CN107611998B - 一种基于statcom双通道抑制电网次同步谐振方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法及系统，包括：通过三相端电压信号得到同步相位信号；三相端电压信号和三相电流信号经过Park变换得到相应直轴和交轴分量；根据直流电压基准值和直流母线电压确定为维持直流电压稳定的有功电流指令1，根据同步发电机转速偏差信号得到有功电流指令2和无功电流指令，根据电流指令、直轴和交轴分量得到输出电压的直轴和交轴分量；与同步相位信号进行矢量合成得到三相交流输出电压信号；产生控制变流器开关器件的开关信号。本发明在较小的STATCOM容量下提供最大附加电气阻尼，减少了直流电压的波动。

Description

一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制领域，更具体地，涉及一种基于静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)双通道抑制电网次同步谐振方法及装置。

背景技术

随着我国大型火电基地的建设及西电东送电网格局的形成，大规模远距离输电成为必然趋势，装有串联补偿装置的高压、特高压交流输送通道将成为未来电力输送通道的重要选择之一。而大型火电机组接入含有串联补偿装置的交流线路极易发生次同步谐振问题，威胁火电机组安全及电网稳定运行。

次同步谐振指的是串联补偿的输电线路与汽轮发电机组相互耦合导致系统阻尼减弱甚至变成负阻尼，进而导致机电振荡振幅增强的现象。其产生原因可分为三类：感应发电机效应、扭转相互作用以及暂态扭矩放大。感应发电机效应是指串补线路发生LC谐振时，同步机对该谐振分量表现为异步感应电机，其等效电阻为负值，激发该谐振分量的增长，引起轴系振幅增大。扭转相互作用是指同步机轴系实际有多个质量块构成，轴系存在多个固有模态，当某一固有模态与串补线路谐振频率互补时，该模态的振荡会被放大，引起轴系持续振荡。暂态扭矩放大是指当电网谐振频率与同步机轴系某固有模态频率互补时，电网某处一旦发生较大扰动，电枢电流将瞬间增大，并在转子轴系产生非常大的冲击转矩，使轴系发生断裂，危及机组安全。实际火电机组次同步发生过程中，三者通常同时存在，紧密联系在一起。

针对次同步谐振的抑制，国内外学者已提出多种方案，其中相当一部分是从调节系统电气阻尼的角度出发的。其具体方案包括同步机转子上安装极面绕组、附加励磁阻尼控制(SEDC)、利用FACTS装置等。其中STATCOM由于可控性强，提供相同电气阻尼情况下其所用容量更小等优点进而应用STATCOM抑制次同步振荡成为学术界和工业界研究的重点。

STATCOM抑制次同步振荡的基本原理为采集发电机转速偏差信号经模态滤波、相位补偿、比例放大、限幅等环节后产生电流控制回路的参考值，控制STATCOM向机组注入次同步频段电流在发电机转子上产生一定的电气阻尼达到抑制次同步振荡的目的。已提出的方案包括以下几种：1.利用STATCOM无功通道作为注入次同步抑制电流的通道。具体实施为采取同步机转速偏差控制外环得到无功电流指令值，这样可以避免有功通道引起的直流母线电压波动，直流母线电容的容量也可以相应降低，节约了成本。但该法存在一个比较大的缺陷，由于多数同步机初始功角较小，若产生相同的电气阻尼，注入的无功抑制电流要比有功抑制电流大的多，因此采用该方法的STATCOM容量自然要相应提高。2.STATCOM采用链式结构，电流环采用幅相控制，向同步机端注入次同步模态有功电流进行抑制，其灵敏度及抑制效果要比注入无功电流要好，但STATCOM所采用的直流母线电容容量便要相应提高，增加了成本和体积。

综上所述，现有应用STATCOM抑制次同步振荡的技术存在下述问题：单使用无功通道效果其灵敏度及抑制效果会比较差，因此需要配置的STATCOM容量也比较大；单使用有功通道，在系统发生次同步振荡时，会引起的直流母线电压的大幅波动，因此所采用的直流母线电容容量便要相应提高，增加了成本和体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法及系统，旨在解决单使用无功通道效果其灵敏度及抑制效果会比较差，因此需要配置的STATCOM容量也比较大；单使用有功通道，会引起的直流母线电压波动，因此所采用的直流母线电容容量便要相应提高，增加了成本和体积的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法，包括：

(1)采集同步发电机转速偏差信号、STATCOM直流母线电压信号、STATCOM三相端电压信号以及STATCOM三相电流信号；

(2)通过STATCOM三相端电压信号得到同步发电机进行同步所需的同步相位信号；根据同步相位信号将STATCOM三相端电压信号和STATCOM三相电流信号经过Park变换得到锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量；

(3)根据直流电压基准值和所述直流母线电压确定为维持直流母线电压稳定的第一有功电流指令，根据所述同步发电机转速偏差信号得到用以抑制次同步谐振的次同步频段的第二有功电流指令和无功电流指令，配合第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大；

(4)根据步骤(3)得到的第一有功电流指令、第二有功电流指令、无功电流指令以及步骤(2)得到的锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量；

(5)将步骤(4)得到的STATCOM输出电压的直轴和交轴分量与步骤(2)得到的同步相位信号进行矢量合成得到STATCOM三相交流输出电压信号；

(6)根据步骤(5)中得到的STATCOM三相交流输出电压信号产生控制STATCOM变流器开关器件开通与关断的开关信号，以控制STATCOM变流器使其输出相应的三相交流电压。

本申请通过控制有功电流指令和无功电流指令结合的形式，并通过控制有功电流和无功电流的比例参数使得STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大。本发明相比现有单独采用有功或无功的控制，通过控制有功电流指令和无功电流指令结合的形式提供了更大的附加电气阻尼，降低了有功功率波动，进而减小了定直流母线电压控制的对象直流电容上的电压波动，进而可以减小直流电容容量，从而降低了STATCOM需要的容量。

可选地，所述步骤(3)中具体包括：

设同步发电机转子轴系以其次同步模态频率ω_m振荡，设其功角偏差为Δδ＝A_msin(ω_mt)，则同步发电机转速偏差为Δω_r＝A_mω_mcos(ω_mt)，STATCOM提供的次同步频段第二有功电流指令

和无功电流指令

分别表示为：

其中，K₁和K₂均为协调优化比例参数A_m为电流指令的幅值，|F(jω_m)|为前置滤波器在复频域的函数幅值，∠F(jω_m)为前置滤波器在复频域的函数相角，上标p表示STATCOM锁相坐标系；

根据次同步频段第二有功电流指令和无功电流指令即可得STATCOM贡献的附加电气阻尼：

基于复转矩系数理论推导可知，由STATCOM贡献的附加电气阻尼ΔT_e表达式为

其中，U₀、δ₀分别为同步发电机定子端电压和功角，ω₀为工频角频率，i_d0和i_q0分别为同步机转子坐标系下STATCOM三相电流信号的直轴和交轴分量，L_d(p)为等效d轴电感，L_q(p)为等效q轴电感，H_2×2(p)为综合考虑STATCOM发出的次同步频段电流中流向网络和流向同步发电机的各分量以及考虑锁相坐标系和同步机转子坐标系间转换两个因素的传递函数。

可选地，所述步骤(3)中所述第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，包括：

调节协调优化比例参数K₁和K₂，使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，优化的目标函数为：

J＝max(ΔT_e/ω_m)，约束条件为

其中，I_max为STATCOM的电流容量，使得STATCOM贡献的电气阻尼最大的协调优化比例参数K₁和K₂的最优解为：

其中，

H₁₁(jω_m)、H₁₂(jω_m)、H₂₁(jω_m)、H₂₂(jω_m)为函数H_2×2(p)中的参数，J₁、J₂、J₃以及J₄分别为协调优化比例参数K₁和K₂在最优解时的系数。

第二方面，本发明提供一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，包括：

检测模块，用于采集同步发电机转速偏差信号、STATCOM直流母线电压信号、STATCOM三相端电压信号以及STATCOM三相电流信号。

直流电压控制器，其第一输入端用于接收直流电压基准值，第二输入端用于接收检测模块输出的STATCOM直流母线电压信号，用于根据直流电压基准值和所述直流母线电压确定为维持直流母线电压稳定的第一有功电流指令；

阻尼控制器，其输入端用以接收检测模块输出的同步发电机转速偏差信号，用于根据转速偏差信号得到用以抑制次同步谐振的次同步频段的第二有功电流指令和无功电流指令；所述第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大。

锁相控制器，其第一输入端用以接收检测模块输出的STATCOM三相端电压信号，用于根据所述STATCOM三相端电压信号得到同步机发电机进行同步所需的同步相位信号。

Park变换模块，其第一输入端用以接收检测模块输出的STATCOM三相端电压或STATCOM三相电流信号，第二输入端用以接收所述锁相控制器输出的同步相位信号，用于根据同步相位信号将STATCOM三相端电压信号和STATCOM三相电流信号经过Park变换得到锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量。

电流调节器，其第一输入端用以接收所述直流电压控制器和阻尼控制器输出的电流指令值，第二输入端用以接收Park变换模块输出的STATCOM三相电流信号的直轴和交轴电流分量，第三输入端用以接收Park变换模块输出的STATCOM三相端电压信号的直轴和交轴电压分量，用于根据电流指令以及Park变换模块得到的锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量，所述电流指令值包括第一有功电流指令、第二有功电流指令以及无功电流指令中的至少一个。

矢量合成器，其第一输入端连接至电流调节器的输出端，第二输入端用以接收锁相控制器提供的同步相位信号，用于将STATCOM输出电压的直轴和交轴分量与同步相位信号进行矢量合成得到STATCOM三相交流输出电压信号。

PWM发生器，其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至STATCOM变流器的控制端，用于根据STATCOM三相交流输出电压信号产生控制STATCOM变流器开关器件开通与关断的开关信号，以控制STATCOM变流器使其输出相应的三相交流电压。

可选地，所述直流电压控制器包括：

第一加法器，其第一输入端用于接收所述直流电压基准值，其第二输入端用于接收所述直流母线电压，用于将直流电压基准值与直流母线电压相减并输出得到的电压误差。

第一比例积分(Proportional Integral，PI)控制器，其输入端连接至所述第一加法器的输出端，输出端作为所述直流电压控制器的输出端，用于根据所述电压误差输出第一有功电流指令。

可选地，所述阻尼控制器包括：

高通滤波器，其输入端用于接收所述转速偏差信号，输出端输出根据转速偏差信号得到的转速次同步振荡信号。

第一比例控制器，其输入端连接至高通滤波器的输出端，输出端输出根据转速次同步振荡信号得到的次同步频段的第二有功电流指令。

第二比例控制器，其输入端连接至高通滤波器的输出端，输出端输出根据转速次同步振荡信号得到的次同步频段的无功电流指令。

可选地，所述阻尼控制器中第一比例控制器和第二比例控制器的协调优化比例参数分别为K₁和K₂；设同步发电机转子轴系以其次同步模态频率ω_m振荡，设其功角偏差为Δδ＝A_msin(ω_mt)，则同步发电机转速偏差为Δω_r＝A_mω_mcos(ω_mt)，所述第二有功电流指令

和无功电流指令

分别表示为：

其中，K₁和K₂均为协调优化比例参数，A_m为…，ω_m为…，F(jω_m)为…，∠F(jω_m)为…，上标p表示STATCOM锁相坐标系；基于复转矩系数理论推导可知，由STATCOM贡献的附加电气阻尼ΔT_e表达式为

其中，U₀、δ₀分别为同步发电机定子端电压和功角，ω₀为工频角频率，i_d0和i_q0分别为同步机转子坐标系下STATCOM三相电流信号的直轴和交轴分量，L_d(p)为等效d轴电感，L_q(p)为等效q轴电感，H_2×2(p)为综合考虑STATCOM发出的次同步频段电流中流向网络和流向同步发电机的各分量以及考虑锁相坐标系和同步机转子坐标系间转换两个因素的传递函数。

可选地，所述阻尼控制器用于调节协调优化比例参数K₁和K₂，使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，优化的目标函数为：

J＝max(ΔT_e/ω_m)，约束条件为

其中，I_max为STATCOM的电流容量，使得STATCOM贡献的电气阻尼最大的协调优化比例参数K₁和K₂的最优解为：

其中，

H₁₁(jω_m)、H₁₂(jω_m)、H₂₁(jω_m)、H₂₂(jω_m)为函数H_2×2(p)中的参数，J₁、J₂、J₃以及J₄分别为协调优化比例参数K₁和K₂在最优解时的系数。

可选地，所述锁相控制器包括：

Park变换单元，其第一输入端用于接收STATCOM三相端电压信号，第二输入端连接至锁相控制器的输出端，所述Park变换单元的输出端为锁相坐标系下STATCOM三相端电压的直轴和交轴分量。

第二PI控制器，其输入端接入锁相坐标系下STATCOM三相端电压的交轴分量，输出锁相控制器的转速偏差信号。

第二加法器，其第一输入端为工频转速信号，其第二输入端连接至第二PI控制器的输出端，用以得到锁相控制器的转速信号。

积分控制器，其输入端连接至第二加法器的输出端，用以根据锁相控制器的转速信号提供同步相位信号。

可选地，所述电流调节器包括：

第三加法器，其第一输入端接收电流指令值，其第二输入端接收Park变换模块输出的STATCOM三相电流信号的直轴和交轴电流分量，用于将所述电流指令值减去所述Park变换模块输出的直轴和交轴电流分量并输出电流误差，所述电流指令值包括第一有功电流指令、第二有功电流指令以及无功电流指令中的至少一个。

第三PI控制器，其输入端连接至所述第一加法器的输出端，用于根据所述电流误差输出调节电压。

第四加法器，其第一输入端连接至第三PI控制器的输出端，第二输入端接收STATCOM三相端电压信号的直轴和交轴电压分量，用以根据调节电压得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

基于综合利用STATCOM的有功无功通道提供次同步频段电流来提高电气阻尼的方案，并通过控制有功电流和无功电流的比例参数使得STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大。在相同系统的条件下，比单独采用有功或无功的控制，提供了更大的附加电气阻尼，降低了有功功率波动，进而减小了定直流母线电压控制的对象直流电容上的电压波动，进而可以减小直流电容容量，从而降低了STATCOM需要的容量。本发明既能在较小的STATCOM容量下最大效果的提供附加电气阻尼，又能减少直流电压的波动，降低所采用STATCOM的成本和体积。增强STATCOM抑制次同步振荡方面的有效性。

附图说明

图1是本发明提供的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法流程图；

图2是本发明提供的基于STATCOM双通道协调控制抑制电网次同步谐振控制系统的结构示意图；

图3是本发明提供的基于STATCOM双通道协调控制抑制电网次同步谐振控制器的模块结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于STATCOM有功、无功双通道协调控制进而抑制次同步谐振的方案，基于该控制方案通过协调优化注入的有功无功电流，可尽可能地发挥STATCOM提高电气阻尼的功能，充分利用STATCOM的有限容量。

本申请旨在解决现有技术由于采用单无功通道或单有功通道注入次同步频段电流来提高电气阻尼，未能充分利用STATCOM的有限容量等问题，提出一种综合利用有功通道和无功通道来提高电气阻尼的方案，并给出了无功电流和有功电流的优化方案，并通过控制有功电流和无功电流的比例参数使得STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大。在相同系统的条件下，比单独采用有功或无功的控制，提供了更大的附加电气阻尼，降低了有功功率波动，进而减小了定直流母线电压控制的对象直流电容上的电压波动，进而可以减小直流电容容量，从而降低了STATCOM需要的容量。增强STATCOM抑制次同步振荡方面的有效性。在降低STATCOM所需容量的同时，能减小直流电压波动，降低所需的直流电容，减少成本和体积。能尽可能地发挥STATCOM抑制次同步谐振方面的能力，为电网的安全稳定运行提供保障。

如图1所示，是本发明提供的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法流程图，包括以下内容：

(1)采集转速偏差信号、STATCOM直流母线电压信号、STATCOM三相端电压以及三相电流信号。

(2)锁相控制器可以通过STATCOM三相端电压信号得到与同步发电机进行同步所需的相位信号。三相端电压和三相电流经过Park变换可得到锁相同步坐标系下的dq轴分量。

其中，dq轴分量即为直轴和交轴分量。d代表直轴，q代表交轴。

(3)将直流电压基准值和所述直流母线电压通过直流电压控制器产生为维持直流母线电压稳定的有功电流指令1。将转速偏差信号通过阻尼控制器得到次同步频段有功电流指令2和无功电流指令。

(4)将(3)所得到的电流指令和(2)所得STATCOM三相电流的dq分量通过电流调节器得到STATCOM输出电压的dq分量。

(5)由上述(4)中获得的输出电压dq分量与(2)中获得的同步相位信号合成得到输出电压矢量，即三相交流输出电压。

(6)将(5)中获得输出电压矢量经过空间矢量调制或其他调制方式最终产生控制STATCOM变流器开关器件开通与关断的开关信号，此开关信号控制STATCOM变流器使其输出相应的三相电压。

其中，有功电流指令2和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大。

基于上述控制方法可以综合利用STATCOM的有功无功通道，既能在较小的STATCOM容量下最大效果的提供附加电气阻尼，降低所采用STATCOM的成本和体积。增强了STATCOM抑制次同步振荡方面的可实现性。

其中步骤(3)中比例控制系数K₁和K₂协调优化，可使STATCOM提供的附加电气阻尼达到最大，其具体方案为：

基于复转矩系数理论推导可知，由STATCOM贡献的电气阻尼表达式为

其中U₀、δ₀分别为同步发电机定子端电压和功角，i_d0和i_q0为同步机转子坐标系下稳态电流dq轴分量，

和

分别为STATCOM贡献的次同步频段有功和无功电流，上标p表示STATCOM锁相坐标系。由电路拓扑可知STATCOM发出的次同步频段电流一部分流向网络，一部分流向同步发电机，而且计算时还需考虑锁相坐标系和同步机转子坐标系间转换，H_2×2(p)为综合考虑以上两个因素的传递函数表示。

设发电机转子轴系以其某次同步模态频率震荡，设其功角偏差为Δδ＝A_msin(ω_mt),则转速偏差可表示为Δω_r＝A_mω_mcos(ω_mt)，本发明设计的方案STATCOM提供的次同步频段有功电流和无功电流分别表示为：

将该次同步频段有功电流和无功电流表达式代入电磁转矩表达式即可得STATCOM贡献的电气阻尼表达。协调优化比例控制器参数K₁和K₂，可使STATCOM提供的附加电气阻尼达到最大。优化的目标函数为J＝max(ΔT_e/ω_m)，约束条件为

其中I_max为STATCOM电流容量，基于以上分析，可得为使STATCOM贡献的电气阻尼最大参数K₁和K₂的最优解。结果如下：

其中

图2是本发明实施例提供的基于STATCOM抑制次同步谐振控制系统的结构示意图；其中，1表示STATCOM，2表示STATCOM的控制系统，3表示同步发电机。

STATCOM 1包括变流器11、直流母线电压12以及并网滤波器13，变流器11经并网滤波器13与同步机3端相连。

基于STATCOM抑制次同步谐振的控制系统2包括：检测模块21、锁相控制器22、直流电压控制器23、阻尼控制器24，电流调节器25、第一矢量合成器26、PWM发生器27、Park变换模块28以及第二矢量合成器29。

检测模块21，用于检测发电机转速，STATCOM直流电压以及STATCOM三相端电压和三相电流。

锁相控制器22，其输入端用于接收STATCOM三相端电压，用于根据三相电压来得到同步相位信号。

Park变换模块28，其第一输入端用以接收检测模块21输出的STATCOM三相端电压或STATCOM三相电流信号，第二输入端用以接收所述锁相控制器22输出的同步相位信号，用于根据同步相位信号将STATCOM三相端电压信号和STATCOM三相电流信号经过Park变换得到锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量。

其中，Park变换模块28将STATCOM三相端电压信号转换得到锁相同步坐标系下dq电压(U_d、U_q)，将STATCOM三相端电流信号转换得到锁相同步坐标系下dq电流(I_d、I_q)。

直流电压控制器23，其第一输入端用于接收直流电压基准值，其第二输入端用于接收直流母线电压，用于根据直流电压基准值和所述直流母线电压获得用以维持直流电压稳定的有功电流指令值1(I_d1)。

阻尼控制器24，其输入端用于接收所述转速偏差信号经过两个比例调节得到的次同步频段的有功电流指令指

和无功电流指令值

以及根据同步机初始功角变化及网络参数，协调优化两个比例调节的参数，可尽可能地提高STATCOM提供的附加电气阻尼。

第一矢量合成器26，其第一输入端连接至直流电压控制器23的输出端，其第二输入端连接至阻尼控制器24的输出端，用于将有功电流指令值1(I_d1)、有功电流指令指

和无功电流指令值

进行矢量合成获得电流指令

电流调节器25，其第一输入端用于接收所述电流指令值

其第二输入端用于接收Park变换模块28输出的STATCOM三相端电流的dq分量(I_d+jI_q)，第三输入端用以接收Park变换模块28输出的STATCOM三相端电压的dq分量(U_d+jU_q)，来得到电流调节器25输出的STATCOM输出电压在锁相坐标系下dq分量值。

PWM发生器27，其输入端连接至第二矢量合成器29的输出端，用于将所述的输出电压矢量经过空间矢量调制或其他调制方式产生控制变流器11的开关信号，PWM发生器的输出端连接至变流器11的控制端，所述开关信号控制变流器101输出相应的三相电压，实现注入次同步频段电流以提高电气阻尼的目的。

第二矢量合成器29其第一输入端连接至所述电流调节器26的输出端，其第二输入端连接至所述锁相控制器的输出端，用于将所述相位和所述电压dq分量进行矢量合成获得输出电压矢量，即三相交流输出电压。

基于STATCOM抑制次同步谐振控制系统的工作原理如下：

检测模块21检测发电机转速，STATCOM直流母线电压以及STATCOM三相端电压和三相电流。

将直流电压基准值和所述直流母线电压通过直流电压控制器23获得用以维持直流母线电压稳定的有功电流指令值1(I_d1)。

直流电压控制器23为PI控制器。将STATCOM三相端电压通过锁相控制器22得到用以同步的相位信号。

锁相控制器22将转速偏差信号经过阻尼控制器24得到的次同步频段的有功电流指令指

和无功电流指令值

根据所述电流指令和所述电流dq分量来通过电流调节器25得到电流调节器输出的调节电压dq分量值。

由上述获得的同步相位信号和电流调节器25输出的电压dq分量经过矢量合成器26得到输出电压矢量，即三相交流输出电压。

将获得输出电压矢量经过PWM发生器27最终产生控制变流器11中开关器件开通与关断的开关信号，此信号控制变流器11使其输出相应的三相电压，实现注入次同步频段电流以提高电气阻尼的目的。其中，PWM发生器27可以是空间矢量调制或其他调制方式。

基于STATCOM抑制次同步谐振控制方法具体实施步骤如下：

(i)用一组三相交流电压传感器14和一组三相电流霍尔传感器15分别采集得到STATCOM的三相交流端电压和三相交流电流，用一组直流电压传感器16得到STATCOM直流母线电压，用光码盘17得到同步机转速偏差信号；

(ii)将STATCOM三相端电压通过锁相控制器22得到用以同步的相位信号，三相端电压和所述三相电流经过Park变换模块28可得到锁相同步坐标系下的dq轴分量。

(iii)将直流电压基准值和所述直流母线电压通过直流电压控制器23获得用以维持直流母线电压稳定的有功电流指令值1。直流电压基准值一般直接给定。将转速偏差信号经过阻尼控制器24得到的次同步频段的有功电流指令指2和无功电流指令值。

(iv)将(iii)所得到的电流指令和(ii)所得STATCOM三相电流的dq分量通过电流调节器25得到STATCOM输出电压的dq分量。

(v)由上述(iv)中获得的输出电压dq分量与(ii)中获得的同步相位信号经矢量合成器26得到输出电压矢量，即三相交流输出电压。

(vi)将(v)中获得输出电压矢量经过PWM发生器26最终产生控制STATCOM变流器11开关器件开通与关断的开关信号，此信号控制STATCOM变流器11使其输出相应的三相电压。其中PWM发生器空间矢量调制或其他调制方式。

图3是本发明实施例提供的STATCOM抑制次同步谐振控制器的模块结构示意图。其包括锁相控制器(PLL)22、直流电压控制器23、阻尼控制器24，电流调节器25等。

直流电压控制器23，其结构包括第一加法器301，第一PI控制器302：

第一加法器301，其第一输入端用于接收所述有直流电压基准值，其第二输入端用于接收所述直流母线电压，用于将所述直流电压基准值减去所述直流母线电压并输出直流电压误差。第一PI控制器302，其输入端连接至第一加法器301的输出端，其输出端作为维持直流电压稳定的有功电流指令值1。

锁相控制器22的结构如图中所示，包含Park变换单元(3s/2r，即由三相静止坐标系变换到旋转锁相坐标系)201，第二PI控制器202，第二加法器203，积分控制器204：

Park变换单元201，其第一输入端用于接收STATCOM三相端电压信号，其第二输入端用于接收锁相控制器22输出的同步相位信号，用于经过Park变换得到STATCOM三相端电压锁相坐标系下的dq分量值。第二PI控制器202，其输入端用以接收所述三相端电压的q轴分量值，输出端为调节出的锁相环转速偏差信号。第二加法器203，其第一输入端连接至第二PI控制器202的输出端，其第二输入端为工频转速常量(ω₀)，用以得到锁相环的旋转速度。积分控制器(1/s)204，其输入端连接至第二加法器203的输出端，用以通过积分得到锁相控制22器提供的同步相位信号。

阻尼控制器24其结构包括高通滤波器401、第一比例控制器402以及第二比例控制器403：

高通滤波器401，其输入端为转速偏差信号，输出端为滤出的同步发电机转速次同步振荡分量。第一比例控制器402，其输入端连接值高通滤波器401的输出端，用以得到次同步频段的有功电流指令值2。第二比例控制器403，其输入端连接值高通滤波器401的输出端，用以得到次同步频段的无功电流指令值。根据同步机初始功角变化及网络参数，协调优化第一比例控制器402和第二比例控制器403的比例系数(K₁和K₂)，可尽可能地提高STATCOM提供的附加电气阻尼。

电流调节器25其结构包括第三加法器501，第三PI控制器502，第四加法器503：

第三加法器501，其第一输入端用以接收电流指令值，其第二输入端用于接收所述三相电流的dq分量值，用于将所述有功电流和无功电流指令值减去所述三相电流dq分量值并输出电流误差。第三PI控制器502，其输入端连接至所述第一加法器501的输出端，用于根据电流误差输出调节电压。第四加法器503，其第一输入端连接至第三PI控制器502的输出端，其第二输入端用于接收所述STATCOM三相端电压的dq分量值，用以根据调节电压得到STATCOM输出电压(控制电压)在锁相坐标系下的直轴和交轴分量，以控制STATCOM的注入电流。

需要说明的是，如图3所示，第三加法器501，第三PI控制器502，第四加法器503分为两路，一路用于根据第一矢量合成器26输出的d轴电流指令以及Park变换模块28输出的三相电流对应的d轴电流反馈确定d轴电流误差，最终结合Park变换模块28输出的三相电压对应的d轴电压分量得到STATCOM控制电压的d轴分量。另一路用于根据第一矢量合成器26输出的q轴电流指令以及Park变换模块28输出的三相电流对应的q轴电流反馈确定q轴电流误差，最终结合Park变换模块28输出的三相电压对应的q轴电压分量得到STATCOM控制电压的q轴分量。

通过本发明提供的上述步骤和系统，可以综合利用STATCOM的有功和无功通道提供次同步频段电流来提高电气阻尼，本申请并给出了有功电流和无功电流的优化分配方案。既能在较小的STATCOM容量下最大效果的提供附加电气阻尼，又能减少直流电压的波动，降低所采用STATCOM的成本和体积。增强STATCOM抑制次同步振荡方面的有效性，为电力系统安全稳定运行提供保障。

基于综合利用STATCOM的有功无功通道提供次同步频段电流来提高电气阻尼的方案，既能在较小的STATCOM容量下最大效果的提供附加电气阻尼，又能减少直流电压的波动，降低所采用STATCOM的成本和体积。增强STATCOM抑制次同步振荡方面的有效性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振方法，其特征在于，包括：

(1)采集同步发电机转速偏差信号、STATCOM直流母线电压信号、STATCOM三相端电压信号以及STATCOM三相电流信号；

(2)通过STATCOM三相端电压信号得到同步发电机进行同步所需的同步相位信号；根据同步相位信号将STATCOM三相端电压信号和STATCOM三相电流信号经过Park变换得到锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量；

(3)根据直流电压基准值和所述直流母线电压确定为维持直流母线电压稳定的第一有功电流指令，根据所述同步发电机转速偏差信号得到用以抑制次同步谐振的次同步频段的第二有功电流指令和无功电流指令，通过第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大；

(4)根据步骤(3)得到的第一有功电流指令、第二有功电流指令、无功电流指令以及步骤(2)得到的锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量；

(5)将步骤(4)得到的STATCOM输出电压的直轴和交轴分量与步骤(2)得到的同步相位信号进行矢量合成得到STATCOM三相交流输出电压信号；

(6)根据步骤(5)中得到的STATCOM三相交流输出电压信号产生控制STATCOM变流器开关器件开通与关断的开关信号，以控制STATCOM变流器使其输出相应的三相交流电压；

所述步骤(3)中具体包括：

设同步发电机转子轴系以其次同步模态频率ω_m振荡，设其功角偏差为Δδ＝A_msin(ω_mt)，则同步发电机转速偏差为Δω_r＝A_mω_mcos(ω_mt)，STATCOM提供的次同步频段第二有功电流指令

和无功电流指令

分别表示为：

其中，K₁和K₂均为协调优化比例参数，A_m为电流指令的幅值，|F(jω_m)|为前置滤波器在复频域的函数幅值，∠F(jω_m)为前置滤波器在复频域的函数相角，上标p表示STATCOM锁相坐标系；

根据次同步频段第二有功电流指令和无功电流指令即可得STATCOM贡献的附加电气阻尼：

基于复转矩系数理论推导可知，由STATCOM贡献的附加电气阻尼ΔT_e表达式为

其中，U₀、δ₀分别为同步发电机定子端电压和功角，ω₀为工频角频率，i_d0和i_q0分别为同步机转子坐标系下STATCOM三相电流信号的直轴和交轴分量，L_d(p)为等效d轴电感，L_q(p)为等效q轴电感，H_2×2(p)为综合考虑STATCOM发出的次同步频段电流中流向网络和流向同步发电机的各分量以及考虑锁相坐标系和同步机转子坐标系间转换两个因素的传递函数；

所述步骤(3)中所述通过第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，包括：

调节协调优化比例参数K₁和K₂，使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，优化的目标函数为：

J＝max(ΔT_e/ω_m)，约束条件

其中，I_max为STATCOM的电流容量，使得STATCOM贡献的电气阻尼最大的协调优化比例参数K₁和K₂的最优解为：

其中，

H₁₁(jω_m)、H₁₂(jω_m)、H₂₁(jω_m)、H₂₂(jω_m)为函数H_2×2(p)中的参数，J₁、J₂、J₃以及J₄分别为协调优化比例参数K₁和K₂在最优解时的系数。

2.一种基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，其特征在于，包括：

检测模块，用于采集同步发电机转速偏差信号、STATCOM直流母线电压信号、STATCOM三相端电压信号以及STATCOM三相电流信号；

直流电压控制器，其第一输入端用于接收直流电压基准值，第二输入端用于接收检测模块输出的STATCOM直流母线电压信号，用于根据直流电压基准值和所述直流母线电压确定为维持直流母线电压稳定的第一有功电流指令；

阻尼控制器，其输入端用以接收检测模块输出的同步发电机转速偏差信号，用于根据转速偏差信号得到用以抑制次同步谐振的次同步频段的第二有功电流指令和无功电流指令；通过第二有功电流指令和无功电流指令使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大；

锁相控制器，其第一输入端用以接收检测模块输出的STATCOM三相端电压信号，用于根据所述STATCOM三相端电压信号得到同步机发电机进行同步所需的同步相位信号；

Park变换模块，其第一输入端用以接收检测模块输出的STATCOM三相端电压或STATCOM三相电流信号，第二输入端用以接收所述锁相控制器输出的同步相位信号，用于根据同步相位信号将STATCOM三相端电压信号和STATCOM三相电流信号经过Park变换得到锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量；

电流调节器，其第一输入端用以接收所述直流电压控制器和阻尼控制器输出的电流指令值，第二输入端用以接收Park变换模块输出的STATCOM三相电流信号的直轴和交轴电流分量，第三输入端用以接收Park变换模块输出的STATCOM三相端电压信号的直轴和交轴电压分量，用于根据电流指令以及Park变换模块得到的锁相同步坐标系下的相应直轴和交轴分量得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量，所述电流指令值包括第一有功电流指令、第二有功电流指令以及无功电流指令中的至少一个；

矢量合成器，其第一输入端连接至电流调节器的输出端，第二输入端用以接收锁相控制器提供的同步相位信号，用于将STATCOM输出电压的直轴和交轴分量与同步相位信号进行矢量合成得到STATCOM三相交流输出电压信号；

PWM发生器，其输入端连接至所述矢量合成器的输出端，PWM发生器的输出端连接至STATCOM变流器的控制端，用于根据STATCOM三相交流输出电压信号产生控制STATCOM变流器开关器件开通与关断的开关信号，以控制STATCOM变流器使其输出相应的三相交流电压；

所述阻尼控制器中第一比例控制器和第二比例控制器的协调优化比例参数分别为K₁和K₂；设同步发电机转子轴系以其次同步模态频率ω_m震荡，设其功角偏差为Δδ＝A_msin(ω_mt)，则同步发电机转速偏差为Δω_r＝A_mω_mcos(ω_mt)，所述第二有功电流指令

和无功电流指令

分别表示为：

其中，K₁和K₂均为协调优化比例参数，A_m为电流指令的幅值，|F(jω_m)|为前置滤波器在复频域的函数幅值，∠F(jω_m)为前置滤波器在复频域的函数相角，上标p表示STATCOM锁相坐标系；

基于复转矩系数理论推导可知，由STATCOM贡献的附加电气阻尼ΔT_e表达式为

其中，U₀、δ₀分别为同步发电机定子端电压和功角，ω₀为工频角频率，i_d0和i_q0分别为同步机转子坐标系下STATCOM三相电流信号的直轴和交轴分量，L_d(p)为等效d轴电感，L_q(p)为等效q轴电感，H_2×2(p)为综合考虑STATCOM发出的次同步频段电流中流向网络和流向同步发电机的各分量以及考虑锁相坐标系和同步机转子坐标系间转换两个因素的传递函数；

所述阻尼控制器用于调节协调优化比例参数K₁和K₂，使STATCOM贡献的附加电气阻尼达到最大，优化的目标函数为：

J＝max(ΔT_e/ω_m)，约束条件为

其中，I_max为STATCOM的电流容量，使得STATCOM贡献的电气阻尼最大的协调优化比例参数K₁和K₂的最优解为：

其中，

H₁₁(jω_m)、H₁₂(jω_m)、H₂₁(jω_m)、H₂₂(jω_m)为函数H_2×2(p)中的参数，J₁、J₂、J₃以及J₄分别为协调优化比例参数K₁和K₂在最优解时的系数。

3.如权利要求2所述的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，其特征在于，所述直流电压控制器包括：

第一加法器，其第一输入端用于接收所述直流电压基准值，其第二输入端用于接收所述直流母线电压，用于将直流电压基准值与直流母线电压相减并输出得到的电压误差；

第一PI控制器，其输入端连接至所述第一加法器的输出端，输出端作为所述直流电压控制器的输出端，用于根据所述电压误差输出第一有功电流指令。

4.如权利要求2所述的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，其特征在于，所述阻尼控制器包括：

高通滤波器，其输入端用于接收所述转速偏差信号，输出端输出根据转速偏差信号得到的转速次同步振荡信号；

第一比例控制器，其输入端连接至高通滤波器的输出端，输出端输出根据转速次同步振荡信号得到的次同步频段的第二有功电流指令；

第二比例控制器，其输入端连接至高通滤波器的输出端，输出端输出根据转速次同步振荡信号得到的次同步频段的无功电流指令。

5.如权利要求2所述的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，其特征在于，所述锁相控制器包括：

Park变换单元，其第一输入端用于接收STATCOM三相端电压信号，第二输入端连接至锁相控制器的输出端，所述Park变换单元的输出端为锁相坐标系下STATCOM三相端电压的直轴和交轴分量；

第二PI控制器，其输入端接入锁相坐标系下STATCOM三相端电压的交轴分量，输出锁相控制器的转速偏差信号；

第二加法器，其第一输入端为工频转速信号，其第二输入端连接至第二PI控制器的输出端，用以得到锁相控制器的转速信号；

积分控制器，其输入端连接至第二加法器的输出端，用以根据锁相控制器的转速信号提供同步相位信号。

6.如权利要求2所述的基于STATCOM双通道抑制电网次同步谐振系统，其特征在于，所述电流调节器包括：

第三加法器，其第一输入端接收电流指令值，其第二输入端接收Park变换模块输出的STATCOM三相电流信号的直轴和交轴电流分量，用于将所述电流指令值减去所述Park变换模块输出的直轴和交轴电流分量并输出电流误差，所述电流指令值包括第一有功电流指令、第二有功电流指令以及无功电流指令中的至少一个；

第三PI控制器，其输入端连接至所述第三加法器的输出端，用于根据所述电流误差输出调节电压；

第四加法器，其第一输入端连接至第三PI控制器的输出端，第二输入端接收STATCOM三相端电压信号的直轴和交轴电压分量，用以根据调节电压得到STATCOM输出电压在锁相坐标系下的直轴和交轴分量。

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