CN113162069B - 有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其包括如下步骤：建立交流系统，计算交流侧电网的典型工况，根据稳定性判据的要求确定MMC在高频段的最大相位；在MMC控制系统的电压前馈通道加入滤波器；在MMC接入交流系统的PCC节点处并联二阶高通无源滤波器，根据柔性直流输电系统的稳定裕度要求，综合考虑二阶高通无源滤波器的容量和损耗，设计二阶高通无源滤波器的参数，实现柔性直流输电系统高频谐振抑制。本发明能够在保证柔性直流输电系统高频段宽频带稳定的前提下提高谐振抑制方案的经济性，在实际工程中具有一定意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统的电网稳定控制技术领域，具体地涉及一种有源和无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法。
背景技术
对于基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电系统，相比于两电平和三电平等低电平换流器，MMC的模块数目更多，内部动态特性更为复杂，给柔性直流输电技术带来了更多稳定性问题，国内已投运的两个背靠背柔性直流工程均出现了高频谐振的现象。控制链路的长延时特性会导致MMC的交流侧阻抗在高频段出现感性负阻尼，而交流侧电网在该频段可能呈现相位接近-90度的容性性质。根据稳定性判据，当MMC交流侧阻抗与电网阻抗幅值相等、相位差大于180度时，系统会出现高频振荡。尽管工程上通过对前馈支路频带宽度的处理等手段，暂时解决了高频谐振的问题，但这些手段只能针对某一特定频段，且会发生MMC负阻尼段的转移。交流电网运行方式发生改变时，仍存在谐振风险。由于未彻底解决高频谐振问题，某直流工程只能降额运行，导致额定容量不足50％，造成了经济浪费，同时也存在较大的安全风险。
目前对于基于MMC的柔性直流输电系统的高频谐振抑制策略主要为两种：第一种是有源阻尼的手段。有源阻尼通过改变MMC控制系统，如优化控制器参数、构造新的控制回路等实现，但由于受换流器控制系统线性工作区的带宽、控制时延和控制环之间的相互制约关系影响，有源阻尼的控制策略能够调整MMC阻抗的范围有限。第二种是采用无源阻尼的方法，由于不涉及MMC控制系统，因此不受上述因素的限制，在高压直流输电系统中通常用于稳态谐波的抑制，但采用无源阻尼的方法存在滤波器的容量较大，无源装置的成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的是针对基于有源阻尼的控制策略能够调整MMC阻抗的范围有限，采用无源阻尼的方法存在滤波器的容量较大，无源装置的成本较高的问题，提出一种基于有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，在保证基于MMC的柔性直流输电系统高频段宽频带稳定的前提下提高谐振抑制方案的经济性。
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立基于MMC的柔性直流输电系统，所述基于MMC的柔性直流输电系统包括交流系统和MMC，模拟交流侧电网的典型工况，计算电网在各个工况下的戴维南等效阻抗；
步骤2：取所述步骤1中得到的典型工况下电网阻抗高频段的容性段中相位绝对值最大的情况，确定MMC的最大相位；
步骤3：将步骤1中所述MMC的控制系统的电压前馈通道加入滤波器获得改进后MMC控制系统；
步骤4：在所述步骤1中MMC接入交流系统的PCC节点处并联二阶高通无源滤波器获得改进后MMC，所述二阶高通无源滤波器包括电容、电感和电阻元件；
步骤5：确定步骤4中所述二阶高通无源滤波器的元件参数，包括以下具体步骤：
步骤51：选定无功补偿容量QC和品质因数q的初值，确定最优截止频率f0，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段的平均相位裕度最低；
步骤52：根据所述步骤51中确定的最优截止频率f0，减小无功补偿容量QC，确定最小无功补偿容量，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段满足所述步骤2中MMC的最大相位要求；
步骤53：根据步骤51中和步骤52中所述最优截止频率f0、品质因素q的初值、最小无功补偿容量，判断是否满足平均相位裕度的要求：
如果所述步骤4中改进后MMC的高频段阻抗不满足平均相位裕度的要求，增大品质因数q，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段满足平均相位裕度的要求；
步骤54：根据步骤51中、步骤52中以及步骤53中所述最优截止频率f0，最小无功补偿容量和确定的品质因数q，计算所述二阶高通无源滤波器的元件参数Cp、Lp和Rp。
进一步，步骤1中所述交流系统采用第一支路并联第二支路作为系统戴维南等效阻抗，通过改变交流侧的阻抗参数模拟不同的典型工况；所述第一支路为电阻和电感串联得到的RL支路；所述第二支路为电阻、电感和电容串联得到的RLC支路。
更进一步的是，步骤1中所述典型工况包括：第一典型工况、第二典型工况和第三典型工况，所述第一典型工况为正常电网调度工况；所述第二典型工况为计划性检修工况；所述第三典型工况为交流侧故障工况。
可优选的是，步骤3中所述滤波器是基于取整函数Gffw(s)的非线性滤波器，滤波器的输入输出关系为：
Gffw_out(s)＝Gffw·uv＝round(Llevel·uv)/Llevel
式中：Llevel是一个整数，表示输出电压分成Llevel级，uv为PCC点电压。
可优选的是，步骤4中所述二阶高通无源滤波器为电感和电阻并联后与电容串联。
可优选的是，步骤2中所述高频段为500Hz-2000Hz；步骤51中的无功补偿容量QC取较大的初值25Mvar。
可优选的是，步骤54中所述二阶高通无源滤波器的元件参数Cp、Lp和Rp为：
式中：ω1为工频角频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，针对MMC与交流侧存在多个谐振风险段的特点，经过有源阻尼无法抑制的高频振荡，利用在PCC节点处并联二阶高通无源滤波器的方法增加风险段整体的阻尼，进一步抑制高频振荡，从而避免针对多个工况设计复杂的有源抑制策略。结合有源方法和二阶高通无源滤波器的参数设计方法，相比单纯的无源阻尼方法能够有效降低无源滤波器的容量，减少无源装置的成本，提升方案整体的经济性。
附图说明
图1是本发明实施例的基于MMC的柔性直流输电系统；
图2是本发明实施例的投入有源阻尼的MMC闭环控制模型；
图3是本发明实施例的无源阻尼抑制策略滤波器结构；
图4是本发明实施例的无源阻尼抑制策略滤波器参数设计流程图；
图5a是本发明实施例中高频振荡抑制效果的仿真值示意图；
图5b是本发明实施例中高频振荡经过有源阻尼后仿真所得的幅值仿真值示意图；
图5c是本发明实施例中高频振荡经过有源阻尼后仿真所得的相位仿真值示意图；
图5d是本发明实施例中高频振荡经过无源阻尼后仿真所得的幅值仿真值示意图；
图5e是本发明实施例中高频振荡经过无源阻尼后仿真所得的相位仿真值示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明利用改进MMC控制系统的有源阻尼和在公共耦合(Point of CommonCoupling，PCC)节点并联无源滤波装置的方法实现对柔性直流输电系统高频谐振的抑制。
如图1所示的基于MMC的柔性直流输电系统，包括交流系统A即交流侧电网模型、换流器即MMC，交流侧采用第一支路并联第二支路作为系统戴维南等效阻抗，第一支路为电阻和电感串联得到的RL支路；第二支路为电阻、电感和电容串联得到的RLC支路。基于MMC的柔性直流输电系统还包括直流侧模型，直流侧用电阻模拟无源负载。通过改变交流侧的阻抗参数来模拟不同的典型工况，该典型工况包括：第一典型工况、第二典型工况和第三典型工况，第一典型工况为正常电网调度工况；第二典型工况为计划性检修工况；第三典型工况为交流侧故障工况。在某些工况下，MMC会发生高频振荡。
系统发生振荡后，可以在MMC控制系统的电压前馈通道投入非线性滤波器进行有源阻尼，有源阻尼抑制策略控制框图如图2所示。投入有源阻尼抑制后，一部分工况下振荡得到抑制，一部分工况下，振荡频率会发生转移。
通过对现有控制方法的改进，在PCC节点并联一个无源滤波装置，无源滤波装置采用二阶高通无源滤波器，如图3所示。目前的高频谐振事件的振荡频率在七百赫兹至两千赫兹，本实施例中对MMC阻抗塑形的范围选定为500Hz至2000Hz。按照截止频率f0、无功补偿容量QC、品质因数q的设计顺序选择合适的滤波器元件参数，无源阻尼抑制策略滤波器参数设计流程图如图4所示。在低频段滤波器阻抗远大于MMC阻抗，并联系统表现为MMC的特性；在高频段滤波器阻抗较小且接近纯电阻，并联系统的正阻尼增加，保证互联系统稳定运行。
本实施例对目前MMC高频谐振抑制采用有源阻尼的方法的改进主要在于：利用二阶高通无源滤波的方法增加风险段整体的阻尼，避免针对多个工况设计复杂的有源抑制策略；对采用无源阻尼方法的改进主要在于：结合有源的方法和无源滤波器的参数设计方法，降低无源滤波器的容量，减少无源装置的成本，提升方案整体的经济性。
本实施例用于柔性直流输电系统的高频谐振抑制策略包括如下步骤：
步骤1：建立基于MMC的柔性直流输电系统，图1为基于MMC的柔性直流输电系统，包括交流系统A和MMC，交流系统A即交流侧采用第一支路并联第二支路作为系统戴维南等效阻抗，第一支路为电阻和电感串联得到的RL支路。第二支路为电阻、电感和电容串联得到的RLC支路。基于MMC的柔性直流输电系统还包括直流侧，直流侧用电阻模拟无源负载，当交流侧电网运行工况改变，电网阻抗与MMC的阻抗在高频负阻尼段发生幅值相等的情况时，互联系统出现高频振荡现象，结合交流侧电网的典型工况，计算电网在各个工况下的戴维南等效阻抗；
步骤2：取步骤1计算的所有工况下电网阻抗500Hz至2000Hz内的容性段中相位绝对值最大的情况，确定MMC侧高频段感性负阻尼的最大相位；
步骤3：将MMC控制系统的电压前馈通道中加入基于取整函数Gffw(s)的非线性滤波器获得改进后MMC控制系统，非线性滤波器的输入输出关系为式(1)：
Gffw_out(s)＝Gffw·uv＝round(Llevel·uv)/Llevel (1)
式中：Llevel是一个整数，表示输出电压分成Llevel级，uv为PCC点电压。
图2为投入有源阻尼的MMC闭环控制模型，在电压前馈通道中加入非线性滤波器阻断电压高频信号通过电压前馈通道进入控制系统，初步减小MMC侧的感性负阻尼段最大相位，投入有源阻尼抑制后，一部分工况下振荡得到抑制，一部分工况下，振荡频率会发生转移。
步骤4：对于经过步骤3有源阻尼处理后发生感性负阻尼转移的情况，在PCC节点处并联一个无源滤波装置，图3为无源滤波装置采用二阶高通无源滤波器的拓扑形式。采用的二阶高通无源滤波器包括电容、电感和电阻元件，电感和电阻并联后与电容串联再在PCC节点处并联接入输电系统。在低频段，二阶高通无源滤波器近似纯电容的性质，相当于开路，MMC侧并联系统呈现为MMC的阻抗特性；在高频段，二阶高通无源滤波器近似纯电阻，相当于负载，MMC并联系统较原MMC阻抗正阻尼增加，互联系统谐振风险降低。
步骤5：设计二阶高通无源滤波器的元件参数，图4为无源阻尼抑制策略二阶高通无源滤波器参数设计流程图，包括以下具体步骤：
步骤51：确定二阶高通无源滤波器的最优截止频率f0，首先选定无功补偿容量QC和品质因数q作为初值，这里推荐选取较大的无功补偿容量QC作为初值，例如取为25Mvar，确定最优截止频率f0，使得MMC并联系统在500Hz至2000Hz内的平均相位裕度最低；
步骤52：确定二阶高通无源滤波器的无功补偿容量QC的最小值，根据步骤51确定的最优截止频率f0，逐渐减小无功补偿容量QC，使得MMC并联系统在500Hz至2000Hz内满足MMC最大相位的要求；
步骤53：确定二阶高通无源滤波器的品质因数q，根据步骤51确定的最优截止频率f0、步骤52确定的无功补偿容量QC最小值以及品质因数q的初值，判断MMC并联系统的高频段阻抗是否满足平均相位裕度的要求，若不满足，逐渐增大品质因数q，使得MMC并联系统在500Hz至2000Hz内满足平均相位裕度的要求。品质因数q的增大，MMC在高频段满足平均相位裕度会单调增大，所以不断增大q，并计算对应的MMC在高频段平均相位裕度，直到满足要求即可。
步骤54：计算滤波器的元件参数Cp、Lp和Rp，将步骤51确定的最优截止频率f0、步骤52确定的无功补偿容量QC最小值以及步骤53确定的品质因数q代入式(2)-(4)得到：
图5a-e是基于本发明提出的有源/无源阻尼抑制策略对基于MMC的柔性直流输电系统的高频振荡抑制的预测结果，图5a对应在0.8s的时候将系统延时由240us增大至540us，系统出现高频振荡，在0.83s时投入抑制策略，系统高频振荡被抑制，回到稳定工作状态。图5b-c是高频振荡经过有源阻尼，即在电压前馈通道加入基于取整函数的非线性滤波器后仿真所得的仿真值，由图5b可以看到，与原阻抗相比，采用有源阻尼后的MMC阻抗在原阻抗与电网幅值相交处的相位降低，系统在该频段的稳定性提高。但由图5c可知加入有源阻尼后出现了新的负阻尼段，在1500Hz以下加入有源阻尼后MMC阻抗的相位变大，超过了90度，超过90度的那部分就是新的负阻尼段，若交流侧存在多个容性段或者容性段随着工况的改变发生转移，柔性直流系统仍存在谐振风险。图5d-e是高频振荡经过有源阻尼后没有被抑制的部分进一步通过在PCC节点并联无源阻尼后仿真所得的仿真值，与原阻抗相比，进一步并联二阶高通无源滤波器后的MMC并联系统阻抗在整个高频段的相位均降低，不再出现相位大于90度的负阻尼段，系统的高频振荡风险被完全消除。
从计算结果发现，由本发明所提出的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振动的方法能够有效的进行高频段的高频振荡抑制，基于MMC的柔性直流输电系统的高频振荡在经过有源阻尼后被抑制掉一部分，但也会产生新的负阻尼段，柔性直流输电系统仍存在谐振风险。而通过进一步并联无源阻尼后可以进一步过滤掉更多的高频振荡，从得到的结果看，结合有源/无源阻尼的抑制策略对于柔性直流输电系统的高频段振荡抑制的有效性。
基于MMC的柔性直流输电系统受控制延时的影响在高频段存在感性负阻尼，当交流侧电网在MMC呈负阻尼的频段与MMC幅值相等时，若电网与MMC的相位差大于180度，整个系统在该频率处呈现为负阻尼，对应谐波分量被不断放大，引发高频振荡。
本实施例提出的一种高频谐振抑制策略采用有源和无源方法结合的方式对换流器进行阻抗塑形，充分利用有源阻尼和无源阻尼对MMC的阻抗塑形效果，利用前馈通道非线性滤波改进MMC的控制回路，阻断电压高频信号通过前馈通道进入控制系统；并在PCC节点处通过无源滤波器构造新的高频信号回路，并直接在该回路中增加阻尼，利用二阶高通无源滤波增加新的高频分量电气回路，并在回路中增加阻尼来达到给MMC高频段阻抗塑形，该高频谐振抑制策略是对现有阻抗塑形方法的改进，采用的有源塑形方式可以直接在MMC控制系统硬件平台上通过修改控制程序实现，二阶高通无源滤波器为常用的滤波器类型，且由于柔性直流系统不需要无功补偿，使用的滤波器容量小，成本较低。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：建立基于MMC的柔性直流输电系统，所述基于MMC的柔性直流输电系统包括交流系统和MMC，模拟交流侧电网的典型工况，计算电网在各个工况下的戴维南等效阻抗；
步骤2：取所述步骤1中得到的典型工况下电网阻抗高频段的容性段中相位绝对值最大的情况，确定MMC的最大相位；
步骤3：将步骤1中所述MMC的控制系统的电压前馈通道加入滤波器获得改进后MMC控制系统；
步骤4：在所述步骤1中MMC接入交流系统的PCC节点处并联二阶高通无源滤波器获得改进后MMC，所述二阶高通无源滤波器包括电容、电感和电阻元件；
步骤5：确定步骤4中所述二阶高通无源滤波器的元件参数，包括以下具体步骤：
步骤51：选定无功补偿容量QC和品质因数q的初值，确定最优截止频率f0，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段的平均相位裕度最低；
步骤52：根据所述步骤51中确定的最优截止频率f0，减小无功补偿容量QC，确定最小无功补偿容量，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段满足所述步骤2中MMC的最大相位要求；
步骤53：根据步骤51中和步骤52中所述最优截止频率f0、品质因素q的初值、最小无功补偿容量，判断是否满足平均相位裕度的要求：
如果所述步骤4中改进后MMC的高频段阻抗不满足平均相位裕度的要求，增大品质因数q，使得所述步骤4中改进后MMC在高频段满足平均相位裕度的要求；
步骤54：根据步骤51中、步骤52中以及步骤53中所述最优截止频率f0，最小无功补偿容量和确定的品质因数q，计算所述二阶高通无源滤波器的元件参数电容Cp、电感Lp和电阻Rp。
2.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤1中所述交流系统采用第一支路并联第二支路作为系统戴维南等效阻抗，通过改变交流侧的阻抗参数模拟不同的典型工况。
3.根据权利要求2所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，所述第一支路为电阻和电感串联得到的RL支路。
4.根据权利要求2所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，所述第二支路为电阻、电感和电容串联得到的RLC支路。
5.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤1中所述典型工况包括：第一典型工况、第二典型工况和第三典型工况，所述第一典型工况为正常电网调度工况；所述第二典型工况为计划性检修工况；所述第三典型工况为交流侧故障工况。
6.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤3中所述滤波器为基于取整函数Gffw(s)的非线性滤波器，所述非线性滤波器的输入输出关系为：
Gffw_out(s)＝Gffw·uv＝round(Llevel·uv)/Llevel
式中：Llevel是一个整数，表示输出电压分成Llevel级，uv为PCC点电压。
7.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤4中所述二阶高通无源滤波器为电感和电阻并联后与电容串联。
8.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤2中所述高频段为500Hz-2000Hz。
9.根据权利要求1所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，步骤51中所述无功补偿容量QC的初值取为25Mvar。
10.根据权利要求6所述的有源/无源阻尼抑制柔性直流输电系统高频振荡的方法，其特征在于，所述步骤54中的二阶高通无源滤波器的元件参数电容Cp、电感Lp和电阻Rp为：
式中：ω1为工频角频率。
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