CN107732939A - 基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法 - Google Patents

基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，利用电压源型变换器电流解耦控制对变换器输出电流和电压关系的改变，进而改变相邻连接处同步机电磁转矩增量与转速增量的关系。通过设定阻尼对任意频率都为正值，设置相应电流解耦控制中附加抑制次同步振荡控制回路的参数，以达到抑制次同步振荡的效果。本发明基于变换器解耦控制，仅需对电流解耦控制附加抑制次同步振荡控制回路或直接修改解耦控制参数，对任意频率均可起到正阻尼的抑制作用，无需进行电网中电压电流信号附加采集和滤波，工程实施成本低。

Description

基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法
技术领域
本发明属于电力系统稳定控制领域，更具体地，涉及一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法。
背景技术
近些年，我国风电场、光伏电站等新能源开发呈现规模化开发、集中式并网、远距离输送等特点，高压直流输电系统是进行大容量远距离输电和跨区域电网互联的有效手段，国内已建成并运行多条线路。虽然这些电力电子装备具有独立有功无功功率的快速控制特性，但如果控制器设计不合理，其容易引发附近同步机组次同步振荡，导致发电机轴系损坏，甚至严重威胁电力系统安全运行。
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。阻塞滤波器是一个频域非线性阻抗，其并联谐振频率一般略高于需抑制的扭振互补频率，即在扭振互补频率上表现为高电抗值和高电阻值的阻抗，能在该频率附近抵消电网中串联补偿电容的作用，从而起到抑制次同步振荡的作用。SEDC/PSS采用汽轮机的转速偏差信号作为输入，通过滤波得到扭振模式的振荡分量，再分别经过比例和移相环节得到各模式对应的控制信号，相加后适当限幅，形成SEDC/PSS总的控制信号去控制励磁调节器，产生次同步频率励磁电压、电流，进而形成阻尼扭矩，实现抑制次同步振荡的目标。SVC/SVG附加阻尼控制其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SVG能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，从而实现从同步振荡抑制。
但阻塞滤波器由于其阻抗呈频域非线性特性，在并联谐振频率稍高处呈强容性和弱阻尼，当与机网参数匹配形成串联谐振且对应总阻尼小于零时，则会导致异步自励磁现象。附加励磁阻尼控制与SVC/SVG附加阻尼控制都需进行机械或电气信号的采集及滤波，以得到次同步振荡信号，若以机械转速偏差信号作为输入，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，即使采集电气信号作为输入，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
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，旨在解决电压源型变换器并网系统中由于电力电子装备独立有功无功功率的控制器设计不合理导致次同步振荡的问题，本发明直接修正电流解耦控制参数，其可在宽频率范围内有效抑制次同步振荡。
本发明提供的基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，包括下述步骤：
S1：对电压源型变换器所在系统公共连接PCC点电压进行abc/dq坐标变换后获得dq同步坐标系下d轴电压值Ed和q轴电压值，将q轴电压值Eq进行PLL锁相处理后获得电压同步信号的基波正序相角θg；对电压源型变换器接入系统公共连接PCC点线路电流进行abc/dq坐标变换后获得dq同步坐标系下d轴电流值icd和q轴电流值icq；
S2：由电压源型变换器并联电容直流电压指令值(在标幺系统下取值为1)和电压源型变换器并联电容直流电压Udc差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中..轴电流指令值由电网所需无功功率指令值(在标幺系统下取值范围为-1到1之间)和电网无功功率实际值Qg差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中q轴电流指令值
S3：将d轴电流指令值Eqq轴电流指令值、d轴电流值icd、q轴电流值icq以及d轴电压值Ed和q轴电压值Eq通过附加抑制次同步振荡控制的电流解耦控制调节后获得电流解耦控制输出d轴电压指令值和q轴电压指令值d轴电压指令值和q轴电压指令值经dq/abc坐标变换形成三相电压指令值和
S4：三相电压指令值和经PWM调制后形成作为变换器控制信号，调节变换器输出电压va、vb和vc，改变变换器并网线路电流ica、icb和icc，进一步改变相邻连接处同步机电磁转矩增量与转速增量的关系，达到抑制次同步振荡的作用。
所述步骤S1中，采用信号变换矩阵进行abc/dq坐标变换；其中ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg。
所述步骤S1中，采用PLL锁相环实现锁相处理，其中锁相环结构为q轴电压值Eq经PI比例积分器调节，再经积分器积分后获得电压同步信号的基波正序相角θg。
所述步骤S3中，电流解耦控制调节具体为：将d轴电流指令值与d轴电流值icd之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压d轴指令值的一部分，将q轴电流指令值与q轴电流值icq之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压q轴指令值的一部分；将d轴电流值icd乘以..后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将d轴电流值icd乘以ω0Lc1后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc2后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分；将d轴电压值Ed作为电压前馈直接加入d轴电压指令值以获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，q轴电压值Eq作为电压前馈直接加入q轴电压指令值以获得换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分。
逆变器电流解耦控制的输出可表示为：
其中Ld2＝Lc+Lc1，Lq2＝Lc+Lc2。
其中，将d轴电流值icd乘以ω0Lc后加入q轴电压指令值支路为实现电流解耦控制的支路，将q轴电流值icq乘以ω0Lc减入d轴电压指令值支路为实现电流解耦控制的支路，将d轴电流值icd乘以ω0Lc1后加入q轴电压指令值支路为实现抑制次同步振荡的附加支路，将q轴电流值icq乘以ω0Lc2减入d轴电压指令值支路为实现抑制次同步振荡的附加支路。
所述步骤S3中，采用信号变换矩阵进行dq/abc坐标变换；
其中ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg。
所述步骤S4中，由改变变换器并网线路电流ica、icb和icc达到抑制次同步振荡作用的依据为：其中，L'd1＝Lc+Ldg，L'q1＝Lc+Lqg，L'q2＝-Lq2+Lc+Lqg，L'd2＝-Ld2+Lc+Lqg，R＝kp+Rg，Ld2＝Lc1+Lc，Lq2＝Lc2+Lc，Lc为电压源型变换器接入系统公共连接PCC点的滤波器电抗，Ldg和Lqg分别为接入系统公共连接PCC点的同步机的等效d轴和q轴电抗，kp为电压源型变换器电流解耦控制中PI控制的比例参数，Rg为接入系统公共连接PCC点的同步机的定子电阻，Lc1和Lc2分别为电压源型变换器电流解耦控制中附加抑制次同步振荡控制回路的d轴和q轴参数。
设计附加抑制次同步振荡控制回路参数Lc1和Lc2或直接修改电流解耦控制参数为Ld2和Lq2，使式(Lc-Ld2+Ldg)(Lc+Lq2+Ldg)＜0满足，即可达到抑制次同步振荡的效果。
本发明的有益效果为：
(1)基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制，其特征在于：在电流解耦控制附加抑制次同步振荡控制回路或直接修改解耦控制器参数，无需其他工程变更或改造，无需进行任何附加的机械或电气量测量和滤波，工程实施成本低，实现简单，适用性广。
(2)通过设计合理的附加抑制次同步振荡控制回路参数或解耦控制器参数，可实现对各次同步振荡频率及其互补频率宽范围的补偿，抑制功能全面。
附图说明
图1为本发明的电压源型变换器并网系统的控制结构示意框图；
图2为本发明控制方法实现流程图；
图3为全功率风机并网与同步发电机并网连接系统结构，此为本发明推荐的一个模拟实例，实际应用并不限于此结构和此参数；
图4(a)为变换器接入前同步机机械转速波形图、(b)为变换器接入后同步机机械转速波形图、(c)为电流解耦控制附加抑制次同步振荡控制的变换器接入后同步机机械转速波形图，其中三相暂态扰动加入时刻为2.0s，持续时间75ms，风机接入电网时刻为5.0s。
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。
附图1为电压源型变换器并网系统的控制结构示意框图。其中：
1为电压源型变换器并网系统实际电路，包括电压源型并网变换器、滤波器、连接线路、系统公共连接PCC点；
2为电压源型变换器所在系统公共连接PCC点三相电压Ea、Eb、Ec采集模块；
3为电压源型变换器接入系统公共连接PCC点线路三相电流ica、icb、icc采集模块；
4为abc/dq坐标变换模块，以PLL锁相环获得的基波正序相角θg为基准，利用变换矩阵实现abc/dq坐标变换，其中，ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg，将模块2采集的电压源型变换器所在系统公共连接PCC点三相电压Ea、Eb、Ec变换到dq同步坐标系下电压值Ed和Eq，模块3采集的电压源型变换器接入系统公共连接PCC点线路三相电流ica、icb、icc变换到dq同步坐标系下电流值icd和icq，作为解耦控制的输入；
5为dq/abc坐标变换模块，以PLL锁相环获得的基波正序相角θg为基准，利用变换矩阵实现dq/abc坐标变换，其中，ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg，将电流解耦控制形成的dq同步坐标系下d轴电压指令值和q轴电压指令值变换到三相电压指令值和作为PWM模块的输入；
6为PLL锁相环模块，由采集的q轴电压值Eq经PI比例积分器调节，再经积分器积分后获得电压同步信号的基波正序相角θg，为abc/dq坐标变换和dq/abc坐标变换提供相位基准；
7为附加抑制次同步振荡控制的电压源型变换器解耦控制模块，由电压源型变换器并联电容直流电压指令值(在标幺系统下取值为1)和电压源型变换器并联电容直流电压Udc差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中d轴电流指令值由电网所需无功功率指令值(在标幺系统下取值范围为-1到1之间)和电网无功功率实际值Qg差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中q轴电流指令值将d轴电流指令值与d轴电流值icd之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压d轴指令值的一部分，将q轴电流指令值与q轴电流值icq之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压q轴指令值的一部分；将d轴电流值icd乘以ω0Lc后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将d轴电流值icd乘以ω0Lc1后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc2后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分；将d轴电压值Ed作为电压前馈直接加入d轴电压指令值以获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，q轴电压值Eq作为电压前馈直接加入q轴电压指令值以获得换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分；形成的电压指令值和经dq/abc坐标变换后作为PWM模块的输入；
8为PWM模块，将解耦控制形成的三相电压指令值和经PWM调制后形成作为变换器控制信号，调节变换器输出电压va、vb和vc，实现改变变换器并网线路电流ica、icb和icc，最后达到抑制次同步振荡的作用。
本发明提出一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，如图2所示，步骤如下：
S1：利用电压源型变换器所在系统公共连接PCC点电压进行abc/dq坐标变换后获得dq同步坐标系下d轴电压值Ed和q轴电压值Eq，q轴电压值Eq输入PLL锁相环后获得电压同步信号的基波正序相角θg，利用电压源型变换器接入系统公共连接PCC点线路电流进行abc/dq坐标变换后获得dq同步坐标系下d轴电流值icd和q轴电流值icq；
S2：由电压源型变换器并联电容直流电压指令值(在标幺系统下取值为1)和电压源型变换器并联电容直流电压Udc差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中d轴电流指令值由电网所需无功功率指令值(在标幺系统下取值范围为-1到1之间)和电网无功功率实际值Qg差经PI比例积分器调节形成电流解耦控制中q轴电流指令值
S3：将d轴电流指令值q轴电流指令值d轴电流值icd、q轴电流值icq以及d轴电压值Ed和q轴电压值Eq通过附加抑制次同步振荡控制的电流解耦控制调节后获得电流解耦控制输出d轴电压指令值和q轴电压指令值d轴电压指令值和q轴电压指令值经dq/abc坐标变换形成三相电压指令值和
S4：三相电压指令值和经PWM调制后形成作为变换器控制信号，调节变换器输出电压va、vb和vc，改变变换器并网线路电流ica、icb和icc，进一步改变相邻连接处同步机电磁转矩增量与转速增量的关系，达到抑制次同步振荡的作用。
本发明提出的一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，由于在电流解耦控制附加抑制次同步振荡控制回路或直接修改解耦控制器参数，无需其他工程变更或改造，也无需进行任何机械或电气量的测量和滤波，工程实施成本低，实现简单，适用性广，能实现对各次同步振荡频率及其互补频率宽范围的补偿，抑制功能全面。
图3为全功率风机并网与同步发电机并网连接系统结构，此为本发明推荐的一个模拟实例，实际应用并不限于此结构和此参数；其中1为同步发电机组，2为汽轮机，3为同步机并网变压器，4为同步机与并网点间线路电抗，5为同步机与并网点间线路电阻，6为串联补偿电容器，7为无穷大电网与并网点间线路电抗，8为无穷大电网与并网点间线路电阻，9为无穷大电网，10为系统公共连接PCC接入点，11为全功率风机并网变压器，12为滤波器，13为电压源型逆变器，14为电压源型整流器，15为风电机组。
图4(a)为变换器接入前同步机机械转速波形图、(b)为变换器接入后同步机机械转速波形图、(c)为电流解耦控制附加抑制次同步振荡控制的变换器接入后同步机机械转速波形图，其中三相暂态扰动加入时刻为2.0s，持续时间75ms，风机接入电网时刻为5.0s。可见变换器解耦控制附加阻尼控制回路后能有效抑制振荡。
以上实施例仅为本发明推荐的一个模拟实施例，其具体结构与参数并不以任何形式限制本发明，通过改变电压源型变换器解耦控制结构参数实现次同步振荡控制也属于本发明范围。该领域技术人员所做的基于发明内容原则内的任何修改、变更及改进等，将不影响本发明的本质内容，均应在本发明的权利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电压源型变换器解耦控制的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：对电压源型变换器所在系统公共连接PCC点电压进行abc/dq坐标变换后获得dq同步坐标系下d轴电压值Ed和q轴电压值Eq，将q轴电压值Eq进行PLL锁相处理后获得电压同步信号的基波正序相角θg；对电压源型变换器接入系统公共连接PCC点线路电流进行abc/dq坐标变换后获得..同步坐标系下d轴电流值icd和q轴电流值icq；
S2：将电压源型变换器并联电容直流电压指令值和电压源型变换器并联电容直流电压Udc之差进行PI比例积分调节后获得电流解耦控制中d轴电流指令值并将电网所需无功功率指令值和电网无功功率实际值Qg之差进行PI比例积分调节后获得电流解耦控制中q轴电流指令值
S3：将d轴电流指令值q轴电流指令值d轴电流值icd、q轴电流值icq以及d轴电压值Ed和q轴电压值Eq通过附加抑制次同步振荡控制的电流解耦控制调节后获得电流解耦控制输出d轴电压指令值和q轴电压指令值d轴电压指令值和q轴电压指令值经dq/abc坐标变换形成三相电压指令值和
S4：三相电压指令值和经PWM调制后形成变换器控制信号，用于调节变换器输出电压va、vb和vc，改变变换器并网线路电流ica、icb和，进一步改变相邻连接处同步机电磁转矩增量与转速增量的关系，实现抑制次同步振荡。
2.如权利要求1所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，在步骤S1中，采用信号变换矩阵进行abc/dq坐标变换；
其中，ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg。
3.如权利要求1或2所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，在步骤S1中，采用PLL锁相环实现锁相处理，其中锁相环结构为q轴电压值Eq经PI比例积分器调节，再经积分器积分后获得电压同步信号的基波正序相角θg。
4.如权利要求1-3任一项所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述电流解耦控制调节具体为：
将d轴电流指令值与d轴电流值icd之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压d轴指令值的一部分，将q轴电流指令值与q轴电流值icq之差进行PI比例积分调节后获得变换器电流解耦控制输出电压q轴指令值的一部分；将d轴电流值icd乘以ω0Lc后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将d轴电流值icd乘以ω0Lc1后加入q轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，将q轴电流值icq乘以ω0Lc2后减入d轴电压指令值获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分；将d轴电压值Ed作为电压前馈直接加入d轴电压指令值以获得变换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分，q轴电压值Eq作为电压前馈直接加入q轴电压指令值以获得换器电流解耦控制输出电压指令值的一部分。
5.如权利要求4所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，将d轴电流值icd乘以ω0Lc后加入q轴电压指令值支路为实现电流解耦控制的支路，将q轴电流值icq乘以ω0Lc减入d轴电压指令值支路为实现电流解耦控制的支路，将d轴电流值icd乘以ω0Lc1后加入q轴电压指令值支路为实现抑制次同步振荡的附加支路，将q轴电流值icq乘以ω0Lc2减入d轴电压指令值支路为实现抑制次同步振荡的附加支路。
6.如权利要求1-5任一项所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，在步骤S3中，采用信号变换矩阵进行dq/abc坐标变换；
其中，ωt为系统公共连接PCC点电压进行PLL锁相后获得的电压同步信号的基波正序相角θg。
7.如权利要求1-6任一项所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，在步骤S4中，通过改变变换器并网线路电流ica、icb和icc来改变相邻连接处同步机电磁转矩增量与转速增量的关系，达到抑制次同步振荡的作用的依据为：其中，L′d1＝Lc+Ldg，L′q1＝Lc+Lqg，L′q2＝-Lq2+Lc+Lqg，L′d2＝-Ld2+Lc+Lqg，R＝kp+Rg，Ld2＝Lc1+Lc，Lq2＝Lc2+Lc，Lc为电压源型变换器接入系统公共连接PCC点的滤波器电抗，Ldg和Lqg分别为接入系统公共连接PCC点的同步机的等效d轴和q轴电抗，kp为电压源型变换器电流解耦控制中PI控制的比例参数，Rg为接入系统公共连接PCC点的同步机的定子电阻，Lc1和Lc2分别为电压源型变换器电流解耦控制中附加抑制次同步振荡控制回路的d轴和q轴参数。
8.如权利要求7所述的抑制次同步振荡控制方法，其特征在于，当满足条件(Lc-Ld2+Ldg)(Lc+Lq2+Ldg)＜0时，可实现抑制次同步振荡。
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