次同步振荡动态稳定器抑制弱阻尼次同步振荡的机理与实验

针对呼盟系统呼伦贝尔电厂存在的弱阻尼次同步振荡问题,实际工程采用次同步振荡动态稳定器(SSO-DS)进行抑制。文中提出了一种适用于SSO-DS的瞬时无功功率次同步调制策略,基于复转矩系数法推导出该控制策略下SSO-DS提供的阻尼,给出了影响其阻尼大小的相关因素;搭建了实时数字—物理闭环仿真平台,并基于弱阻尼次同步振荡问题,提出了确定其有效阻尼区域的方法,对控制器参数进行优化。闭环仿真及现场实验均验证了SSO-DS控制策略的有效性以及闭环仿真实验参数优化的准确性。

TCSC及其主动阻尼控制对次同步谐振的抑制

可控串联电容补偿(thyristor controlled series capacitor,TCSC)能够控制串联电容器与汽轮发电机轴系之间的能量交换,抑制系统中的次同步分量,从而避免发生次同步谐振的风险。对TCSC抑制次同步谐振(sub-synchronous resonance,SSR)的2种不同方法,即自然抑制和主动抑制,进行了分析和对比,设计了次同步阻尼控制器,研究了TCSC在不同触发角下及附加了阻尼控制器的主动抑制下对次同步谐振抑制的效果,通过PSCAD/EMTDC对这些方法进行时域仿真发现,2种方法均能有效抑制SSR,而主动抑制的效果更好一些。

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。

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。

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。

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。

电阻参数对次同步模态阻尼影响机制

以往研究TCSC对次同步谐振抑制机制,通常认为TCSC对次同步电流分量呈电阻特性,这实质上是假设电阻特性对次同步谐振有抑制作用。针对这一假设,详细推导了同时考虑超同步、次同步电流分量及磁链变化的次同步模态电气阻尼计算公式,应用该公式分析了电阻参数对次同步模态阻尼的影响机制。分析结果显示,次同步电流的阻性分量产生了次同步模态电气负阻尼,电阻参数对次同步模态阻尼的影响机制可以分为2类:随电阻参数变大,互补次同步电流阻性分量及次同步模态电气负阻尼减小,而非互补次同步电流阻性分量及次同步模态电气负阻尼则增加,电阻特性并不能很好地解释TCSC对次同步谐振的抑制作用。并以IEEE第一标准模型为算例,应用特征值法验证了上述电阻参数对次同步模态电气阻尼影响机制分析结果的正确性。

双馈风电机组次同步振荡阻尼特性与抑制策略

大规模风电经固定串补线路送出时,双馈风电机组(DFIG)会由于转子侧换流器(RSC)与固定串补之间相互作用而引起一种新的次同步振荡问题,称为次同步控制相互作用(SSCI)。在分析DFIG换流器的工作原理及输出特性的基础上,建立其基于交流受控电压源和直流受控电流源的等效仿真模型,避免了开关器件的高次谐波对DFIG电气阻尼计算结果的影响,提高了仿真效率。基于等效模型,采用时域实现的复转矩系数法,计算DFIG在次同步频率范围内的电气阻尼特性,进而分析风速、转子侧换流器PI参数、串补度和线路电阻对电气阻尼特性的影响。分析结果表明,风速的减小、内环增益的增大、积分时间常数的减小、串补度的增加以及线路电阻的减小都会增加DFIG电气负阻尼;外环PI参数对DFIG阻尼特性影响不大。提出在DFIG RSC中附加混合次同步阻尼控制器(H-SSDC)来抑制SSCI的方法,仿真结果验证了其有效性。

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。

VSC-HVDC多通道附加阻尼控制抑制次同步振荡

提出在基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)中采用多通道变参数的次同步附加阻尼控制(SSDC)来抑制次同步振荡的方法。在PSCAD/EMTDC中搭建了并联VSC-HVDC的IEEE次同步谐振第一标准测试系统,通过测试信号法得到在不同工况下发电机电磁转矩对调制功率的相位滞后特性,据此选择合理参数设计多通道变参数的SSDC。对并联VSC-HVDC的IEEE次同步谐振第一标准测试系统进行仿真表明,VSC加装多通道变参数SSDC后对次同步振荡有很好的抑制作用,并具有一定的鲁棒性。

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PRONY辨识的附加最优次同步阻尼控制器设计

在电力系统的次同步振荡分析当中,以往提出的基于系统线性化方程求解的小扰动分析方法极易形成"维数灾",在实际复杂系统中的应用非常困难。利用Prony方法来辨识系统模型,较好的解决了电力大系统建模困难的问题。在实际系统中,不是所有状态变量都能采取利用,所以采用了状态观测器来重构系统状态,并在此基础上,利用线性最优控制理论设计了附加次同步阻尼控制器。在南方电网的实际模型中,对该控制器进行了时域仿真验证,证明了该控制的有效性和快速性。

基于特征值法的次同步阻尼守恒特性分析

运用特征值分析法,分别对含有串联补偿电容的交流系统和含有附加次同步阻尼控制器(supplemental subsynchronous damping controller,SSDC)的HVDC系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)特性进行了研究。分析了在含有串联补偿电容的交流系统中,补偿度改变时系统总阻尼守恒的机制,以及在含有SSDC的HVDC系统中,SSDC放大倍数改变时系统总阻尼守恒的机制,揭示了系统各振荡模态阻尼的变化规律。

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。

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。

风火打捆外送系统次同步振荡的改进自抗扰直流附加阻尼控制

针对送端电网大规模风电接入可能加剧火电机组次同步振荡的问题,提出一种基于改进遗传算法的自抗扰附加阻尼控制方法。利用基于总体最小二乘法-旋转不变技术的信号参数估计(TLS-ESPRIT)算法对系统进行次同步振荡特性辨识,根据主模比指标选择合适的控制反馈信号,得到系统在次同步频段内各振荡模式对应的低阶传递函数;结合时间乘绝对误差积分准则(ITAE)指标与极大极小值原理确定被控系统控制目标,并利用改进遗传算法寻优确定多通道自抗扰控制器参数。在PSCAD上搭建含大规模风电的测试系统模型,仿真结果表明基于改进自抗扰控制的附加次同步阻尼控制器在送端电网多种运行方式和不同故障情况下都能有效抑制汽轮发电机组的次同步振荡,鲁棒性较强,同时低阶自抗扰控制器也具有令人满意的控制效果。

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。

H_∞控制理论在次同步阻尼控制器设计中的应用

电力系统次同步振荡阻尼控制器设计中,系统等值简化的准确度和控制器的鲁棒性对控制器的效果影响很大。通过对输出信号动态时域数据Prony辨识求得2008年南方电网贵广Ⅱ直流系统的等值降阶线性模型,利用基于时域仿真的复数力矩系数分析出该系统在弱连接和孤岛两种运行方式下易发生次同步振荡的模式,并针对监测出的振荡模式,采用H∞最优控制理论设计出抑制次同步振荡的附加直流阻尼控制器,最后电磁暂态时域仿真结果验证了该控制器抑制次同步振荡模式的效果明显,并具有一定的鲁棒性。

网侧次同步阻尼控制器的设计及其RTDS测试

针对风电场接入串补输电系统,研制一种网侧次同步阻尼控制器(grid-side subsynchronous damping controller,GSDC)抑制次同步谐振(subsynchronous resonance,SSR)。GSDC由次同步阻尼计算器(subsynchronous damping calculator, SDC)和次同步电流发生器(subsynchronous current generator,SCG)构成,通过向风电场注入可控的次同步频率电流,实现抑制风电场SSR的目标。阐述了GSDC的工作原理和设计方法。研发了一套等效容量为10MVA、输出电压为35k V的装置,并通过基于实时数字仿真仪(real time digital simulator,RTDS)的硬件在环试验验证效果。结果表明:研发的GSDC能提高系统次同步频率的阻尼并有效抑制SSR,为解决风电场次同步谐振和振荡问题提供一种有效的技术手段。