CN111276994B - 海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法 - Google Patents

海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，所述方法包括：构建海上换流站变流器锁相环、电流环及直压环各子系统的传递函数模型；构建海上换流站变流器全系统闭环传递函数模型；选定关注的几个谐波幅值计算点，推导得到待计算变量关于扰动量的传递函数模型；基于传递函数模型分析计算各点的谐波幅值，选择谐波幅值较高的位置作为高风险位置，予以重点关注。

Description

海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法
技术领域
本发明涉及对于深远海的海上风电场送出设备的谐波幅值特性分析方法，尤其涉及基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法。
技术背景
随着海上风电的开发由近浅海走向深远海，柔性直流输电系统由于其具有经济性较好、灵活可控的优点而成为风电外送的理想选择，然而风电与交流海缆之间会存在交互作用进而产生高幅值的谐波电流分量，该分量会流入到柔性直流输电系统中，柔性直流输电的变流控制系统会对馈入的谐波电流分量进一步进行响应，并进一步与风电及交流海缆系统交互作用。
因此，为了系统地进行海上风电场谐波谐振问题的分析，有必要分析柔性直流输电变流控制系统对谐波分量的响应特性，分析海上换流站变流控制系统各环节对谐波的响应特性，以选择重点关注的对象。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，以获得海上换流站变流控制系统各环节中的高风险位置，得以在控制中重点关注。为此，本发明采用以下技术方案：
基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，其特征在于所述方法是基于传递函数模型，计算得到柔性直流输电海上换流站关注的谐波幅值计算点关于馈入变流器的扰动量；所述方法通过联立柔性直流输电海上换流站变流器内子系统的传递函数模型而获得变流器全系统的传递函数模型；所述方法根据所述传递函数模型计算得到关注的变量的幅值关于谐波注入扰动量的幅频特性；根据幅值特性计算不同位置处的谐波幅值，进而判定谐波幅值较大的位置作为重点关注对象。
各子系统的传递函数模型，是在同步坐标系下，分析其对谐波的响应特性而推导得到。所述同步坐标系为d/q轴同步坐标系。
各子系统的传递函数模型包括柔性直流输电海上换流站变流器的锁相环子系统传递函数模型、电流内环子系统传递函数模型以及有功/无功外环子系统传递函数模型、控制系统与系统接口方程子系统的传递函数模型、换流变子系统传递函数模型；将锁相环子系统传递函数模型、电流内环子系统传递函数模型以及有功/无功外环子系统传递函数模型、控制系统与系统接口方程子系统的传递函数模型、换流变子系统传递函数模型联立而获得变流器全系统的传递函数模型。
进一步地，将推导得到的海上换流站变流器各子系统传递函数模型根据谐波信号的流动关系连接构建得到全系统的闭环传递函数模型，在此基础上，以柔性直流输电的输入电流扰动量作为输入，选择需要进行谐波幅值计算的位置作为输出，基于推导得到的网络传递函数幅频特性，计算不同的谐波位置的谐波幅值，对不同位置的谐波幅值进行比较，将幅值较高的位置作为高风险位置，予以重点关注。
根据上述技术方案，本发明的益处是：能够计及锁相环、电流内环及功率外环等变流控制系统对谐波的响应特性，能够计算得到谐波在变流控制系统内部的流通特性，能够获得不同位置点对谐波特性的影响，进而对幅值风险较高的位置予以重点关注；本发明还能为明确谐波电流在变流控制系统内部的流通路径、以及系统的开展全系统谐波谐振分析提供基础。
附图说明
图1为柔性直流送电系统框图。
图2为海上换流站变流控制系统外环功率环传递函数框图。
图3为海上换流站变流控制系统内环电流环传递函数框图。
图4为海上换流站整流侧锁相环传递函数框图。
图5为海上换流站对谐波响应后的传递函数框图。
具体实施方式
参照附图。本发明提出了一种基于同步坐标系下传递函数幅频响应的柔性直流输电整流侧变流控制系统谐波幅值特性分析方法。本发明按照如下四个步骤实施：1)分析换流站锁相环、功率外环以及电流内环等子系统对谐波的响应特性，进而构建各子系统的传递函数模型；2)基于各子系统的传递函数模型构建海上换流站变流控制系统的传递函数模型框图；3)以馈入海上换流站电流扰动量作为输入，以待进行谐波幅值计算的点作为输出，推导得到待计算变量关于馈入的扰动量的传递函数模型；4)基于推导得到的传递函数模型的幅频特性开展谐波幅值特性分析，确定谐波风险较高的位置。
一、海上换流站系统各子系统的传递函数模型构建
图1为海上风电经柔性直流送电系统框图，风电机组经交流海缆与海上换流站相连。风电与交流海缆之间存在交互作用，在某些工况下会产生谐波/间谐波分量进而馈入到海上换流站的变流控制系统中。
海上换流站的变流控制系统主要包括有功/无功外环、电流内环以及锁相环节。其中有功/无功外环的有功外环为定有功功率控制，无功外环为定无功功率控制。
1.1定有功/无功功率控制的传递函数模型
由图2可知，有功/无功外环的传递函数模型如下所示：
Figure GDA0003315808270000031
Figure GDA0003315808270000032
上式中，其中Kpp、Kip、Kpq及Kiq分别为有功功率外环和无功功率外环的比例及积分系数；
ΔId_ref及ΔIq_ref分别为交流系统d/q轴电流内环参考值；ΔP*及ΔQ*分别为有功及无功功率扰动量标幺值；U* d0、U* q0、I* d0及I* q0为母线电压及电流dq轴分量稳态量标幺值；ΔU* d、ΔU* q、ΔI* d及ΔI* q为母线电压及母线电流交流系统d/q轴分量的扰动量标幺值。
1.2海上换流站变流控制系统电流内环传递函数模型
由图3可知，海上换流站变流控制系统内环传递函数的模型如下所示：
Figure GDA0003315808270000041
上式中，Kpd、Kid、Kpq及Kiq分别为电流内环d/q轴比例及积分系数；ΔUc* cd_ref及ΔUc* cq_ref分别为电压d/q轴参考值；FF为电压前馈的滤波环节，其表达式为G/(1+Ts)，G及T分别为比例系数及时间常数；ΔIc* d及ΔIc* q分别为控制系统坐标系下d/q轴电流扰动量标幺值；X* L为等效电抗标幺值。
1.3海上换流站整流侧锁相环对谐波的响应特性分析
由图4可知，锁相环的传递函数模型Gpll如下所示：
Figure GDA0003315808270000042
其中：Kp、Ki分别为锁相环的比例及积分系数；U* d0为母线电压d轴分量稳态值；△U* q为母线电压q轴分量扰动量。
1.4控制系统与电气系统接口方程
控制系统与电气系统的接口方程，即控制系统坐标系下与电气系统坐标系下变量之间的关系。
母线电压控制系统坐标系下d/q轴分量扰动量△Ud c*/△Uq c*表达式、母线电流控制系统坐标系下d/q轴分量扰动量△Id c*/△Iq c*表达式以及电压d/q轴参考值扰动量ΔUc* cd_ref及ΔUc* cq_ref表达式分别如下式(4)、式(5)及式(6)所示：
Figure GDA0003315808270000043
Figure GDA0003315808270000051
Figure GDA0003315808270000052
上式中，ΔU* d、ΔU* q为母线电压交流系统d/q轴坐标系下的扰动量标幺值，U* d0、ΔU* q0为稳态量标幺值；ΔI* d及ΔI* q为母线电流交流系统d/q轴坐标系下的扰动量标幺值，I* d0、ΔI* q0为稳态量标幺值；ΔUc* cd及ΔUc* cq为交流系统d/q轴坐标系下的变流器出口电压扰动量标幺值；Uc* cd0及Uc* cq0为交流系统d/q轴坐标系下的电压稳态值标幺值；Gpll为锁相环传递函数。
1.5换流变方程
换流变的传递函数表达式如下所示：
Figure GDA0003315808270000053
上式中，ΔUd、ΔUq为母线电压交流系统d/q轴坐标系下的扰动量有名值；ΔUcd及ΔUcq为交流系统d/q轴坐标系下的电压扰动量有名值；ΔId及ΔIq为母线电流交流系统d/q轴坐标系下的扰动量有明值；L为换流变的等效电感；s为拉普拉斯算子；ω0为基波角频率。
1.6全系统传递函数模型
联立上述各式，构建得到全系统的传递函数，其传递函数框图如图5所示。
二、各谐波幅值计算点关于扰动量的传递函数模型
基于推导得到的传递函数框图，以电压扰动量以及电流扰动量作为输入量，电流d/q轴分量测量值以及母线电压d/q轴分量测量值作为输出，推导得到两组闭环传递函数方程，基于闭环传递函数方程分析计算关注的输出扰动量的谐波幅值。
其中推导得到d/q轴电流参考值扰动量关于d/q轴电流扰动量的表达式如下所示：
△Id/q_ref＝(E-TU1ZI1)-1(TI1+TU1ZI2)△Id/q (8)
其中
Figure GDA0003315808270000061
TU＝E-ZITIGPLL+TFF+TFFTUGPLL+TUCGPLL。
Figure GDA0003315808270000062
Figure GDA0003315808270000063
Figure GDA0003315808270000064
推导得到d/q轴电压参考值关于d/q轴电流扰动量的表达式如下所示：
Figure GDA0003315808270000065
其中TUU＝(E+TUCGPLL)-1；Z＝ZccTI1+ZI；T＝ZccTU1+ZITIGPLL-TFF-TFFTUGPLL。
根据上述式(8)及式(9)，给定馈入的电流幅值为基频分量的1％情况下，计算得到d/q中电流参考值及d/q轴电压，结算结果如下表所示。
表1、d/q轴电流参考值及d/q轴电压参考值计算结果
d/q轴电流参考值计算结果 d/q轴电压参考值计算结果
d轴分量 0.0098+j0.014 0.07+j0.012
q轴分量 0 0.029
由上表值可进一步计算到谐波电流分量/额定电流分量的比值约为0.34％，谐波电压分量/额定电压分量的比值约为0.03％，由此更应关注电流处的谐波量。
上述对实施实例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，其特征在于所述方法是基于海上换流站全系统闭环传递函数模型，计算得到柔性直流输电海上换流站关注的变量关于变流器的注入扰动量的谐波幅值；所述方法通过联立柔性直流输电海上换流站变流器内子系统的传递函数模型而获得海上换流站全系统闭环传递函数模型；所述方法根据所述海上换流站全系统闭环传递函数模型计算得到关注的变量的幅值关于谐波注入扰动量的幅频特性；根据幅频特性计算关注的变量不同位置处的谐波幅值，进而判定谐波幅值最大的位置作为重点关注对象；所述关注的变量为母线的电压和电流，所述注入扰动量为电流。
2.如权利要求1所述的基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，其特征在于在同步坐标系下推导得到柔性直流输电海上换流站变流器的锁相环子系统传递函数模型、电流内环子系统传递函数模型以及有功/无功外环子系统传递函数模型、控制系统与系统接口方程子系统的传递函数模型、换流变子系统传递函数模型，并将锁相环子系统传递函数模型、电流内环子系统传递函数模型以及有功/无功外环子系统传递函数模型、控制系统与系统接口方程子系统的传递函数模型、换流变子系统传递函数模型联立而获得海上换流站全系统闭环传递函数模型。
3.如权利要求2所述的基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，其特征在于将推导得到的海上换流站变流器各子系统传递函数模型根据谐波信号的流动关系，构建得到海上换流站全系统闭环传递函数模型。
4.如权利要求1所述的基于传递函数幅频特性的海上换流站整流侧变流器对谐波的响应特性分析方法，其特征在于在构建得到海上换流站全系统闭环传递函数模型基础上，推导得到待计算母线的电压和电流的幅值关于注入扰动量的传递函数，所述注入扰动量为电流；根据传递函数的幅频特性计算在扰动量的影响下母线电压和电流的谐波幅值，选择谐波幅值最大的位置作为高风险位置，予以重点关注。
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