CN110086202B - 一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法及系统，方法包括获取系统频率相关指标；对系统频率相关指标进行处理得到频率校正信号；将频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中，维持并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量与电压旋转矢量的夹角，抑制系统频率变化，优化系统频率的动态过程。系统包括系统频率校正信号产生模块，用于利用系统频率相关指标构成附加的频率校正信号；系统频率响应优化模块，用于利用附加的频率校正信号优化系统频率的动态过程。本发明通过在并网变换器的无功支路上附加频率矫正信号可以在不增加系统备用容量的情况下，改善系统在遭受大的负荷扰动或故障时的频率动态过程，频率动态调节能力好。

Description

一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统频率稳定控制领域，更具体地，涉及一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法及系统。
背景技术
为推动能源转型、提高非化石能源的消费比重，我国新能源发电如风力发电、光伏发电以及生物质发电等，正取得高速的发展。我国“三北”地区的风电装机比例已达到较高水平，且已具备相当可观的规模。随着风电机组、光伏发电、直流输电等电力电子变换装备的大量接入，现代电力系统正迎来电力电子化的变革。
频率动态问题是指系统在大的负荷扰动或故障(如同步发电机跳机事故)等情况下，系统频率能否在接受范围之内。对于传统同步发电机系统而言，频率的动态过程受同步发电机影响。在功率不平衡扰动下，同步发电机转子转速发生变化，系统频率发生变化。这个过程由不平衡功率大小以及系统总的惯量大小决定
大规模电力电子装备的接入给电力系统频率动态特性带来影响。以并网变换器为例，经典控制下并网变换器不响应系统频率变化造成系统的惯量不足，导致系统的频率变化率增大，频率波动范围增加。为了使系统频率维持在合理区间，电力系统往往需要有足够的备用容量，备份容量越大，发生功率缺额时，频率下降越小，但是资源浪费也越大。也有一些电力电子装备采用了附加惯量控制，但是由于附加惯量控制加在有功控制支路上，受装备有功电流限幅的约束，对频率动态调节的能力有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法及系统，旨在解决现有有功支路的附加控制方式对频率动态调节能力有限的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法，包括：
通过并网变换器的锁相环获取系统频率相关指标；
对系统频率相关指标进行处理得到频率校正信号；
将频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中，维持并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量与电压旋转矢量的夹角，抑制系统频率变化，优化系统频率的动态过程。
优选地，系统频率相关指标包括系统频率，还包括系统频率变化Δω或者系统频率变化率dω/dt。
优选地，对系统频率相关指标进行处理包括：
当输入为系统频率，通过高通滤波器或者补偿矫正器进行微分；
当输入为系统频率变化，通过放大器进行放大；
当输入为系统频率变化率，通过低通滤波器进行滤波。
优选地，频率校正信号ωctrl为：
ωctrl＝k1Δω或
Figure BDA0002064040330000021
或
Figure BDA0002064040330000022
其中，Δω为系统频率变化，ω为系统频率，
Figure BDA0002064040330000023
为系统频率变化率，k1为放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子，k4、k5为低通滤波器参数；
当系统频率无变化时，所述频率校正信号处于非工作状态；当系统频率发生变化时，所述频率校正信号处于工作状态。
优选地，并网变换器的无功支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一无功支路。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于并网变换器的系统频率动态优化系统，包括：
系统频率校正信号产生模块，用于利用系统频率相关指标构成附加的频率校正信号；
系统频率响应优化模块，用于利用附加的频率校正信号优化系统频率的动态过程。
优选地，频率校正信号通过所述系统频率相关指标通过放大、滤波或者微分得到。
优选地，优化系统频率的动态过程通过将所述频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中得到。
本发明的对象包含但不限于直驱风机、光伏发电、直流输电具有并网变换器的电力电子装备。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明通过在并网变换器的端电压/无功功率/无功电流指令上附加频率矫正信号来优化系统频率动态特性的方法，可以在不增加系统备用容量的情况下，改善系统在遭受大的负荷扰动或故障时的频率动态过程，一方面减小频率波动的幅度，另一方面减缓频率波动的速度，从而使系统频率维持在合理的运行区间；
2、本发明区别于在并网变换器的有功功率/有功电流指令上附加频率矫正信号，通过在端电压/无功功率/无功电流指令上附加频率矫正信号来优化系统频率动态特性的方法不会受装备有功电流限幅的约束，从而有更大的调节范围，即系统频率动态特性更好。
附图说明
图1是本发明提供的基于并网变换器的系统频率动态优化方法的流程示意图；
图2是本发明提供的基于并网变换器的系统频率动态优化方法的控制框图；
图3是本发明实施例提供的并网变换器与同步发电机并网连接系统结构示意图；
图4是本发明实施例提供的基于并网变换器的等效两级系统控制原理图；
图5是本发明实施例提供的基于并网变换器的等效两级系统控制结果比较图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法，如图1所示，包括：
通过并网变换器的锁相环获取系统频率相关指标；
对系统频率相关指标进行处理得到频率校正信号；
将频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中，维持并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量与电压旋转矢量的夹角，抑制系统频率变化，优化系统频率的动态过程。
具体地，系统频率相关指标包括系统频率，还包括系统频率变化Δω或者系统频率变化率dω/dt。
具体地，对系统频率相关指标进行处理包括：
当输入为系统频率，通过高通滤波器或者补偿矫正器进行微分；
当输入为系统频率变化，通过放大器进行放大；
当输入为系统频率变化率，通过低通滤波器进行滤波。
优选地，频率校正信号ωctrl为：
ωctrl＝k1Δω或
Figure BDA0002064040330000051
或
Figure BDA0002064040330000052
其中，Δω为系统频率变化，ω为系统频率，
Figure BDA0002064040330000053
为系统频率变化率，k1为放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子，k4、k5为低通滤波器参数；
当系统频率无变化时，所述频率校正信号处于非工作状态；当系统频率发生变化时，所述频率校正信号处于工作状态。
具体地，并网变换器的无功支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一无功支路。
图2为具有频率动态优化控制的并网变换器的控制结构和电路结构图，Pm为并网变换器的输入功率，E为并网变换器的内电势矢量，Ut为端电压矢量，Ug无穷大电网电压矢量，Lf为滤波电感，Lg为网络电感，PI1为直流电压控制器，PI2为端电压控制器，PI3为交流电流控制器，PI4为锁相控制器，PI5为无功功率控制器，k2和k3为高通滤波器参数。高通滤波器通过对采集到的频率信息进行处理，得到频率校正信号，附加在并网变换器的无功支路上，通过改变q轴电流的指令值
Figure BDA0002064040330000054
来调节实际输出电流矢量相对于同步旋转坐标系的相位，改变并网变换器的输出有功功率，从而实现对系统频率动态的调节。
图3为并网变换器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1，2为同步发电机组，3为并网变换器，4～6为发电设备并网变压器，7～12为负荷1至负荷6,13为附加负荷，在100s时投入，14～19为π型等效线路。
以等效的两机系统为例，如图4所示为等效两机系统的旋转矢量关系图，并网变换器等效成为电流源，通过网络电感连接等效的同步机。其中I为并网变换器等效电流源输出的电流旋转矢量；E为并网变换器等效电流源的端口电压旋转矢量；U为等效同步机的端电压旋转矢量；L为网络电感；ω0为同步旋转速度；θi电流旋转矢量I相对于同步旋转坐标的相位；
Figure BDA0002064040330000061
为旋转矢量U和旋转矢量I的夹角；
Figure BDA0002064040330000062
为旋转矢量E和旋转矢量I的夹角；δ为旋转矢量E和旋转矢量U的夹角。当系统发生扰动使等效的同步机减速，锁相环采集到的系统频率ωp减小，等效同步机端电压旋转矢量U和并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量I的夹角
Figure BDA0002064040330000063
减小，并网变换器等效的电流源输出有功功率增加，从而使直流电容电压Udc下降，直流电压控制器产生反应，调节电流旋转矢量的相位，使得电流旋转矢量相位θi减小，
Figure BDA0002064040330000064
增加，并网变换器等效的电流源输出有功功率减小，而附加在无功支路上的频率控制由于并网变换器的有功支路和无功支路之间的耦合，在采集到系统频率ωp减小的信息后，也可以影响电流旋转矢量的相位θi，并使θi增加，来抵消直流电压控制使θi减小的作用，维持住等效同步机端电压旋转矢量U和并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量I的夹角
Figure BDA0002064040330000065
使得并网变换器等效的电流源输出更多的有功功率，抑制等效的同步机减速，即抑制系统频率ωp的变化，实现优化系统频率的效果。
图5为有附加频率控制和无附加频率控制时系统的频率波形比较图，其中100s时接入附加负荷。在同样扰动下，有附加频率控制时，系统频率波动幅度更小，波动速度更慢，动态过程明显好于没有附加频率控制。
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 (9)

1.一种基于并网变换器的系统频率动态优化方法，其特征在于，包括：
获取系统频率相关指标；
对所述系统频率相关指标进行处理得到频率校正信号；
将所述频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中，维持并网变换器等效电流源输出电流旋转矢量与电压旋转矢量的夹角，抑制系统频率变化，优化系统频率的动态过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统频率相关指标包括系统频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统频率相关指标还包括系统频率变化或者系统频率变化率。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述系统频率相关指标进行处理包括：
当输入为系统频率，通过高通滤波器或者补偿矫正器进行微分；
当输入为系统频率变化，通过放大器进行放大；
当输入为系统频率变化率，通过低通滤波器进行滤波。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述频率校正信号ωctrl为：
ωctrl＝k1Δω或
Figure FDA0002064040320000011
或
Figure FDA0002064040320000012
其中，Δω为系统频率变化，ω为系统频率，
Figure FDA0002064040320000013
为系统频率变化率，k1为放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子，k4、k5为低通滤波器参数；
当系统频率无变化时，所述频率校正信号处于非工作状态；当系统频率发生变化时，所述频率校正信号处于工作状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述并网变换器的无功支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一无功支路。
7.一种基于权利要求1至6任一所述的方法的系统频率动态优化系统，其特征在于，包括：
系统频率校正信号产生模块，用于利用系统频率相关指标构成附加的频率校正信号；
系统频率响应优化模块，用于利用所述附加的频率校正信号优化系统频率的动态过程。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述附加的频率校正信号通过所述系统频率相关指标通过放大、滤波或者微分得到。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述优化系统频率的动态过程通过将所述频率校正信号附加在并网变换器的无功支路中得到。
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