CN112821384B - 抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法。它包括如下步骤，步骤一：将P_ac设置为外环控制输入信号，将P_dc设置为外环控制输入备用信号；步骤二：对柔性直流输电换流器的直流电压和直流电流分别做信号采集，得到其频谱结果；判断是否有低频振荡成分；步骤三：当直流电压或直流电流含有低频振荡成分时，则将外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc；步骤四：对P_ac进行快速傅里叶分析，得到其频谱结果；判断是否有低频振荡成分；步骤五：当P_ac含有低频振荡成分时，则投入交流侧低频振荡抑制装置，跳转到步骤四。本发明具有可有效抑制交流低频振荡传播至柔性直流输电的直流侧的优点。

Description

抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统输配电技术领域，更具体地说它是抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法。更具体地说它是一种基于直流功率反馈的抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法。

背景技术

基于电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)的柔性直流输电技术不依赖交流系统提供换相电压，因此可以连接无源或者弱交流系统。在众多VSC拓扑类型中，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)更适用于高电压和大容量应用场合，是我国柔性直流输电工程的主要应用拓扑，在未来特高压大容量传输场景中具有广阔的应用前景。目前柔性直流输电工程中，换流器均采用了基于dq解耦的电流矢量控制方案，实现了对有功功率和无功功率的解耦控制。

然而，值得注意的是，常规矢量控制方案下，VSC在弱交流电网连接时可能发生振荡现象。清华大学谢小荣等人在文献“柔性直流输电系统振荡现象分析与控制方法综述”(电网技术，2018，42(04)，1117～1123)中描述了若干柔性直流输电工程中的振荡事件。南方电网科学研究院李岩等人在文献“柔性直流与极端交流系统间的谐波谐振”(中国电机工程学报，2018，38(s)，19～23)中报道了MMC柔性直流输电工程中的高频振荡现象，并提出了在控制系统中加装低通滤波装置抑制高频振荡。

现有技术公开了抑制交流系统自身的低频振荡的技术，即通过额外的附加控制生成相应的信号，作用于原有的控制器结构；但在实际应用中附加控制参数整定困难，且附加控制效果与附加控制的参数关联较大。

然而，目前较少有人关注柔性直流输电系统中的低频振荡问题。事实上，MMC在连接弱交流电网整流运行时，其交流侧有功功率可能发生低频振荡。华中科技大学向往等人在文献“混合型MMC接入弱交流电网稳定性分析及控制参数优化”(电力系统自动化，2020，44(16)，70～78)中描述了该低频振荡现象：当MMC所连接的交流系统短路比下降到2时，其交流有功功率中出现低频振荡分量，振荡频率为数赫兹。经过理论分析，发现该振荡主要由有功功率类型的控制环路不稳定引起，导致交流电流的有功分量产生低频振荡，从而在交流有功功率中产生低频振荡，并且透过换流器传播至直流侧，引起直流电压和直流电流的低频振荡。如果不对直流电压或直流电流中的低频振荡加以抑制的话，会导致整个直流网络的低频振荡污染，影响连接到直流网络中的所有换流器。但是该文献并没有提出相应的应对策略。

可以看到，常规的矢量控制策略下，弱电网连接下的柔性直流输电换流器易发生低频振荡，且交流侧低频振荡可以通过柔性直流输电系统的交、直流侧之间的有功功率耦合，穿透换流器并传播至直流侧，危害所有连接到直流网络中的换流站的安全稳定运行。因此，如何有效地抑制交流侧低频振荡传播至柔性直流输电系统直流侧是工程中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，无需额外的附加控制，仅通过改变有功功率控制系统中有功功率的采集来源，即可有效抑制交流低频振荡传播至柔性直流输电的直流侧、确保直流电流和直流电压不发生低频振荡，不需要改变原有的控制器结构或者参数；解决了常规的矢量控制策略下，弱电网连接下的柔性直流输电换流器易发生低频振荡，且交流侧低频振荡可以通过柔性直流输电系统的交、直流侧之间的有功功率耦合，穿透换流器并传播至直流侧，危害所有连接到直流网络中的换流站的安全稳定运行的缺点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：利用录波装置对柔性直流输电系统的交流侧有功功率(P_ac)和直流功率(P_dc)分别做信号采集，并将P_ac设置为柔性直流输电换流器有功功率控制单元的外环控制输入信号，P_dc设置为有功功率控制单元的外环控制的备用输入信号；

步骤二：利用录波装置对柔性直流输电换流器的直流电压和直流电流分别做信号采集，并对直流电压和直流电流进行快速傅里叶分析，得到直流电压和直流电流的频谱结果；

判断是否有低频振荡成分；当直流电压或直流电流不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤四；

步骤三：当直流电压或直流电流含有低频振荡成分时，则将外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc；

步骤四：对P_ac进行快速傅里叶分析，得到P_ac的频谱结果；

判断P_ac是否有低频振荡成分，当P_ac不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤一；

步骤五：当P_ac含有低频振荡成分时，则投入交流侧低频振荡抑制装置，跳转到步骤四。

在上述技术方案中，在步骤一中，柔性直流输电换流器的有功功率的外环控制的动态方程表示为：

式(1)中，Δ表示微分算子，s表示拉普拉斯算子，i_dcref是直流电流的参考指令值，K_P和K_I分别是有功功率外环控制单元的比例环节增益系数和积分环节增益系数；K_ac和K_dc分别表示交流有功功率以及直流功率的控制标志位：当采用交流有功功率作为反馈时，K_ac＝1，K_dc＝0；当采用直流功率作为反馈时，K_dc＝1，K_ac＝0；ΔP_ac、ΔP_dc和Δi_dcref分别表示交流有功功率、直流功率和直流电流参考值的微分。

在上述技术方案中，在步骤三中，当外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc后，外环控制的动态方程变为：

而P_dc与直流电压u_dc以及直流电流i_dc存在以下耦合关系：

ΔP_dc＝u_dc0Δi_dc+i_dc0Δu_dc (3)

式(3)中，u_dc0和i_dc0分别表示直流电压和直流电流的稳态运行值，是常数；Δu_dc和Δi_dc分别表示直流电压和直流电流的微分。

在上述技术方案中，假设内环电流控制已经达到稳态，此时直流电流的实际值认为等于其参考值：

Δi_dcref＝Δi_dc (4)

将式(3)和式(4)代入到式(2)中，得到采用直流功率作为反馈的有功功率外环控制的动态方程：

本发明具有如下优点：

(1)本发明通过在正常运行情况下引入换流器直流功率作为有功功率控制单元的备用输入反馈信号，并在直流侧发生低频振荡时将有功功率控制单元的外环输入反馈信号由交流有功功率切换为直流功率，从而抑制了直流电流和直流电压中的低频振荡，避免了低频振荡传播至直流侧；

(2)本发明所提的控制方法无需改变换流器原有控制系统的结构，无需改变原有控制参数，无需构造额外的附加控制，在低频振荡事件发生时，仅通过改变反馈至有功功率控制单元的有功功率信号的采集位置(由交流侧切换为直流侧)，即可有效抑制低频振荡传播至直流网络(即抑制交流系统低频振荡传播到直流系统)，方法简单有效，具有较强的工程实际意义。

附图说明

图1是本发明基于直流功率反馈的抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法流程示意图。

图2是本发明步骤1中柔性直流输电换流器有功功率控制环路的示意图。

图3是本发明步骤3中直流侧发生低频振荡后，将外环有功功率控制单元的输入信号设置为直流功率的控制效果图。

图2中各环节含义为：1-有功功率外环控制单元；2-有功功率外环控制单元的比例环节；3-有功功率外环控制单元的积分环节；4-交流有功功率控制标志位；5-直流功率控制标志位；6-直流电流内环控制单元；其中，有功功率参考指令值P_ref与交流有功功率P_ac或者直流有功功率P_dc作差产生的误差信号输入至有功功率外环控制单元1，经过外环控制的比例环节2和外环控制的积分环节3作用后，输出直流电流参考指令i_dcref。i_dcref与直流电流i_dc作差产生的误差信号输入至直流电流内环控制单元6，经过内环控制的比例环节和积分环节作用后，输出直流电压参考指令值；同时，采集直流电压和直流电流信号并做快速傅里叶分析，得到其频谱结果；如果直流侧发生低频振荡，则设置交流有功功率控制标志位4等于0，直流功率控制标志位5等于1；反之，则设置交流有功功率控制标志位4等于1，直流功率控制标志位5等于0。

图3中各环节含义为：1A表示有功功率外环控制单元的输入信号是交流有功功率，交流侧发生低频振荡，并传播至直流侧引起直流电流和直流功率低频振荡；2A表示有功功率外环控制单元的输入信号由交流有功功率切换为直流功率，直流侧低频振荡被迅速抑制，交流侧低频振荡持续；3A表示投入交流侧低频振荡抑制装置后，交流侧低频振荡被逐渐抑制。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，包括如下步骤，

步骤一：利用录波装置对柔性直流输电系统的交流侧有功功率(P_ac)和直流功率(P_dc)分别做信号采集，并将P_ac设置为柔性直流输电换流器有功功率控制单元的外环控制输入信号，P_dc设置为柔性直流输电换流器有功功率控制单元外环控制的备用输入信号；

步骤二：利用录波装置对柔性直流输电换流器的直流电压和直流电流分别做信号采集，并对直流电压和直流电流进行快速傅里叶分析，得到直流电压和直流电流的频谱结果；

判断是否有低频振荡成分；当直流电压或直流电流不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤四；

步骤三：当直流电压或直流电流含有低频振荡成分时，则将外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc，直流电压和直流电流中的低频振荡得以抑制，避免了低频振荡在直流侧的传播；

步骤四：对P_ac进行快速傅里叶分析，得到P_ac的频谱结果；其中，快速傅里叶分析为现有技术；

判断P_ac是否有低频振荡成分，当P_ac不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤一；

步骤五：当P_ac含有低频振荡成分时，则需要投入交流侧低频振荡抑制装置，跳转到步骤四，循环分析交流功率的低频振荡是否被有效抑制(如图1所示)。

进一步地，在步骤一中，根据电网调度的要求，柔性直流输电换流器通常需要精确控制连接于交流母线的公共连接点处的有功功率，因此需要采集换流器与交流母线的公共连接点处的交流有功功率(P_ac)，并反馈至换流器有功功率的外环控制单元进行闭环控制；有功功率的外环控制单元生成换流器直流电流的参考指令值，并在内环控制单元实现对直流电流的直接控制；因此，该有功功率的外环控制的动态方程可以表示为：

式(1)中，Δ表示微分算子，s表示拉普拉斯算子，i_dcref是直流电流的参考指令值，K_P和K_I分别是有功功率外环控制单元的比例环节增益系数和积分环节增益系数；K_ac和K_dc分别表示交流有功功率以及直流功率的控制标志位：当采用交流有功功率作为反馈时，K_ac＝1，K_dc＝0；当采用直流功率作为反馈时，K_dc＝1，K_ac＝0；ΔP_ac、ΔP_dc和Δi_dcref分别表示交流有功功率、直流功率和直流电流参考值的微分。因此，现有有功功率控制单元采用P_ac作为反馈输入信号，一旦P_ac中包含低频振荡分量，经过有功功率外环控制的比例和积分环节运算后，有功功率外环控制将输出包含低频振荡分量的直流电流参考值。该电流参考值作为内环控制的参考信号，将引起直流电流的振荡，从而将低频振荡引入到换流器直流侧；因此，现有有功功率的控制环路提供了低频振荡从交流侧传递到直流侧的传播路径，若低频振荡传播至直流侧，会污染整个直流电网。

进一步地，在步骤三中，将常规矢量控制方案下有功功率控制单元的反馈信号，由交流有功功率改变为直流功率(P_dc)，则该外环控制的动态方程变为：

式(2)中，各变量及系数的含义与公式(1)中对应变量及系数的含义一致；即：式(2)中，K_P和K_I分别是有功功率外环控制单元的比例环节增益系数和积分环节增益系数；s表示拉普拉斯算子；ΔP_dc和Δi_dcref分别表示直流功率和直流电流参考值的微分。

而P_dc与直流电压u_dc以及直流电流i_dc存在以下耦合关系：

ΔP_dc＝u_dc0Δi_dc+i_dc0Δu_dc (3)

式(3)中，u_dc0和i_dc0分别表示直流电压和直流电流的稳态运行值，是常数；Δu_dc和Δi_dc分别表示直流电压和直流电流的微分；ΔP_dc表示直流功率参考值的微分。

进一步地，一般情况下，内环直流电流的控制速率远大于外环有功功率的控制速率，因此对于外环控制动态方程而言，可认为内环电流控制已经达到稳态，此时直流电流的实际值可以认为等于其参考值：

Δi_dcref＝Δi_dc (4)

式(4)中，Δi_dcref表示直流电流参考值的微分；Δi_dc表示直流电流的微分；

将式(3)和式(4)代入到式(2)中，可以得到采用直流功率作为反馈的有功功率外环控制的动态方程：

式(5)中，各变量及系数的含义与公式(1)和公式(3)中的对应变量及系数的含义一致；即：式(5)中，K_P和K_I分别是有功功率外环控制单元的比例环节增益系数和积分环节增益系数；s表示拉普拉斯算子；Δi_dcref表示直流电流参考值的微分；u_dc0和i_dc0分别表示直流电压和直流电流的稳态运行值，是常数；Δu_dc表示直流电压的微分。

式(5)中，等号右边第一项实际是一阶高通滤波器的传递函数，且该一阶高通滤波器的截止频率为u_dc0K_I/(1+u_dc0K_P)，因此低频振荡将被该滤波器阻隔，无法进入内环电流控制。等号右边第二项实际是基于直流电压反馈的外环控制动态方程，对直流电压具有直接控制作用。因此，式(5)的控制效果可以等效为一阶高通滤波器与直流电压控制进行串联，故该控制特性可以有效滤除低频振荡分量，并且维持直流电压的恒定。

进一步地，步骤五中，交流侧低频振荡抑制装置及其抑制方法均为现有技术，例如，交流侧低频振荡抑制装置的抑制方法可选用文献“混合型MMC接入弱交流电网稳定性分析及控制参数优化”(电力系统自动化，2020，44(16)，70～78)中所提出的调节比例环节参数的方法，或者专利“一种频域分析中直流输电的附加控制方法”(公开号为CN102801178B)所提出的附加控制等方法。

从上面的推导可以得到，本发明将有功功率外环控制单元的输入反馈信号从换流器的交流有功功率切换为直流功率，可以有效抑制低频振荡分量进入该控制回路，并且赋予了该控制回路对直流电压的闭环控制能力，从而确保了直流电流和直流电压不发生低频振荡，抑制了低频振荡传播至柔性直流输电系统直流侧。

实施例

现以本发明建立于某电磁暂态仿真平台的柔性直流输电系统为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它柔性直流输电系统同样具有指导作用。

参见图1，本实施例中抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：利用录波装置对柔性直流输电系统的交流侧有功功率(P_ac)和直流功率(P_dc)分别做信号采集，并将P_ac设置为柔性直流输电换流器有功功率控制单元的外环控制输入信号，P_dc设置为该控制单元的备用输入信号，设置交流有功功率控制标志位K_ac＝1，直流有功功率控制标志位K_dc＝0，此时有功功率控制单元的示意图如图2所示中标号1所示；

步骤2：利用录波装置对柔性直流输电换流器的直流电压和直流电流分别做信号采集，并进行快速傅里叶分析，得到其频谱结果，判断是否有低频振荡成分，如图2所示；如果直流侧没有低频振荡，则跳转到步骤1；

步骤3：如果直流电压或直流电流含有低频振荡成分，如图3中1A的直流电流波形所示，则设置交流有功功率控制标志位K_ac＝0，直流有功功率控制标志位K_dc＝1，此时外环有功功率控制单元的输入信号切换为P_dc，切换后的控制效果如图3中2A所示，直流功率、直流电流以及直流电压中的振荡均得到抑制，避免了低频振荡在直流侧的传播；

步骤4：对P_ac进行快速傅里叶分析，得到其频谱结果，判断是否有低频振荡成分，如果没有，则跳转到步骤1；

步骤5：如果P_ac含有低频振荡成分，如图3中2A所示，则需要投入交流侧低频振荡抑制装置，如图3中3A所示，跳转到步骤4。

从图3的实施效果可以看到，当交流侧有功功率发生低频振荡后，若有功功率外环控制单元的输入信号设置为交流有功功率，则该低频振荡会传播至直流侧，并引起直流功率和直流电流的低频振荡，如图3中1A所示。随后将有功功率外环控制单元的输入信号切换为直流功率，则直流功率和直流电流波形中的低频振荡被迅速抑制，如图3中2A所示；由于未投入交流侧低频振荡抑制装置，交流侧低频振荡持续发生，随后投入交流侧低频振荡抑制装置或者方法(为现有技术)，交流侧低频振荡最终逐渐被抑制，如图3中3A所示；随后有功功率外环控制单元的输入信号由直流功率切换为交流有功功率，柔性直流输电系统恢复至正常。

本实施例所描述的具体内容仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (3)

1.抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：利用录波装置对柔性直流输电系统的交流侧有功功率P_ac和直流功率P_dc分别做信号采集，并将P_ac设置为柔性直流输电换流器有功功率控制单元的外环控制输入信号，P_dc设置为有功功率控制单元的外环控制的备用输入信号；

在步骤一中，柔性直流输电换流器的有功功率的外环控制的动态方程表示为：

式(1)中，Δ表示微分算子，s表示拉普拉斯算子，i_dcref是直流电流的参考指令值，K_P和K_I分别是有功功率外环控制单元的比例环节增益系数和积分环节增益系数；K_ac和K_dc分别表示交流有功功率以及直流功率的控制标志位：当采用交流有功功率作为反馈时，K_ac＝1，K_dc＝0；当采用直流功率作为反馈时，K_dc＝1，K_ac＝0；ΔP_ac、ΔP_dc和Δi_dcref分别表示交流有功功率、直流功率和直流电流参考值的微分；

步骤二：利用录波装置对柔性直流输电换流器的直流电压和直流电流分别做信号采集，并对直流电压和直流电流进行快速傅里叶分析，得到直流电压和直流电流的频谱结果；

判断是否有低频振荡成分；当直流电压或直流电流不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤四；

步骤三：当直流电压或直流电流含有低频振荡成分时，则将外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc；

步骤四：对P_ac进行快速傅里叶分析，得到P_ac的频谱结果；

判断P_ac是否有低频振荡成分，当P_ac不含有低频振荡成分时，则跳转到步骤一；

步骤五：当P_ac含有低频振荡成分时，则投入交流侧低频振荡抑制装置，跳转到步骤四。

2.根据权利要求1所述的抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，其特征在于：在步骤三中，当外环有功功率控制单元的输入信号设置为P_dc后，外环控制的动态方程为：

而P_dc与直流电压u_dc以及直流电流i_dc存在以下耦合关系：

ΔP_dc＝u_dc0Δi_dc+i_dc0Δu_dc (3)

式(3)中，u_dc0和i_dc0分别表示直流电压和直流电流的稳态运行值，是常数；Δu_dc和Δi_dc分别表示直流电压和直流电流的微分。

3.根据权利要求2所述的抑制低频振荡在柔性直流输电系统直流侧传播的控制方法，其特征在于：假设内环电流控制已经达到稳态，此时直流电流的实际值认为等于其参考值：

Δi_dcref＝Δi_dc (4)

将式(3)和式(4)代入到式(2)中，得到采用直流功率作为反馈的有功功率外环控制的动态方程：

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