一種基於sssc的抑制電力系統次同步振蕩的方法
2023-10-22 21:56:57 1
專利名稱：：一種基於sssc的抑制電力系統次同步振蕩的方法
技術領域：
：本發明涉及電力系統控制
技術領域：
，尤其涉及一種抑制電力系統次同步振蕩的方法。
背景技術：
：在遠距離輸電線路中使用串聯補償電容，是提高電力系統輸電容量和暫態穩定性的有效方法，在我國大容量電廠的輸送線路中得到廣泛的應用，如內蒙古託克託電廠、陝西錦界電廠和東北的伊敏電廠等。但是串聯補償電容的使用可能導致發電機軸系扭振，從而嚴重危害發電機的安全。為了解決這一問題，電力學術和工程界做了許多工作來研究對策和解決方法。一些基於晶閘管的柔性交流輸電控制裝置只要控制整定得當，也能夠減緩次同步諧振的發生。但是以上提到的柔性交流輸電裝置(FACTS)由於採用晶閘管的控制，會向系統注入一定量的諧波；同時由於晶閘管每個周波投切一次，其暫態響應時間仍比較慢。隨著電力電子技術的不斷發展，新一代基於電壓源換流器(VSC)的柔性交流輸電裝置也逐漸應用於抑制次同步諧振。以靜止同步串聯補償器(SSSC)為例，如圖1所示，其中靜止同步串聯補償器(SSSC)是串聯在線路中的柔性交流輸電裝置，通過注入一個和線路電流(Ia、Ib、I。)有一定相位差的電壓(U。a、u。b、u。。)來改變輸電線路的阻抗，圖中SSSC由直流電容器(cd。)、由若干個IGBT(觸發極為S1-S6)組成的電壓源逆變器，連接電抗器(L)、RLC高通濾波器、耦合變壓器構成，其注入電壓的相位滯後線路電流相位90°時，相當於在線路中串入容性的電感，能夠提供一部分的串聯補償。現有技術中SSSC控制器可採用基於電壓幅值和相位的間接電流控制策略，即將幅值控制信號和相位控制信號進行脈寬調製(PWM)後輸入電壓源逆變器，從而控制電壓源逆變器交流側輸出電壓基波的幅值和相位，來達到控制目標。如下式所示formulaseeoriginaldocumentpage3式中，Um為VSC交流側輸出電壓，Udc為直流電壓，ma為調製波的調製度，θ為相角。因為SSSC注入電壓為基頻下的純正弦波，認為SSSC不會像固定串補一樣和線路電抗產生串聯諧振，因此就沒有次同步諧振的問題。但是相比固定串聯電容，SSSC的造價昂貴，出於造價的考慮，SSSC不單獨用於串聯補償，往往只將原系統中的部分固定串聯補償電容用SSSC代替。因此SSSC雖然能提供比固定串補更大的阻尼，但仍不能阻止次同步諧振的發生。
發明內容本發明的目的在於利用電力電子裝置靜止同步串聯補償器(SSSC)來抑制電力系統次同步振蕩，通過對發電機轉速信號的反饋控制，使靜止同步串聯補償器為抑制電力系統次同步振蕩提供正的電氣阻尼。一種基於靜止同步串聯補償器(SSSC)的抑制電力系統次同步振蕩的方法，包括生成附加控制信號，該附加控制信號與幅值控制信號疊加後，再與相位控制信號進行脈寬調製得到靜止同步串聯補償器中電壓源逆變器的觸發脈衝(如圖2所示)，從而控制靜止同步串聯補償器的輸出電壓，所述的生成附加控制信號包括如下步驟(1)採集電力系統中發電機(本發明中若無特殊說明，所述的發電機均指需要通過本發明方法保護的那臺發電機)的轉速差信號Δω，轉速差信號是指發電機的實際轉速與額定轉速的差；(2)對轉速差信號Δω進行濾波處理，得到發電機軸系的各扭振頻率信號；進行濾波處理時，可以利用多通道帶通濾波器對轉速差信號Δω進行濾波，其中帶通濾波器通帶中心頻率調諧為發電機軸系各扭振頻率，通過濾波得到多路信號，而每一路信號分別對應發電機軸系各扭振頻率；(3)對濾波得到的多路信號分別進行放大和相位補償後，進行疊加得到附加控制信號。上述步驟如圖3所示。實際應用中，通過多個超前滯後環節分別對經過放大的各路信號進行相位補償，可以實現較大角度的相位補償。所述的超前滯後環節的傳遞函數可以表示為的形式，其中Ta、Tb為超前滯後環節的時間常數，η=Tb/Ta=(I_sin<j5)/(l+sin<j5)Ta=\1{ωχ4η)Tb=nTaωχ為所選擇的相位補償頻率，即發電機的軸系扭振頻率；φ為ωχ所對應的需要補償的滯後相角。在確定需要補償的滯後相角Φ時，參見式(1)formulaseeoriginaldocumentpage4(1)式⑴中Δ；為發電機的轉矩偏差、Δω為發電機的轉速差信號、隊為電力系統的電氣阻尼；由式(1)可以得出，當八！；和Δω之間的相角差在_90°到+90°時，電力系統的電氣阻尼隊將為正。當Δ；和Δω同相時，系統能夠提供最大的電氣阻尼。需要使Δ；與Δω儘量同相，從而為抑制SSR提供最大的電氣阻尼。為了得到確定的需要補償的滯後相角Φ，可以利用時域頻率掃描法求得SSSC幅值調製係數增量Ama到發電機電磁轉矩增量間傳遞函數G(S)的相位特性，在使得發電機轉速增量△ω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內的原則下確定需要補償的滯後相角Φ，使SSSC在發電機組扭振頻率處能夠提供合適大小的電氣阻尼。具體步驟為(a)在SSSC幅值調製係數ma(1(幅值控制信號)上施加一串包含IOHz55Hz，頻率間隔為0.2Hz次同步頻率的掃頻信號。(b)施加掃頻信號後，一直到電力系統再次進入穩態，截取一個公共周期上的發電機電磁轉矩Te和施加掃頻信號後的SSSC幅值調製係數ma。(c)將步驟(b)得到的Te和ma進行Fourier分解，求得SSSC幅值調製係數增量Ama到發電機電磁轉矩增量間傳遞函數G(S)的相位特性。(d)然後針對發電機的每個扭振模式確定需要補償的滯後相角Φ，使得發電機轉速增量Δω到發電機電磁轉矩增量ATe間相位特性在士90°之內。本發明方法通過對柔性交流輸電裝置靜止同步串聯補償器輸出參考電壓幅值調製係數ma和相位θ的控制，使SSSC能夠在發電機組各扭振模式附近都能提供正的電氣阻尼，從而達到抑制次同步諧振的目的，並且能有效地減小所需SSSC裝置的容量。圖1為現有技術中SSSC基本結構示意圖；圖2採用本發明方法的SSSC控制系統框圖；圖3採用本發明方法的SSSC阻尼控制器框圖；圖4測試系統接線圖；圖5傳遞函數G(S)的相頻特性；圖6加入主動阻尼控制器後系統電氣阻尼；圖7加入阻尼控制器後發電機各軸段上的扭矩。具體實施例方式實施例以下結合附圖和實施例詳細描述本發明的具體實施方式，但本發明不受所述具體實施例所限。以基於IEEE次同步諧振第一標準測試系統來說明方法。測試系統接線如圖4所示。發電機通過串聯補償線路接入無窮大系統。發電機額定容量為892.4MVA，有功出力0.9p.u.。發電機原動機輸入功率恆定，勵磁簡化為恆勵磁電壓控制。線路的總串補度取為50%，SSSC安裝在變壓器的高壓側提供一部分串聯補償。發電機軸系模型由6部分組成，分別為高壓缸(HP)、中壓缸(IP)、兩個低壓缸(LPA和LPB)、發電機(G)和勵磁機(Exc)。發電機軸系模型有5個扭振模式15.7,20.2,25.6、32.3和47.5Hz。首先在SSSC幅值調製係數ma(1上施加一串包含IOHz55Hz，頻率間隔為0.2Hz次同步頻率的掃頻信號；施加掃頻信號後，一直到測試系統再次進入穩態，截取一個公共周期上的發電機電磁轉矩Te和SSSC幅值調製係數ma。對得到的Te和ma進行Fourier分解，求得SSSC幅值調製係數增量Ama到發電機電磁轉矩增量間傳遞函數G(S)的相位特性，如圖5所示。根據發電機軸系所有扭振頻率，以它們為帶通濾波器的中心頻率，設計多通道阻尼控制器，濾波器通帶帶寬取為0.2Hz以滿足由測量和計算誤差帶來的扭振頻率的偏移。帶通濾波器的傳遞函數為formulaseeoriginaldocumentpage6本例中各模式帶通濾波器係數見表1。表1帶通濾波器參數tableseeoriginaldocumentpage6然後針對每個扭振模式設計合理的相位補償環節；"一^來補償G(S)的相位滯後，使得發電機轉速增量△ω到發電機電磁轉矩增量△Te儘量同相。補償環節的時間常數通過下式來確定。η=Tb/Ta=(1-sinΦ)/(1+sinΦ)Ta=\1{ωχ4η)Tb=nTa式中，ωχ為所選擇的相位補償頻率，φ為ωχ所對應的需要補償的滯後相角，Ta、Tb為補償環節的時間常數；s為拉普拉斯算子。當需要補償的角度較大時，可以通過多個超前滯後環節的級聯的formulaseeoriginaldocumentpage6形式來實現。計算得到各模式頻率處分別補償的相位、補償環節參和放大環節的參數如表2所示ο表2放大環節和相位補償環節的參數tableseeoriginaldocumentpage6I模式1I模式2I模式3I模式4模式5^~303040212確定好SSSC的參數後，採集本測試系統中發電機的轉速差信號Δω，利用多通道帶通濾波器對轉速差信號△ω進行濾波處理，得到發電機軸系的各扭振頻率信號；對各扭振頻率信號分別進行放大和相位補償後，進行疊加得到附加控制信號。附加控制信號與幅值控制信號Hiatl疊加後，再與相位控制信號進行脈寬調製輸入靜止同步串聯補償器。幅值控制信號ma(l即幅值調製係數取為常數，其取值範圍為0到Ip.U.。相位控制信號可以採用現有技術得到，本實施例中，如圖2所示，SSSC的相位控制就是控制其輸出電壓相位垂直於線路電流的相位，當注入電壓的相位超前線路電流相位90°時，就相當於在線路中串入電感；相反，當注入電壓的相位滯後線路電流相位90°時，就是在線路中串入電容，為輸電線路提供容性補償。如圖所示，Iab。為線路電流，經過幅值計算得到Imag，Xref為SSSC的等效串聯阻抗，感性為正，容性為負。使用鎖相環得到線路電流的相角θy再判斷Xref的正負來加上或減去|，得到SSSC輸出電壓的基準相角。由於直流電容在不斷地充電和放電，在實際中，電壓相位和線路電流相位並不是嚴格垂直的，而是有一個很小的偏差角β(將Imag與Xm及耦合變壓器的變比k相乘取正後得到電壓源逆變器的直流電壓參考值Udcref，再與電壓源逆變器的實測直流電壓Udc相減，經過PI控制後得到偏差角β)，其作用是為了補償SSSC的損耗。控制偏差角β可以實現對直流電容電壓的控制。另外通過設定的和對輸出的偏差角β經行限幅，一般將偏差角β限定在01度之間。SSSC輸出電壓的基準相角減去偏差角β後就得到了相位控制信號θ。採用本發明方法得到的信號即作為靜止同步串聯補償器中電壓源逆變器的觸發脈衝，從而控制靜止同步串聯補償器的輸出電壓，為電力系統提供正的電氣阻尼以抑制次同步振蕩。進行效果評價時，可利用時域頻率掃描法測量系統的電氣阻尼，驗證本發明方法的有效性，當所得的電氣阻尼在發電機各扭振頻率處都為正值時，則說明本發明方法能夠抑制電力系統發生次同步振蕩。測量系統電氣阻尼的具體步驟包括(1)對確定的運行工作點，待系統進入穩態運行後，在發電機的轉子上施加一串頻率成整數倍的小值脈動轉矩^Tm=YjTxCOS^t+φλ)χ式中，λ<1，Τλ、3Λ分別是頻率為λG^的脈動轉矩的幅值和初相位。要求Τλ較小，以使ΔΤω的值不至於破壞系統可線性化的假設條件。(2)施加脈動轉矩後，一直到系統再次進入穩態，截取一個公共周期上的發電機電磁轉矩Te和發電機角頻率ω。(3)將發電機電磁轉矩Te和發電機角頻率ω進行Fourier分解，得出不同頻率下的ΔTe和Δω。(4)根據formulaseeoriginaldocumentpage8求出電氣阻尼轉矩係數De；當所得的電氣阻尼轉矩係數De(即電氣阻尼)在各扭振頻率處都為正值時，所設計的控制器能夠抑制系統發生次同步振蕩。採用本發明方法的阻尼控制器後，系統的電氣阻尼計算結果如圖6。可以發現，每個扭振頻率附近所對應的電氣阻尼都為正值，此時系統SSR穩定。再使用詳細模型暫態時域仿真來驗證本發明方法的有效性，系統進入穩態後，在無窮大母線側，即圖4中F點發生三相接地短路故障，持續0.075s後切除。發電機軸系模型各段上的扭矩如圖7所示，可見採用SSSC次同步阻尼控制器後各軸段上的扭矩是逐漸衰減的，系統是SSR穩定的，說明本發明方法能有效抑制SSR。權利要求一種基於靜止同步串聯補償器的抑制電力系統次同步振蕩的方法，其特徵在於，包括生成附加控制信號，該附加控制信號與幅值控制信號疊加後，再與相位控制信號進行脈寬調製得到靜止同步串聯補償器中電壓源逆變器的觸發脈衝，從而控制靜止同步串聯補償器的輸出電壓，所述的生成附加控制信號包括如下步驟(1)採集電力系統中發電機的轉速差信號Δω；(2)對轉速差信號Δω進行濾波處理，得到發電機軸系的各扭振頻率信號；(3)對各扭振頻率信號分別進行放大和相位補償後，進行疊加得到附加控制信號。2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟(3)中通過多個超前滯後環節分別對各扭振頻率信號進行相位補償，超前滯後環節的傳遞函數為，其中Ta、Tb為超前滯後環節的時間常數，formulaseeoriginaldocumentpage2為發電機的軸系扭振頻率；小為所對應的需要補償的滯後相角。3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，利用時域頻率掃描法求得靜止同步串聯補償器的幅值調製係數增量到發電機電磁轉矩增量間傳遞函數的相位特性，在使得發電機轉速增量到發電機電磁轉矩增量間相位特性在士90°之內的原則下確定需要補償的滯後相角小。全文摘要本發明公開了一種基於靜止同步串聯補償器的抑制電力系統次同步振蕩的方法，包括生成附加控制信號，該附加控制信號與幅值控制信號疊加後，再與相位控制信號進行脈寬調製得到靜止同步串聯補償器中電壓源逆變器的觸發脈衝，從而控制靜止同步串聯補償器的輸出電壓。生成附加控制信號包括採集電力系統中發電機的轉速差信號並進行濾波處理，得到發電機軸系的各扭振頻率信號；對各扭振頻率信號分別進行放大和相位補償後，進行疊加得到附加控制信號。本發明方法通過對柔性交流輸電裝置靜止同步串聯補償器輸出參考電壓幅值調製係數ma和相位θ的控制，使SSSC能夠在發電機組各扭振模式附近都能提供正的電氣阻尼，從而達到抑制次同步諧振的目的。文檔編號H02P9/00GK101834448SQ20101013089公開日2010年9月15日申請日期2010年3月23日優先權日2010年3月23日發明者徐政,鄭翔申請人:浙江大學