基于电力电子变流器的机端次同步阻尼控制器研究与测试

针对大型汽轮发电机接入串补输电系统面临的次同步谐振问题,研制出一种基于电力电子变流器的机端次同步阻尼控制器(generator terminal subsynchronous dampingcontroller,GTSDC)。它由多模态次同步阻尼控制器和基于链式结构的高压大容量电流跟踪变流器构成,通过向机组定子侧注入幅值和相位可控的扭振模态互补频率的电流,实现抑制轴系扭振的目标。阐述GTSDC的工作原理和设计方法,研发一套等效容量为10 MVA、输出电压为22 kV的装置,并在上都电厂660 MW机组上进行现场参数整定和效果试验,结果表明:所研发的GTSDC能大幅提高扭振模态阻尼并有效抑制持续激励引发的强迫性轴系扭振,为解决次同步谐振和振荡问题提供了一种新颖而有效的技术手段。

多端口直流潮流控制器抑制次同步振荡阻尼控制策略研究

近年来,仿照传统交流潮流控制器的思想,提出了直流潮流控制器的概念,并针对其拓扑实现方案、稳态运行控制策略以及参与潮流调节时的系统运行特性展开了系统的研究。针对多端口直流潮流控制器(multi-port DC power flow controller,M-DCPFC)运行控制问题,提出了一种M-DCPFC新型控制控制方法,进一步扩展了M-DCPFC的功能性。在保证系统潮流调度需求的基础上,其能够在输电线路上引入补偿虚拟阻尼以抑制换流站次同步振荡电流在直流网络内的传播与扩散,有效地限制了故障影响范围和提高了整体输电系统的可靠性。文中详细分析了次同步振荡下M-DCPFC的阻尼控制机理,并设计了有效的控制策略。最后,在基于RT-lab的实时模型在环仿真测试系统中搭建了5端柔性直流输电系统模型,对所提控制策略进行了不同算例下的验证分析,结果表明了其有效性。

应用机组定、转子侧阻尼控制器抑制发电厂次同步谐振试验分析

为解决内蒙古上都发电有限责任公司的次同步谐振(SSR)问题,并在控制效果和投资成本上达到良好的平衡,提出了一种将汽轮发电机转子侧附加励磁阻尼控制器(SEDC)与定子侧机端次同步阻尼控制器(GTSDC)相结合的SSR综合控制方法,它包含了转子侧对励磁电流的调制(SEDC)和定子侧对电枢电流的动态注入补偿(GTSDC),两者均能产生附加阻尼转矩,从而提供更强的SSR抑制能力。阐明了综合控制方法的原理及控制器参数设计方法,并将综合方法应用于解决内蒙古上都发电有限责任公司三期工程的SSR难题,现场试验结果证明了理论分析和综合控制方法的有效性。

机侧与网侧多通道附加阻尼控制器参数协调综合抑制低频振荡和次同步振荡

由于低频振荡与次同步振荡存在阻尼耦合,针对一种特定振荡模式设计控制器,会对其他频段的振荡模式造成不利的影响。综合考虑低频振荡与次同步振荡这2种模式,基于模式分离方法设计机侧与网侧附加阻尼控制器,将阻尼耦合问题转化为控制器之间的参数协调优化问题。使各控制器之间以及对应同一振荡模式的各通道之间的参数协调配合,以综合抑制低频振荡与次同步振荡,最大限度地降低模式之间的阻尼耦合;在协调优化过程中,对次同步振荡模式的阻尼比阈值进行动态设定,即次同步振荡模式的频率越大,其所需阻尼比的阈值越小。特征值分析与时域仿真结果均表明,所提协调控制策略能显著地改善系统各频段的阻尼特性;相比于传统的阻尼控制策略,所提协调控制策略具有更好的阻尼效果。

双馈风机附加次同步阻尼控制器抑制方法分析与优化设计

次同步阻尼控制器(SSDC)抑制次同步振荡(SSO)因具有良好的抑制效果和低廉的成本而得到广泛的认可,但是现有SSDC种类众多,缺乏系统性比较。为此梳理了常见的SSDC结构及其参数设计方法,在对动态性能、鲁棒性等指标的对比中发现转子电流反馈型SSDC具有最佳的抑制效果。进一步深入研究了该SSDC参数对SSO抑制性能的影响,从而优化了参数设计,并提出基于固有时间尺度分解算法的自适应振荡频率选取方法,实现SSDC的SSO精准抑制。对附加改进后SSDC系统进行根轨迹分析和硬件在环实验,结果表明,通过增加自适应振荡频率选取环节和优化设计参数,改进的SSDC具有更优的SSO抑制效果,且不会影响双馈风机的正常运行。

多直驱永磁同步发电机并联风电场次同步阻尼控制器降阶设计方法

多直驱永磁同步发电机(PMSG)并联风电场并网电力系统中可能出现次同步振荡现象。为了保证系统稳定运行,提出了一种多PMSG并联风电场次同步阻尼控制器降阶设计方法。文中次同步阻尼控制器以风电场集中母线电压幅值为输入信号,并将输出信号分配到风电场中每台PMSG电网侧换流器控制回路上,次同步阻尼控制器参数在多PMSG并联风电场并网系统降阶模型的基础上由全局搜索算法优化得到。次同步阻尼控制器降阶设计方法可以降低状态矩阵维度,大大减少参数优化时间。最后,基于Matlab软件对20台PMSG并联风电场并网电力系统进行模态分析和非线性仿真分析,结果显示,降阶设计的风电场次同步阻尼控制器在不同场景下均能够抑制多PMSG并联风电场次同步振荡,提升系统的稳定性。

应用于高压直流换流站近区机组的次同步振荡阻尼控制器研究

在交直流混联系统中,高压直流输电系统可能引发送端交流系统发生次同步振荡现象,造成换流站近区机组的轴系扭振,使得发电机组大轴及周围设备损坏,同时对升压变压器一次侧造成冲击。针对该问题,文中首先分析了高压直流换流站近区机组次同步振荡的产生机理,然后提出了一种基于附加次同步振荡阻尼控制器的抑制方法。最后在PSCAD电磁暂态仿真环境下计算表明,附加次同步振荡阻尼控制器能够快速响应次同步振荡扰动,抑制次同步振荡幅值,平抑次同步振荡引起的过电压和过电流,避免其对机组轴系和升压变压器一次侧的冲击。

基于模糊免疫方法的次同步阻尼控制器设计

高压直流输电系统在一定条件下可能引发系统的次同步振荡。基于复数力矩系数原理与模糊免疫的方法设计了次同步阻尼控制器。该控制器检测到系统的次同步振荡信号后,能根据振荡情况对控制器参数进行自适应调整,整个控制器结构简单、稳定性强且易于工程实现。以2008年南方电网贵广Ⅱ直流系统为例,电磁暂态时域仿真结果表明了该方法应用于次同步阻尼控制器设计的有效性。

高压直流输电系统附加次同步振荡阻尼控制器的设计与实现

针对抑制由HVDC引起的次同步振荡问题,阐述了附加次同步振荡阻尼控制器(SSDC)抑制次同步振荡(SSO)的原理。对SSDC设计中的控制器结构、输入信号的选取、相位补偿和增益调整等方面进行了重点论述,分析了不同方案的优缺点。从工程应用的角度,提出了一种便于工程实现的SSDC设计方案。在此基础上,针对东北-华北联网的高岭背靠背换流站附近绥中发电机组的次同步振荡问题,设计了相应的SSDC。实时数字仿真(RTDS)和实际控制器的闭环试验验证了所设计的SSDC能有效地抑制SSO,并对HVDC的动态特性影响较小。

HVDC附加次同步阻尼控制器设计及其相位补偿分析

附加次同步阻尼控制器(supplementary subsynchronous damping controller,SSDC)是解决由直流输电引起次同步振荡的一种有效措施。通过建立交直流系统发电机转速到电气转矩环节解耦传递函数结构分析了附加次同步阻尼控制器抑制次同步振荡原理,提出一种新型窄带通多通道SSDC结构及其相位校正计算方法,并设计开发了一套基于MATLAB图形用户界面(graphical user interfaces,GUI)的高压直流输电SSDC参数整定与分析软件。呼辽直流输电工程引起伊敏电厂三期两台汽轮发电机组次同步振荡的EMTDC/PSCAD实例仿真验证了所提出新结构与方法的可行性和有效性。

基于改进粒子群算法的次同步阻尼控制器设计

串联补偿装置会引发汽轮机组的次同步谐振(subsynchronous resonance,SSR)。提出了一种改进粒子群算法,并基于该算法利用静止无功补偿器(static var compensators,SVC)抑制SSR的原理,选取适当的测试量,设计了次同步阻尼控制器。将SVC的控制器参数视为自适应参数,通过改进粒子群算法,以阻尼比为目标函数,计算出不同运行情况下的控制器参数,达到抑制SSR的目的。以南方电网墨红串补、砚崇串补子系统的仿真模型为例,验证了该阻尼控制器的有效性。

基于遗传算法的HVDC附加次同步阻尼控制器的设计

利用HVDC系统的快速响应能力,可以在不增加附加设备的条件下,有效抑制交直流联合输电系统中发生的次同步振荡。该文以特征值尽可能位于远离虚轴的左半平面为目标,提出应用遗传算法解决控制器参数优化中的极大极小值问题,以适应动态系统运行条件大范围的变化。与传统的基于极点配置的设计方法 相 比 较,该 文 提 出 的 方 法具有设计简便、智能化程度高、控制器鲁棒性好的优点。将所提出的方法应用于一个典型的带串联电容补偿的AC/DC联合输电系统次同步阻尼控制器的设计,特征值法和时域仿真结果都表明所设计的HVDC附加次同步阻尼控制器能在较大范围内变化的负荷条件和补偿度下有效阻尼次同步振荡。

基于射影定理分层控制的次同步阻尼控制器设计

火电机组经高压直流输电有可能引起轴系振荡,严重影响电力系统的稳定性,故为高压直流输电系统设计次同步阻尼控制器尤为重要。从系统状态方程的角度出发,基于系统状态方程,通过滤波器提取轴系各固有扭振模态,进而提出基于TLS-ESPRIT和射影定理设计直流附加次同步阻尼控制器,最终实现各个模态的分层控制。射影控制可保留系统的主导特征根,能够在保留系统实际信息的同时降低控制器的阶数。以某电网直流系统作为实例仿真模型,仿真结果表明,基于TLS-ESPRIT和射影定理分层控制的阻尼控制器可有效增大系统阻尼,实现次同步振荡的快速抑制,且控制器阶数较低,便于工程实现。

基于改进生物地理学优化算法的SVC次同步阻尼控制器设计

针对常用的次同步振荡控制器不能较好地适应电力系统时变非线性的特点,提出了一种引入余弦迁移模型、早熟判断机制、变尺度混沌变异策略及排重操作的改进生物地理学优化算法。基于该算法结合静止无功补偿器(SVC)抑制次同步振荡的机理,对次同步阻尼控制器进行优化设计,并采用特征值分析和时域仿真验证了控制系统的有效性。锦界电厂算例分析表明:经改进生物地理学算法优化的SVC次同步阻尼控制器能较好地提高机组扭振的模态阻尼,可有效抑制次同步振荡,进而保证机组和电网的安全稳定运行;与传统的生物地理学优化算法、粒子群算法及遗传算法相比,改进生物地理学优化算法在搜索最优控制参数时具有较快的搜索速度和较高的搜索精度。

基于Prony辨识的次同步阻尼控制器研究

发展了基于Prony算法的辨识系统传递函数的方法,将其用于交直流混合输电系统的次同步振荡模式分析和阻尼控制设计,通过对输出信号动态时域数据的Prony辨识得到了系统的等值降阶线性模型,分析出次同步振荡的模式,在此基础上采用极点配置方法设计出抑制次同步振荡的附加直流阻尼控制器。设计步骤为:在待研机组电气距离较近处施加低幅短时间的负荷扰动,对该机组的转子角速度暂态响应进行Prony辨识,获取系统的降阶线性传递函数模型,对于选定的极点,对阻尼控制器的参数取一估计值,配置阻尼控制器后,重复Prony辨识过程,并依据辨识结果调整阻尼控制器参数,直至闭环系统的Prony辨识极点与选定的极点相近。EMTDC仿真结果证明了该方法的有效性。

静止同步串联补偿器次同步谐振多模式阻尼控制器设计

在远距离内输电线路中串入固定电容器,可能会引起次同步谐振(SSR),为此,在串补系统中使用了基于电压源换流器(VSC)的新一代串联补偿装置静止同步串联补偿器(SSSC)来替代部分固定电容器。首先分析了SSSC基本运行原理,通过对VSC输出电压幅值和相位的控制,使SSSC能够向线路中注入串联的容性电压,相当于提供了串联补偿电容。分析了不同容量SSSC的电气阻尼特性,针对SSSC原有控制抑制次同步谐振效果不佳的缺点,设计了SSSC次同步谐振多模式阻尼控制器。通过通带内低相移的扭振模式带通滤波器滤出系统每个扭振模式信号后再进行相位补偿,使SSSC能够在所有扭振频率附近提供正的电气阻尼。基于测试系统的频域和时域仿真结果表明,简单地增加SSSC的容量并不能有效地化解系统发生次同步谐振的风险,所设计的多模式阻尼控制器不仅能够阻止发电机和串补线路之间次同步谐振的产生,并且能有效地减小所需SSSC装置的容量。

采用遗传—模拟退火算法优化设计SVC次同步阻尼控制器

针对锦界电厂串补输电工程的多模态次同步谐振(SSR)问题,在基波电纳次同步调制机理基础上,优化设计静止无功补偿器(SVC)次同步阻尼控制器(SSDC)。首先建立适应SSR分析与控制设计、包含SVC的多机系统线性化模型,其次提出了基于独立模态控制思路的控制器结构,然后将控制参数设计问题规范为一个约束型非线性规划问题,进而采用遗传—模拟退火(GASA)算法求解得到控制参数,最后采用特征值分析和时域仿真验证了控制系统的有效性。结果表明:SVC-SSDC能大幅提高机组扭振的模态阻尼,有效抑制SSR,从而保证了机组和电网的安全稳定运行。

TCSC次同步谐振附加阻尼控制器

针对晶闸管控制的串联补偿电容器(TCSC)无法彻底消除系统次同步谐振(SSR)的问题,基于相位补偿原理设计了TCSC的附加阻尼控制器。通过对发电机转速差信号进行适当的放大和移相,产生附加控制信号来调节TCSC的触发角,使TCSC能够在整个次同步频段提供正的电气阻尼来抑制次同步谐振。基于IEEE SSR第一标准测试系统的频域和时域仿真表明,所设计的TCSC附加控制器能够有效抑制SSR。

直流输电次同步阻尼控制器的设计

次同步阻尼控制器(subsynchronous damping controller,SSDC)是解决由直流输电引起的次同步振荡(subsynchronous oscillations,SSO)的一种有效措施。在分析直流输电引发SSO机理的基础上,对抑制SSO的原理进行深度剖析,进而提出根据相位补偿原理设计SSDC的方法,该方法物理概念清晰,实现方便。将IEEE次同步谐振标准测试系统和CIGRE直流输电标准测试系统相结合,构造了一个用于研究HVDC引发SSO的测试系统。对该测试系统的电气阻尼计算结果表明,在所设计SSDC的控制下,次同步频段内的电气阻尼大大增加,且在适当的比例系数下,电气阻尼均为正阻尼。时域仿真也验证了所设计的SSDC的有效性。

基于无模型自适应控制的双馈风机次同步振荡附加阻尼控制方法

双馈风机并网系统易发生次同步振荡,受制于建模精度及控制器本身参数结构的固定性,传统的附加阻尼控制器可能存在适应性不强的问题。该文设计一种基于无模型自适应控制的次同步阻尼控制方法,依托动态线性化技术从系统输入输出数据中提取动态特征,以摆脱控制方法对建模准确性的依赖,增强控制器自适应性。首先,基于无模型控制方法设计控制器结构,并提出一种适用于阻尼控制的一步向前加权预测控制算法;进一步地,从理论上证明改进控制算法下闭环系统的跟踪误差一致最终有界性及有界输入–有界输出稳定性,并提出控制器参数的优化方法。最终,在综合考虑风速、风电场有功/无功出力、风机台数、线路串补度等影响因素的情况下,验证所提控制方法的抑制效果,结果表明,该方法具备很强的自适应性,在多种工况下均能有效抑制次同步振荡。