CN111262258A - 用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器，包括以下步骤：步骤1、从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的模态偏差信号；步骤2、对步骤1提取的同时包含有各频率信息和相位信息的模态偏差信号进行滤波后，在各频率信号中提取出次同步频率信号；步骤3、基于步骤2提取的各频率信号中次同步频率信号，分别对每个次同步模态分量在经过交直流系统时所发生的相位改变的大小进行相位补偿；步骤4、将步骤3中相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中。本发明能够能够同时适用于多端柔性直流系统和传统的双端柔性直流系统。

Description

用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，涉及用于柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器，尤其是一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器。

背景技术

目前，电力系统次同步振荡(Sub-synchronous Oscillation，SSO)是一种非常严重的电网稳定性问题，可能会导致发电机大轴的损坏。近年来，柔性直流输配电技术迅速发展，电网环境日益复杂，系统发生SSO的风险增加。

经检索发现，如下两篇文献：

文献“VSC_HVDC多通道附加阻尼控制器抑制次同步振荡(电力自动化设备2011年31卷9期)”披露了一种基于电压源型换流器的附加次同步阻尼控制器的设计思路。该附加次同步阻尼控制器采用多通道、窄频带的滤波和相位补偿，次同步抑制信号通过外环控制器附加到直流系统中。

文献“VSC_HVDC抑制串补引起的次同步振荡研究(华东电力2011年39卷4期)”披露了一种在VSC-HVDC系统中配置混合阻尼控制器用于抑制SSO的方法。该方法的实质还是将附加抑制信号附加到换流器的外环控制环节，只不过其在有功控制类和无功控制类上都加入了附加抑制信号。

上述两种方法运用在电压源型换流器中的附加阻尼控制器对两端交直流混合系统能有效适用，但不能满足多端系统运行方式切换时抑制SSO的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、通用性强且能够同时适用于多端柔性直流系统和传统的双端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法及控制器。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，包括以下步骤：

步骤1、从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的模态偏差信号；

步骤2、对步骤1提取的同时包含有各频率信息和相位信息的模态偏差信号进行滤波后，在各频率信号中提取出次同步频率信号；

步骤3、基于步骤2提取的各频率信号中次同步频率信号，分别对每个次同步模态分量在经过交直流系统时所发生的相位改变的大小进行相位补偿；

步骤4、将步骤3中相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中；

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)首先将交流电压信号进行锁相，提取出因系统振荡导致的相位的偏差情况；

首先进行αβ变换，将三相电压信号从三相静止坐标系到两相静止坐标系

式中，U_α、U_β为经过αβ变换的电压信号，U_a、U_b、U_c为母线ABC三相的电压信号。

(2)计算出U_α、U_β后，进行锁相计算，得出此时系统的转速ω；

式中，ω₀为系统的基准转速，ω₀＝100π；θ为系统的转角度数；K_p为系统的比例时间常数；K_i为系统的积分时间常数；

其中，系统转角度数θ的计算公式为：

式中，ω代表系统的转速，T代表压控振荡环节的时间常数，s代表拉普拉斯变换；

(3)计算附加阻尼控制器所需的转速偏差Δω＝U_αcosθ+U_βsinθ；

而且，所述步骤2的计算公式为：

Δω1＝Δω×H_BP×H_MOD1 (4)

Δω2＝Δω×H_BP×H_MOD2 (5)

Δω3＝Δω×H_BP×H_MOD3 (6)

其中，Δω₁、Δω₂、Δω₃分别代表阻尼控制器三个模态通道的转速偏差信号，H_BP为附加阻尼控制器带通滤波器的传递函数，其结构为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成，H_BP＝H_LP×H_HP:

式中，A_LP、A_HP分别为低通滤波器和高通滤波器的增益；ω_0LP＝2πf_0LP，ω_0HP＝2πf_0HP，f_0LP、f_0HP分别为低通滤波器和高通滤波器的截止频率；Q_LP、Q_HP分别代表低通滤波器和高通滤波器的品质因数；

其中，H_MOD1为附加阻尼控制器模态一滤波器的传递函数；H_MOD2为附加阻尼控制器模态二滤波器的传递函数；H_MOD3为附加阻尼控制器模态三滤波器的传递函数：

式中，A_MOD1、A_MOD2、A_MOD3分别为滤波器的增益；ω_0MOD1＝2πf_0MOD1，ω_0MOD2＝2πf_0MOD2，ω_0MOD3＝2πf_0MOD3，f_0MOD1、f_0MOD2、f_0MOD3分别为滤波器的截止频率；Q_MOD1、Q_MOD2、Q_MOD3分别代表滤波器的品质因数。

而且，所述步骤3的具体方法为：

计算附加阻尼控制器的输出信号为各模态信号经过相位补偿后的附加电流信号i_SSDC：

i_SSDC＝Δω₁×H_COM1×K₁+Δω₂×H_COM2×K₂+Δω₃×H_COM3×K₃ (11)

式中，H_COM1、H_COM2、H_COM3分别代表补偿环节的传递函数；K₁、K₂、K₃分别代表各模态通道的增益；

式中，a1＝(1-sinφ1)/(1+sinφ1)，

T_2MOD1＝a1×T_1MOD1；a2＝(1-sinφ2)/(1+sinφ2)，

T_2MOD2＝a2×T_1MOD2；a3＝(1-sinφ3)/(1+sinφ3)，

T_2MOD3＝a3×T_1MOD3。φ1、φ2、φ3为对应需要补偿的相位角。

而且，所述步骤4的具体方法为：

确定附加信号叠加位置为换流站内环控制器的有功电流参考值i_dref上，附加阻尼后的电流参考值用

表示：

一种附加阻尼控制器，包括：模态偏差信号提取装置、滤波装置、相位补偿装置和附加信号叠加装置；

所述模态偏差信号提取装置用于从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的频率偏差信号；

所述滤波装置用于将各频率信号中提取出次同步频率信号；

所述相位补偿装置用于通过多个超前滞后环节对特定频率的信号进行相位补偿；

所述附加信号叠加装置用于将相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明提出一种适用于多端柔性直流系统的附加阻尼控制方法，并设计一种新型附加阻尼控制器。该方法应用于柔性直流系统的换流站，通过将次同步抑制信号附加到外环控制器的电流参考值上，实现次同步振荡的抑制。该方法能够同时适用于多端柔性直流系统和传统的双端柔性直流系统。同时，由于附加信号的位置位于换流器控制逻辑的更底层，不受系统运行方式和换流器控制模式的影响，通用性更强。

2、本发明采用将次同步抑制信号叠加于换流器内环控制环节的方式设计附加阻尼控制器，能适用于系统的各种运行方式和换流器的各种控制模式，当系统的运行方式改变或换流器采用其他控制模式时，该控制方法仍然能正常发挥作用，通用性更强。本发明设计的附加阻尼控制器设计思路简单，实现方便，在系统的运行方式或换流站控制模式发生变化时，不用重新整定附加阻尼控制器的相位补偿环节参数，运用起来更加灵活方便。

附图说明

图1(a)为本发明的偏差提取环节结构图-锁相环节逻辑图；

图1(b)为本发明的偏差提取环节结构图-压控振荡器的逻辑图；

图2为本发明的滤波和相位补偿环节结构图；

图3为本发明的次同步抑制信号的附加位置示意图；

图4为本发明的附加阻尼控制器的总结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

实施例1：

一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：

步骤1、从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的模态偏差信号；

当交直流系统中发生故障或不正常运行时，交流系统中会激发次同步频率的振荡或波动，该波动反映在与换流站相连的交流母线上为交流电压中含有次同步频率的交流分量。如图1(a)和图1(b)所示，首先通过偏差信号提取环节将交流母线电压中的次同步频率分量的信号滤出。

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)首先将交流电压信号进行锁相，提取出因系统振荡导致的相位的偏差情况；

本方法直接提取的是母线ABC三相的电压信号U_a、U_b、U_c。

首先进行αβ变换，将三相电压信号从三相静止坐标系到两相静止坐标系

式中，U_α、U_β为经过αβ变换的电压信号，U_a、U_b、U_c为母线ABC三相的电压信号。

(2)计算出U_α、U_β后，进行锁相计算，得出此时系统的转速ω；

式中，ω₀为系统的基准转速，ω₀＝100π；θ为系统的转角度数；K_p为系统的比例时间常数；K_i为系统的积分时间常数；

其中，系统转角度数θ的获取需要经过一个压控振荡器的环节，起作用是将转速信号转变成周期性变动的角度信号：

式中，ω代表系统的转速，T代表压控振荡环节的时间常数；

(3)计算附加阻尼控制器所需的转速偏差Δω＝U_αcosθ+U_βsinθ；

步骤2、对步骤1提取的同时包含有各频率信息和相位信息的模态偏差信号进行滤波后，在各频率信号中提取出次同步频率信号；

所述步骤1的偏差信号提取环节中所包含的偏差信号含有多种频率分量，首先需要通过如图2所示的滤波环节就可以将次同步频率信号提取出来。

所述步骤2的计算公式为：

Δω1＝Δω×H_BP×H_MOD1 (4)

Δω2＝Δω×H_BP×H_MOD2 (5)

Δω3＝Δω×H_BP×H_MOD3 (6)

其中，Δω₁、Δω₂、Δω₃分别代表阻尼控制器三个模态通道的转速偏差信号，H_BP为附加阻尼控制器带通滤波器的传递函数，其结构为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成，H_BP＝H_LP×H_HP:

式中，A_LP、A_HP分别为低通滤波器和高通滤波器的增益；ω_0LP＝2πf_0LP，ω_0HP＝2πf_0HP，f_0LP、f_0HP分别为低通滤波器和高通滤波器的截止频率；Q_LP、Q_HP分别代表低通滤波器和高通滤波器的品质因数；

其中，H_MOD1为附加阻尼控制器模态一滤波器的传递函数；H_MOD2为附加阻尼控制器模态二滤波器的传递函数；H_MOD3为附加阻尼控制器模态三滤波器的传递函数：

式中，A_MOD1、A_MOD2、A_MOD3分别为滤波器的增益；ω_0MOD1＝2πf_0MOD1，ω_0MOD2＝2πf_0MOD2，ω_0MOD3＝2πf_0MOD3，f_0MOD1、f_0MOD2、f_0MOD3分别为滤波器的截止频率；Q_MOD1、Q_MOD2、Q_MOD3分别代表滤波器的品质因数。

步骤3、基于步骤2提取的各频率信号中次同步频率信号，分别对每个次同步模态分量在经过交直流系统时所发生的相位改变的大小进行相位补偿；

该补偿的目的是让附加阻尼控制器输出的信号通过换流站发挥作用后产生尽量大的次同步频率下的正阻尼；

所述步骤3的具体方法为：

计算附加阻尼控制器的输出信号为各模态信号经过相位补偿后的附加电流信号i_SSDC：

i_SSDC＝Δω₁×H_COM1×K₁+Δω₂×H_COM2×K₂+Δω₃×H_COM3×K₃ (11)

式中，H_COM1、H_COM2、H_COM3分别代表补偿环节的传递函数；K₁、K₂、K₃分别代表各模态通道的增益；

式中，a1＝(1-sinφ1)/(1+sinφ1)，

T_2MOD1＝a1×T_1MOD1；a2＝(1-sinφ2)/(1+sinφ2)，

T_2MOD2＝a2×T_1MOD2；a3＝(1-sinφ3)/(1+sinφ3)，

T_2MOD3＝a3×T_1MOD3。φ1、φ2、φ3为对应需要补偿的相位角。

步骤4、将步骤3中相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中；

所述步骤4的具体方法为：

确定附加信号叠加位置为换流站内环控制器的有功电流参考值i_dref上，如图3所示，附加阻尼后的电流参考值用

表示：

本发明通过换流站发挥作用，而换流站的输出量又影响交流母线电压，这就构成了一个闭环系统，防止系统SSO的发生。

实施例2：

本发明基于同一发明构思设计了附加阻尼控制器，如图4所示，包括：模态偏差信号提取装置、滤波装置、相位补偿装置和附加信号叠加装置；

所述模态偏差信号提取装置用于从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的频率偏差信号(该信号中同时包含有各频率信息和相位信息)；

所述滤波装置用于将各频率信号中提取出次同步频率信号；

所述相位补偿装置用于通过多个超前滞后环节对特定频率的信号进行相位补偿，已达到最佳的次同步抑制效果；

所述附加信号叠加装置用于将相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中，该部分需要换流器实际情况进行调整。

该发明附加信号的叠加位置位于换流器控制逻辑的更底层，不受系统运行方式和换流器控制模式的影响。不管系统处于何种运行方式或换流器处于何种控制模式，该附加阻尼控制方法均可以增强系统的电气阻尼，起到抑制SSO的作用。

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。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的模态偏差信号；

步骤2、对步骤1提取的同时包含有各频率信息和相位信息的模态偏差信号进行滤波后，在各频率信号中提取出次同步频率信号；

步骤3、基于步骤2提取的各频率信号中次同步频率信号，分别对每个次同步模态分量在经过交直流系统时所发生的相位改变的大小进行相位补偿；

步骤4、将步骤3中相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中。

2.根据权利要求1所述的一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)首先将交流电压信号进行锁相，提取出因系统振荡导致的相位的偏差情况；

首先进行αβ变换，将三相电压信号从三相静止坐标系到两相静止坐标系

式中，U_α、U_β为经过αβ变换的电压信号，U_a、U_b、U_c为母线ABC三相的电压信号；

(2)计算出U_α、U_β后，进行锁相计算，得出此时系统的转速ω；

式中，ω₀为系统的基准转速，ω₀＝100π；θ为系统的转角度数；K_p为系统的比例时间常数；K_i为系统的积分时间常数；

其中，系统转角度数θ的计算公式为：

式中，ω代表系统的转速，T代表压控振荡环节的时间常数，s代表拉普拉斯变换；

(3)计算附加阻尼控制器所需的转速偏差Δω＝U_αcosθ+U_βsinθ。

3.根据权利要求1所述的一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，其特征在于：所述步骤2的计算公式为：

Δω1＝Δω×H_BP×H_MOD1 (4)

Δω2＝Δω×H_BP×H_MOD2 (5)

Δω3＝Δω×H_BP×H_MOD3 (6)

其中，Δω₁、Δω₂、Δω₃分别代表阻尼控制器三个模态通道的转速偏差信号，H_BP为附加阻尼控制器带通滤波器的传递函数，其结构为一个高通滤波器和一个低通滤波器组成，H_BP＝H_LP×H_HP:

式中，A_LP、A_HP分别为低通滤波器和高通滤波器的增益；ω_0LP＝2πf_0LP，ω_0HP＝2πf_0HP，f_0LP、f_0HP分别为低通滤波器和高通滤波器的截止频率；Q_LP、Q_HP分别代表低通滤波器和高通滤波器的品质因数；

其中，H_MOD1为附加阻尼控制器模态一滤波器的传递函数；H_MOD2为附加阻尼控制器模态二滤波器的传递函数；H_MOD3为附加阻尼控制器模态三滤波器的传递函数：

式中，A_MOD1、A_MOD2、A_MOD3分别为滤波器的增益；ω_0MOD1＝2πf_0MOD1，ω_0MOD2＝2πf_0MOD2，ω_0MOD3＝2πf_0MOD3，f_0MOD1、f_0MOD2、f_0MOD3分别为滤波器的截止频率；Q_MOD1、Q_MOD2、Q_MOD3分别代表滤波器的品质因数。

4.根据权利要求1所述的一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

计算附加阻尼控制器的输出信号为各模态信号经过相位补偿后的附加电流信号i_SSDC：

i_SSDC＝Δω₁×H_COM1×K₁+Δω₂×H_COM2×K₂+Δω₃×H_COM3×K₃ (11)

式中，H_COM1、H_COM2、H_COM3分别代表补偿环节的传递函数；K₁、K₂、K₃分别代表各模态通道的增益；

式中，a1＝(1-sinφ1)/(1+sinφ1)，

T_2MOD1＝a1×T_1MOD1；a2＝(1-sinφ2)/(1+sinφ2)，

T_2MOD2＝a2×T_1MOD2；a3＝(1-sinφ3)/(1+sinφ3)，

T_2MOD3＝a3×T_1MOD3；φ1、φ2、φ3为对应需要补偿的相位角。

5.根据权利要求1所述的一种用于多端柔性直流系统的附加阻尼内环控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

确定附加信号叠加位置为换流站内环控制器的有功电流参考值i_dref上，附加阻尼后的电流参考值用

表示：

。

6.一种附加阻尼控制器，包括：模态偏差信号提取装置、滤波装置、相位补偿装置和附加信号叠加装置；

所述模态偏差信号提取装置用于从换流站交流母线电压中通过锁相环节得到系统中的频率偏差信号；

所述滤波装置用于将各频率信号中提取出次同步频率信号；

所述相位补偿装置用于通过多个超前滞后环节对特定频率的信号进行相位补偿；

所述附加信号叠加装置用于将相位补偿环节后的信号叠加到换流器的控制系统中。

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