼控制器。

根据一种具体的实施方式，先投入的次同步振荡阻尼控制器，将其对应机组轴系转速偏差的幅值衰减至其最大幅值的10％时，退出先投入的次同步振荡阻尼控制器，再投入另一机组的次同步振荡阻尼控制器。

根据一种具体的实施方式，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，先分别得到风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数；再分别根据风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数，得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

根据一种具体的实施方式，通过Prony算法辨识出风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数，并通过极点配置法设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过在风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，分别设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。其中，将整流侧换流母线频率偏差作为风电机组次同步振荡的观测信号，可避免由于风电场距离整流站电气距离较远而带来的时延影响。将设计好的风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器，用于在线抑制次同步振荡，当风电机组和火电机组同时发生的次同步振荡时，通过比较风电机组轴系转速偏差与火电机组轴系转速偏差的幅值大小，来决定风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器的投入顺序，从而不仅避免将风电机组与火电机组的阻尼控制器同时附加在直流整流侧主控制器时，控制器之间相互影响甚至形成负反馈，导致次同步振荡更严重的情形发生，还避免了风机次同步振荡阻尼控制器和火电机组次同步振荡阻尼控制器同时加入时会造成直流功率调制幅值偏大，影响系统安稳运行的情况。

因此，本发明的分时投入策略，首先抑制严重的次同步振荡，避免了次同步振荡对系统影响的扩大，进一步抑制另一种次同步振荡，有效保证了系统安全稳定运行。本发明能够有效地抑制风电火电捆绑经高压直流送电时发生的次同步振荡，而且明显地提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1是风火捆绑经直流输电的拓扑图；

图2是本发明风电机组与火电机组次同步振荡阻尼控制器的控制逻辑示意图；

图3是同时发生次同步振荡时风机和火电机组轴系的转速偏差幅值的对比图；

图4是未投入风电机组次同步振荡阻尼控制器叶片和轮毂间的转矩偏差图；

图5是投入风电机组次同步振荡阻尼控制器叶片和轮毂间的转矩偏差图；

图6是未投入火电机组次同步振荡阻尼控制器高低压缸间的转矩偏差图；

图7是投入火电机组次同步振荡阻尼控制器高低压缸间的转矩偏差图；

图8是同时投入两种控制器时的的直流功率调制幅值；

图9是分时投入控制器时的直流功率调制幅值。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

风电机组轴系的各质块刚性系数较低，发生次同步振荡的频率范围多为2～12Hz；相对于风机轴系，汽轮机轴系各质块的刚性系数较高，发生次同步振荡的频率范围主要集中在13～35Hz。

结合图1所示的风火捆绑经直流输电的拓补图，其中火电机组包括高压缸、低压缸、发电机、励磁机四个质块，风电机组包括叶片、轮毂、发电机三个质块。

具体的，以火力发电机端电压为22kV，额定功率为320MW；风力发电机端电压0.69kV，额定功率为2.5MW，海上风电场包括32台风力发电机。直流输电单极运行，额定直流电压和直流电流分别为400kV和1kA，整流侧和逆变侧的控制方式分别为定直流电流和定直流电压控制为实施例。

在整流侧换流母线出现小扰动后，风电机组易发生次同步振荡，虽然次同步振荡可自行衰减，但衰减速度较为缓慢，容易造成风电机组轴系疲劳积累，不利于长期稳定的运行，而且，火电机组的轴系质块间也易发生等幅振荡。为抑制次同步振荡，需要设计相应的次同步振荡阻尼控制器。

通过在直流输电整流侧主控制器上加小幅值(5％-10％)阶跃，并使风电机组和火电机组同时发生次同步振荡，本发明将整流侧换流母线的频率偏差作为风电机组次同步振荡的观测信号，将火电机组轴系的转速偏差作为火电机组次同步振荡的观测信号，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，分别设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

具体的，本发明根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，先分别得到风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数；再分别根据风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数，得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

而且在本发明中，由于海上风电场距离整流站距离较远，直接取风机轴系转速偏差作为观测信号会有时延影响，故取整流侧换流母线频率偏差作为风电机组次同步振荡的观测信号，避免时延的影响，进而避免风电机组的次同步振荡阻尼控制器的设计偏差。

实施时，本发明通过Prony算法辨识出风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数。按照实施例中的参数设定，基于Prony算法辨识出风电机组与火电机组次同步振荡模态参数，如表1所示。

表1：次同步振荡模态参数结果表

本发明在辨识出风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数后，通过极点配置法设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

设计阻尼控制器的目的是通过增加系统的总阻尼来抑制次同步振荡，系统的状态方程为：

其中，X为状态变量；U为输入变量；A为状态变量的系数矩阵；B为输入变量的系数矩阵。

系统的特征值为

λ＝σ±j2πf (2)

特征值的实部σ为衰减因子，即为系统阻尼；虚部f为系统的振荡频率。阻尼比确定了振荡幅值的衰减速度，即阻尼比越大，衰减速度越快，对轴系的保护越好。阻尼控制器应针对机组的每个扭振频率，增大每个模态的阻尼比。首先辨识出系统的次同步振荡模态参数，然后基于极点配置法设计阻尼控制器的参数。基于极点配置法得到的控制器传递函数G(s)表达式为

其中，K1、K2、K3和K4分别为控制器需要设计的参数，n表示控制器阶数。

结合图2所示的本发明风电机组与火电机组次同步振荡阻尼控制器的控制逻辑示意图；其中，风电机组的次同步振荡阻尼控制器的输入信号为整流侧换流母线的频率偏差，风电机组的次同步振荡阻尼控制器包括带通滤波器环节，基于极点配置法得到控制器传递函数G(s)，增益环节和限幅环节。火电机组的次同步振荡阻尼控制器的输入信号为汽轮机轴系的转速偏差，汽轮机次同步振荡阻尼控制器包括带通滤波器环节，基于极点配置法得到控制器传函G(s)，增益环节和限幅环节。

得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器后，避免将风电机组与火电机组的阻尼控制器同时附加在直流整流侧主控制器时，控制器之间可能形成负反馈，导致次同步振荡更严重的情形发生；且减小了两种控制器同时加入造成的直流调制幅值偏大，不利于系统稳定运行。通过设计一个选择环节，即比较风电机组和火电机组轴系转速偏差幅值的大小，来决定风电机组次同步振荡阻尼控制器与火电机组的阻尼控制器的投退，最终形成直流触发角作用于直流输电。

结合图3所示的同时发生次同步振荡时风机和火电机组轴系的转速偏差幅值的对比图；可知风机轴系转速偏差小于火电机组轴系转速偏差，故应该先投入火电机组次同步振荡阻尼控制器，待火电机组轴系转速偏差衰减值其最大幅值的10％时，即相当于在大约为6s时，退出火电机组次同步振荡阻尼控制器，并投入风机次同步振荡阻尼控制器。

结合图4和图5分别所示的未投入与投入风电机组次同步振荡阻尼控制器叶片和轮毂间的转矩偏差图，以及图6和图7分别所示的未投入与投入火电机组次同步振荡阻尼控制器高低压缸间的转矩偏差图；可以表明：本发明在实际应用时，能够有效地迅速地抑制风电火电捆绑经高压直流送电时发生的次同步振荡。

结合图8和图9分别所示的同时投入两种控制器的直流功率调制幅值图与分时投入控制器的直流功率调制幅值图；其中，若两种控制器同时投入，直流功率调制幅值较大，而本发明分时投入控制器策略下，直流功率调制幅值较小，减小了对系统的影响，且具有较好的次同步振荡抑制效果。

因此，本发明的风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，不仅避免将风电机组与火电机组的阻尼控制器同时附加在直流整流侧主控制器时，控制器之间相互影响甚至形成负反馈，导致次同步振荡更严重的情形发生，还避免了风机次同步振荡阻尼控制器和火电机组次同步振荡阻尼控制器同时加入时会造成直流功率调制幅值偏大，影响系统安稳运行的情况。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (3)

1.一种风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，其特征在于，包括，

第一步：设计风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器；其中，当风电机组和火电机组同时发生次同步振荡，将整流侧换流母线的频率偏差作为风电机组次同步振荡的观测信号，将火电机组轴系的转速偏差作为火电机组次同步振荡的观测信号，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，分别设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器；

第二步：在线抑制次同步振荡；其中，风电机组和火电机组同时发生次同步振荡，首先比较风电机组轴系转速偏差与火电机组轴系转速偏差的幅值大小，若风电机组轴系转速偏差的幅值大，则先投入风电机组次同步振荡阻尼控制器，再投入火电机组次同步振荡阻尼控制器；反之，则先投入火电机组次同步振荡阻尼控制器，再投入风电机组次同步振荡阻尼控制器；其中，先投入的次同步振荡阻尼控制器，将其对应机组轴系转速偏差的幅值衰减至其最大幅值的10％时，退出先投入的次同步振荡阻尼控制器，再投入另一机组的次同步振荡阻尼控制器。

2.如权利要求1所述的风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，其特征在于，根据风电机组次同步振荡与火电机组次同步振荡的观测信号，先分别得到风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数；再分别根据风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数，得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。

3.如权利要求2所述的风火捆绑经直流输电所引发的次同步振荡的抑制方法，其特征在于，通过Prony算法辨识出风电机组与火电机组的次同步振荡模态参数，并通过极点配置法设计得到风电机组与火电机组的次同步振荡阻尼控制器。