CN108390399A - 一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统 - Google Patents

一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统 Download PDF

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赵国亮
于弘洋
刘宗烨
王英沛
陆振纲
蔡林海
刘海军
宋洁莹
刘依晗
祁欢欢
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Abstract

本发明公开一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统，次同步振荡抑制装置其中包括：信号采集设备，其连接汇流母线的出线端，用于采集输电线路上的电参数信息，电参数信息包括电流参数或电压参数或功率参数；串联变压器，其一次侧分别连接汇流母线的出线端与受端电路；电压源换流器，其输出端并联连接串联变压器的二次侧，用于根据电参数信息进行换流；储能电路，其并联连接电压源换流器，用于通过储存输电线路上的电能稳定电压源换流器的输出电压。本发明通过设置储能电路并联连接电压源换流器可以平抑电网接入点的输出电压波动以及电压源换流器的输出电压波动，有利于提高电网运行的稳定性和电网输出电能的稳定性。

Description

一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，具体涉及一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统。
背景技术
次同步振荡(SSR)是电力系统中极为常见且危害巨大的一种低频振荡。随着新能源的大力发展和电力电子技术的广泛应用，大规模新能源基地经串联补偿或经直流送出系统中存在频率时变的次同步振荡现象。例如：我国首例的新能源经串补接入输电系统的次同步振荡事故发生在张家口沽源地区，2010年该地区串补投运后至今发生了很多由风电机组和串补引起的次同步振荡问题，造成电网设备运行异常和大量风机脱网，严重威胁电网的安全稳定运行。近几年，我国的新疆、吉林、广东等地的风电场先后出现次同步振荡现象导致大量的电网事故。由此可见，次同步振荡所带来的风险不容忽视，为了实施电网侧应对次同步振荡风险的策略已经逐渐引起了学术界和生产运行部门的广泛关注。
目前传统的次同步振荡抑制装往往需要通过无功功率补偿进行抑制次同步振荡，由于次同步振荡电压的幅值较大，振荡频率较低，使得无功功率补偿电路中电容两端的电压发生较大的波动，一般会在无功功率补偿电路中选取容值较大的电容平抑次同步振荡引起电网接入点较大的电压波动，但是容值较大的电容成本较大，进而导致整个次同步振荡抑制装置的成本增加。
发明内容
因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的次同步振荡抑制电路选取容值较大的电容平抑次同步振荡引起电网接入点较大的电压波动，但是容值较大的电容成本较大，进而导致整个次同步振荡抑制装置的成本增加。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明实施例提供一种次同步振荡抑制装置，包括：
信号采集设备，其连接汇流母线的出线端，用于采集输电线路上的电参数信息，所述电参数信息包括电流参数或电压参数或功率参数；
串联变压器，其一次侧分别连接所述汇流母线的出线端与受端电路；
电压源换流器，其输出端并联连接所述串联变压器的二次侧，用于根据所述电参数信息进行换流；
储能电路，其并联连接所述电压源换流器，用于通过储存所述输电线路上的电能稳定所述电压源换流器的输出电压。
可选地，所述储能电路包括依次串联连接的第一电容和第一电感。
可选地，所述储能电路包括依次串联连接的第二电容、第二电感和可控开关。
可选地，所述储能电路包括若干个依次串联连接的储能电池。
可选地，所述的次同步振荡抑制装置，还包括：
次同步信号提取设备，其连接所述信号采集设备，用于从所述电参数信息中提取次同步信号；
控制设备，其分别连接所述次同步信号提取设备和所述电压源换流器的输入端，根据所述次同步信号提取设备提取的所述次同步信号生成触发脉冲信号，控制所述储能电路稳定所述电压源换流器的输出电压。
可选地，所述电压源换流器为全桥型结构或半桥型结构。
可选地，所述信号采集设备包括电压互感器或电流互感器或功率互感器中的一种或几种。
可选地，所述次同步信号提取设备还包括：
滤波器，其连接所述信号采集设备，用于对所述信号采集设备提取的次同步信号进行滤波。
相位补偿器，其连接所述滤波器，用于对所述滤波器滤波后的所述次同步信号进行相位补偿和校正。
本发明实施例提供一种电网输出系统，包括所述的次同步振荡抑制装置，还包括：
新能源发电基地，其包括多个新能源发电站，设置在电网的输入端，用于向所述电网提供电能；
所述汇流母线，其连接所述新能源发电基地，用于将所述多个新能源发电站输出的电能进行汇集；
升压变压器，用于对所述汇流母线输出的电压进行升压。
可选地，所述新能源发电站为风力发电站或光伏发电站。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明提供一种次同步振荡抑制装置及电网输出系统，其中次同步振荡抑制装置包括：信号采集设备，其连接汇流母线的出线端，用于采集输电线路上的电参数信息，电参数信息包括电流参数或电压参数或功率参数；串联变压器，其一次侧分别连接汇流母线的出线端与受端电路；电压源换流器，其输出端并联连接串联变压器的二次侧，用于根据电参数信息进行换流；储能电路，其并联连接电压源换流器，用于通过储存输电线路上的电能稳定电压源换流器的输出电压。本发明通过设置储能电路并联连接电压源换流器可以平抑电网接入点的输出电压波动以及电压源换流器的输出电压波动，有利于提高电网运行的稳定性和电网输出电能的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中次同步振荡抑制装置的结构示意图；
图2A为本发明实施例1中电压源换流器的第一电路原理图；
图2B为本发明实施例1中电压源换流器的第二电路原理图；
图2C为本发明实施例1中电压源换流器的第三电路原理图；
图2D为本发明实施例1中电压源换流器的第四电路原理图；
图3A为本发明实施例1中储能电路的第一电路原理图；
图3B为本发明实施例1中储能电路的第二电路原理图；
图3C为本发明实施例1中储能电路的第三电路原理图；
图3D为本发明实施例1中储能电路的第四电路原理图；
图4为本发明实施例1中控制设备进行次同步信号提取及相位补偿的示意图；
图5为本发明实施例2中电网输出系统的结构示意图；
图6为本发明实施例2中次同步振荡抑制装置抑制次同步信号的功率仿真图。
附图标记：
1-次同步振荡抑制装置； 11-信号采集设备； 12-次同步信号提取设备；
13-控制设备； 14-串联变压器； 15-电压源换流器；
16-储能电路； 21-新能源发电基地； 22-汇流母线；
23-升压变压器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种次同步振荡抑制装置，如图1所示，包括：分别包括信号采集设备11、串联变压器14、电压源换流器15和储能电路16。其中，信号采集设备11、串联变压器14、电压源换流器15和储能电路16都可以设置在汇流母线22的出线端所在的输电线路上。
具体地，信号采集设备11，设置在与汇流母线22的出线端连接的输电线路上，用于采集输电线路上的电参数信息，该电参数信息包括电流参数或电压参数或功率参数。此处的信号采集设备11可以是电压互感器或电流互感器或功率互感器，信号采集设备11之所以设置在与汇流母线22的出线端连接的输电线路上，是因为可以直接采集出电网侧输电线路上的电参数信息进而可以得到新能源风电场总的次同步信号并进行集中抑制。信号采集设备11所采集的电参数信息主要为输电线路上的第一电压US和第一电流IS，汇流母线22的出线端与电压源换流器15之间的输电线路上的第二电流IL，利用电压互感器采集第一电压US，利用电流互感器采集第一电流IS、第二电流IL、输电线路上的三相电流ILa1、ILb1和ILc1。信号采集设备11可以采集电网输电线路上不同频率范围的次同步信号，进而本实施例中的次同步振荡抑制装置可以对不同频率范围的次同步信号都可以进行有效抑制。
串联变压器14，其一次侧a分别连接汇流母线22的出线端与受端电路20。在图1中，可以看出串联变压器14的二次侧为b，一次侧为a，串联变压器14的二次侧b连接电压源换流器15，串联变压器14的一次侧a分别串联连接汇流母线22的输入端与受端电路20，串联变压器14的一次侧a还连接信号采集设备11，串联变压器14与次同步振荡抑制装置1的输出端串联连接形成串联补偿电路，串联变压器14一方面可以实现阻抗匹配，另一方面实现用于向次同步振荡抑制装置1的输出端注入抑制次同步信号的电压参数。
电压源换流器15，其输出端并联连接所述串联变压器14的二次侧b，用于根据所述电参数信息进行换流。具体地，本实施例中的电压源换流器15可以为全桥型结构，具体为H桥换流器，H桥换流器，如图2A所示，H桥换流器包括四个IGBT器件T1、T2、T3、T4和并联在H桥换流器之间的第三电容C3组成全桥型结构，作为其它可替换的实施方式，本实施例中的电压源换流器15还可以为半桥型结构，如图2B所示，电压源换流器15包括两个IGBT器件T5、T6和并联在电压源换流器15之间的第六电容C6组成半桥型结构。
具体地，本实施例中的电压源换流器15还可以为MMC换流阀，如图2C所示，MMC换流阀包括两个IGBT器件T1、T2和并联在MMC换流阀之间的第五电容C5组成半桥电路。作为其它可替换的实施方式，如图2D所示，MMC换流阀还可以包括四个IGBT器件T5、T6、T7、T8、。和并联在MMC换流阀器之间的第四电容C4组成全桥型结构。电压源换流器15的主要作用就是对电网输电线路上的电流进行换流。具体为，电压源换流器15通过导通或关断可以实现将直流电逆变为某个频率或可变频率的交流电，最终在脉冲宽度调制的作用下使得电压源换流器15的输出电压改变实现与受端电路20发生功率交换从而抑制次同步信号。
储能电路16，其并联连接电压源换流器15，用于通过储存输电线路上的电能稳定电压源换流器15的输出电压。具体地，储能电路16并联连接在电压源换流器15中的电容器的两端，如图3A所示，储能电路16主要储存输电线路上的有功电能，由于电压源换流器15在工作的过程中一般通过输出无功功率抑制次同步振荡，但是由于次同步振荡电压的幅值较大，振荡频率较低，使得电网输出电压以及电压源换流器15的电容器两端的电压发生较大的波动，并且当电网输电线路上需要接入一定的有功功率支撑时，传统的次同步振荡抑制装置也无法提供帮助。故本实施例通过在电压源换流器15的电容器的两端并联连接储能装置可以有效平抑次同步信号引起的电压波动，以及为电网输电线路提供有功支撑。例如：当新能源发电基地的输出功率大于前一时刻的输出功率时，电压源换流器15将新能源发电基地通过并网接入点的交流电压转换成直流电压，即实现换流，此时可以给储能电路16进行充电，储能电路16将所吸收的功率储存起来，即吸收了电网的输出电压，以减小新能源发电基地当前时刻并入到电网的输出功率，即平抑了电网前一时刻的输出电压。例如：当新能源发电基地的输出功率小于前一时刻的输出功率，电压源换流器15将储能电路16输出的直流电压变成交流电压，以通过并网接入点并入电网，使得储能电路16进行放电，最终通过储能电路16的放电功率补偿新能源发电基地并入电网时所缺失的有功功率，即补偿了电网前一时刻的输出电压。故本实施例中的储能电路16可以吸收新能源发电基地并入电网时的输出功率，以平抑因次同步振荡所引起电网输出电压波动，从而可以有效提高电网运行的稳定性和电网输出电能的质量。
本发明实施例中储能电路16，如图3B所示，包括依次串联连接的第一电容C1和第一电感L1，第一电容C1和第一电感L1依次串联连接后与电压源换流器15的电容器并联连接。作为其它可替换的实施方式，如图3C所示，储能电路16还可以包括依次串联连接的第二电容C2、第二电感L2和可控开关S1，第二电容C2、第二电感L2和可控开关S1依次串联连接后与电压源换流器15的电容器并联连接，其中可控开关S1可根据需要使得储能电路16适时接入电路，例如：如果电网输电线路上的次同步振荡引起的电压波动不是特别严重，可以选择关断可控开关S1不让储能电路16接入电路，如果电网输电线路上的次同步振荡引起的电压波动很严重，可以选择导通可控开关S1使得储能电路16接入电路平抑该电压波动。作为其它可替换的实施方式，如图3D所示,储能电路16还可以若干个依次串联连接的储能电池H1、H2、H3。若干个储能电池H1、H2、H3依次串联连接后并联连接电压源换流器15的电容器。
作为其它可替换的实施方式，本发明实施例的储能电路16还可以包括滤波器用于过滤电压源换流器15输出电流中的谐波分量。综上所述，通过不同实现方式的储能电路16都可以实现平抑电网输出电压的波动，进而提高电电网运行的稳定性和电网输出电能的质量。
如图1所示，本发明实施例中的次同步振荡抑制装置，还包括：次同步信号提取设备12和控制设备，其中，次同步信号提取设备12，其连接信号采集设备11，用于从电参数信息中提取次同步信号。此处的次同步信号提取设备12可以是现有技术中的信号提取器。具体地，根据第一电流IS与第二电流IL确定次同步电流信号。具体为，次同步信号提取设备12对从信号采集设备11中采集的第二电流IL进行d-q坐标变换得到d-q坐标系下的第三电流ILd和第四电流ILq，获取汇流母线22的出线端所在输电线路上的第一电流IS和第一相位θp，提取第三电流ILd的次同步电流ILd1和第四电流ILq的次同步电流ILq2。
次同步信号提取设备12还包括滤波器和相位补偿器，其中相位补偿器其连接信号采集设备，用于对信号采集设备提取的次同步信号进行滤波。相位补偿器，其连接滤波器，用于对滤波器滤波后的次同步信号进行相位补偿和校正。此处的相位补偿器，是现有技术中经常使用的相位补偿器，其内部的相位补偿参数是预先设定好的，由于次同步信号与输电线路上实际的次同步信号会存在一定的偏移，并且不同频率其相位偏移不一样，为了使得所获取的次同步信号较为精确，抑制次同步信号较为理想，故需要相位补偿器。具体地，如图4所示，次同步信号提取设备12对信号采集设备11采集输电线路上的三相电流ILa1、ILb1和ILc1进行坐标变换，信号采集设备11中采集的第二电流IL进行d-q坐标变换得到d-q坐标系下的第三电流ILd和第四电流ILq，获取汇流母线22的出线端所在输电线路上的第一电流IS和第一相位θp，第一相位θp通过锁相环获取，最后根据坐标变换后的第三电流ILd和第四电流iLq提取第三电流ILd的次同步电流ILd1和第四电流ILq的次同步电流ILq2，同理并对第一电压Us进行d-q坐标变换得到d-q坐标系下的第二电压Usq1和第三电压Usq2，对第三电流ILd和第四电流ILq进行相位补偿和校正并得到相位补偿的次同步电流ILd1次同步电流ILq2。
控制设备13，其分别连接次同步信号提取设备12和电压源换流器15的输入端，根据次同步信号提取设备12提取的次同步信号生成触发脉冲信号，控制储能电路16稳定电压源换流器15的输出电压。控制设备13主要应用现有技术中的控制器，用于产生触发脉冲信号，控制电压源换流器15内部的IGBT器件导通得到与控制设备13阀控指令一致的输出电压，控制设备13根据次同步信号提取设备12提取的次同步信号生成触发脉冲信号，通过脉宽调制控制电压源换流器15导通使得电压源换流器15的输出电压改变抑制次同步信号。此处的控制设备13主要用于对电压源换流器15内部的IGBT器件的通断进行控制改变电压源换流器15的输出电压的大小，最终通过串联变压器14向次同步振荡抑制装置1的输出端注入抑制次同步信号的输出电压。
实施例2
本发明实施例提供一种电网输出系统，如图5所示，包括实施例1中的次同步振荡抑制装置1，还包括：新能源发电基地21、汇流母线22、升压变压器2；其中次同步振荡抑制装置1包括信号采集设备11、次同步信号提取设备12、串联变压器14、电压源换流器15和控制设备13。信号采集设备11、次同步信号提取设备12、串联变压器14、电压源换流器15和控制设备13都可以设置在汇流母线22的出线端所在的输电线路上，串联变压器14的一次侧分别与汇流母线22的出线端与受端电路20连接。本实施例中的次同步振荡抑制装置1的输出端一般与受端电路20连接。本实施例中的次同步振荡抑制装置1的结构也较为简单，通过信号采集设备11、次同步信号提取设备12、串联变压器14、电压源换流器15和控制设备13能够快速有效抑制输电线路上的次同步信号。
新能源发电基地21，其包括多个新能源发电站，设置在电网的输入端，用于向电网提供电能。此处的新能源发电基地21可以为风力发电站或光伏发电站，其中风力发电站可以为直驱风力发电或双馈风力发电。新能源是非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发利用或正在积极研究、是指有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等，而本实施例中新能源发电基地21主要应用风能和太阳能，风力发电站和光伏发电站分别可以将风能和太阳能转换为电能供电网大量使用，是较为清洁和环保的能源。传统的发电基地一般使用汽轮发电机发电，其属于一种火力发电的方式。本实施例中的汇流母线的出线端所在的输电线路上，通过信号采集设备11可以直接采集电网侧输电线路上的次同步信号，故其采集方式较为方便，并且结合次同步振荡抑制装置中的储能电路16可以有效平抑电网输电线路上的电压波动，从而提高电网运行的稳定性和提高电网输出电能的质量。例如：本实施例中的新能源发电基地21为风力发电站，多个风力发电站较为分散，频率变化范围较大，使得风机运行状态受风速的影响较大，如果使用传统的火电方式进行采集风机轴系间的次同步信息较为困难，故新能源发电基地不但环保，还可以使得次同步信号提取设备12提取次同步信号不会受到约束。
在图5中，汇流母线22，其连接新能源发电基地21，用于将多个新能源发电站输出的电能进行汇集。汇流母线22集中汇集多个新能源发电站输出的电能，有利于集中抑制多个新能源发电站并网汇集后发生的次同步振荡现象，可以大大减少成本。升压变压器23用于对汇流母线22输出的电压进行升压。升压变压器23的一次侧连接汇流母线22的出线端，其二次侧连接信号采集设备11。当然，升压变压器23的一次侧与二次侧的连接方式可以互换，即升压变压器23的一次侧连接信号采集设备11，升压变压器23的二次侧连接汇流母线22的出线端。
如图5所示，为本实施例中电网输出系统中的新能源发电基地21使用多个风力发电站进行发电的过程中，发生次同步振荡时电网输出系统的功率仿真图，在图5中，6.5s时投入本实施例中的次同步振荡抑制装置1，从线路功率测量上可以明显看出，在发生次同步振荡时，功率呈等幅振荡的状态，在投入本实施例中的次同步振荡抑制装置1后，功率的振荡被快速平抑，恢复稳定。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种次同步振荡抑制装置，其特征在于，包括：
信号采集设备，其连接汇流母线的出线端，用于采集输电线路上的电参数信息，所述电参数信息包括电流参数或电压参数或功率参数；
串联变压器，其一次侧分别连接所述汇流母线的出线端与受端电路；
电压源换流器，其输出端并联连接所述串联变压器的二次侧，用于根据所述电参数信息进行换流；
储能电路，其并联连接所述电压源换流器，用于通过储存所述输电线路上的电能稳定所述电压源换流器的输出电压。
2.根据权利要求1所述的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述储能电路包括依次串联连接的第一电容和第一电感。
3.根据权利要求2所述的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述储能电路包括依次串联连接的第二电容、第二电感和可控开关。
4.根据权利要求3所述的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述储能电路包括若干个依次串联连接的储能电池。
5.根据权利要求1所述的次同步振荡抑制装置，其特征在于，还包括：
次同步信号提取设备，其连接所述信号采集设备，用于从所述电参数信息中提取次同步信号；
控制设备，其分别连接所述次同步信号提取设备和所述电压源换流器的输入端，根据所述次同步信号提取设备提取的所述次同步信号生成触发脉冲信号，控制所述储能电路稳定所述电压源换流器的输出电压。
6.根据权利要求1所述的次同步振荡抑制装置，其特征在于，所述电压源换流器为全桥型结构或半桥型结构。
7.根据权利要求1所述的次同步振荡抑制装置，所述信号采集设备包括电压互感器或电流互感器或功率互感器中的一种或几种。
8.根据权利要求5所述的次同步振荡抑制装置，所述次同步信号提取设备还包括：
滤波器，其连接所述信号采集设备，用于对所述信号采集设备提取的次同步信号进行滤波。
相位补偿器，其连接所述滤波器，用于对所述滤波器滤波后的所述次同步信号进行相位补偿和校正。
9.一种电网输出系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的次同步振荡抑制装置，还包括：
新能源发电基地，其包括多个新能源发电站，设置在电网的输入端，用于向所述电网提供电能；
所述汇流母线，其连接所述新能源发电基地，用于将所述多个新能源发电站输出的电能进行汇集；
升压变压器，用于对所述汇流母线输出的电压进行升压。
10.根据权利要求9所述的电网输出系统，其特征在于，所述新能源发电站为风力发电站或光伏发电站。
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