CN111654041A - 一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，包括：建立包含链路延时、控制系统在内的柔直系统阻抗模型，推导分析出柔直系统高频段“负电阻电感”特性区间；合理设计基波陷波控制器参数，当交流系统高频段容性阻抗与柔直系统的“负电阻电感”特性阻抗相互作用，在某一频段发生高频谐振时，将柔直系统电流内环控制器输出经dq/abc反变换后进行陷波控制，将基频信号与其他谐波信号分离，使控制输出的调制波为工频正弦信号，而不含谐振频率成分；当系统运行方式发生变化，高频振荡消失时，退出陷波控制。本发明可以在很短时间内将高频谐振幅值降低到谐波允许值范围内，同时换流阀桥臂电流和模块电压恢复到稳态值，从而有效地抑制了系统高频振荡。

Description

一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略。

背景技术

随着柔性直流输电工程在新能源接入、城市供电、大电网互联等方面应用的增多，电力系统已经出现了次同步振荡、中频振荡和高频振荡现象。近年来，科研人员逐步揭示了柔性直流输电系统控制参数，如锁相环、内外环、环流抑制等对系统阻抗特性及稳定性的影响，但上述研究主要集中在低频段，对高频段的研究较少，国内外只有少量文献进行了报道，主要通过分析高频振荡现象，提出电压前馈环节加滤波器和公共耦合点加装无源滤波器的解决方案，但是电压前馈环节加滤波器的方案会产生延时，影响系统动态响应特性，而且加装的滤波器的截止频率太低，影响系统响应速度，太高的话，对高频抑制效果差；而公共耦合点加装无源滤波器需要增加硬件，会增加成本。

高频振荡发生之后，若在一段时间内不能及时消除，柔性直流换流站将执行闭锁逻辑，保护相关设备的安全。由此产生的功率缺额或盈余对交流主网将产生严重的冲击，因此，研究柔性直流输电系统高频振荡抑制策略对提高工程安全性和可靠性具有重大促进作用。

发明内容

本发明提供了一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，有效地滤除了引起谐振的谐波频率，实现了系统可靠、稳定运行。

为达到上述目的，本发明所述一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，1.一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据不同工程柔直系统参数，建立柔直系统阻抗模型，得出柔直系统负电阻电感特性频率区间；

步骤2：设计陷波控制的传递函数，

其中，s是拉普拉斯算子；ω为基波频率；ρ为截止频率，所述ρ小于柔直系统负电阻电感特性频率的最小值；设置基频陷波控制的投入运行的门限电压Ub和门限电流Ib；

步骤3：将基频陷波控制串接在柔直换流站交流电流内环控制输出端，柔直系统正常运行时，基频陷波控制处于退出状态；

步骤4：实时监测PCC点电压和电流，当PCC点电压大于门限电压Ub或PCC点电流大于门限电流Ib时，投入基频陷波控制；

步骤5：当系统运行方式发生变化时，退出基频陷波控制。

进一步地，步骤1的具体过程为：建立含柔直系统主电路、控制回路、锁相环以及链路延时在内的阻抗模型，应用频域分析法分析锁相环、链路延时、电压前馈、运行方式对阻抗的影响，根据工程系统参数，分析得出高频段负电阻电感特性频率范围。

进一步地，步骤2中，截止频率ρ满足系统暂态响应特性。

进一步地，步骤3中，所述门限电压Ub为PCC点谐波电压幅值门槛值，所述门限电流Ib为PCC点谐波电流幅值门槛值。

进一步地，步骤4中，投入基频陷波控制后，将基频信号与谐波信号分离，然后用原有调制波信号减去滤掉基波的调制波信号，使调制波信号为不含谐振频率的工频正弦信号。

进一步地，步骤5中，系统运行方式发生变化是指：与柔直系统连接的交流系统高频段容性阻抗与柔直系统负阻抗特性区间没有相交或交点的相位差低于180度。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

该策略针对柔性直流输电系统接入主网后，由于链路延时、电压前馈等环节影响呈现的“负电阻电感”特性与长交流线路分布电容相互作用导致高频振荡失稳现象，采用陷波控制，将交流电流内环控制输出经dq/abc反变换后，即在PWM调制信号输出前，引入基频信号陷波传递函数，将基频信号与其他谐波信号分离，然后用原有调制波信号减去滤掉基波的信号，使调制波信号为工频正弦信号，不含谐振频率成分，有效地滤除了引起谐振的谐波频率。

由于本发明采取的方案是，一旦发现高频振荡，立即投入基频陷波控制，不用检测谐振频率到底是多少，直接减掉除基波以外的频率即可，所以可以在很短时间内将高频谐振幅值降低到谐波允许值范围内，同时换流阀桥臂电流和模块电压恢复到稳态值，从而有效地抑制了系统高频振荡，避免了柔直换流站闭锁保护给交流主网带来的严重冲击，保证柔性直流送出系统的稳定性以及设备的安全、可靠运行。

本发明提出的高频振荡抑制策略具有不需要扫描所有可能谐振的频率、不增加硬件成本、实现过程简单、可靠性高，工程实现的技术成本非常低，具有较好的经济性。

附图说明

图1所示为柔直系统主电路示意图；

图2所示为背靠背柔直系统仿真模型；

图3所示为柔直系统内外环控制框图；

图4为控制策略框图；

图5所示为柔直系统与交流系统阻抗特性曲线；

图6所示为系统发生振荡时的PCC点电压、电流波形；

图7所示为加入陷波控制的PCC点电压、电流波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，包括以下步骤：

步骤1：根据不同工程柔直系统参数，考虑链路延时、控制系统等影响因素，建立柔直系统阻抗模型，得出系统高频段(550H_Z-2000H_Z)“负电阻电感”特性频率区间；

所述步骤1具体包括：

建立含柔直系统主电路、控制回路、锁相环以及链路延时在内的阻抗模型，应用频域分析法分析锁相环、链路延时、电压前馈、运行方式对阻抗的影响，根据不同工程系统参数，分析得出高频段“负电阻电感”特性频率范围。

步骤2：设计陷波控制参数，陷波控制参数需满足两个条件：第一，小于柔直系统高频段“负电阻电感”特性频率最小值；第二，满足系统暂态响应特性；

所述步骤2具体包括：

基频陷波控制器传递函数为：

其中，s是拉普拉斯算子；ω为基波频率；ρ为截止频率。

ρ的取值需同时满足两个条件：第一，应小于可能发生高频谐振的频率的最小值，即柔直系统负阻抗特性频率的最小值，且应留有一定的余量；第二，应满足系统暂态响应特性，即陷波器的引入不应放大系统其他频次的谐波成分，且动态响应特性不能太慢，所以ρ取值不能太小。

步骤3：参照图4，将基频陷波控制器串接在柔直换流站交流电流内环控制输出端U_aref、U_bref、U_cref，系统正常运行时，调制波输出Ⅰ，陷波控制处于退出状态，设置其投入门限值为Ub和Ib；调制波输出Ⅰ为换流阀经电压外环电流内环控制输出的参考电压；

门限值Ub为PCC点谐波电压幅值门槛值，即电网电压谐波相关标准中规定的高次谐波电压允许最大值；

门限值Ib为PCC点谐波电流幅值门槛值，即注入电网谐波电流相关标准规定的高次谐波电流允许最大值。

步骤4：实时监测PCC点电压和电流，当系统发生高频谐振时，即PCC点电压大于Ub或电流大于Ib，投入基频陷波控制，调制波输出Ⅱ；调制波输出Ⅱ为调制波输出Ⅰ经陷波控制后的输出参考电压。

当系统发生高频谐振时，投入基频陷波控制，将交流电流内环控制输出经dq/abc反变换(派克变换)后，即在PWM调制波输出前，引入基频信号陷波传递函数，将基频信号与其他谐波信号分离，然后用原有调制波信号减去滤掉基波的调制波信号，使调制信号为工频正弦信号，而不含谐振频率成分。

步骤5：当系统运行方式发生变化，高频振荡消失时，陷波控制退出。

当交流系统高频段容性阻抗与柔直系统负阻抗特性区间没有相交或交点的相位差低于180度时，为了保证系统具有较好的动态响应特性，将陷波控制切出。

应用实例

柔直系统主电路示意图如图1所示，柔直系统阻抗为从柔直接入点(PCC)看进去的等效阻抗，包含柔直换流器(MMC)、控制系统、联结变压器等效阻抗。通过推导包含以上因素的柔直系统等效阻抗模型，分析系统阻抗特性，考虑不同运行工况对系统阻抗的影响，得出柔直系统高频段负阻抗特性区间，也就是柔直系统与交流电网线路可能发生高频谐振的频率范围。

利用PSCAD/EMTDC仿真工具，搭建如图2所示的背靠背柔直系统模型，整流端交流系统处于正常运行状态，逆变侧设置为弱电网状态，背靠背柔直系统模型中的交流系统阻抗用电阻R、电感L和电容C并联等效。

逆变端的换流站内外环控制如图3所示，其中，P_dcref为有功功率给定值，P_dcpu为有功功率反馈值，V_dcref为直流电压给定值，V_dcpu为直流电压反馈值，Q_ref为无功功率给定值，Q_pu为无功功率反馈值，I_dmax为有功外环输出限幅，I_qmax为无功外环输出限幅，I_dref为有功电流指令值，I_dpu为有功电流反馈值，I_qref为无功电流指令值，I_qpu为无功电流反馈值，V_dpu为交流侧电压d轴分量，V_qpu为交流侧电压q轴分量，L_pu为连结变压器等效漏抗，L_armpu为桥臂电抗器感抗，m_a、m_b、m_c分别为A、B、C三相调制波，V_dcn为直流母线电压，G_d为陷波器传递函数，此处截止频率取600Hz，即

外环有功功率/直流电压控制输出有功电流指令值，无功功率控制输出无功电流指令，分别与有功电流、无功电流比较后经比例积分控制、前馈、解耦、dq/abc反变换形成调制波信号。当逆变端交流线路容性阻抗与柔直系统负电阻电感相互作用发生振荡时，投入陷波控制，将调制波的基波信号与谐波信号分离，然后用原有调制波减去谐波信号，得到只有工频信号的调制波，传送给阀控，最终形成驱动脉冲。

该实例的柔直系统与交流系统阻抗特性曲线如图5所示，柔直系统与交流系统发生高频振荡需要满足两个条件：第一，柔直系统阻抗与交流系统阻抗幅值相等；第二，柔直系统阻抗与交流系统阻抗相位差大于180度。如图5所示，实例中柔直系统阻抗与交流系统阻抗在1.02kHz处相交，且相位差为191.5度，发生高频振荡；如图6所示，2s时交流系统阻抗发生变化，投入电容C，系统发生高频振荡；当检测到高频振荡后，3s时投入陷波控制环节，高频振荡消失，如图7所示。

当交流系统运行方式发生变化，导致交流系统高频段容性阻抗与柔直系统负阻抗特性区间没有相交或交点的相位差低于180度时，高频振荡消失，可将陷波控制切出，保证系统具有更好的动态响应特性。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据不同工程柔直系统参数，建立柔直系统阻抗模型，得出柔直系统负电阻电感特性频率区间；

步骤2：设计陷波控制的传递函数，

其中，s是拉普拉斯算子；ω为基波频率；ρ为截止频率，所述ρ小于柔直系统负电阻电感特性频率的最小值；设置基频陷波控制的投入运行的门限电压Ub和门限电流Ib；

步骤3：将基频陷波控制串接在柔直换流站交流电流内环控制输出端，柔直系统正常运行时，基频陷波控制处于退出状态；

步骤4：实时监测PCC点电压和电流，当PCC点电压大于门限电压Ub或PCC点电流大于门限电流Ib时，投入基频陷波控制；

步骤5：当系统运行方式发生变化时，退出基频陷波控制。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：建立含柔直系统主电路、控制回路、锁相环以及链路延时在内的阻抗模型，应用频域分析法分析锁相环、链路延时、电压前馈、运行方式对阻抗的影响，根据工程系统参数，分析得出高频段负电阻电感特性频率范围。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤2中，截止频率ρ满足系统暂态响应特性。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤3中，所述门限电压Ub为PCC点谐波电压幅值门槛值，所述门限电流Ib为PCC点谐波电流幅值门槛值。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤4中，投入基频陷波控制后，将基频信号与谐波信号分离，然后用原有调制波信号减去滤掉基波的调制波信号，使调制波信号为不含谐振频率的工频正弦信号。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统高频振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤5中，系统运行方式发生变化是指：与柔直系统连接的交流系统高频段容性阻抗与柔直系统负阻抗特性区间没有相交或交点的相位差低于180度。

Images