抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制方法及装置与流程

本发明涉及静止无功补偿器svc控制策略技术领域，具体涉及抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制方法及装置。

背景技术：

静止无功补偿器svc的基本任务根据母线电压的变化，自动调节svc无功功率输出，使得母线电压到达设定值，同时在暂态过程中为电网提供无功功率支撑。

在含有交流线路长度超过1000km的系统当中，线路上的滤波过程时间常数不可忽略，因此可能和svc之间产生相互作用，从而引发系统的电磁振荡，导致系统稳定破坏。此类电网结构通常出现在经济欠发达但清洁能源丰富的偏远山区，例如我国青海、新疆、西藏等地。虽然电磁振荡有可能通过降低svc的pi控制放大倍数来实现，但此种方式也可能同时降低其电压调节的快速性，无法充分发挥svc的动态调节性能。此外，通常的svc控制器参数整定时对系统侧采用同短路容量等值的方法，无法准确反映系统的电磁暂态特性，进而无法准确判定系统接入svc以后的动态响应特性和稳定性，导致整定的参数不正确，从而抑制振荡的效果不佳。

现有对电力电子控制器引发系统电磁振荡的研究主要集中在双馈或直驱风机和带串补的长距离输电线路之间的相互作用。目前，尚未有针对静止无功补偿器svc和长距离线路之间的电磁振荡进行抑制的svc阻尼控制策略及其参数整定的控制方法的提出。本发明可填补抑制svc引起交流长线路电磁振荡的阻尼控制方法的技术空白。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：在含有交流线路长度超过1000km的系统当中，针对静止无功补偿器svc和长距离线路之间产生相互作用引发的电磁振荡进行抑制的svc阻尼控制策略及其参数整定的控制方法问题，本发明提供了解决上述问题的抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制方法及装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制方法，阻尼控制方法包括如下步骤：

s1：获取待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据和电网侧基础资料参数数据，并进行各参数数据初始化；

s2：利用步骤s1获取的所述电网侧基础资料参数数据构建电网系统等值模型，进行电力网络频率相关节点导纳矩阵和从svc接入点看入的频率相关节点导纳矩阵分析，并将所述电网系统等值模型的等值边界向外部扩展来进行所关心频段内的阻尼特性分析与校验；

s3：利用步骤s1获取的所述待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据构建含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型，且svc控制逻辑采用定电压pi控制和电压反馈的附加阻尼控制，并对含svc控制逻辑的电网系统的电磁振荡模式的方程进行线性化分析；

s4：利用步骤s2构建的所述电网系统等值模型和步骤s3构建的所述含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型进行svc附加阻尼控制器的参数整定；

s5：根据步骤s4获得的所述svc附加阻尼控制器的最优参数用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压。

本发明上述方案的原理是：基于在含有交流线路长度超过1000km的系统当中，针对静止无功补偿器svc和长距离线路之间产生相互作用引发的电磁振荡进行抑制的svc阻尼控制策略及其参数整定的控制方法问题，本发明采用上述方案通过增加阻尼控制环节，在不降低电压动态恢复速率的前提下，增加系统阻尼，提高系统稳定性；通过对电磁振荡频段内评价电网系统建模及电网系统等值模型的等值边界向外部扩展，将电力网络近似等效为电压源、电感、电容、电阻四种集总参数元件构建电网系统等值模型，确定等值边界后，构建含svc的电网的电磁暂态小扰动模型及进行特征模态计算，同时兼顾时域指标和频域指标的svc附加阻尼控制器的控制效果评价指标，并进行目标优化得到svc附加阻尼控制器的最优参数，用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压；本发明方法过程合理，可以保证电网系统接入svc以后的动态响应特性和稳定性的情况下，实现参数的整定和优化，从而抑制svc引起交流长线路电磁振荡的效果好，并且可以快速调节电压。

进一步地，步骤s4中的svc附加阻尼控制器的参数整定的步骤如下：

s41：通过电磁暂态仿真进行svc电压调节的快速性判别，所述svc电压调节的快速性判别采用电磁暂态仿真获得时域指标，包括如下步骤：

s411：根据步骤s2确定电磁暂态等值边界，并建立目标网架和svc的电磁暂态模型；

s412：在给定扰动下，对所述svc的电磁暂态模型进行电磁暂态仿真；

s413：对步骤s412的电磁暂态仿真获得的电压曲线进行分析，并确定扰动后svc控制点电压首次达到参考电压95％以内的时间t1；

s42：通过特征值分析进行svc振荡模式衰减的时间常数获得，所述svc振荡模式衰减的时间常数采用特征值分析获得频域指标，包括如下步骤：

s421：结合步骤s2确定电磁暂态边界和步骤s3来构建电磁暂态模型；

s422：根据步骤s3计算目标网架的电磁振荡模式，提取振荡频率在10-50hz之间的模态，选择其中实部σ最大的模态计算衰减时间常数t2；

s423：在参数数据初始化过程中遇到振荡发散模态，进行减小pi环节放大倍数，根据步骤s422重新计算t2；

s43：结合步骤s41获得的t1和步骤s42获得的t2进行svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析，所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析公式采用h＝k1t1+k2t2，其中，t1是在给定扰动后，控制点电压首次达到参考电压95％以内的时间，k1是控制点电压恢复时间的目标权重，t2是控制器电磁振荡模式衰减的时间常数，k2是控制器电磁振荡模式衰减时间常数的目标权重；

s44：根据步骤s43获取的所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析，计算优化目标，调整所述svc附加阻尼控制器参数，直至所述优化目标收敛从而获得所述svc附加阻尼控制器的最优参数，否则返回步骤s4重新搜索更新所述svc附加阻尼控制器参数。

进一步地，步骤s44中计算优化目标使用粒子群优化算法，并根据步骤s43所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析的效果评价指标达到最小值点时，所述粒子群优化算法收敛。

进一步地，步骤s3中所述含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型由可控电抗器支路tcr和交流滤波器组并联组成，所述svc控制逻辑针对可控电抗器支路tcr建模公式为电力网络模型、可控电抗器支路tcr和交流滤波器组构成，所述svc控制逻辑针对可控电抗器支路tcr建模公式为其中，ilsvc＝[ilsvcdilsvcq]^t,uldq＝[uldulq]^t；ilsvc是dq坐标系下的tcr支路电流向量，ilsvcd是支路电流d轴分量，ilsvcq是支路电流q轴分量；uldq是dq坐标系下的tcr支路并网点电压向量，uld、ulq分别为并网点电压的d轴分量和q轴分量；btcr1是pi控制器输出的支路电纳、btcr2是阻尼控制器输出的支路电纳，s为拉普拉斯算子。

进一步地，步骤s3中所述含svc控制逻辑的电网系统线性化为求解其广义特征值为λ＝σ±jω形式，对应的阻尼比为振荡频率为其中，σ为特征值实部，ω为特征值虚部，j为虚数单位。

进一步地，步骤s1中所述待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据包括滤波器容量、滤波器电容、滤波器电抗、滤波器电阻、tcr容量、tcr电抗，所述电网侧基础资料参数数据包括输电线路长度、输电线路每公里电抗、输电线路电纳、输电线路电阻、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数和发电机次暂态电抗。

一种用于抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制装置，包括：

存储装置：用于存储待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据和电网侧基础资料参数数据；

等值模型分析与校验装置：用于将电网侧基础资料参数数据构建电网系统等值模型，进行电力网络频率相关节点导纳矩阵和从svc接入点看入的频率相关节点导纳矩阵分析，并将电网系统等值模型的等值边界向外部扩展来进行所关心频段内的阻尼特性分析与校验；

电磁振荡模型构建及分析装置：用于将待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据构建含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型，并对含svc控制逻辑的电网系统的电磁振荡模式的方程进行线性化分析；

svc附加阻尼控制器参数整定装置：用于将构建的电网系统等值模型和构建的含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型进行svc附加阻尼控制器的参数整定；

电磁振荡阻尼控制及调压装置：用于将svc附加阻尼控制器的最优参数用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压。

进一步地，svc附加阻尼控制器参数整定装置包括：

svc电压调节的快速性判别装置：用于通过电磁暂态仿真进行svc电压调节的快速性判别；

svc振荡模式衰减的时间常数获得装置：用于通过特征值分析进行svc振荡模式衰减的时间常数的获得；

控制效果评价分析装置：用于结合svc电压调节的快速性判别和svc振荡模式衰减的时间常数进行svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析；

svc附加阻尼控制器的最优参数选定装置：用于将svc附加阻尼控制器的控制效果进行评价分析，计算优化目标，并调整svc附加阻尼控制器参数，直至优化目标收敛从而获得svc附加阻尼控制器的最优参数。

进一步地，svc附加阻尼控制器的最优参数选定装置中计算优化目标使用粒子群优化算法，并根据控制效果评价分析装置的所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析的效果评价指标达到最小值点时，所述粒子群优化算法收敛。

进一步地，电磁振荡模型构建及分析装置中所述含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型由电力网络模型、可控电抗器支路tcr和交流滤波器组构成，所述svc控制逻辑针对可控电抗器支路tcr建模公式为其中，ul是机端电压幅值，kp是控制器比例控制增益，ki是控制器积分控制增益，tv是控制时延，uref是参考电压值，s为拉普拉斯算子；电磁振荡模型构建及分析装置中所述含svc控制逻辑的电网系统模型进行线性化求解广义特征值为λ＝σ±jω形式，对应的阻尼比为振荡频率为其中，σ为特征值实部，ω为特征值虚部，j为虚数单位；存储装置中所述待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据包括滤波器容量、滤波器电容、滤波器电抗、滤波器电阻、tcr容量、tcr电抗，所述电网侧基础资料参数数据包括输电线路长度、输电线路每公里电抗、输电线路电纳、输电线路电阻、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数和发电机次暂态电抗。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过增加阻尼控制环节，可在不降低电压动态恢复速率的前提下，增加系统阻尼，提高系统稳定性；

2、本发明通过对电磁振荡频段内评价电网系统建模及电网系统等值模型的等值边界向外部扩展，将电力网络近似等效为电压源、电感、电容、电阻四种集总参数元件构建电网系统等值模型，确定等值边界后，构建含svc的电网的电磁暂态小扰动模型及进行特征模态计算，同时兼顾时域指标和频域指标的svc附加阻尼控制器的控制效果评价指标，并进行目标优化得到svc附加阻尼控制器的最优参数，用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压；

3、本发明方法过程合理，可以保证电网系统接入svc以后的动态响应特性和稳定性的情况下，实现参数的整定和优化，从而抑制svc引起交流长线路电磁振荡的效果好，并且可以快速调节电压。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的等值边界拓展示意图。

图2为本发明的svc简化接线图。

图3为本发明的含svc阻尼控制器传递函数框图。

图4为本发明的svc控制器参数优化流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图4所示，一种抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制方法，阻尼控制方法包括如下步骤：

s1：获取待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据和电网侧基础资料参数数据，并进行各参数数据初始化；

其中，待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据包括滤波器容量、滤波器电容、滤波器电抗、滤波器电阻，tcr容量、tcr电抗；电网侧基础资料参数数据包括输电线路长度、输电线路每公里电抗、输电线路电纳、输电线路电阻、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数和发电机次暂态电抗；

s2：利用步骤s1获取的所述电网侧基础资料参数数据构建电网系统等值模型，进行电力网络频率相关节点导纳矩阵和从svc接入点看入的频率相关节点导纳矩阵分析，并将所述电网系统等值模型的等值边界向外部扩展来进行所关心频段内的阻尼特性分析与校验；

首先，将电网系统中需要建模的元件用电压源、电感、电容、电阻构成的网络代替，其中，忽略变压器的励磁支路，仅用短路电抗和短路电阻代替，输电线路采用π型等值，对于长度超过200km的长输电线路，采用多个π型单元串联进行近似(每个π型单元所代表的线路长度不超过200km)；

其次，对电网系统外部等值电路采用戴维南等值，保持等值点在等值前后短路容量不变；

然后，根据电网拓扑链接特性，获取电力网络频率相关节点导纳矩阵y(jω)，以及从svc接入点看入的频率相关节点导纳矩阵y′1(jω)：

其中，下标s为电压源节点、0为svc接入节点、1为非电压源且非svc接入节点；

最后，校验所关心频段内的阻尼特性，根据频率相关节点导纳矩阵，将等值边界向外部扩展，如图1所示，从边界1拓展一级联络线至边界2，在所关心频段内(10～100hz)，从svc所在端口看入的频率相关阻抗特性近似保持不变，其判据为，对于所关心频段内的每一个ω，y′1(jω)的变化量δy′1(jω)满足：

||δy′1(jω)||∞＜δy1max

其中，δy1max为给定门槛值，||·||∞表示矩阵中所有元素中绝对值的最大值，若此条件满足，即可确定等值边界为边界2；

s3：利用步骤s1获取的所述待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据构建含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型，且svc控制逻辑采用定电压pi控制和电压反馈的附加阻尼控制，并对含svc控制逻辑的电网系统的电磁振荡模式的方程进行线性化分析；

首先，派克变换下的电感电容方程经过派克变换下，电感(电抗x)、电容(电纳b)的方程可以表示如下(不考虑零轴分量)：

其中，idq＝[idiq]^t，udq＝[uduq]^t；

其次，构建svc模型，含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型由可控电抗器支路tcr和交流滤波器组并联组成，简化接线如图2所示，fc1、fc2表示不同的滤波器组，根据实际情况，svc可能配置多组滤波器，此处仅为示意图，由于交流滤波器组实际上可分解为静态电感、电容，其建模方式类同派克变换下的电感电容方程，此处仅对svc的tcr支路进行建模，svc采用定电压pi控制+电压反馈的附加阻尼控制，控制框图简化如图2所示，对该框图进行状态空间建模，化简结果如下：

其中，btcr是tcr支路的导纳，由两部分组成btcr＝btcr1+btcr2，btcr1为pi环节输出的导纳，btcr2为阻尼控制环节输出的导纳，此简化模型下的svc控制逻辑可以表示为：

其中，ul是机端电压幅值，可以用d、q分量表示为tv为控制固有时延。

阻尼控制：

tv为控制固有时延，t0、t1、t2、t3、t4均为阻尼环节时间常数。

tcr支路模型可以表示为：

其中，ilsvc＝[ilsvcdilsvcq]^t,ilsvcd、ilsvcq为tcr支路电流的d轴、q轴分量，uldq＝[uldulq]^t,

然后，对含svc控制逻辑的电网系统的电磁振荡模式进行计算，对包含电感、电容和svc的电网系统方程进行线性化，设所有的状态变量构成相量y，最终将方程线性化为：

其中，b为对角矩阵，代数方程对应的对角元是0，该电网系统特征值问题可转化为(a,b)的广义特征值问题，svc接入系统后的电磁振荡模式即可通过该广义特征值计算得出；

电磁振荡模式频率范围设定为10—50hz，该范围内的系统特征值可表示为λ＝σ±jω形式，其对应的阻尼比为振荡频率为

s4：利用步骤s2构建的所述电网系统等值模型和步骤s3构建的所述含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型进行svc附加阻尼控制器的参数整定，svc附加阻尼控制器的参数整定的步骤如下：

s41：通过电磁暂态仿真进行svc电压调节的快速性判别，所述svc电压调节的快速性判别采用电磁暂态仿真获得时域指标，包括如下步骤：

s411：根据步骤s2确定电磁暂态等值边界，并建立目标网架和svc的电磁暂态模型；

s412：在给定扰动下，对所述svc的电磁暂态模型进行电磁暂态仿真；

s413：对步骤s412的电磁暂态仿真获得的电压曲线进行分析，并确定扰动后svc控制点电压首次达到参考电压95％以内的时间t1；

s42：通过特征值分析进行svc振荡模式衰减的时间常数获得，所述svc振荡模式衰减的时间常数采用特征值分析获得频域指标，包括如下步骤：

s421：结合步骤s2确定电磁暂态边界和步骤s3来构建电磁暂态模型；

s422：根据步骤s3计算目标网架的电磁振荡模式，提取振荡频率在10-50hz之间的模态，选择其中实部σ最大的模态计算衰减时间常数t2；

s423：在参数数据初始化过程中遇到振荡发散模态，进行减小pi环节放大倍数，如图3所示的ki和kp，使得系统稳定，再根据步骤s422重新计算t2；

s43：结合步骤s41获得的t1和步骤s42获得的t2进行svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析，所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析公式采用h＝k1t1+k2t2，其中，t1是在给定扰动后，控制点电压首次达到参考电压95％以内的时间，k1是控制点电压恢复时间的目标权重，t2是控制器电磁振荡模式衰减的时间常数，k2是控制器电磁振荡模式衰减时间常数的目标权重；

s44：根据步骤s43获取的所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析，采用粒子群优化算法计算优化目标，调整所述svc附加阻尼控制器参数，直至所述优化目标收敛从而获得所述svc附加阻尼控制器的最优参数，否则返回步骤s4重新搜索更新所述svc附加阻尼控制器参数；svc附加阻尼控制器参数优化方法的具体流程如图4所示；

s5：根据步骤s4获得的所述svc附加阻尼控制器的最优参数用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压。

本发明的工作原理是：基于在含有交流线路长度超过1000km的系统当中，针对静止无功补偿器svc和长距离线路之间产生相互作用引发的电磁振荡进行抑制的svc阻尼控制策略及其参数整定的控制方法问题，本发明通过增加阻尼控制环节，可在不降低电压动态恢复速率的前提下，增加系统阻尼，提高系统稳定性；通过对电磁振荡频段内评价电网系统建模及电网系统等值模型的等值边界向外部扩展，将电力网络近似等效为电压源、电感、电容、电阻四种集总参数元件构建电网系统等值模型，确定等值边界后，构建含svc的电网的电磁暂态小扰动模型及进行特征模态计算，同时兼顾时域指标和频域指标的svc附加阻尼控制器的控制效果评价指标，并采用粒子群优化算法进行目标优化得到svc附加阻尼控制器的最优参数，用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压；本发明方法过程合理，可以保证电网系统接入svc以后的动态响应特性和稳定性的情况下，实现参数的整定和优化，从而抑制svc引起交流长线路电磁振荡的效果好，并且可以快速调节电压。

实施例2

一种用于抑制静止无功补偿器引起电磁振荡阻尼控制装置，包括：

存储装置：用于存储待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据和电网侧基础资料参数数据；

等值模型分析与校验装置：用于将电网侧基础资料参数数据构建电网系统等值模型，进行电力网络频率相关节点导纳矩阵和从svc接入点看入的频率相关节点导纳矩阵分析，并将电网系统等值模型的等值边界向外部扩展来进行所关心频段内的阻尼特性分析与校验；

电磁振荡模型构建及分析装置：用于将待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据构建含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型，并对含svc控制逻辑的电网系统的电磁振荡模式的方程进行线性化分析；

svc附加阻尼控制器参数整定装置：用于将构建的电网系统等值模型和构建的含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型进行svc附加阻尼控制器的参数整定；

电磁振荡阻尼控制及调压装置：用于将svc附加阻尼控制器的最优参数用于抑制svc引起交流长线路电磁振荡和快速调节电压。

其中，svc附加阻尼控制器参数整定装置包括：

svc电压调节的快速性判别装置：用于通过电磁暂态仿真进行svc电压调节的快速性判别；

svc振荡模式衰减的时间常数获得装置：用于通过特征值分析进行svc振荡模式衰减的时间常数的获得；

控制效果评价分析装置：用于结合svc电压调节的快速性判别和svc振荡模式衰减的时间常数进行svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析；

svc附加阻尼控制器的最优参数选定装置：用于将svc附加阻尼控制器的控制效果进行评价分析，计算优化目标，并调整svc附加阻尼控制器参数，直至优化目标收敛从而获得svc附加阻尼控制器的最优参数。

svc附加阻尼控制器的最优参数选定装置中计算优化目标使用粒子群优化算法，并根据控制效果评价分析装置的所述svc附加阻尼控制器的控制效果评价分析的效果评价指标达到最小值点时，所述粒子群优化算法收敛。

电磁振荡模型构建及分析装置中所述含svc控制逻辑的电网系统电磁振荡模型由电力网络模型、可控电抗器支路tcr和交流滤波器组构成，所述svc控制逻辑针对可控电抗器支路tcr建模公式为其中，ul是机端电压幅值，kp是控制器比例控制增益，ki是控制器积分控制增益，tv是控制时延，uref是参考电压值，s为拉普拉斯算子；电磁振荡模型构建及分析装置中所述含svc控制逻辑的电网系统模型进行线性化求解广义特征值为λ＝σ±jω形式，对应的阻尼比为振荡频率为其中，σ为特征值实部，ω为特征值虚部，j为虚数单位；存储装置中所述待优化静止无功补偿器svc一次电路元件参数数据包括滤波器容量、滤波器电容、滤波器电抗、滤波器电阻、tcr容量、tcr电抗，所述电网侧基础资料参数数据包括输电线路长度、输电线路每公里电抗、输电线路电纳、输电线路电阻、变压器铭牌参数、并联电抗器、电容器参数和发电机次暂态电抗。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。