CN113890115A - 用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统 - Google Patents

用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统。本发明包括有功阻尼控制器和无功阻尼控制器，有功阻尼控制器用于采集电网频率，通过计算和处理后形成有功功率的补偿信号，同时将有功功率的补偿信号输送至新能源电站有功控制器；无功阻尼控制器用于实时采集电网频率，同样经过通过计算和处理后形成电压的补偿信号，同时将电压的补偿信号输送至新能源电站无功控制器。本发明能够有效地抑制新能源电站接入弱电网时产生的低频振荡，增强电力系统的小干扰稳定性。

Description

用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统
技术领域
本发明属于新能源发电领域，具体地说是一种用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统。
背景技术
自电力系统发展至今，低频振荡问题一直备受关注。低频振荡通常表现为系统干扰下发电机组转子的持续摇摆以及输电线路的功率振荡，若系统阻尼充足，则振荡会逐渐平息，若阻尼不足，则振荡会越来越大，系统也会因此失去动态稳定，从而对系统造成严重的危害。与传统的同步发电机组不同，新能源电站作为静止发电单元，其惯量很小，因此大规模的新能源电站并网可能会对系统的阻尼特性造成影响，特别是近年来我国大型区域互联系统迅猛发展，长距离输送功率增加，在这样弱联系、远距离输送以及重负荷的大型区域互联电网联络线上极易因缺乏阻尼而发生低频振荡，严重影响区域互联电网的安全稳定运行。
中国专利申请号201510303945.5，提出了一种利用大型光伏电站抑制电力系统低频振荡的控制器设计方法，同时考虑同步机功角和光伏并网电压因素，确保了功角和电压振荡能得到抑制。中国专利申请号201710771291.8，此发明基于模式分析，采用无功调制法设计光伏广域阻尼控制器，有效抑制了多机系统的低频振荡。
上述通过新能源电站对系统低频振荡抑制的方法，其采用模态分析法，往往基于整个系统的状态空间信息分析，对于大型系统来说模型阶数高，相应参数设计也较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其可以有效地抑制电力系统在0.1～2.5Hz频率段的低频振荡，以提升系统阻尼，提高新能源电站并网系统运行的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，包括阻尼控制器、有功控制器、无功控制器和驱动信号生成器；
所述的阻尼控制器包括有功阻尼控制器、无功阻尼控制器和工作模式选择器；
所述的有功阻尼控制器用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成有功功率的补偿信号，同时将有功功率的补偿信号输送至工作模式选择器；
所述的无功阻尼控制器用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成无功电压的补偿信号，同时将无功电压的补偿信号输送至工作模式选择器；
所述的工作模式选择器接收有功功率的补偿信号和无功电压的补偿信号并相应地选择对应的工作模式，将有功功率的补偿信号和无功电压的补偿信号分别输送至有功控制器和无功控制器；
所述的有功控制器用于实时采集并网点三相输出电压和电流信号，并计算新能源电站有功功率P，结合所接收到的有功功率的补偿信号，输出相应的有功控制器调制信号；
所述的无功控制器用于实时采集并网点三相端电压信号并变换成d轴电压信号Ud，并结合所接收到的无功电压的补偿信号，输出相应的无功控制器调制信号；
随后驱动信号生成器接收有功/无功控制器调制信号，得到驱动信号，并将驱动信号输送至并网型逆变器。
本发明不依赖外部系统信息，以测量机端或者公共连接点频率为输入，通过调制新能源场站有功、无功指令输出来提升电力系统低频振荡频段的阻尼特性。
进一步地，在有功控制器中，由端电压计算器和电流计算器采集新能源电站并网点三相输出电压和电流信号，并将电压和电流信号输送至功率计算器，通过计算得到新能源电站功率信号P，并结合有功功率参考信号P*，通过计算和处理输出d轴电流参考信号id，并将d轴电流参考信号id输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收d轴电流参考信号id，通过计算和处理得到有功控制器调制信号，并将有功控制器调制信号输送至驱动信号生成器。
进一步地，在无功控制器中，由端电压计算器采集新能源电站三相端电压信号，通过计算得到d轴电压信号Ud，并结合d轴电压参考信号U*d，通过计算和处理输出q轴电流参考信号iq，并将q轴电流参考信号iq输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收q轴电流参考信号，通过计算和处理得到无功控制器调制信号，并将无功控制器调制信号输送至驱动信号生成器。
进一步地，所述的有功阻尼控制器包括第一死区判断器、第一比例调节器、第一高通滤波器和第一相位补偿调节器；
所述的电网频率f经第一死区判断器判断后输出第一电网频率(频率大小仍为f)，所述的第一比例调节器用于实时采集第一电网频率，并基于采集值通过计算放大得出第一调理信号，然后将其输出至第一高通滤波器；第一高通滤波器用于接收第一调理信号，并检测出其中的低频振荡的第一频率信号，并将此第一频率信号输出至第一相位补偿调节器；第一相位补偿调节器用于接收低频振荡的第一频率信号，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号。
进一步地，所述第一高通滤波器用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第一相位补偿器用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
进一步地，所述的无功阻尼控制器包括第二死区判断器、第二比例调节器、第二高通滤波器和第二相位补偿调节器；
所述的电网频率f经第二死区判断器判断后输出第二电网频率(频率大小仍为f)，所述的第二比例调节器用于实时采集第二电网频率，并基于采集值通过计算放大得出第二调理信号，然后将其输出至第二高通滤波器；第二高通滤波器用于接收第二调理信号，并检测出其中的低频振荡的第二频率信号，并将此第二频率信号输出至第二相位补偿调节器；第二相位补偿调节器用于接收低频振荡的第二频率信号，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号。
进一步地，所述第二高通滤波器用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第二相位补偿器用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
进一步地，所述的工作模式选择器接收有功功率的补偿信号和无功电压的补偿信号，根据系统需求输出四种工作模式，模式1：不加任何阻尼控制器，即令有功功率的补偿信号和无功电压的补偿信号均为0；模式2：附加有功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号按实际输出，令无功电压的补偿信号为0；模式3：附加无功阻尼控制器，即无功电压的补偿信号按实际输出，令有功功率的补偿信号为0；模式4：附加有功和无功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号和无功电压的补偿信号均按实际输出。
进一步地，所述有功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第一比例调节器进行放大处理，随后信号通过第一高通滤波器，第一高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第一相位补偿调节器；第一相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号；判断有功功率补偿信号是否在限幅(新能源电站容量限制范围)内，若是则输出，若否则经限幅后输出。
进一步地，所述无功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第二比例调节器进行放大处理，随后信号通过第二高通滤波器，第二高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第二相位补偿调节器；第二相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号；判断无功电压补偿信号是否在限幅(新能源电站容量限制范围)内，若是则输出，若否则经限幅后输出。
按照本发明，新能源电站接入低惯量电力系统的工况下具有良好的稳定性，有功/无功阻尼控制器可以有效地抑制电力系统在0.1～2.5Hz频率段的低频振荡，有利于提升系统阻尼，有利于提高新能源电站并网系统运行的稳定性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中新能源发电并网系统的拓扑结构图；
图2是本发明具体实施方式中新能源站控制系统的结构框图；
图3是本发明具体实施方式中阻尼控制器的结构框图；
图4是本发明具体实施方式中有功阻尼控制器的结构框图；
图5是本发明具体实施方式中无功阻尼控制器的结构框图；
图6是本发明具体实施方式中工作模式选择器的结构框图；
图7是本发明具体实施方式中有功阻尼控制流程图；
图8是本发明具体实施方式中无功阻尼控制流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。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。
图1是新能源并网系统结构图，由新能源电站2、DC/DC变换器31、并网型逆变器33和MPPT控制器5、并网控制器6等组成。变换器将新能源电站2的输出直流电逆变成正弦交流电并入公共电网43，MPPT控制器5控制新能源电站最大功率点跟踪，并网控制器6控制逆变器并网电流的波形、频率和功率，使新能源电站向公共电网43输送的功率是其工作的最大功率。在这个电路中，新能源电站发出的直流电经过并网型逆变器33之后转换成交流电，通过滤波电感成为符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网43。
如图2所示，新能源电站控制系统包括阻尼控制器61、有功控制器62、无功控制器63、驱动信号生成器64以及若干计算器。
在有功控制器62中，由端电压计算器和电流计算器采集新能源电站并网点三相输出电压和电流信号62.1，并将电压和电流信号62.1输送至功率计算器，通过计算得到新能源电站功率信号P，并结合有功功率参考信号P*，通过计算和处理输出d轴电流参考信号id，并将d轴电流参考信号id输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收d轴电流参考信号id，通过计算和处理得到有功控制器调制信号62.2，并将有功控制器调制信号62.2输送至驱动信号生成器64。
在无功控制器63中，由端电压计算器采集新能源电站三相端电压信号63.1，通过计算得到d轴电压信号Ud，并结合d轴电压参考信号U*d，通过计算和处理输出q轴电流参考信号iq，并将q轴电流参考信号iq输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收q轴电流参考信号，通过计算和处理得到无功控制器调制信号63.2，并将无功控制器调制信号63.2输送至驱动信号生成器64。
随后驱动信号生成器64接收有功/无功控制器调制信号62.2和63.2，得到驱动信号60，并将驱动信号60输送至并网型逆变器33。
如图3所示，所述的阻尼控制器61包括有功阻尼控制器611、无功阻尼控制器612和工作模式选择器613。
所述的有功阻尼控制器611用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成有功功率的补偿信号61.1，同时将有功功率的补偿信号61.1输送至工作模式选择器613。
所述的无功阻尼控制器612用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成无功电压的补偿信号61.2，同时将无功电压的补偿信号61.2输送至工作模式选择器613。
所述的工作模式选择器613接收有功功率的补偿信号61.1和无功电压的补偿信号61.2并相应地选择对应的工作模式，将有功功率的补偿信号61.1和无功电压的补偿信号61.2分别输送至有功控制器62和无功控制器63。
如图4所示，所述的有功阻尼控制器611包括第一死区判断器6110、第一比例调节器6111、第一高通滤波器6112和第一相位补偿调节器6113。
所述的电网频率f经第一死区判断器6110判断后输出第一电网频率6110.1(频率大小仍为f)，所述的第一比例调节器6111用于实时采集第一电网频率6110.1，并基于采集值通过计算放大得出第一调理信号6111.1，然后将其输出至第一高通滤波器6112；第一高通滤波器6112用于接收第一调理信号6111.1，并检测出其中的低频振荡的第一频率信号6112.1，并将此第一频率信号6112.1输出至第一相位补偿调节器6113；第一相位补偿调节器6113用于接收低频振荡的第一频率信号6112.1，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号61.1。
所述第一高通滤波器6112用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第一相位补偿器6113用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
如图5所示，所述的无功阻尼控制器612包括第二死区判断器6120、第二比例调节器6121、第二高通滤波器6122和第二相位补偿调节器6123。
所述的电网频率f经第二死区判断器6120判断后输出第二电网频率6120.1(频率大小仍为f)，所述的第二比例调节器6121用于实时采集第二电网频率6120.1，并基于采集值通过计算放大得出第二调理信号6121.1，然后将其输出至第二高通滤波器6122；第二高通滤波器用于接收第二调理信号6121.1，并检测出其中的低频振荡的第二频率信号6122.1，并将此第二频率信号6122.1输出至第二相位补偿调节器6123；第二相位补偿调节器6123用于接收低频振荡的第二频率信号6122.1，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号61.2。
所述第二高通滤波器6122用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第二相位补偿器6123用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
如图6所示，所述的工作模式选择器613接收有功功率的补偿信号61.1和无功电压的补偿信号61.2，根据系统需求输出四种工作模式，模式1：不加任何阻尼控制器，即令有功功率的补偿信号61.1和无功电压的补偿信号61.2均为0；模式2：附加有功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号61.1按实际输出，令无功电压的补偿信号61.2为0；模式3：附加无功阻尼控制器，即无功电压的补偿信号61.2按实际输出，令有功功率的补偿信号61.1为0；模式4：附加有功和无功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号61.1和无功电压的补偿信号61.2均按实际输出。
如图7所示，所述有功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第一比例调节器进行放大处理，随后信号通过第一高通滤波器，第一高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第一相位补偿调节器；第一相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号；判断有功功率补偿信号是否在限幅(新能源电站容量限制)内，若是则输出，若否则经限幅后输出。
如图8所示，所述无功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第二比例调节器进行放大处理，随后信号通过第二高通滤波器，第二高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第二相位补偿调节器；第二相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号；判断无功电压补偿信号是否在限幅(新能源电站容量限制)内，若是则输出，若否则经限幅后输出。

Claims (10)

1.用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，包括阻尼控制器(61)、有功控制器(62)、无功控制器(63)和驱动信号生成器(64)，其特征在于，
所述的阻尼控制器(61)包括有功阻尼控制器(611)、无功阻尼控制器(612)和工作模式选择器(613)；
所述的有功阻尼控制器(611)用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成有功功率的补偿信号(61.1)，同时将有功功率的补偿信号(61.1)输送至工作模式选择器(613)；
所述的无功阻尼控制器(612)用于采集电网频率f，通过计算和处理后形成无功电压的补偿信号(61.2)，同时将无功电压的补偿信号(61.2)输送至工作模式选择器(613)；
所述的工作模式选择器(613)接收有功功率的补偿信号(61.1)和无功电压的补偿信号(61.2)并相应地选择对应的工作模式，将有功功率的补偿信号(61.1)和无功电压的补偿信号(61.2)分别输送至有功控制器(62)和无功控制器(63)；
所述的有功控制器(62)用于实时采集并网点三相输出电压和电流信号(62.1)，并计算新能源电站有功功率P，结合所接收到的有功功率的补偿信号(61.1)，输出相应的有功控制器调制信号(62.2)；
所述的无功控制器(63)用于实时采集并网点三相端电压信号(63.1)并变换成d轴电压信号Ud，并结合所接收到的无功电压的补偿信号(61.2)，输出相应的无功控制器调制信号(63.2)；
随后驱动信号生成器(64)接收有功/无功控制器调制信号(62.2)和(63.2)，得到驱动信号(60)，并将驱动信号(60)输送至并网型逆变器(33)。
2.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，在有功控制器(62)中，由端电压计算器和电流计算器采集新能源电站并网点三相输出电压和电流信号(62.1)，并将电压和电流信号(62.1)输送至功率计算器，通过计算得到新能源电站功率信号P，并结合有功功率参考信号P*，通过计算和处理输出d轴电流参考信号id，并将d轴电流参考信号id输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收d轴电流参考信号id，通过计算和处理得到有功控制器调制信号(62.2)，并将有功控制器调制信号(62.2)输送至驱动信号生成器(64)。
3.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，在无功控制器(63)中，由端电压计算器采集新能源电站三相端电压信号(63.1)，通过计算得到d轴电压信号Ud，并结合d轴电压参考信号
Figure FDA0003285530870000021
通过计算和处理输出q轴电流参考信号iq，并将q轴电流参考信号iq输出至电流控制器；
所述的电流控制器接收q轴电流参考信号，通过计算和处理得到无功控制器调制信号(63.2)，并将无功控制器调制信号(63.2)输送至驱动信号生成器(64)。
4.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述的有功阻尼控制器(611)包括第一死区判断器(6110)、第一比例调节器(6111)、第一高通滤波器(6112)和第一相位补偿调节器(6113)；
所述的电网频率f经第一死区判断器(6110)判断后输出第一电网频率(6110.1)，所述的第一比例调节器(6111)用于实时采集第一电网频率(6110.1)，并基于采集值通过计算放大得出第一调理信号(6111.1)，然后将其输出至第一高通滤波器(6112)；第一高通滤波器(6112)用于接收第一调理信号(6111.1)，并检测出其中的低频振荡的第一频率信号(6112.1)，并将此第一频率信号(6112.1)输出至第一相位补偿调节器(6113)；第一相位补偿调节器(6113)用于接收低频振荡的第一频率信号(6112.1)，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号(61.1)。
5.根据权利要求4所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述第一高通滤波器(6112)用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第一相位补偿器(6113)用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
6.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述的无功阻尼控制器(612)包括第二死区判断器(6120)、第二比例调节器(6121)、第二高通滤波器(6122)和第二相位补偿调节器(6123)；
所述的电网频率f经第二死区判断器(6120)判断后输出第二电网频率(6120.1)，所述的第二比例调节器(6121)用于实时采集第二电网频率(6120.1)，并基于采集值通过计算放大得出第二调理信号(6121.1)，然后将其输出至第二高通滤波器(6122)；第二高通滤波器用于接收第二调理信号(6121.1)，并检测出其中的低频振荡的第二频率信号(6122.1)，并将此第二频率信号(6122.1)输出至第二相位补偿调节器(6123)；第二相位补偿调节器(6123)用于接收低频振荡的第二频率信号(6122.1)，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号(61.2)。
7.根据权利要求6所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述第二高通滤波器(6122)用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，滤波时间常数选取需保证直流及超低频频段信号的衰减足够，且不影响低频振荡频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.5～1s；所述第二相位补偿器(6123)用于调制整个阻尼控制环节在低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。
8.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述的工作模式选择器(613)接收有功功率的补偿信号(61.1)和无功电压的补偿信号(61.2)，根据系统需求输出四种工作模式，模式1：不加任何阻尼控制器，即令有功功率的补偿信号(61.1)和无功电压的补偿信号(61.2)均为0；模式2：附加有功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号(61.1)按实际输出，令无功电压的补偿信号(61.2)为0；模式3：附加无功阻尼控制器，即无功电压的补偿信号(61.2)按实际输出，令有功功率的补偿信号(61.1)为0；模式4：附加有功和无功阻尼控制器，即有功功率的补偿信号(61.1)和无功电压的补偿信号(61.2)均按实际输出。
9.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述有功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第一比例调节器进行放大处理，随后信号通过第一高通滤波器，第一高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第一相位补偿调节器；第一相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到有功功率补偿信号；判断有功功率补偿信号是否在限幅内，若是则输出，若否则经限幅后输出。
10.根据权利要求1所述的用于抑制电网功率振荡的新能源电站控制系统，其特征在于，所述无功阻尼控制器的控制方法为：输入电网频率f，判断是否在死区外，若否则结束，若是则将输入电网频率f输送给第二比例调节器进行放大处理，随后信号通过第二高通滤波器，第二高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至第二相位补偿调节器；第二相位补偿调节器用于接收低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到无功电压补偿信号；判断无功电压补偿信号是否在限幅内，若是则输出，若否则经限幅后输出。
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