CN109687462A - 基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法、系统 - Google Patents

基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法、系统 Download PDF

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李洪兵
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陈涛
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Abstract

本发明公开了一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法及系统，它包括：根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗和柔性直流系统等值阻抗；对交流系统等值阻抗和柔性直流系统等值阻抗进行扫描分析，确定截止频率的范围；对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；判断截止频率是否超过预设的高频谐波门槛值；判断高频谐波幅值最大值是否超过谐波幅值门槛值；根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制。本发明能够有效地抑制不同频次的高频谐波振荡，降低高频谐波对电力设备绝缘强度的影响，减小由于高频谐波引起的电力系统继电保护装置误动风险。

Description

基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法、系统
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统，属于高压输电技术领域，更具体地，涉及一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法及系统。
背景技术
现有的模块化多电平换流器型(MMC)柔性直流输电系统，固有延时必然导致控制系统存在极点，形成不稳定的控制模式，在干扰源激励下可能导致振荡。极点频率与柔性直流系统固有延时互为倒数，现有的做法为：
(1)提升软、硬件性能，压缩延迟时间，将极点频率控制到高频范围；
(2)利用柔性直流系统快速控制特性，及时“跟踪”扰动信号，扰动信号为上半波时，柔性直流控制系统向下调节；扰动信号为下半波时，柔性直流控制系统向上调节，使扰动信号逐步收敛并消失，柔性直流控制系统对扰动信号呈现出“正阻尼”；
(3)采用针对特定频率的陷波器，采集换流母线电压经过派克变换后进行陷波滤波。
柔性直流的控制系统由于硬件处理、通信、规约转换等环节的作用必然产生延迟。极端工况下，处理高次谐波扰动时，可能导致上半波向上跟踪、下半波向下跟踪，导致谐波幅值逐渐增大，形成谐波扰动激励下的持续振荡，系统不收敛。陷波器需要先检测谐波达到门槛值后投入，振荡发生后电流环节已将谐波引入控制环节，仅在电压环节进行陷波，谐波抑制效果有限。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法及系统，能够有效抑制因外界激励产生的柔性直流系统高频谐波。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，它包括有：
S1：根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
S2：对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，确定截止频率F的范围；
S3：对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；
S4：判断截止频率F是否超过预设的高频谐波门槛值G1；若超过，则进入步骤S5；若不超过，则通过系统自身阻尼衰减消失；
S5：判断高频谐波幅值最大值是否超过谐波幅值门槛值G2；若超过，则进入步骤S6；
S6：根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制。
进一步，所述步骤S1中的柔性直流系统等值阻抗的计算如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，s为直流系统等效桥抗，L为直流系统等效压抗。
进一步，所述步骤S2包括有根据奈奎斯特稳定性判据Gstability对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，分析过程如下：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
进一步，所述步骤S2还包括有根据柔性直流控制策略传递函数计算电流输出，计算方式如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，Iref为电流参考值，Ugrid为电网侧交流电压。
本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，它包括有：阻抗单元、频率单元和门槛值判断单元；
所述阻抗单元用于根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
所述频率单元与所述阻抗单元连接，用于对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，确定截止频率F的范围，并对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；
所述门槛值判断单元与所述频率单元连接，用于判断截止频率F是否超过预设的高频谐波门槛值G1以及判断高频谐波幅值最大值是否超过谐波幅值门槛值G2；并根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制。
进一步，对柔性直流系统等值阻抗的计算如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，s为直流系统等效桥抗，L为直流系统等效压抗。
进一步，所述频率单元包括有根据奈奎斯特稳定性判据Gstability对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，分析过程如下：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
进一步，所述频率单元还包括有根据柔性直流控制策略传递函数计算电流输出，计算方式如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，Iref为电流参考值，Ugrid为电网侧交流电压。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明提出的一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，能够有效地抑制不同频次的高频谐波振荡，降低高频谐波对电力设备绝缘强度的影响，减小由于高频谐波引起的电力系统继电保护装置误动风险。本发明设计的非线性低通滤波器高频谐波控制方法，在不改变现有的调制、无功控制支撑策略、交流断面负荷约束能力的基础上，提出了新的高频谐波控制方法。该方法能够有效抑制因外界激励产生的柔性直流系统高频谐波。同时，方法还具有实现简单、快速控制等优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法的流程示意图。
图2为柔性直流输电系统与交流系统等值模型。
图3为柔性直流控制策略传递函数。
图4为高频谐波抑制原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例，如图1至图4所示；一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，本发明设计的高频谐波控制方法，需要采集柔性直流输电系统换流器母线电压信号，通过附加控制策略进行非线性低通滤波器的投切，根据交流电压基波水平，采用不同的滤波器电压输出，进一步改善低通滤波器效果，具体操作步骤如下：
1.构建柔性直流系统与交流系统等值模型，计算交流系统等值阻抗Zgrid，根据柔性直流系统控制策略传递函数计算柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
2.根据奈奎斯特稳定性判据进行阻抗扫描分析，确定截止频率F范围；根据计算得出某个具体的柔直系统和交流系统等值阻抗Zgrid、Zmmc，通过奈奎斯特稳定性判据进行计算扫描，如果此时计算结果显示不稳定，则对应的Gstability值为F的高频谐波门槛值。
3.对换流器母线电压信号进行傅里叶变换处理，得到各次高频谐波幅值；
4.判断截止频率F是否超过高频谐波门槛值G1，判断高频谐波幅值最大值是否超过高频谐波幅值门槛值G2；
5.当两个判据都满足时，即截止频率F超过高频谐波门槛值G1且高频谐波幅值最大值超过高频谐波幅值门槛值G2，则两个判据是同时满足。此时根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，达到高频谐波抑制效果。
图2为典型柔性直流输电系统与交流系统等值模型，本方法适用于此类系统。
图3为柔性直流控制策略传递函数，电流输出及柔性直流系统等值阻抗计算可得：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时。计算对应的输出电流是为了响应图四中柔直系统的电压前馈控制，因为柔直系统的直流电压是恒定的，所以通过计算得到对应时刻准确的电流值选择判断投切对应的低通滤波器，达到谐波控制的效果。
根据奈奎斯特稳定性判据，即：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
即同时满足如下两个条件时认为系统会发生谐振：
1)柔性直流阻抗Zmmc与系统阻抗Zgrid幅值相等；
2)柔性直流阻抗Zmmc与系统阻抗Zgrid相角差大于180°。
图4为高频谐波抑制原理示意图，当两个判据都满足时，根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，达到高频谐波抑制效果。
本发明提出的一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，能够有效地抑制不同频次的高频谐波振荡，降低高频谐波对电力设备绝缘强度的影响，减小由于高频谐波引起的电力系统继电保护装置误动风险。本发明设计的非线性低通滤波器高频谐波控制方法，在不改变现有的调制、无功控制支撑策略、交流断面负荷约束能力的基础上，提出了新的高频谐波控制方法。该方法能够有效抑制因外界激励产生的柔性直流系统高频谐波。同时，方法还具有实现简单、快速控制等优点。
本发明还提出一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，它包括有：阻抗单元、频率单元和门槛值判断单元；
所述阻抗单元用于根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
所述频率单元与所述阻抗单元连接，用于对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，确定截止频率F的范围，并对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；
所述门槛值判断单元与所述频率单元连接，用于判断截止频率F是否超过预设的高频谐波门槛值G1以及判断高频谐波幅值最大值是否超过谐波幅值门槛值G2；并根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制。
对柔性直流系统等值阻抗的计算如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，s为直流系统等效桥抗，L为直流系统等效压抗。
所述频率单元包括有根据奈奎斯特稳定性判据Gstability对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，分析过程如下：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
所述频率单元还包括有根据柔性直流控制策略传递函数计算电流输出，计算方式如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，Iref为电流参考值，Ugrid为电网侧交流电压。
本发明提出的一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，能够有效地抑制不同频次的高频谐波振荡，降低高频谐波对电力设备绝缘强度的影响，减小由于高频谐波引起的电力系统继电保护装置误动风险。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，确定截止频率F的范围；
对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；
在截止频率F超过预设的高频谐波门槛值G1、且高频谐波幅值最大值超过谐波幅值门槛值G2时，根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制；在截止频率F未超过预设的高频谐波门槛值G1时，通过系统自身阻尼衰减消失。
2.如权利要求1所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的柔性直流系统等值阻抗的计算如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，s为直流系统等效桥抗，L为直流系统等效压抗。
3.如权利要求1所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括有根据奈奎斯特稳定性判据Gstability对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，分析过程如下：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
4.如权利要求1所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括有根据柔性直流控制策略传递函数计算电流输出，计算方式如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，Iref为电流参考值，Ugrid为电网侧交流电压。
5.一种基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，其特征在于，所述系统包括有：阻抗单元、频率单元和门槛值判断单元；
所述阻抗单元用于根据预设的柔性直流系统与交流系统等值模型计算交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc；
所述频率单元与所述阻抗单元连接，用于对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，确定截止频率F的范围，并对柔性直流输电系统换流器母线电压信号进行处理，得到各次高频谐波幅值；
所述门槛值判断单元与所述频率单元连接，用于判断截止频率F是否超过预设的高频谐波门槛值G1以及判断高频谐波幅值最大值是否超过谐波幅值门槛值G2；并根据此时的交流电压基波水平，投切对应的非线性低通滤波器，完成高频谐波抑制。
6.如权利要求5所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，其特征在于，对柔性直流系统等值阻抗的计算如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，s为直流系统等效桥抗，L为直流系统等效压抗。
7.如权利要求5所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，其特征在于，所述频率单元包括有根据奈奎斯特稳定性判据Gstability对交流系统等值阻抗Zgrid和柔性直流系统等值阻抗Zmmc进行扫描分析，分析过程如下：
当Gstability在幅值大于0dB区间由上向下穿越(2k+1)π的次数大于由下向上穿越(2k+1)π的次数时，系统不稳定。
8.如权利要求5所述的基于非线性低通滤波器的柔直系统高频谐波控制系统，其特征在于，所述频率单元还包括有根据柔性直流控制策略传递函数计算电流输出，计算方式如下：
其中，GPI为电流内环控制器，Gd1为内环控制延时，Gd2为电压前馈环节延时，Iref为电流参考值，Ugrid为电网侧交流电压。
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