基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统和方法 |
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申请号 | CN201610694982.8 | 申请日 | 2016-08-19 | 公开(公告)号 | CN106253310A | 公开(公告)日 | 2016-12-21 |
申请人 | 华北电力大学; | 发明人 | 张鹏; 毕天姝; 张涛; 肖仕武; 李景一; 常富杰; | ||||
摘要 | 本 发明 属于电 力 系统次同步振荡抑制方法的技术领域,尤其涉及一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统和方法。具体包括:以发 电机 轴系扭振转速偏差 信号 为 控制器 输入。采用从同步 坐标系 到静止坐标系的变换,将转速偏差信号变换为 定子 侧与之对应的两个 频率 分量,作为补偿 电流 的指令值。通过参数优化控制两个频率电流之间的 相位 关系,使是两个频率电流形成的总附加电磁转矩的幅值达到最大。通过参数优化控制电磁转矩与转速偏差之前的夹 角 ,使得总电磁转矩起到最佳阻尼效果。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统和方法技术领域背景技术[0002] 串联补偿技术以及高压直流输电技术是提高远距离输电线路输送能力的有效手段,在我国电力系统中得到广泛应用。但是,串联补偿和高压直流输电能够引起汽轮发电机组的次同步振荡风险。次同步振荡是一种发生在电力系统中的机电耦合振荡现象。发生次同步振荡时,汽轮发电机组轴系机械部分与输电系统电气部分之间发生能量交换,从而激发汽轮发电机组的轴系扭振,造成轴系损伤和寿命损耗。因此,次同步振荡风险是我国电力系统安全稳定运行面临的重要问题。 [0003] 阻尼控制是抑制次同步振荡风险的重要手段。通过提高阻尼水平,能够增加小扰动条件下次同步振荡的稳定性,并能够加快大扰动后轴系扭振的衰减速度。因此,阻尼控制的原理和实现方法是目前次同步振荡的理论研究和工程实践的重要内容。而目前的次同步振荡抑制方法的阻尼效果却并不让人满意,急需一种更加有效的阻尼控制方法,以保证电力系统的安全与稳定运行。 发明内容[0004] 针对上述问题,本发明提出了一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统和方法。具体如下: [0005] 一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制方法,该方法包括如下步骤: [0007] S2,将所述同步坐标阻尼控制环节的输出信号Δxi变换为三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc,即: [0008] [0009] 其中,T为从同步坐标到静止坐标的变换矩阵,ω0为工频角频率,αi为同步坐标转矩控制环节参数; [0010] S3,优化所述同步坐标转矩控制环节参数αi,使补偿电流形成的电磁转矩幅值达到最大; [0011] S4,优化所述同步坐标阻尼控制环节的增益ki和相移参数 使所述电磁转矩起到最佳阻尼效果。 [0012] 所述步骤S3中优化所述同步坐标转矩控制环节参数αi,具体为:使αi=π-δ0,其中,δ0为功角。 [0014] 所述步骤S4中优化所述同步坐标阻尼控制环节的增益ki,具体为:使得:其中,kG为注入电流分流到发电机定子的幅值变化率,ψ0为定子磁链初值,De_max为需要实现的阻尼效果。 [0015] 一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统,所述系统包括如下模块: [0016] 同步坐标阻尼控制模块,用于将同步坐标下的发电机转速偏差信号进行增益和移相,得到同步坐标阻尼控制环节的输出信号: 其中,ki和 分别为同步坐标阻尼控制环节的增益和相移参数,Ai为幅值,ωi为角频率; [0017] 同步坐标转矩控制模块,用于将所述同步坐标阻尼控制环节的输出信号Δxi变换为三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc,即: [0018] [0019] 其中,T为从同步坐标到静止坐标的变换矩阵,ω0为工频角频率,αi为同步坐标转矩控制环节参数; [0020] 同步坐标转矩控制参数优化模块,用于优化所述同步坐标转矩控制环节参数αi,使补偿电流形成的电磁转矩幅值达到最大; [0021] 同步坐标阻尼控制参数优化模块,用于优化所述同步坐标阻尼控制环节的增益ki和相移参数 使所述电磁转矩起到最佳阻尼效果。 [0022] 所述同步坐标转矩控制参数优化模块,具体为:使αi=π-δ0,其中,δ0为功角。 [0023] 所述同步坐标阻尼控制参数优化模块,具体为:使 其中, 为注入电流分流到发电机定子的相位变化角度。 [0024] 所述同步坐标阻尼控制参数优化模块,具体为:使 其中,kG为注入电流分流到发电机定子的幅值变化率,ψ0为定子磁链初值,De_max为需要实现的阻尼效果。 [0025] 本发明的有益效果在于: [0026] 本发明基于发电机转子同步坐标下的转矩矢量原理,提出了一种用于次同步振荡抑制的阻尼控制方法,通过参数优化控制次同步频率电流和超同步频率电流的幅值和相位,使得总电磁转矩起到最佳阻尼效果。附图说明 [0027] 图1是基于同步坐标转矩适量控制的次同步振荡阻尼控制方法原理图。 具体实施方式[0028] 下面结合附图,对实施例作详细说明。 [0029] 实施例一: [0031] 通过参数优化控制两个频率电流之间的相位关系,使是两个频率电流形成的总附加电磁转矩的幅值达到最大。 [0032] 通过参数优化控制电磁转矩与转速偏差之前的夹角,使得总电磁转矩起到最佳阻尼效果。 [0033] 实施例二: [0034] 在发电机经串补线路送出的系统中,建立了发电机转子同步坐标下的总电磁转矩和次同步频率电流、超同步频率电流的关系式; [0035] 通过参数优化,控制两个频率电流之间的相位关系,使是两个频率电流形成的总附加电磁转矩的幅值达到最大; [0036] 通过参数优化,控制电磁转矩与转速偏差之前的夹角,使得总电磁转矩起到最佳阻尼效果。 [0037] 实施例三: [0038] 图1所示为基于同步坐标转矩适量控制的次同步振荡抑制方法原理图。由于转速偏差信号Δω和电磁转矩信号ΔTe均为同步坐标下的变量,而电磁转矩所能起到的阻尼效果取决于电磁转矩的幅值ΔTe及其与转速偏差信号之间的夹角θDe。因此,阻尼效果的分析和控制,要在同步坐标下完成。 [0039] 本发明以发电机轴系扭振转速偏差信号为控制器输入。采用从同步坐标系到静止坐标系的变换,将转速偏差信号变换为定子侧与之对应的两个频率分量,作为补偿电流的指令值。两个频率的电流产生的电磁转矩分别为ΔTe-和ΔTe+。通过控制两个频率电流之间的相位关系,从而控制ΔTe-和ΔTe+之间的夹角θTe,使得两个频率电流形成的总附加电磁转矩ΔTe的幅值达到最大;通过控制总电磁转矩ΔTe与转速偏差Δω之前的夹角θDe,使得总电磁转矩起到最佳阻尼效果。 [0040] 实施例四: [0041] 一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制方法,包括如下步骤: [0042] S1,同步坐标阻尼控制环节 [0043] 通过同步坐标阻尼控制环节,将同步坐标下的发电机转速偏差信号进行适当的增益和移相,从而控制补偿电流形成的电磁转矩ΔTe与转速偏差Δω之间的夹角,实现阻尼控制。具体原理和步骤为: [0044] 设同步坐标下发电机转速偏差信号Δω为: [0045] [0046] 其中,Ai为幅值,ωi为角频率,t表示时间。 [0047] 设同步坐标阻尼控制环节的增益和相移参数分别为ki和 则该环节输出的信号为: [0048] [0049] 其中,ki和 是待优化参数。 [0050] S2,同步坐标转矩控制环节 [0051] 在同步坐标转矩控制环节中,采用从同步坐标到三相静止坐标的坐标变换,将同步坐标阻尼控制环节的输出信号Δxi变换为静止坐标下对应的频率分量Δiabc,作为补偿电流的指令值。具体原理和步骤为: [0052] 从同步坐标到静止坐标的变换矩阵T为: [0053] [0054] 其中,ω0为工频角频率,αi为待优化参数。 [0055] 由(2)式和(3)式得到三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc为: [0056] [0057] 由(4)式可见,三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc包含频率为(ω0-ωi)和频率为(ω0-ωi)的两个频率分量。 [0058] 为便于后面的参数优化方法说明,对(4)式等号右侧,可令: [0059] [0060] [0061] S3,同步坐标转矩控制环节参数优化 [0062] 同步坐标转矩控制环节参数αi的优化目标为使补偿电流形成的电磁转矩ΔTe幅值达到最大。具体原理和步骤为: [0063] 将(5)和(6)表示的静止坐标下的补偿电流Δiabc_sub和Δiabc_sup折算到同步坐标下,并分别表示为Δid,qsub-和Δid,qsub+: [0064] [0065] [0066] 其中,P为Park变换矩阵: [0067] [0068] 由(7)、(8)式可见,静止坐标下频率为(ω0-ωi)和(ω0-ωi)的两个分量,在同步坐标下均为频率为ωi的分量。因而,从电流注入点分流到发电机定子产生的幅值和相位变化相等。设注入电流分流到发电机定子的幅值变化率和相位变化角度分别为kG和 则机端补偿电流Δiabc_sub(即Δid,qsub-)分流到发电机的部分Δid,qsub-G为: [0069] [0070] 将(7)式代入(10)式得: [0071] [0072] 类似的,机端注入电流Δiabc_sup(即Δid,qsub+)分流到发电机的部分Δid,qsub+G为: [0073] [0074] 依据电磁转矩计算公式: [0075] [0076] 其中,ψd0和ψd0分别为定子d、q轴磁链初值。将(11)式代入(13)式,得到由Δid,qsub-G产生的电磁转矩ΔTe-为: [0077] [0078] 其中,δ0为功角,ψ0为定子磁链初值,并且有tanδ0=-ψq0/ψd0。 [0079] 将(12)式代入(13)式,得到由Δid,qsub+G产生的电磁转矩ΔTe+为: [0080] [0081] 由式(14)和(15)可见,转矩ΔTe-和ΔTe+频率均为ωi,并且幅值相等。二者间的夹角θTe: [0082] θTe=2(αi+δ0-π) (16) [0083] 因此,同步坐标转矩控制环节参数αi的优化方法为,使: [0084] αi=π-δ0 (17) [0085] 此时,满足ΔTe-和ΔTe+同相位,二者合成转矩幅值达到最大。最大转矩为: [0086] [0087] S4,同步坐标阻尼控制环节参数优化 [0088] 同步坐标阻尼控制环节参数 的优化目标是使得电磁转矩ΔTe与转速偏差Δω之间夹角为0°,从而使得最大转矩产生最大阻尼效果。控制器参数ki的优化目标是依据系统参数、运行参数来调整增益参数,从而实现期望的阻尼效果。具体原理和步骤为: [0089] 由式(1)和式(18)可知,在实现最大转矩的前提下,次同步转矩ΔTe_max产生的阻尼为: [0090] [0091] 因此,阻尼的大小,取决于ΔTe_max与Δωi的夹角θDe: [0092] [0093] 因此,阻尼控制环节控制参数 的优化方法为,使: [0094] [0095] 此时,ΔTe_max产生的阻尼效果最大。最大阻尼为: [0096] De_max=KiKGΨ0 (22) [0097] 在式(22)中,kG由系统参数决定;ψ0由系统运行状态决定。因此,同步坐标阻尼控制环节控制参数ki的优化方法(取值)为:依据系统参数kG、运行状态ψ0和需要实现的阻尼效果De_max,使得: [0098] [0099] 实施例五: [0100] 一种基于同步坐标转矩矢量控制的次同步振荡抑制系统,该系统包括如下模块: [0101] 同步坐标阻尼控制模块:将同步坐标下的发电机转速偏差信号进行适当的增益和移相,从而控制补偿电流形成的电磁转矩ΔTe与转速偏差Δω之间的夹角,实现阻尼控制。具体原理和步骤为: [0102] 设同步坐标下发电机转速偏差信号Δω为: [0103] [0104] 其中,Ai为幅值,ωi为角频率,t表示时间。 [0105] 设同步坐标阻尼控制环节的增益和相移参数分别为ki和 则该环节输出的信号为: [0106] [0107] 其中,ki和 是待优化参数。 [0108] 同步坐标转矩控制模块:采用从同步坐标到三相静止坐标的坐标变换,将同步坐标阻尼控制环节的输出信号Δxi变换为静止坐标下对应的频率分量Δiabc,作为补偿电流的指令值。具体原理和步骤为: [0109] 从同步坐标到静止坐标的变换矩阵T为: [0110] [0111] 其中,ω0为工频角频率,αi为待优化参数。 [0112] 由(25)式和(26)式得到三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc为: [0113] [0114] 由(27)式可见,三相静止坐标下的补偿电流指令值Δiabc包含频率为(ω0-ωi)和频率为(ω0-ωi)的两个频率分量。 [0115] 为便于后面的参数优化方法说明,对(27)式等号右侧,可令: [0116] [0117] [0118] 同步坐标转矩控制参数优化模块,同步坐标转矩控制环节参数αi的优化目标为使补偿电流形成的电磁转矩ΔTe幅值达到最大。具体原理和步骤为: [0119] 将(28)和(29)表示的静止坐标下的补偿电流Δiabc_sub和Δiabc_sup折算到同步坐标下,并分别表示为Δid,qsub-和Δid,qsub+: [0120] [0121] [0122] 其中,P为Park变换矩阵: [0123] [0124] 由(30)、(31)式可见,静止坐标下频率为(ω0-ωi)和(ω0-ωi)的两个分量,在同步坐标下均为频率为ωi的分量。因而,从电流注入点分流到发电机定子产生的幅值和相位变化相等。设注入电流分流到发电机定子的幅值变化率和相位变化角度分别为kG和 则机端补偿电流Δiabc_sub(即Δid,qsub-)分流到发电机的部分Δid,qsub-G为: [0125] [0126] 将(30)式代入(33)式得: [0127] [0128] 类似的,机端注入电流Δiabc_sup(即Δid,qsub+)分流到发电机的部分Δid,qsub+G为: [0129] [0130] 依据电磁转矩计算公式: [0131] ΔTe=ψd0Δiq-ψq0Δid (36) [0132] 其中,ψd0和ψd0分别为定子d、q轴磁链初值。将(34)式代入(36)式,得到由Δid,qsub-G产生的电磁转矩ΔTe-为: [0133] [0134] 其中,δ0为功角,ψ0为定子磁链初值,并且有tanδ0=-ψq0/ψd0。 [0135] 将(35)式代入(36)式,得到由Δid,qsub+G产生的电磁转矩ΔTe+为: [0136] [0137] 由式(37)和(38)可见,转矩ΔTe-和ΔTe+频率均为ωi,并且幅值相等。二者间的夹角θTe: [0138] θTe=2(αi+δ0-π) (39) [0139] 因此,同步坐标转矩控制环节参数αi的优化方法为,使: [0140] αi=π-δ0 (40) [0141] 此时,满足ΔTe-和ΔTe+同相位,二者合成转矩幅值达到最大。最大转矩为: [0142] [0143] 同步坐标阻尼控制参数优化模块,同步坐标阻尼控制环节参数 的优化目标是使得电磁转矩ΔTe与转速偏差Δω之间夹角为0°,从而使得最大转矩产生最大阻尼效果。控制器参数ki的优化目标是依据系统参数、运行参数来调整增益参数,从而实现期望的阻尼效果。具体原理和步骤为: [0144] 由式(24)和式(41)可知,在实现最大转矩的前提下,次同步转矩ΔTe_max产生的阻尼为: [0145] [0146] 因此,阻尼的大小,取决于ΔTe_max与Δωi的夹角θDe: [0147] [0148] 因此,阻尼控制环节控制参数 的优化方法为,使: [0149] [0150] 此时,ΔTe_max产生的阻尼效果最大。最大阻尼为: [0151] De_max=KiKGΨ0 (45) [0152] 在式(45)中,kG由系统参数决定;ψ0由系统运行状态决定。因此,同步坐标阻尼控制环节控制参数ki的优化方法(取值)为:依据系统参数kG、运行状态ψ0和需要实现的阻尼效果De_max,使得: [0153] [0154] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 |