CN106300387A - 基于svg动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SVG的动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法，所述控制方法包括：采集电网三相电流；将其变换成有功电流实际值和无功电流实际值；分别对所述有功电流实际值和无功电流实际值进行滤波处理，然后取反得到抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量；在抑制电网低频振荡的有功电流分量中加入有功电流给定值，以得到总有功电流给定值，以及在抑制电网低频振荡的无功电流分量中加入无功电流给定值，以得到总无功电流给定值；分别对总有功电流给定值和总无功电流给定值进行闭环控制，以得到抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。本发明所述控制方法能动态、有效地抑制电网的低频振荡。

Description

基于SVG动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法

技术领域

本发明涉及电网无功功率补偿技术领域，具体涉及一种基于SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)的动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法。

背景技术

我国地域辽阔，能源和负荷分布却很不均匀，因而形成大容量发电机组、高功率输电线路和重负荷是必然的。目前，我国大力发展各种高电压长距离输电工程，输电线路的电压等级越来高，这样虽然能够有效地解决传输功率不足的问题，但是从电网本身的结构来看，弱联系、长距离和重负荷会使电力系统的阻尼变弱，当某区域发生扰动后，电力系统会产低频振荡，若此时电力系统的阻尼不足或阻尼为负时，则该低频振荡将会持续很长时间才能平息，甚至可能会产生增幅，从而进一步导致风力发电电机失步解列(即电机频率与电网频率不一致)，严重影响风力发电系统的稳定运行。

为解决电网的低频振荡问题，目前主要采用如下几种抑制电网低频振荡的装置：电力系统稳定器(PSS)、静止无功补偿器(SVC)和储能系统。但是，上述抑制装置均未采用全控型功率器件，因而对输电系统中的低频振荡的抑制效果非常有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种基于SVG并能动态、有效地抑制电网的低频振荡的给定前馈控制方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于SVG动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

1)采集电网三相电流；

2)将所述电网三相电流变换成有功电流实际值和无功电流实际值；

3)分别对所述有功电流实际值和无功电流实际值进行滤波处理，然后取反得到抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量；

4)在所述抑制电网低频振荡的有功电流分量中加入有功电流给定值，以得到总有功电流给定值，以及在所述抑制电网低频振荡的无功电流分量中加入无功电流给定值，以得到总无功电流给定值；

5)分别对所述总有功电流给定值和所述总无功电流给定值进行闭环控制，以得到抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

优选地，在所述步骤1)中，采用SVG内置的电流传感器实现电网三相电流的采集。

优选地，所述步骤2)具体为：

使三相静止坐标系下的所述电网三相电流通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的所述有功电流实际值和无功电流实际值。

优选地，在所述步骤3)中，采用模态滤波器分别对所述有功电流实际值和无功电流实际值进行滤波处理，所述模态滤波器包括依次连接的低通滤波器和带通滤波器。

优选地，在所述步骤3)中，所述带通滤波器以其输入信号的低频振荡频率为中心频率。

优选地，在所述步骤3)中，所述抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量的频率范围为0.1～2.5Hz。

优选地，所述步骤5)具体为：

51)对所述总有功电流给定值和所述有功电流实际值做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分控制，以得到与所述总有功电流给定值对应的控制量，以及，

对所述总无功电流给定值和所述无功电流实际值做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分控制，以得到与所述总无功电流给定值对应的控制量；

52)将与所述总有功电流给定值对应的控制量和与所述总无功电流给定值对应的控制量变换成抑制电网低频振荡的控制量；

53)对所述抑制电网低频振荡的控制量进行脉冲宽度调制，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件进行控制，以产生抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

优选地，所述步骤52)具体为：

使两相旋转坐标系下的与所述总有功电流给定值对应的控制量和与所述总无功电流给定值对应的控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的所述抑制电网低频振荡的控制量。

优选地，所述控制方法采用DSP实现。

有益效果：

本发明所述动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法在现有SVG双环(电流内环+直流电压外环/无功功率外环)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，具体地，在抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}中加入有功电流给定值I_{d_ref}(属于现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数)，以得到总有功电流给定值，以及在抑制电网低频振荡的无功电流分量i_{q_ref}中加入无功电流给定值I_{q_ref}(属于现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数)，以得到总无功电流给定值，分别对总有功电流给定值和总无功电流给定值进行闭环控制，以得到抑制电网低频振荡的补偿电流，从而在现有SVG控制策略的基础上有效地补偿(抑制)了电网中的低频振荡。可见，本发明在现有SVG双环解耦PI控制策略的基础上增加了在线动态抑制电网低频振荡的控制算法，且现有SVG采用全控型功率器件，因而可以有效地为风力发电场提供正阻尼，有效地改善风力发电系统的稳定性。

此外，本发明具有简单、易于实现、成本低的优点，相比于现有其它抑制电网低频振荡的控制策略，可以使SVG根据实时的抑制电网低频振荡的补偿电流快速地输出更加精确的有功功率和无功功率，从而能有效解决电网中的低频振荡问题。

附图说明

图1为本发明实施例所述基于SVG的动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法的流程图；

图2为本发明实施例所述模态滤波器的结构示意图；

图3为图1中步骤S500的子流程图；

图4为本发明实施例所述基于SVG的动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法的应用示意图；

图5为强阻尼系统下应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的电网功率波动图形；

图6为弱阻尼系统下应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的电网功率波动图形；

图7为负阻尼系统下应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的电网功率波动图形。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

采用全控型功率器件(IGBT)的SVG以其灵活的控制性能和快速的动态特性，受到了用户的青睐，SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)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，本发明应用其抑制电网的低频振荡具有更好的阻尼效果，从而为风力发电场提供正阻尼，有效地改善了风力发电系统的稳定性。本发明采用的控制策略包括：对抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量的滤波筛选，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，以及基于SVG抑制电网低频振荡的整体控制方案，下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例：

如图1所示，本实施例提供一种基于SVG的在线动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法，其包括如下步骤：

S100.采集电网三相电流i_a,i_b,i_c。

优选地，采用SVG内置的电流传感器实现电网三相电流i_a,i_b,i_c的采集。

S200.将电网三相电流i_a,i_b,i_c变换成有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q。

优选地，步骤S200具体为：使三相静止坐标系下的电网三相电流i_a,i_b,i_c通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q。

具体地，对电网三相电流i_a,i_b,i_c进行三相-两相(3s/2r)坐标变换，即在三相静止坐标系abc和两相旋转坐标系dq之间进行变换，从而得到有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q。三相-两相坐标变换所采用的公式如下：

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

上式中的参数α为d轴与a轴夹角。

S300.分别对有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q进行滤波处理，然后取反得到抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}，即得到抑制电网低频振荡的成分。优选地，抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}包括频率和幅值，且频率范围为0.1～2.5Hz。

在步骤S300中，采用模态滤波器分别对有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q进行滤波处理，模态滤波器包括依次连接的低通滤波器和带通滤波器(如图2所示)。优选地，带通滤波器以其输入信号的低频振荡频率为中心频率。

优选地，在模态滤波器中，低通滤波器的截止频率高于带通滤波器的上限截止频率，使得低通滤波器先滤除了大部分无用的信号，再经过带通滤波器的窄带滤波，有效地筛选出抑制电网低频振荡的成分，即筛选出抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}和无功电流分量i_{q_ref}。

以低频振荡频率值为1Hz为例，选择低通滤波器的截止频率为5Hz，带通滤波器的中心频率为1Hz，则低通滤波器的传递函数G₁和带通滤波器的传递函数G₂分别如下：

$G_1=\frac{986.96}{s^2+31.4s+986.96}$

$G_2=\frac{6.28s}{s^2+6.28s+39.44}$

S400.在抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}中加入有功电流给定值I_{d_ref}，以得到总有功电流给定值，以及在抑制电网低频振荡的无功电流分量i_{q_ref}中加入无功电流给定值I_{q_ref}，以得到总无功电流给定值。其中，有功电流给定值I_{d_ref}和无功电流给定值I_{q_ref}均属现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数，此处不再赘述。

S500.分别对总有功电流给定值和总无功电流给定值进行闭环控制，以得到抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

可以看出，步骤S400和S500是通过在现有SVG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(即加入抑制电网低频振荡的成分)来实现的，抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}和抑制电网低频振荡的无功电流分量i_{q_ref}都属于抑制电网低频振荡的成分。

优选地，如图3所示，步骤S500包括如下步骤：

S501.对总有功电流给定值和有功电流实际值i_d做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分(PI)控制，以得到与总有功电流给定值对应的控制量，以及，

对总无功电流给定值和无功电流实际值i_q做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分(PI)控制，以得到与总无功电流给定值对应的控制量。

S502.将与总有功电流给定值对应的控制量和与总无功电流给定值对应的控制量变换成抑制电网低频振荡的控制量。

优选地，使两相旋转坐标系下的与总有功电流给定值对应的控制量和与总无功电流给定值对应的控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的抑制电网低频振荡的控制量。

具体地，对与总有功电流给定值对应的控制量k_d和与总无功电流给定值对应的控制量k_q进行两相-三相(2r/3s)坐标变换，即在两相旋转坐标系dq和三相静止坐标系abc之间进行变换，从而得到抑制电网低频振荡的控制量k_a,k_b,k_c。两相-三相坐标变换所采用的公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{k}_a\\ k_b\\ k_c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\\ \sin (\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\α}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \sin (\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\α}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{k}_d\\ k_q\end{array}\right]$

上式中的参数α为d轴与a轴夹角。

S503.对抑制电网低频振荡的控制量进行脉冲宽度调制(PWM)，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件(全控型开关管，例如IGBT)进行控制，即控制相应的全控型开关管动作，以产生抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

在实际应用中，步骤S100至步骤S500是循环往复的，换言之，每采集到一组电网三相电流i_a,i_b,i_c，就按照步骤S200至步骤S500所述的方法对其进行处理，以产生对应的抑制电网低频振荡的补偿电流，使SVG根据实时的抑制电网低频振荡的补偿电流输出精确的有功功率和无功功率，从而能够动态、有效地抑制电网的低频振荡。

本实施例中，所述控制方法可采用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processing)实现，其具有在线、实时进行数字运算的优点。当采用SVG内置的电流传感器实现电网三相电流的采集时，由于电流传感器输出的信号无法直接被DSP识别，因此所述控制方法中还需要先将电流传感器输出的信号转换成DSP可读的信号后再进行步骤S200。

下面结合图4详细描述采用DSP实现的基于SVG的动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法。图4中，PI表示比例积分控制器(即PI控制器)，PWM表示脉冲宽度调制模块(即PWM模块)。

采用SVG内置的电流传感器实时采集电网三相电流i_a,i_b,i_c；使三相静止坐标系下的电网三相电流i_a,i_b,i_c通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的有功电流实际值i_d和无功电流实际值i_q，然后分别输出至模态滤波器，由模态滤波器中的低通滤波器和带通滤波器对有功电流实际值i_d/无功电流实际值i_q依次进行低通滤波和带通滤波处理，然后取反得到抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}/无功电流分量i_{q_ref}；在抑制电网低频振荡的有功电流分量i_{d_ref}中加入有功电流给定值I_{d_ref}，得到总有功电流给定值，以及在抑制电网低频振荡的无功电流分量i_{q_ref}中加入无功电流给定值I_{q_ref}，得到总无功电流给定值；分别对总有功电流给定值和总无功电流给定值进行闭环控制，即对总有功电流给定值和有功电流实际值做差，形成对应的偏差值，使该偏差值通过PI控制器，得到与总有功电流给定值对应的控制量，以及，对总无功电流给定值和无功电流实际值做差，形成对应的偏差值，使该偏差值通过PI控制器，得到与总无功电流给定值对应的控制量；使两相旋转坐标系下的与总有功电流给定值对应的控制量和与总无功电流给定值对应的控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的抑制电网低频振荡的控制量；使抑制电网低频振荡的控制量通过PWM模块，即对抑制电网低频振荡的控制量进行脉冲宽度调制，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件进行控制，以产生抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。需要说明的是，将SVG原有的直流电压外环的直流电压给定值u_{dc_ref}与直流电压实际值u_dc做差，形成有功功率偏差值ΔP，该有功功率偏差值ΔP经PI控制器进行比例积分控制后得到有功电流给定值I_{d_ref}；将SVG原有的无功功率外环的无功功率给定值Q_{m_ref}与无功功率实际值Q_m做差，形成无功功率偏差值ΔQ，该无功功率偏差值ΔQ经PI控制器进行比例积分控制后得到无功电流给定值I_{q_ref}，其中，直流电压外环的直流电压给定值u_{dc_ref}、直流电压实际值u_dc、无功功率外环的无功功率给定值Q_{m_ref}和无功功率实际值Q_m均为现有SVG双环解耦PI控制策略中的已知参数。

本发明还对所述控制方法进行了仿真验证，仿真结果如图5、图6和图7所示，图5至图7依次为强阻尼、弱阻尼和负阻尼系统下应用本发明所述控制方法和未应用本发明所述控制方法的电网功率波动图形，而且仿真图中实线为应用本发明所述控制方法而得到的仿真波形，虚线为现有技术的仿真波形，可以看出，本发明所述控制方法在强阻尼、弱阻尼和负阻尼系统下均能有效地抑制电网的功率波动，从而证明了本发明所述控制方法的准确性、简易性和可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于SVG动态抑制电网低频振荡的给定前馈控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

1)采集电网三相电流；

2)将所述电网三相电流变换成有功电流实际值和无功电流实际值；

3)分别对所述有功电流实际值和无功电流实际值进行滤波处理，然后取反得到抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量；

4)在所述抑制电网低频振荡的有功电流分量中加入有功电流给定值，以得到总有功电流给定值，以及在所述抑制电网低频振荡的无功电流分量中加入无功电流给定值，以得到总无功电流给定值；

5)分别对所述总有功电流给定值和所述总无功电流给定值进行闭环控制，以得到抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤1)中，采用SVG内置的电流传感器实现电网三相电流的采集。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

使三相静止坐标系下的所述电网三相电流通过abc/dq坐标变换，得到两相旋转坐标系下的所述有功电流实际值和无功电流实际值。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，采用模态滤波器分别对所述有功电流实际值和无功电流实际值进行滤波处理，所述模态滤波器包括依次连接的低通滤波器和带通滤波器。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述带通滤波器以其输入信号的低频振荡频率为中心频率。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述抑制电网低频振荡的有功电流分量和无功电流分量的频率范围为0.1～2.5Hz。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：

51)对所述总有功电流给定值和所述有功电流实际值做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分控制，以得到与所述总有功电流给定值对应的控制量，以及，

对所述总无功电流给定值和所述无功电流实际值做差，形成对应的偏差值，对该偏差值进行比例积分控制，以得到与所述总无功电流给定值对应的控制量；

52)将与所述总有功电流给定值对应的控制量和与所述总无功电流给定值对应的控制量变换成抑制电网低频振荡的控制量；

53)对所述抑制电网低频振荡的控制量进行脉冲宽度调制，以生成相应的驱动信号，并对SVG中的可关断电力电子器件进行控制，以产生抑制电网低频振荡的补偿电流，从而抑制电网的低频振荡。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤52)具体为：

使两相旋转坐标系下的与所述总有功电流给定值对应的控制量和与所述总无功电流给定值对应的控制量通过dq/abc坐标变换，得到三相静止坐标系下的所述抑制电网低频振荡的控制量。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用DSP实现。