CN108400591A - 一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法 - Google Patents
一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于电力系统稳定性分析与控制技术领域的一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法。测量风电集群汇集线上的电流，得到联络线电流；设计低通滤波器和带阻滤波器对联络线电流进行滤波，得到联络线次同步电流；设计相位补偿和比例增益环节，得到次同步阻尼电流；电压外环在PI调节器作用下使装置直流电压跟踪参考值，输出值经过相角转换得到直流电压补偿电流；将直流电压补偿电流与次同步阻尼电流相加得到输出电流参考值；电流内环在PI调节器的作用下使SSO‑DS输出电流跟踪输出电流参考值，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。对于集中抑制风电并网引发的次同步谐振问题具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统稳定性分析与控制技术领域，特别涉及一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法。
背景技术
风电的大规模建设和并网运行对解决其消纳问题提出了更高的要求。由于风能具有地域性的特点，我国的风能资源与负荷中心整体又呈逆向分布，风电的大规模、高电压、远距离输送必不可少。串联电容补偿和高压直流输电是解决电力远距离送出的经济有效措施之一，也是目前风电并网远距离送出的主要措施之一，由此引发的次同步谐振问题也十分突出。2009年10月，美国德州某风场的双馈风机群与串补电网间发生频率约20Hz的次同步谐振事故，造成大量风机的撬杠电路损坏和脱网。2011年以来，我国河北沽源地区风电场发生了上百次由风电机群与串补电网相互作用而引发的次同步谐振，其频率在3～10Hz内变化，曾造成变压器异常振动和大量风机脱网。2015年以来，我国新疆哈密地区频繁出现风电机群参与的次同步谐振，频率在20～40Hz内变化，次同步谐振功率穿越35/110/220/500/750kV多级电网，甚至激发汽轮机组轴系扭振，造成 300km外的某电厂机组全跳和特高压直流功率骤降的事故。大规模风电并网引发的次同步谐振问题引起了国内外学者的普遍关注。若不能及时系统全面地研究应对策略和解决措施，可能会给设备厂商、发电企业和电网公司造成巨大的经济损失，甚至可能造成大范围稳定性事故，危及电网的安全可靠运行，影响国家能源战略的顺利实施。
对大规模风电并网引发的次同步谐振问题进行治理，特别是采取集中治理方式时，必须要准确提取系统的次同步谐振频率，然后根据系统的次同步谐振频率确定相应的治理方案，实现对次同步谐振的有效抑制。
然而，不同于火电机组的次同步扭振互作用，风电送出系统次同步谐振现象复杂，振荡现象频繁持续，且具有频率时变特性。由于没有机械系统参与作用，系统对振荡的阻尼作用较小，风电送出系统次同步谐振所导致的振荡发散速度更快。火电机组的次同步扭振互作用振荡频率单一且不具有时变性，并有机械阻尼参与作用。因此，传统的火电次同步谐振抑制方法已不再适用，急需研发适用于工程的风电并网引发的次同步谐振抑制措施。
因此，本发明提出一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，该方法能够能快速准确的动态检测出宽频带的次同步谐振信号并有效进行阻尼，信号检测方便，经济性好，能有效应对大型风电场群的时变次同步谐振。基于该方法设计了相应的次同步谐振动态抑制器SSO-DS(Subsynchronous Oscillation-Dynamic Suppressor)装置。所提出的SSO-DS抑制装置具有输出特性优良、动态响应速度快、年静态损耗小、占地面积小、控制策略设计灵活等优点，代表了当前最先进的次同步谐振抑制技术。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流iA0、iB0、iC0；
2)利用联络线电流iA0、iB0、iC0，根据带宽要求设计低通滤波器进行数字滤波，滤去二次及以上次数的谐波，再根据带宽要求设计带阻滤波器进行数字滤波，滤去工频分量，滤波后得到联络线次同步电流iA1、iB1、iC1；
3)根据该系统次同步谐振的主导频率，设计相位补偿和比例增益环节，生成联络线次同步电流iA1、iB1、iC1的相移信号，使在该频率处的幅值响应和相位保持不变，得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2；
4)根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，设计比例增益环节，用于产生与其成正比的次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC；
5)为了补偿装置运行损耗，保持直流电压的稳定，SSO-DS装置需要吸收少量的基波有功，提取装置各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC，测量装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC，并通过锁相环得到装置接入点电压A相相位
6)直流电压控制外环在PI调节器的作用下使装置各相直流电压平均值UdcA、 UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref，PI调节器输出得到直流电压补偿电流IdcA、 IdcB、IdcC；
7)直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC；
8)将直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC相加得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref；
9)SSO-DS抑制装置安装于风电场集群的汇集母线上，测量装置的输出电流iCA、iCB、iCC，电流内环在PI调节器的作用下使SSO-DS输出电流iCA、iCB、iCC跟踪输出电流参考值iAref、iBref、iCref，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。
其中，所述低通滤波器的传递函数为：
公式(1)中，TF1为二阶低通滤波器的传递函数，ωn为二阶低通滤波器的自然角频率，ξ1为二阶低通滤波器的阻尼系数。
其中，所述带阻滤波器的传递函数为：
公式(2)中，TF2为四阶带阻滤波器的传递函数，ω0为四阶带阻滤波器的中心频率，ξ2为四阶带阻滤波器的阻尼系数。
其中，由联络线电流iA0、iB0、iC0滤波后得到联络线次同步电流iA1、iB1、iC1的计算公式为：
其中，根据系统次同步谐振的主导频率，设计相位补偿的传递函数为：
公式(4)中，Gc(s)为相位补偿的传递函数。
其中，根据该系统次同步谐振的主导频率，设计比例增益环节使在该频率处响应的幅值不变，增益K的计算公式为：
公式(4)中，ωm为该系统次同步谐振的主导频率。
其中，对联络线次同步电流iA1、iB1、iC1进行相位和幅值补偿，得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2的计算公式为：
其中，根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，产生与其成正比的次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC的计算公式为：
公式(7)中，Kssr为比例增益的放大倍数。
其中，所述通过锁相环得到装置接入点电压A相相位装置接入点电压 A相相位的量化公式为：
公式(8)中，ω为电网频率，θ0为装置接入点A相电压初相角。
其中，所述为控制各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref的PI调节器输出得到的直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC的计算公式为：
公式(9)中，Kp为比例常数，Ki为积分常数。
其中，根据直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC的计算公式为：
其中，根据直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC，得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref的计算公式为：
本发明的有益效果是针对风电送出系统次同步谐振现象复杂，振荡现象频繁持续，且具有频率时变特性，振荡发散快，传统的火电次同步谐振抑制方法已不再适用的问题，提出一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，该方法能够能快速准确的动态检测出宽频带的次同步谐振信号并有效进行阻尼；信号检测方便，经济性好，能有效应对大型风电场群的时变次同步谐振；所提出的次同步谐振动态抑制器具有输出特性优良、动态响应速度快、年静态损耗小、占地面积小、控制策略设计灵活等优点，代表了当前最先进的次同步谐振抑制技术；对于集中抑制风电并网引发的次同步谐振问题具有重要意义。
附图说明
图1为一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法流程图。
图2为SSO-DS装置的安装位置。
图3为SSO-DS在ABC坐标系下的A相控制结构图。
具体实施方式
本发明提出一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
图1所示为一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法流程图，包括如下步骤：
1)在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流iA0、iB0、iC0；
2)利用联络线电流iA0、iB0、iC0，根据带宽要求设计低通滤波器进行数字滤波，滤去二次及以上次数的谐波，再根据带宽要求设计带阻滤波器进行数字滤波，滤去工频分量，滤波后得到联络线次同步电流iA1、iB1、iC1；
3)根据该系统次同步谐振的主导频率，设计相位补偿和比例增益环节，生成联络线次同步电流iA1、iB1、iC1的相移信号，使在该频率处的幅值响应和相位保持不变，得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2；
4)根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，设计比例增益环节，用于产生与其成正比的次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC；
5)为了补偿装置运行损耗，保持直流电压的稳定，SSO-DS装置需要吸收少量的基波有功，提取装置各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC，测量装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC，并通过锁相环得到装置接入点电压A相相位
6)直流电压控制外环在PI调节器的作用下使装置各相直流电压平均值UdcA、 UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref，PI调节器输出得到直流电压补偿电流IdcA、 IdcB、IdcC；
7)直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC；
8)将直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC相加得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref；
9)SSO-DS抑制装置安装于风电场集群的汇集母线上，测量装置的输出电流iCA、iCB、iCC，电流内环在PI调节器的作用下使SSO-DS输出电流iCA、iCB、iCC跟踪输出电流参考值iAref、iBref、iCref，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。
其中，所述低通滤波器的传递函数为：
公式(1)中，TF1为二阶低通滤波器的传递函数，ωn为二阶低通滤波器的自然角频率，ξ1为二阶低通滤波器的阻尼系数。
其中，所述带阻滤波器的传递函数为：
公式(2)中，TF2为四阶带阻滤波器的传递函数，ω0为四阶带阻滤波器的中心频率，ξ2为四阶带阻滤波器的阻尼系数。
其中，由联络线电流相量iA0、iB0、iC0滤波后得到联络线次同步电流iA1、iB1、 iC1的计算公式为：
其中，根据系统次同步谐振的主导频率，设计相位补偿的传递函数为：
公式(4)中，Gc(s)为相位补偿的传递函数。
其中，根据该系统次同步谐振的主导频率，设计比例增益环节使在该频率处响应的幅值不变，增益K的计算公式为：
公式(4)中，ωm为该系统次同步谐振的主导频率。
其中，对联络线次同步电流iA1、iB1、iC1进行相位和幅值补偿，得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2的计算公式为：
其中，根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，产生与其成正比的次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC的计算公式为：
公式(7)中，Kssr为比例增益的放大倍数。
其中，所述通过锁相环得到装置接入点电压A相相位装置接入点电压 A相相位的量化公式为：
公式(8)中，ω为电网频率，θ0为装置接入点A相电压初相角。
其中，所述为控制各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref的PI调节器输出得到的直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC的计算公式为：
公式(9)中，Kp为比例常数，Ki为积分常数。
其中，根据直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC的计算公式为：
其中，根据直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC，得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref的计算公式为：
具体地：
在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流iA0、iB0、iC0。
利用联络线电流iA0、iB0、iC0，根据带宽要求设计低通滤波器进行数字滤波，滤去二次及以上的谐波，低通滤波器的传递函数为：
再根据带宽要求设计带阻滤波器进行数字滤波，滤去工频分量，带阻滤波器的传递函数为：
滤波后得到联络线次同步电流iA1、iB1、iC1，计算公式如下：
根据该系统次同步谐振的主导频率ωm，设计相位补偿和比例增益环节，相位补偿和比例增益的量化公式如下：
相位补偿的传递函数为：
比例增益的计算公式为：
相位补偿环节生成联络线次同步电流iA1、iB1、iC1的相移信号，使在该频率处的幅值响应和相位保持不变，得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，计算公式为：
根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，设计比例增益环节，用于产生与其成正比的次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC，计算公式如下：
图2为SSO-DS抑制装置的安装位置。
为了补偿装置运行损耗，保持直流电压的稳定，SSO-DS装置需要吸收少量的基波有功，提取装置各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC，测量装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC，并通过锁相环得到装置接入点电压A相相位其量化公式如下：
直流电压控制外环在PI调节器的作用下使装置各相直流电压平均值UdcA、 UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref，PI调节器输出得到直流电压补偿电流IdcA、 IdcB、IdcC，计算公式如下：
直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压 ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC，计算公式如下：
将直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC相加得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref，计算公式如下：
SSO-DS抑制装置安装于风电场集群的汇集母线上，测量装置的输出电流 iCA、iCB、iCC，电流内环在PI调节器的作用下使SSO-DS输出电流iCA、iCB、iCC跟踪输出电流参考值iAref、iBref、iCref，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。
图3为SSO-DS在ABC坐标系下A相控制结构图。
已知某风电系统次同步谐振频率在4～12Hz，次同步谐振主导频率为8Hz。
在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流 iA0、iB0、iC0。
利用联络线电流iA0、iB0、iC0，根据本发明提出的基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，根据带宽要求可选取截止频率为100Hz的二阶低通滤波器进行数字滤波，低通滤波器的传递函数为：
再根据带宽要求可选取阻频带[49 51]Hz的带阻滤波器进行数字滤波，带阻滤波器的传递函数为：
滤波后联络线次同步电流iA1、iB1、iC1为：
根据该系统次同步谐振的主导频率8Hz，设计15°相位补偿，相位补偿的传递函数为：
比例增益为：
K＝0.7673
相位补偿环节得到次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2为：
根据次同步电流相移信号iA2、iB2、iC2，设计比例增益为5，得到次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC：
提取装置各相直流电压平均值UdcA、UdcB、UdcC，测量装置接入点三相电压ugA、 ugB、ugC，并通过锁相环得到装置接入点电压A相相位
直流电压控制外环在PI调节器的作用下使装置各相直流电压平均值UdcA、 UdcB、UdcC跟踪直流电压参考值Udcref，PI调节器输出得到直流电压补偿电流IdcA、 IdcB、IdcC：
直流电压补偿电流IdcA、IdcB、IdcC经过相角转换得到与装置接入点三相电压ugA、ugB、ugC同相的直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC：
将直流电压补偿电流ipA、ipB、ipC与次同步阻尼电流isubA、isubB、isubC相加得到输出电流参考值iAref、iBref、iCref：
SSO-DS抑制装置安装于风电场集群的汇集母线上，测量装置的输出电流 iCA、iCB、iCC，电流内环在PI调节器的作用下使SSO-DS输出电流iCA、iCB、iCC跟踪输出电流参考值iAref、iBref、iCref，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流(iA0、iB0、iC0)；
2)利用联络线电流(iA0、iB0、iC0)，根据带宽要求设计低通滤波器进行数字滤波，滤去二次及以上的谐波，再根据带宽要求设计带阻滤波器进行数字滤波，滤去工频分量，滤波后得到联络线次同步电流(iA1、iB1、iC1)；
3)根据该系统次同步谐振的主导频率，设计相位补偿和比例增益环节，生成联络线次同步电流(iA1、iB1、iC1)的相移信号，使在该频率处的幅值响应和相位保持不变，得到次同步电流相移信号(iA2、iB2、iC2)；
4)根据次同步电流相移信号(iA2、iB2、iC2)，设计比例增益环节，用于产生与其成正比的次同步阻尼电流(isubA、isubB、isubC)；
5)为了补偿装置运行损耗，保持直流电压的稳定，SSO-DS装置需要吸收少量的基波有功，提取装置各相直流电压平均值(UdcA、UdcB、UdcC)，测量装置接入点三相电压(ugA、ugB、ugC)，并通过锁相环得到装置接入点电压A相相位
6)直流电压控制外环在PI调节器的作用下使装置各相直流电压平均值(UdcA、UdcB、UdcC)跟踪直流电压参考值Udcref，PI调节器输出得到直流电压补偿电流(IdcA、IdcB、IdcC)；
7)直流电压补偿电流(IdcA、IdcB、IdcC)经过相角转换得到与装置接入点三相电压(ugA、ugB、ugC)同相的直流电压补偿电流(ipA、ipB、ipC)；
8)将直流电压补偿电流(ipA、ipB、ipC)与次同步阻尼电流(isubA、isubB、isubC)相加得到输出电流参考值(iAref、iBref、iCref)；
9)SSO-DS抑制装置安装于风电场集群的汇集母线上，测量装置的输出电流(iCA、iCB、iCC)，电流内环在PI调节器的作用下使SSO-DS输出电流(iCA、iCB、iCC)跟踪输出电流参考值(iAref、iBref、iCref)，该电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。
2.根据权利要求1所述一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，在风电集群汇集线上选取测量点，测量风电集群与电网之间的联络线电流。
3.根据权利要求2所述一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，根据带宽要求设计滤波器，通过低通滤波器加带阻滤波器的方式提取风电集群汇集线上的次同步电流。
4.根据权利要求3所述一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，根据提取出的次同步电流的主导频率，设计相位补偿和比例增益环节来产生次同步阻尼电流参考信号，此电流注入风电集群系统，为系统提供正阻尼，达到抑制次同步谐振的作用。通过改变相位补偿的角度和比例增益的大小来调节对系统的正阻尼的强弱。
5.根据权利要求4所述一种基于并联型电压源换流器的风电场次同步谐振抑制方法，其特征在于，所提出的SSO-DS抑制装置安装于风电集群汇集线上，能够快速准确的动态检测出风电机群的宽频带次同步振荡信号并有效进行阻尼，是一种集中解决风电场群次同振荡问题的并联型电压源换流器实施方案，安装及信号检测方便，经济性好，能有效应对大型风电场群的时变次同步振荡。
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