CN112103969B - 一种基于pir的柔性直流输电系统振荡抑制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联谐振控制器R；实时监测交流系统流向换流阀的电流，对其进行快速傅里叶分解，再经abc/dq变换后，确定谐振控制器的谐振频率、带宽和增益；获取确定谐振频率、带宽和增益的谐振控制器输出阻尼分量，将其叠加到电流内环PI控制器的输出端，得到柔直换流站控制系统电流内环调节量，通过限幅、电压前馈、坐标变换最终形成调制波，完成柔性直流输电系统接入弱电网引起的高、低频振荡抑制。本发明可以同时抑制系统高频、低频振荡，实现系统稳定运行，谐振控制器具有灵活投入与切除的功能，且在投入后能快速抑制振荡、不改变系统稳态特性。

Description

一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略。
背景技术
基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术具有不存在换相失败风险、可实现有功和无功功率独立控制、运行范围宽、调节范围广等优点。是未来智能电网和全球能源互联网的重要组成部分。
当柔性直流换流站所接入的交流电网系统较弱时，现有的控制策略可能不能实现系统的稳定控制，存在不同程度的高频、低频振荡现象。例如，交流大电网发电机组出现低频振荡后，全网功率可能也会发生低频振荡现象，柔性直流换流站若不能提供有效的正阻尼特性，则可能跟随大电网低频振荡，在某些场合下可能还会恶化低频振荡，增大振荡的幅值；交流系统的长线路分布电容与柔直系统的“负电阻电感”特性相互作用，导致系统发生高频振荡，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。
近年来，科研人员通过分析柔直接入电网对系统的影响因素，提出了一些柔性直流输电系统低频振荡抑制策略和高频振荡抑制策略，如专利201910131048.9-《一种柔性直流输电系统抑制电压振荡的稳定控制方法》通过在柔直换流站控制系统外环配置交流电压稳定器，为系统提供阻尼支撑，达到抑制电压低频振荡的目的；专利201611194756.X-《一种抑制次同步振荡的柔性直流附加控制方法》提出了在电流内环指令叠加直流阻尼附加控制信号抑制次同步振荡的控制方法；专利201310629416.5-《抑制次同步谐振和振荡的柔性直流附加次同步振荡控制系统》提出了附加多模态次同步阻尼控制策略抑制系统次同步振荡；专利201810047773.3-《一种在线自适应抑制柔性直流引起的高频振荡》提出了在柔直换流站控制系统中串联多个特征频率陷波器抑制系统高频振荡。上述专利主要针对低频振荡或高频振荡，而对高频、低频振荡同时抑制的控制方法较少。
发明内容
本发明提供了一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，能够同时抑制系统高频、低频振荡，实现系统稳定运行。
为达到上述目的，本发明所述一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联谐振控制器R，谐振控制器R包括高频谐振控制器和低频谐振控制器，通过低频谐振控制器对柔性直流输电系统的低频谐振进行抑制，通过高频谐振控制器对柔性直流输电系统的高频谐振进行抑制，所述谐振控制器R的传递函数为：
Figure BDA0002649418210000021
其中，ωn为谐振频率，ωc为谐振控制器带宽，kr为谐振控制器增益，s为拉普拉斯算子。
进一步的，包括以下步骤：
步骤1、在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联高频谐振控制器和低频谐振控制器，形成PIR控制器；
步骤2、实时监测交流系统流向换流阀的电流，对交流系统流向换流阀的电流进行快速傅里叶分解，再经abc/dq变换后，确定高频谐振控制器和低频谐振控制器的谐振频率ωn、带宽ωc和增益kr；
步骤3、获取高频谐振控制器和低频谐振控制器的输出阻尼分量，将其叠加到电流内环PI控制器的输出端，得到柔直换流站控制系统电流内环调节量；
步骤4、然后对电流内环调节量进行限幅、电压前馈、坐标变换最终形成调制波，完成柔性直流输电系统接入弱电网引起的高、低频振荡抑制。
进一步的，步骤2中，确定低频谐振控制器和高频谐振控制器谐振频率方法相同，具体过程为：实时采集交流系统传输至换流阀的电流，若某一次谐波电流高于电力系统规定的谐波电流限值时，则将该谐波电流的频率作为谐振频率ωn；若N个谐波电流均高于规定的限值时，则加入N个并联的谐振控制器，N＞1，各个谐振控制器的谐振频率ωn为所述N个谐波电流的频率。
进一步的，步骤2中，谐振控制器的带宽的计算公式为：
Figure BDA0002649418210000031
ωn为谐波电流的频率，Δf为电网频率允许波动范围。
进一步的，步骤2中，高频谐振控制器的带宽为谐振控制器带宽计算结果的k1倍，k1＞1，高频谐振控制器的增益选取以保证柔性直流输电系统在谐振频率处及谐振频率附近频率的稳态误差要求为准。
进一步的，谐振控制器R的输入量为柔直换流站控制系统外环调节输出的有功电流内环指令Idref与有功电流实际值Idpu的差值，以及无功电流指令值Iqref和与实际无功电流Iqpu的差值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
该振荡抑制策略可以同时抑制系统高频和低频振荡，通过将检测到的谐振频率电流进行abc/dq变换，得到dq坐标下的谐振频率，从而将谐振控制与PI控制有效结合，控制方法简单，避免高频、低频振荡同时发生时多种控制策略来回切换，实现系统稳定运行以及设备的安全、可靠运行，谐振控制器具有灵活投入与切除的功能，且在投入后能快速抑制振荡，由于谐振控制器不会影响系统总带宽，所以不会改变系统稳态特性。
本发明提出的振荡抑制策略具有不增加硬件成本，仅通过软件附加方式实现过程简单、可靠性高，工程实现的技术成本非常低，具有较好的经济性。
进一步的，谐振控制器R的输入量为柔直换流站控制系统外环调节输出的有功电流内环指令Idref与有功电流实际值Idpu的差值，以及无功电流指令值Iqref和与实际无功电流Iqpu的差值。将谐振控制与现有PI控制有效结合，使控制器结构更简单。
附图说明
图1所示为背靠背柔直系统仿真模型；
图2所示为柔直系统内环控制框图；
图3所示为柔直系统与交流系统阻抗特性曲线；
图4所示为系统发生高频振荡时的PCC点电压、电流波形；
图5所示为高频振荡加入谐振控制的PCC点电压、电流波形；
图6所示为系统发生低频振荡时的PCC点电压、电流波形；
图7所示为低频振荡加入谐振控制的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。
在本发明的描述中，需要理解的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，包括以下步骤：
步骤1、在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联低频谐振控制器R低和高频谐振控制器R高，形成PIR控制器；
步骤2、实时监测交流系统流向换流阀的电流，对监测到的交流系统流向换流阀的电流进行快速傅里叶分解，再经abc/dq变换后，确定谐振控制器的谐振频率、带宽和增益；
确定低频谐振控制器和高频谐振控制器谐振频率方法相同，具体过程为：实时采集交流系统传输至换流阀的电流，对其进行快速傅里叶分解，当某一次谐波电流高于电力系统规定的谐波电流限值时，将该频次的谐振控制器输出叠加到电流内环控制器输出上；当多次谐波电流高于规定的限值时，加入多个谐振控制器的输出，多个谐振控制器并联连接。
进一步的，确定谐振控制器的带宽和增益，具体要求为：
对于系统低频(频率小于500Hz)振荡，谐振控制器的带宽根据电网基频允许波动范围按比例设计，假设电网频率允许波动范围Δf为±0.5Hz，低频谐振频率ωn为30Hz，则低频谐振控制器的带宽ωc为：
Figure BDA0002649418210000051
增益的调节要保证系统在谐振频率处的稳态误差要求；
对于系统高频(频率大于等于500Hz)振荡，谐振控制器的带宽和增益除了满足上述要求外，还要尽量抑制谐振频率附近频次谐波(例如450Hz的谐波、550Hz的谐波)，带宽的取值较大，即高频谐振控制器的带宽为谐振控制器带宽计算结果的k1倍，k1＞1，高频谐振控制器的增益也要保证系统在谐振频率处的稳态误差要求。
高频谐振控制器和低频谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002649418210000052
其中，ωn为谐振频率，ωc为谐振控制器带宽，kr为谐振控制器增益，s是拉普拉斯算子。
步骤3、获取确定谐振频率、带宽和增益的谐振控制器的输出记为阻尼分量，将阻尼分量叠加到电流内环PI控制器的输出端，得到柔直换流站控制系统电流内环调节量；
步骤4、通过限幅、电压前馈、坐标变换最终形成调制波，完成柔性直流输电系统接入弱电网引起的高、低频振荡抑制。
确定PIR控制器的输出限幅的具体要求为：1)保证系统对谐振振幅的无静差跟踪；2)满足柔直系统设计容量裕度的要求。
其中，谐振控制器的输入量为柔直换流站控制系统外环调节输出的有功电流内环指令Idref与有功电流实际值Idpu的差值，以及无功电流指令值Iqref和与实际无功电流Iqpu的差值。
应用实例
利用PSCAD/EMTDC仿真工具，搭建如图1所示的背靠背柔直系统仿真模型，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，高频振荡时，模型中的交流系统阻抗Z用R、L、C并联等效；低频振荡时，模拟大电网机组振荡，交流系统附加低频电源。
逆变端的换流站内环控制如图2所示，其中，Idref为有功电流指令值，Idpu为有功电流反馈值，Iqref为无功电流指令值，Iqpu为无功电流反馈值，Vdpu为交流侧电压d轴分量，Vqpu为交流侧电压q轴分量，Lpu为连结变压器等效漏抗，Larmpu为桥臂电抗器感抗，ma、mb、mc分别为A、B、C三相调制波，Vdcn为直流母线电压，R低为低频谐振控制器，R高为高频谐振控制器。系统正常运行时，外环有功功率/直流电压控制输出有功电流指令Idref，无功功率控制输出无功电流指令Iqref，分别与有功电流反馈值、无功电流反馈值做差后经比例积分控制、电压前馈、解耦、dq/abc反变换形成调制波信号。
该实例的柔直系统与交流系统阻抗特性曲线如图3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。实例中，柔直系统阻抗与交流系统阻抗在1.1kHz处相交，且相位差为191.5度，发生高频振荡，如图4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；实时监测交流系统流向换流阀的电流，对其进行快速傅里叶分解，当监测到2次谐波电流高于电力系统规定的允许谐波电流限值时，计算高频谐振控制器的带宽和增益，此处带宽为300rad/s，增益为2.5，
Figure BDA0002649418210000071
上式中，GR高(s)为高频谐振控制器的传递函数，s为拉普拉斯算子。
3s时投入高频谐振控制器R高，与电流内环比例积分控制器并联跟踪谐振频率谐波，控制输出限幅后生成调制波，传送给阀控，最终形成驱动脉冲。高频振荡消失，如图5所示。
当大电网机组与邻近串联电容相互作用，或柔性直流输电系统自身与机组相互作用发生低频振荡，如图6所示，2s时系统串入20Hz电压源，当系统检测到20Hz谐波电流大于电力系统允许谐波电流限值时，计算低频谐振控制器带宽和增益，此处带宽为1.2rad/s，增益为15，传递函数GR低(s)的计算公式为：
Figure BDA0002649418210000072
3s时投入低频谐振控制器R低，与电流内环比例积分控制器并联跟踪谐振频率谐波，控制输出限幅后生成调制波，传送给阀控，最终形成驱动脉冲。低频振荡消失，如图7所示。
当交流系统运行方式发生变化，系统进入稳定运行时，可将低频谐振控制器或高频谐振控制器切出，保证系统具有更好的稳态运行特性。
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。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，其特征在于，在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联谐振控制器R，谐振控制器R包括高频谐振控制器和低频谐振控制器，通过低频谐振控制器对柔性直流输电系统的低频谐振进行抑制，通过高频谐振控制器对柔性直流输电系统的高频谐振进行抑制，所述谐振控制器R的传递函数为：
Figure FDA0003570321600000011
其中，ωn为谐振频率，ωc为谐振控制器带宽，kr为谐振控制器增益，s为拉普拉斯算子；
包括以下步骤：
步骤1、在柔性直流输电系统柔直换流站控制系统电流内环PI控制器中并联高频谐振控制器和低频谐振控制器，形成PIR控制器；
步骤2、实时监测交流系统流向换流阀的电流，对交流系统流向换流阀的电流进行快速傅里叶分解，再经abc/dq变换后，确定高频谐振控制器和低频谐振控制器的谐振频率ωn、带宽ωc和增益kr；
步骤3、获取高频谐振控制器和低频谐振控制器的输出阻尼分量，将其叠加到电流内环PI控制器的输出端，得到柔直换流站控制系统电流内环调节量；
步骤4、然后对电流内环调节量进行限幅、电压前馈、坐标变换最终形成调制波，完成柔性直流输电系统接入弱电网引起的高、低频振荡抑制。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤2中，确定低频谐振控制器和高频谐振控制器谐振频率方法相同，具体过程为：实时采集交流系统传输至换流阀的电流，若某一次谐波电流高于电力系统规定的谐波电流限值时，则将该谐波电流的频率作为谐振频率ωn；若N个谐波电流均高于规定的限值时，则加入N个并联的谐振控制器，N＞1，各个谐振控制器的谐振频率ωn为所述N个谐波电流的频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤2中，谐振控制器的带宽的计算公式为：
Figure FDA0003570321600000021
ωn为谐波电流的频率，Δf为电网频率允许波动范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，其特征在于，所述步骤2中，高频谐振控制器的带宽为谐振控制器带宽计算结果的k1倍，k1＞1，高频谐振控制器的增益选取以保证柔性直流输电系统在谐振频率处及谐振频率附近频率的稳态误差要求为准。
5.根据权利要求1所述的一种基于PIR的柔性直流输电系统振荡抑制策略，其特征在于，所述谐振控制器R的输入量为柔直换流站控制系统外环调节输出的有功电流内环指令Idref与有功电流实际值Idpu的差值，以及无功电流指令值Iqref和与实际无功电流Iqpu的差值。
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