CN111668856B - 基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及系统 - Google Patents

基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及其系统。本发明基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法包括有两级抑制，第一级抑制是在基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，目的是减小电压回路的高频成分，第二级抑制是针对第一级抑制不能解决的工况提出有效的抑制措施，方法是在PI控制器的比例环节增设低通滤波器，功能是配合第一级抑制，实现对控制器中电压和PI控制比例环节电流的高频成分进行滤波处理，从而达到抑制高频振荡的目的。本发明不需要额外增加滤波成本，且本发明能解决大部分高频振荡工况，能实现高频振荡的抑制。

Description

基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及系统
技术领域
本发明属于电压变换器领域的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及系统，更具体地，涉及一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法及系统。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种大容量柔性直流换流器装备，在新能源并网(张北四端直流输电工程)，区域电网异步互联(鲁西背靠背直流工程)和远距离电能传输(昆柳龙特高压三端混合直流工程)等领域发挥愈发重要的作用。MMC并网交流系统的高频振荡问题近年来不断得到国内外专家学者和工程技术人员的重视，例如MMC与交流系统的1.7kHz的高频振荡问题，风电并网接入MMC系统引起的800Hz的高频振荡问题和以鲁西背靠背直流工程“4.10”高频振荡1.2kHz事故为对象的分析研究。一方面，高频振荡会降低系统稳定性，可能会进一步引发系统故障保护动作(如鲁西背靠背“4.10”高频振荡事故)，从而导致更大范围的系统事故；另一方面，高频振荡引起的电压和电流的应力对电网装备安全运行带来较大的挑战，威胁设备可靠运行或降低设备的寿命。因此，高频振荡风险是电网安全稳定、可靠运行不可忽略的稳定问题，需要研究合理的抑制措施。
常用的抑制措施主要有两种，一种抑制措施是在交流输出侧增设滤波器，但该抑制措施增加了运行成本；另一种抑制措施主要是通过优化MMC控制系统实现，该方法成本较低。考虑高频振荡频率和控制器带宽的关系，基频电流控制系统(控制器)对高频振荡的影响最大。因此通过优化基频电流控制系统的措施可以采用端电压前馈控制增设低通滤波器，该优化方案在一定程度上能改善系统的高频特性，从而实现高频振荡抑制的作用。另外，通过适当减小端电压前馈低通滤波器带宽也能提升高频振荡抑制的能力，然而过低的滤波器带宽会影响系统的动态性能。若端电压前馈增设滤波器的方法已经用到极限(即无法再降低带宽)仍然不能改善系统稳定性时，则需要考虑更进一步的抑制措施。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，本发明旨在不增加运行成本的条件下，解决现有技术对高频振荡不能完全抑制的工况。
本发明的另一目的在于提出一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统。本发明使用简单方便，不需要额外增加滤波成本。
为实现上述目的，本发明提出一种基于电流控制优化的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，包括以下步骤：
S1)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；
S2)利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压的幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S3)；
S3)MMC基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，执行S4)；
S4)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S5)；
S5)在基频电流控制器的比例环节增设低通滤波器，配合步骤S3)的电压滤波，实现了对基频电流控制器的电压和比例环节电流的低通滤波，高频振荡得以抑制；
S6)结束高频振荡抑制过程。
本发明基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统，由三部分组成：MMC基频电流控制器的原始控制器、端电压前馈滤波器以及PI控制器比例环节滤波器，其中：
1)MMC基频电流控制器的原始控制器的控制方法是：分别取d轴和q轴电流信号及电流参考信号之间差值，通过PI控制器的比例环节得到d轴和q轴的第一路信号；上述差值通过PI控制器的积分环节得到d轴和q轴的第二路信号；取d轴电流取相反数以及q轴电流经过MMC电感与角频率的乘积并作交叉，从而分别得到q轴和d轴的第三路信号；d轴和q轴电压信号作为第四路信号；对d轴和q轴各自的四路信号做累加分别得到d轴和q轴的输出信号，其是利用PI控制器的无静差跟踪对电流信号进行控制，从而得到内电势参考值；
2)端电压前馈低通滤波器：该部分是在上述基本控制方法的基础上，对第四路信号进行滤波处理，该部分是第一级抑制，其是滤除控制器中端电压前馈的高频成分；
3)PI控制器比例环节滤波器：该部分是在上述基本控制方法的基础上，对第一路信号进行滤波处理，该部分是第二级抑制，其是滤除控制器中的PI控制器比例环节回路的高频成分。
本发明基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法包括有两级抑制，第一级抑制是在基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，目的是减小电压回路的高频成分，第二级抑制是针对第一级抑制不能解决的工况提出有效的抑制措施，方法是在PI控制器的比例环节增设低通滤波器，功能是配合第一级抑制，实现对控制器中电压和PI控制比例环节电流的高频成分进行滤波处理，从而达到抑制高频振荡的目的。
相对于现有的抑制措施，本发明具有以下优势：
1)本发明选择在控制侧投入滤波器，仅仅改变控制器的部分结构，不需要额外增加滤波成本；
2)本发明能解决大部分高频振荡工况。当电压前馈低通滤波器无法完成高频振荡抑制功能时，本发明基本能完成抑制效果。
附图说明：
图1是本发明高频振荡抑制方法的流程图；
图2是本发明抑制方法所用系统(控制器)的原理图；
图中端电压前馈控制(Terminal Voltage Feedforward Control，TVFC)，低通滤波器(Low-pass filter，LPF)，PI控制比例环节(kp path)均用相应括号后的简写表示；
图3为发生高频振荡后，投入100Hz带宽的电压前馈滤波器前后MMC交流输出电流波形的变化；
图4是对图3在变化前后波形的局部放大；
图5为发生高频振荡后，投入300Hz基频电流控制器比例环节电流滤波器前后MMC交流输出电流波形的变化；
图6是对图5在变化前后波形的局部放大；
图7为发生高频振荡后，投入100Hz电压前馈滤波器和300Hz基频电流控制器比例环节电流滤波器前后MMC交流输出电流波形的变化；
图8是对图7在变化前后波形的局部放大；
图9为发生高频振荡后，投入100Hz电压前馈滤波器和和100Hz基频电流控制器比例环节电流滤波器MMC交流输出电流波形；
图10是对图9在变化前后波形的局部放大。
具体实施方案
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
将柔性直流输电系统分为电压环路和电流环路，当柔性直流输电系统发生高频振荡时，两个环路中均有高频成分，且相互耦合。若要抑制高频振荡，需要减小环路中的高频成分。
端电压前馈增设低通滤波器是一个可行的方案，它能减小电压环路的高频成分。相对应的，如果电流环路中的高频成分较大，两个环路的耦合特性会使电压环路的滤波作用达不到应有效果，系统仍然有高频振荡风险。特别地，适当减小滤波器带宽能使高频振荡消失，但是过低的滤波器带宽会影响系统的动态性能。因此对于端电压前馈增设低通滤波器方法所不能解决的工况，仍然需要进一步采取抑制措施，为此，本发明提出一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，其包括有如下步骤：
S1)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；
S2)利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压的幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S3)；
S3)MMC基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，执行S4)；
S4)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S5)；
S5)在基频电流控制器的比例环节增设低通滤波器，配合步骤S3)的电压滤波，实现了对基频电流控制器的电压和比例环节电流的低通滤波，高频振荡得以抑制；
S6)结束高频振荡抑制过程。
本实施例中，上述步骤S2)及步骤S4)都是利用录波仪、示波器利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分。
本实施例中，上述步骤S3)及S5)中的低通滤波器是一阶低通滤波器，或巴特沃斯低通滤波器。或其他不同带宽的低通滤波器，均属于本发明限定内容。
本实施例中，上述步骤S3)是第一级抑制，步骤S4)是第二级抑制。
上述第一级抑制是在基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，目的是减小电压回路的高频成分。但是第一级抑制不能使所有高频振荡工况得以抑制。当第一级抑制投入后，需要再次执行判断步骤S4)，用以确定是否需要进一步采用步骤S5)的第二级抑制。第二级抑制是针对第一级抑制不能解决的工况提出有效的抑制措施。方法是改变基频电流控制器的部分结构：在PI控制器的比例环节增设低通滤波器。功能是配合第一级抑制，实现对控制器中电压和PI控制比例环节电流的高频成分进行滤波处理，从而达到抑制高频振荡的目的。
当系统未检测到高频振荡时，为正常工作状态。当系统检测到高频振荡时，需要关注其振荡频率fr，以及电压和电流的振荡幅值Irm，Urm。若振荡发生时，开关管、电感、电容等装置原有的电流电压应力未超过工程设计的额定值，系统能够承受轻微高频振荡。但是如果频率和幅值都很大，除了可能损坏电力系统设备并引发大量谐波污染，还可能使变压器等感性原件工作在饱和区，严重危害了电力系统正常运行。此时需要采取抑制措施。
本发明基于电流控制优化的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统(控制器)，由三部分组成：MMC基频电流控制器的原始控制器、端电压前馈滤波器以及PI控制器比例环节滤波器，其结构和连接关系如图2所示，具体说明如下：
1)MMC基频电流控制器的原始控制器的控制方法是：分别取d轴和q轴电流信号(图中id、iq)及电流参考信号(图中
Figure BDA0002434206450000071
)之间差值，并通过PI控制器的比例环节，即分别乘以d轴和q轴的kp参数(图中kpd和kpq)得到d轴和q轴的第一路信号；上述差值通过PI控制器的积分环节，即分别乘以积分运算(图中1/s)和d轴和q轴的ki参数(图中kid和kiq)得到d轴和q轴的第二路信号；取d轴电流取相反数(图中在累和处取负号示意)以及q轴电流经过MMC等效电感与角频率的乘积(图中ωL)并作交叉解耦，从而分别得到q轴和d轴的第三路信号；d轴和q轴电压信号作为第四路信号(图中ud、uq)。对d轴和q轴各自的四路信号做累加分别得到d轴和q轴的输出信号(图中
Figure BDA0002434206450000072
)。此部分(即图2中去除filter(id)、filter(iq)、filter(ud)和filter(uq)后剩余部分)属于MMC基频电流控制器的基本结构，其工作原理是利用PI控制器的无静差跟踪特性对电流信号进行控制，从而得到内电势参考值。
2)端电压前馈低通滤波器。该部分是在上述基本结构的基础上，对d轴和q轴的第四路信号分别进行滤波处理(图中端电压前馈滤波器filter(ud)和filter(uq))，该部分属于第一级抑制，其工作原理是滤除控制器中的电压环路的高频成分。
3)PI控制器比例环节滤波器。该部分是在上述基本结构基础上，对d轴和q轴的第一路信号进行滤波处理(图中PI控制器比例环节滤波器，filter(id)和filter(iq))，该部分是第二级抑制，其工作原理是滤除控制器中的PI控制器比例环节回路的高频成分。
本发明在PI控制器比例环节中增加滤波器，考虑到工程中常用控制器中PI控制部分的积分环节高频段增益较小，只需对其中的比例环节高频成分进行滤除，此时能有效抑制高频振荡。
需要说明的是，实际柔性直流输电系统较为复杂，有多种可能出现的工况，本发明的仿真验证仅调试一种可能出现的情况进行研究，并不限于该工况。如图3以及对图3部分波形局部放大如图4所示，当系统结构参数发生某种改变引发高频振荡时，增设100Hz电压前馈低通滤波器，仍然检测到较大的高频振荡成分。
同理抑制措施可以考虑单独在电流环路中增设滤波器，减小电流环路的高频成分。在基频电流控制器中，考虑到PI控制器的积分环节1/s本身具有减小系统高频段增益的效果，可以不在积分环节增设滤波器，而仅对比例环节的电流成分进行滤波，该方法能避免滤波环节的引入影响PI控制器的正常工作。如图5所示，当系统结构参数发生某种改变引发高频振荡时，增设300Hz基频电流控制器PI控制的比例环节电流滤波器，此时系统已经失稳，图5及对图5局部波形放大的图6是a相交流输出电流波形变化。此时改变控制器带宽仍然没有效果。由图3和图5可见，该工况下单独在电压环路或电流环路增设滤波器不能抑制高频振荡。
当电压前馈滤波器和基频电流控制器PI控制的比例环节电流滤波器配合使用时，即完成如图2所示控制器结构，能够明显改善系统的动态特性，并抑制高频振荡。如图7及对图7中局部波形放大如图8所示，对系统控制器增设100Hz电压前馈低通滤波器和300Hz基频电流控制器PI控制的比例环节电流滤波器，该工况下高频振荡完全消失。
经过较多的仿真验证表明，只要在系统动态响应允许的范围内，电压前馈低通滤波器带宽的改变不会引起系统失稳。需要明确，系统失稳是一种MMC控制器无法正常工作而使系统无法正常运行的状态。因此在抑制高频振荡时，既要考虑高频成分，又要保证系统不失稳。一般而言，电流环中滤波器的带宽应在能较好地抑制高频振荡的前提下，尽可能高。如图9所示，对系统控制器增设100Hz电压前馈低通滤波器和100Hz基频电流控制器比例环节电流滤波器，此时系统已经失稳。图7和图9对比说明，低带宽的电流滤波器，会影响系统稳定性。
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 (8)

1.一种基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；
S2)利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压的幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S3)；
S3)MMC基频电流控制器的端电压前馈端增设低通滤波器，执行S4)；
S4)检测柔性直流输电系统MMC交流输出侧电流波形；利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分，如果没有高频成分，则系统是稳定状态，则跳转步骤S6)；如果有高频成分，则再判断电流电压幅值和频率是否超过设备安全的额定值，如果没有超过设备安全的额定值，则跳转步骤S6)；如果超过设备安全的额定值，则执行步骤S5)；
S5)在基频电流控制器的比例环节增设低通滤波器，配合步骤S3)的电压滤波，实现了对基频电流控制器的电压和比例环节电流的低通滤波，高频振荡得以抑制；
S6)结束高频振荡抑制过程。
2.根据权利要求1所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，其特征在于步骤S2)及步骤S4)都是利用录波仪、示波器利用录波装置对交流侧电压电流，上、下桥臂电压及电流分别做信号采集和FFT分析并判断是否有高频成分。
3.根据权利要求1所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，其特征在于步骤S3)及S5)中的低通滤波器是一阶低通滤波器，或巴特沃斯低通滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法，其特征在于步骤S3)是第一级抑制，步骤S4)是第二级抑制。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统，其特征在于由三部分组成：MMC基频电流控制器的原始控制器、端电压前馈滤波器以及PI控制器比例环节滤波器，其中：
1)MMC基频电流控制器的原始控制器的控制方法是：分别取d轴和q轴电流信号及电流参考信号之间差值，通过PI控制器的比例环节得到d轴和q轴的第一路信号；上述差值通过PI控制器的积分环节得到d轴和q轴的第二路信号；取d轴电流取相反数以及q轴电流经过MMC电感与角频率的乘积并作交叉，从而分别得到q轴和d轴的第三路信号；d轴和q轴电压信号作为第四路信号；对d轴和q轴各自的四路信号做累加分别得到d轴和q轴的输出信号，其是利用PI控制器的无静差跟踪对电流信号进行控制，从而得到内电势参考值；
2)端电压前馈低通滤波器：该部分是在上述原始控制器的控制方法的基础上，对第四路信号进行滤波处理，该部分是第一级抑制，其是滤除控制器中端电压前馈的高频成分；
3)PI控制器比例环节滤波器：该部分是在上述原始控制器的控制方法的基础上，对第一路信号进行滤波处理，该部分是第二级抑制，其是滤除控制器中的PI控制器比例环节回路的高频成分。
6.根据权利要求5所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统，其特征在于在PI控制器比例环节中增加滤波器，考虑到工程中常用控制器中PI控制部分的积分环节高频段增益较小，只需对其中的比例环节高频成分进行滤除，此时能有效抑制高频振荡。
7.根据权利要求5所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统，其特征在于PI控制器比例环节滤波器的带宽是300Hz。
8.根据权利要求5所述的基于电流控制的柔性直流输电系统高频振荡抑制方法所用的系统，其特征在于端电压前馈低通滤波器的带宽是100Hz。
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