一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法、装置及系统与流程

1.本发明涉及电力系统动态稳定控制中的用于抑制系统有功功率低频振荡的附加阻尼控制方法及装置，特别是涉及一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法、装置及系统，属于电气工程技术领域。


背景技术：

2.近年来，我国风电、光伏等新能源呈现井喷式发展，电网中新能源装机容量占比日益提高，大型新能源基地以及远距离大容量交直流输电发展迅猛，这些都为新型调相机的应用提供了机遇。大规模新能源往往处于互联电网的末端，电网结构薄弱，就地负荷小，且附近缺乏常规支撑性电源，电力电子无功补偿设备的动态弹性支撑能力又不到相同容量调相机的1/2，由此产生的惯量频率问题、功角和电压问题突出，制约了送电能力和新能源消纳能力。为了解决直流送端新能源送出和受端负荷中心常规机组空心化带来的电压稳定问题，国家电网在多个直流送/受端换流站和新能源场站配套设置大容量调相机和分布式调相机，提高送/受端电网的短路容量和电压稳定水平，提升新能源场站短路容量和惯量支撑水平。后续分布式调相机还有望称成为新能源场站的配套标配设备，随着新能源场站的规模建设调相机数量还会逐步增加，从而使新能源场站达到gb38755电力系统安全稳定导则规定的并网要求。
3.另外，新能源场站在高比例新能源送出系统中通常分布于电网末端，距离电网中心电气距离遥远、与系统的电气联系较弱，高比例新能源经交直流送出系统的有功功率低频振荡动态稳定问题仍然存在；同时在系统受到扰动后的动态过程中发电机群与区域电网之间以及区域电网间有功低频振荡时有发生。因此利用系统中配置的大中小型调相机参与抑制系统有功功率低频振荡、在不影响调相机对电网电压和无功支撑能力的基础上研究相关附加控制从而发挥调相机对低频振荡动态稳定性的影响能力，能更充分发挥调相机对电网的稳定作用以及调相机投资带来的效益，提高对电网薄弱区域、特别是新能源接入电网末端区域的电力安全稳定水平并保证高质量电能送出能力。
4.而目前公开技术文献中仅查到基于调相机抑制新能源机组次同步振荡的方法系统，其主要针对次同步频段分量的振荡抑制，而对于处于0.1～3.0hz范围的有功低频振荡的抑制技术未见相关资料。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法、装置及系统，该附加控制能发挥调相机对低频振荡动态稳定性的影响能力，从而能利用系统中现有已投运的和今后逐渐投运的不同容量调相机参与抑制系统低频振荡。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法，包括：
8.取调相机的转速或调相机的有功功率负值作为第一输入信号，第一输入信号经过
第一测量环节和第一隔直环节得到第一变化量，第一变化量经第一低通滤波环节，再经第一三阶超前滞后校正环节和第一上下限幅环节，得到第一输出信号；
9.取调相机接入处发电单元并网点母线电压频率作为第二输入信号，第二输入信号经过第二测量环节和第二隔直环节得到第二变化量，第二变化量经第二低通滤波环节，再经第二三阶超前滞后校正环节和第二上下限幅环节，得到第二输出信号；
10.第一输出信号和第二输出信号叠加后，经第三上下限幅环节作为调相机附加阻尼控制器的输出，对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡以及新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡情况产生正阻尼作用。
11.作为本发明方法的一种优选方案，所述得到第一输出信号的具体步骤如下：
12.步骤1，获取第一输入信号u1，依次经过第一测量环节、第一隔直环节后获得第一输入信号的变化量δu1，再经过第一低通滤波环节和增益系数k
s1
放大后得到第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
；
13.步骤2，第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
经第一三阶超前滞后校正环节和第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
。
14.作为本发明方法的一种优选方案，所述第一输入信号u1取调相机的转子转速ω或调相机的有功功率负值-pe。
15.作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤1中，第一隔直环节为两阶时第一输入信号的变化量δu1的计算如式(a)所示，第一隔直环节为一阶时第一输入信号的变化量δu1的计算如式(b)所示：
[0016][0017][0018]
其中，t5为第一测量环节的时间常数；t
w1
为第一阶隔直环节时间常数，t
w2
为第二阶隔直环节时间常数；s表示微分算子；
[0019]
第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
的计算如式(c)所示：
[0020][0021]
其中，k
s1
为变化矢量信号δu
in1
的增益系数；a
n2
、a
n1
、a
n0
、a
m1
和a
m0
为第一低通滤波环节的系数。
[0022]
作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤2中，按式(d)计算得到信号δu
*out1
，信号δu
*out1
经第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
：
[0023][0024]
其中，t
11
～t
16
为第一三阶超前滞后校正环节的时间常数；第一上下限幅值为k
l1
，按标么值取5％～10％。
[0025]
作为本发明方法的一种优选方案，所述得到第二输出信号的具体步骤如下：
[0026]
步骤3，获取第二输入信号u2，依次经过第二测量环节、第二隔直环节后获得第二
输入信号的变化量δu2，再经过第二低通滤波环节和增益系数k
s2
放大后得到第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
；
[0027]
步骤4，第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
经第二三阶超前滞后校正环节和第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
。
[0028]
作为本发明方法的一种优选方案，所述第二输入信号u2取调相机接入处发电单元并网点母线电压频率fs。
[0029]
作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤3中，第二隔直环节为两阶时第二输入信号的变化量δu2的计算如式(e)所示，第二隔直环节为一阶时第二输入信号的变化量δu2的计算如式(f)所示：
[0030][0031][0032]
其中，t6为测量环节的时间常数；t
w3
为第一阶隔直环节时间常数，t
w4
为第二阶隔直环节时间常数；s表示微分算子；
[0033]
第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
的计算如式(g)所示：
[0034][0035]
其中，k
s2
为变化矢量信号δu
in2
的增益系数；a
k2
、a
k1
、a
k0
、a
j1
和a
j0
为第二低通滤波环节的系数。
[0036]
作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤4中，按式(h)计算得到信号δu
*out2
，信号δu
*out2
经第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
：
[0037][0038]
其中，t
21
～t
26
为第二三阶超前滞后校正环节的时间常数；第二上下限幅值为k
l2
，按标么值取5％～10％。
[0039]
作为本发明方法的一种优选方案，所述产生正阻尼作用的具体步骤如下：
[0040]
步骤5，对第一输出信号δu
out1
和第二输出信号δu
out2
进行叠加，得到输出信号δu
out
；
[0041]
步骤6，输出信号δu
out
经第三上下限幅环节后作为调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
；
[0042]
步骤7，将调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
叠加至调相机励磁系统电压闭环控制的给定信号u
ref
与反馈信号ug的偏差输入点，通过调相机励磁系统产生附加正阻尼作用。
[0043]
一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制装置，所述装置包括第一输入信号获取模块、第一输入信号处理模块、第二输入信号获取模块、第二输入信号处理模块、叠加模块，其中：
[0044]
所述第一输入信号获取模块用于获取第一输入信号u1；
[0045]
所述第一输入信号处理模块用于将第一输入信号u1依次经过第一测量环节、第一隔直环节后获得第一输入信号的变化量δu1，再经过第一低通滤波环节和增益系数k
s1
放大后得到第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
；第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
经第一三阶超前滞后校正环节和第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
；
[0046]
所述第二输入信号获取模块用于获取第二输入信号u2；
[0047]
所述第二输入信号处理模块用于将第二输入信号u2依次经过第二测量环节、第二隔直环节后获得第二输入信号的变化量δu2，再经过第二低通滤波环节和增益系数k
s2
放大后得到第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
；第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
经第二三阶超前滞后校正环节和第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
；
[0048]
所述叠加模块用于将第一输出信号δu
out1
和第二输出信号δu
out2
叠加后经第三上下限幅环节后作为调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
；对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡以及新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡情况产生正阻尼作用。
[0049]
基于所述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制装置的控制系统，所述控制系统包括叠加环节和调相机励磁系统的控制环节，其中：
[0050]
所述叠加环节用于将调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
叠加至调相机励磁系统电压闭环控制的给定信号u
ref
与反馈信号ug的偏差输入点；
[0051]
所述调相机励磁系统的控制环节用于根据偏差输入点产生的信号对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡以及新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡情况产生附加正阻尼作用。
[0052]
一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法的步骤。
[0053]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法的步骤。
[0054]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0055]
1、本发明通过分别引入调相机功率(或转速)信号以及母线电压频率信号，信号变化量经低通滤波、增益放大与多阶超前滞后校正环节后得到阻尼控制输出信号，该信号叠加至调相机励磁系统电压闭环控制的给定与反馈的偏差输入点，通过调相机励磁系统产生附加阻尼作用。
[0056]
2、本发明对系统扰动后动态过程中的有功低频振荡，以及新能源发电单元与系统间的线路低频振荡，通过调相机励磁控制提供一定的正阻尼，增强系统动态稳定能力；更充分发挥调相机对电网的稳定作用以及发挥调相机投资带来的效益，提高对电网薄弱区域、特别是新能源接入电网末端区域的电力安全稳定水平。
附图说明
[0057]
图1是本发明的调相机附加阻尼控制的模型框图；
[0058]
图2是调相机接入电网系统的主接线示意图；
[0059]
图3是不投调相机附加阻尼控制时系统扰动后线路传输功率振荡仿真情况，其中，(a)是线路有功功率，(b)是调相机输出无功功率；
[0060]
图4是投入调相机附加阻尼控制后系统扰动后线路传输功率振荡仿真情况，其中，(a)是线路有功功率，(b)是调相机输出无功功率。
具体实施方式
[0061]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0062]
随着电网系统中配置的大中小型调相机数量增加，利用调相机参与抑制系统有功功率低频振荡、发挥其对低频振荡动态稳定性的影响能力，能够更充分的发挥调相机对电网的稳定作用以及调相机投资带来的效益，提高对电网薄弱区域的电力安全稳定水平。
[0063]
如图1所示为本发明的调相机附加阻尼控制模型框图，其设计实施步骤如下：
[0064]
1)测量调相机的转子转速ω或调相机的有功功率pe，调相机的有功功率pe信号需取反；二者经过选择开关进行切换后作为第一输入信号u1。
[0065]
第一输入信号u1经过第一测量环节、第一隔直环节后获得第一输入信号的变化量δu1，再经过第一低通滤波环节和增益系数k
s1
放大后得到第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
。
[0066]
当第一隔直环节为两阶隔直环节时第一输入信号的变化量δu1的计算如下式(a)所示，当第一隔直环节为一阶隔直环节时第一输入信号的变化量δu1的计算如下式(b)所示：
[0067][0068][0069]
其中，t5为测量环节的时间常数，根据实际对第一信号测量的惯性延迟时间进行设置；t
w1
为第一隔直环节时间常数，t
w2
为第二隔直环节时间常数；s表示微分算子。
[0070]
测量时间常数表示对某一模拟量进行测量得到的有效测量值达到最终测量值的63.2％的时间，代表了对该模拟量进行测量得到测量结果的快慢。对不同模拟量其测量时间常数不尽相同。举例：若测量系统测量某一模拟量的时间常数为15ms，即自该模拟量突变起到其测量值达到该模拟量实际最终值的63.2％的时间即为15ms。按测量系统对该模拟量的实际测量时间常数进行设置。
[0071]
第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
的计算如下式(c)所示：
[0072][0073]
其中，k
s1
为变化矢量信号δu
in1
的增益系数；a
n2
、a
n1
、a
n0
、a
m1
和a
m0
为第一低通滤波环节的系数。
[0074]
2)第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
经第一三阶超前滞后校正环节和第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
。
[0075]
按式(d)计算得到信号δu
*out1
，信号δu
*out1
经第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
：
[0076][0077]
其中，t
11
～t
16
为第一三阶超前滞后校正环节的时间常数；第一上下限幅值为k
l1
，一般按标么值取5％～10％。
[0078]
3)图2所示是调相机接入电网系统的主接线示意图。调相机接入处与附近的发电单元具有同母线的电气连接。测量调相机接入处附近发电单元并网点母线电压的频率fs，作为第二输入信号u2。
[0079]
第二输入信号u2，经过第二测量环节、第二隔直环节后获得第二输入信号的变化量δu2，再经过第二低通滤波环节和增益系数k
s2
放大后得到第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
。
[0080]
当第二隔直环节为两阶隔直环节时第二输入信号的变化量δu2的计算如下式(e)所示，当第二隔直环节为一阶隔直环节时第二输入信号的变化量δu2的计算如下式(f)所示：
[0081][0082][0083]
其中，t6为测量环节的时间常数，根据实际对第二信号测量的惯性延迟时间进行设置；t
w3
为第一隔直环节时间常数，t
w4
为第二隔直环节时间常数；s表示微分算子。
[0084]
第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
的计算如下式(g)所示：
[0085][0086]
其中，k
s2
为变化矢量信号δu
in2
的增益系数；a
k2
、a
k1
、a
k0
、a
j1
和a
j0
为第二低通滤波环节的系数。
[0087]
4)第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
经第二三阶超前滞后校正环节和第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
。
[0088]
按式(h)计算得到信号δu
*out2
，信号δu
*out2
经第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
：
[0089][0090]
其中，t
21
～t
26
为第二三阶超前滞后校正环节的时间常数；第二上下限幅值为k
l2
，一般按标么值取5％～10％。
[0091]
5)从步骤2)获得的第一输出信号δu
out1
和步骤4)获得的第二输出信号δu
out2
进行叠加，得到输出信号δu
out
，计算如下式(i)所示：
[0092]
δu
out
＝δu
out1
+δu
out2(i)[0093]
6)步骤5)获得的输出信号δu
out
经第三上下限幅环节后作为调相机附加阻尼控制器的输出δu
pss
，第三上下限幅值为k
l
，一般按标么值取10％。
[0094]
7)从步骤6)获得的附加阻尼控制器输出δu
pss
信号叠加至调相机励磁系统电压闭
环控制的给定与反馈偏差输入点，通过调相机励磁系统产生附加阻尼作用。
[0095]
图3中的(a)、(b)所示是不投入调相机附加阻尼控制时，系统受到扰动后新能源发电单元与系统间的输电线路上传输的功率振荡仿真情况，有功振荡阻尼比为0.07，振荡次数较多，经较长时间后振荡平息；
[0096]
图4中的(a)、(b)所示是投入调相机附加阻尼控制后，系统受到扰动后新能源发电单元与系统间的输电线路上传输的功率振荡仿真情况，此时有功振荡阻尼比提高至0.198，振荡次数显著减少，经较短时间后振荡平息。
[0097]
本发明的调相机附加阻尼控制实现方法中：第一输入信号u1取自调相机的转速ω或调相机的有功功率负值-pe，经过隔直环节得到变化量并经低通滤波环节降低测量噪声，再经三阶超前滞后环节补偿调相机励磁系统滞后特性后使其附加控制产生的力矩在调相机δω轴附近，因而对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡能提供有效的正阻尼作用；第二输入信号u2取调相机接入处附近发电单元并网点母线电压频率fs，经隔直环节得到变化量并经低通滤波环节降低测量噪声且抑制非低频振荡模式信号，再经三阶超前滞后环节补偿调相机滞后作用特性后使其附加控制产生的力矩与线路输送功率变化量成一定的相位关系，因而对新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡提供有效的正阻尼作用；第一输出信号和第二输出信号均有各自增益系数和限幅值可调，因而能改变二者在附加阻尼控制中的作用大小和权重，合成后的附加阻尼控制对上述振荡情况均能产生阻尼作用。
[0098]
本发明还提出一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制装置，该装置包括第一输入信号获取模块、第一输入信号处理模块、第二输入信号获取模块、第二输入信号处理模块、叠加模块，其中：
[0099]
第一输入信号获取模块用于获取第一输入信号u1；
[0100]
第一输入信号处理模块用于将第一输入信号u1依次经过第一测量环节、第一隔直环节后获得第一输入信号的变化量δu1，再经过第一低通滤波环节和增益系数k
s1
放大后得到第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
；第一输入信号的变化矢量信号δu
in1
经第一三阶超前滞后校正环节和第一上下限幅环节后得到第一输出信号δu
out1
；
[0101]
第二输入信号获取模块用于获取第二输入信号u2；
[0102]
第二输入信号处理模块用于将第二输入信号u2依次经过第二测量环节、第二隔直环节后获得第二输入信号的变化量δu2，再经过第二低通滤波环节和增益系数k
s2
放大后得到第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
；第二输入信号的变化矢量信号δu
in2
经第二三阶超前滞后校正环节和第二上下限幅环节后得到第二输出信号δu
out2
；
[0103]
叠加模块用于将第一输出信号δu
out1
和第二输出信号δu
out2
叠加后经第三上下限幅环节后作为调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
；对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡以及新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡情况产生正阻尼作用。。
[0104]
本发明还提出一种抑制有功低频振荡的附加阻尼控制系统，控制系统包括前述控制装置、叠加环节和调相机励磁系统的控制环节，其中：
[0105]
叠加环节用于将调相机附加阻尼控制器的输出信号δu
pss
叠加至调相机励磁系统电压闭环控制的给定信号u
ref
与反馈信号ug的偏差输入点；
[0106]
调相机励磁系统的控制环节用于根据偏差输入点产生的信号对系统受扰后调相机与系统的本机有功振荡以及新能源发电单元与系统间的线路有功低频振荡情况产生附
加正阻尼作用。
[0107]
前述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法的实施例涉及的各步骤的所有相关内容均可以援引到本技术实施例中的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制装置和系统所对应的功能模块的功能描述，在此不再赘述。
[0108]
基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现前述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法的步骤。
[0109]
基于同一发明构思，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述的抑制有功低频振荡的附加阻尼控制方法的步骤。
[0110]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0111]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0112]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0113]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0114]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。