CN101692579A - 基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，该方法以发电机组的转速信号的变化量为控制量，将该转速信号变化量经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制变流功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生次同步模态调制电流，该电流经功率传输单元影响发电机组的转速，达到抑制发电机组次同步振荡的目的。控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制。该方法能够有效抑制电网系统的次同步振荡问题，且响应速度快，跟踪精度高，可大大提高电网的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机组抑制次同步振荡的方法，特别是一种采用全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法。
背景技术
随着电力系统的发展，超高压、远距离输电线路和大容量发电机组的投入运行，以及为了提高电力系统稳定性和输电能力而采取的线路串联电容补偿和直流输电等措施，除了伴随而来的巨大经济效益外，也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题，电力系统次同步振荡就是其问题之一。串联电容补偿可能会引起电力系统的次同步谐振，进而造成汽轮发电机组的轴系损坏。次同步振荡会造成由扭转应力使轴系损坏。轴系损坏可以由长时间的低幅值扭振积累所致，也可由短时间的高幅值扭振所致。
目前，针对次同步谐振问题解决方法已有多种，如晶闸管控制串联电容器(TCSC)、NGH阻尼器、附加励磁阻尼控制(SEDC)、静止无功补偿(SVC)和阻塞滤波器(BF)等。但这些解决方法并不成熟，基本上还停留在理论研究阶段，在实际系统的应用并不多。
静止无功补偿(SVC)作为一项成熟技术，在抑制次同步振荡方面有着结构简单，控制方便，成本低廉等优势。是IEEE次同步谐振工作组推荐的缓解次同步振荡的措施之一。但仍然存在一些不足：
1)SVC设备为半控型变流器件，需要加装FC与之配合才具有从容性到感性连续可调。同时，FC需要滤除SVC自身产生的各次谐波分量，且有安装容量大，占地空间大等缺点。
2)一般而言，SVC加装FC后，SVC的补偿范围一般在0～+100％，补偿范围小。
3)SVC是一种无源的解决方法，其输出补偿电流与电网电压成正比。当电网发生次同步振荡时，电网电压变化较大，在电压波谷时SVC抑制次同步振荡的能力大大削弱。
目前，在国内外采用全控型变流器件的静止无功发生器SVG(Static Var Generator)技术抑制次同步振荡还属空白，因此，针对大型发电厂的多台发电机组开发抑制次同步振荡问题的SVG解决方案，具有很强的可实施性和可操作性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，该方法采用SVG结构，采用全控型变流器件，能够有效抑制电网系统的次同步振荡问题，且响应速度快，跟踪精度高，可大大提高电网的稳定性和可靠性。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，该方法以发电机组的转速信号的变化量为控制量，将该转速信号变化量经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制变流功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生次同步模态调制电流，该电流经功率传输单元影响发电机组的转速，达到抑制发电机组次同步振荡的目的。
所述的全控型变流装置为降压型两电平功率单元并联型SVG结构、或降压型三电平功率单元并联型SVG结构。
所述的全控型变流装置为降压型Δ型链式SVG结构、或降压型Y型链式SVG结构。
所述的全控型变流装置为降压型MMC型SVG结构、或降压型多重化SVG结构。
所述的全控型变流装置为非降压型器件串联型两电平SVG结构、或非降压型器件串联型三电平SVG结构。
所述的全控型变流装置为直挂式Δ型链式SVG结构、直挂式Y型链式SVG结构、或直挂式MMC型SVG结构。
所述的控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
所述的滤波模块包括低通、高通滤波器和对各个次同步模态信号分别进行滤波的带通滤波器，用来将转速信号的变化量经过低通、高通滤波器滤掉低频、高频，再经过带通滤波器进行处理，得到次同步模态分量；
所述的移相模块用来接收滤波单元输出的次同步模态信号，将次同步模态信号进行相位矫正；
所述的比例模块用来将移相处理的次同步模态信号进行比例放大处理；
所述的运算模块用来将移相、比例处理后的次同步模态信号进行加权求和处理得到综合控制量；将此控制量通过函数运算变为全控型变流装置的控制信号。
所述的全控型变流装置所采用半导体开关器件可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
该方法所采用的发电机组次同步振荡抑制装置可为一台或多台，进行冗余设计。
该方法所采用的发电机组次同步振荡抑制装置可抑制一台或多台发电机组的次同步振荡。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)响应速度快
基于全控型器件变流装置的显著特点就是响应速度快。其主要原因是，可以根据需要对全控型器件(GTO、IGBT、IGCT、IEGT等)的开关状态进行任意控制。而且，器件的开关频率或等效开关频率往往较高，一般每个工频周期的开关次数可以从几次到几十次。因此，基于全控型器件变流装置的系统响应速度比SVC快几倍。
2)跟踪精度高
基于全控型器件变流装置的可以采用脉宽调制或堆波等方式进行控制，加上其开关频率较高，就可以在每个开关周期对系统输出进行调节。此外，系统还可以采用比较复杂的算法和控制方法，使得系统的跟踪精度大大提高。也就是说，基于全控型器件变流装置可以对系统的低频振荡、次同步振荡等多个频带的电能质量问题同时进行综合治理。
3)无需加装FC
SVC型设备为半控型变流器件，需要加装FC与之配合才具有从容性到感性连续可调。同时，FC需要滤除SVC自身产生的各次谐波分量，且有安装容量大，占地空间大等缺点。
而基于全控型器件变流装置只产生高频谐波，不产生严重影响电能质量的低次谐波，所以无需加装滤波器，设备安装容量小，占地面积小
4)补偿范围宽
一般而言，加装FC后，SVC的补偿范围一般在0～+100％。而基于全控型器件变流装置的补偿范围可达-100％～+100％，给电力系统的稳定运行提供更强大的保障。
5)不受电压影响
SVC是一种无源的解决方法，其输出补偿电流与电网电压成正比。当电网发生次同步振荡时，电网电压变化较大，在电压波谷时SVC抑制次同步振荡的能力大大削弱。
而基于全控型器件变流装置是一种有源的解决方法，其输出补偿电流与电网电压几乎无关。也就是说，当电网电压跌至额定电压的30％时，基于全控型器件变流装置还能够输出额定的电流，使得抑制次同步振荡的能力大大加强。
6)有功调节
这是基于全控型器件变流装置抑制次同步振荡方案的另一巨大优点。当电网处于稳定运行时，变流器可以吸收并储存一定量的有功能量；当次同步振荡发生时，变流器就可以在发出无功抑制次同步振荡的同时，向电网提供一定量的有功能量，快速抑制振荡，提高电网的稳定性和可靠性。
7)填补了利用全控型器件变流技术抑制次同步振荡的技术空白，在抑制次同步振荡方面有着控制方便，结构简单，成本低廉等优点。
8)每台次同步振荡抑制装置可以同时抑制单台或多台发电机组的次同步振荡。
9)两台控制器组成的两台次同步振荡抑制装置可实现对两台发电机组的次同步振荡的抑制，当一台抑制次同步振荡的装置在检修或故障时，仍可以保证发电机组次同步振荡得到有效控制，不影响系统运行。
10)当现场有多台发电机组时，可以通过扩展控制器的信号处理单元完成多机转速信号的采集，其他控制器中的相关部件不变。
附图说明
图1是全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制的结构图；
图2是全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制的控制原理图；
图3是采用间接电流控制方法(电压法)时的SVG控制框图；
图4是采用直接电流控制方法(电流法)时的SVG控制框图；
图5是降压型两电平功率单元并联型SVG结构示意图；
图6是降压型三电平功率单元并联型SVG结构示意图；
图7是降压型Δ型链式SVG结构示意图；
图8是降压型Y型链式SVG结构示意图；
图9是降压型MMC型SVG结构示意图；
图10是降压型多重化SVG结构示意图；
图11是非降压型器件串联型两电平SVG结构示意图；
图12是非降压型器件串联型三电平SVG结构示意图；
图13是直挂式Δ型链式SVG结构示意图；
图14是直挂式Y型链式SVG结构示意图；
图15是直挂式MMC型SVG结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。
基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，该方法以发电机组的转速信号的变化量为控制量，将该转速信号变化量经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制变流功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生次同步模态调制电流，该电流经功率传输单元影响发电机组的转速，达到抑制发电机组次同步振荡的目的。
见图1，基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其装置包括测速柜6、控制器7、静止无功发生器SVG装置4、降压变压器3，测速柜6与发电机1的输出端相连接，测速柜6另一端通过光缆连接控制器7，控制器另一端连接静止无功发生器SVG装置4，SVG装置4另一端经由35kV母线连接降压变压器3，降压变压器3另一端接500kV母线；35kV母线的电压互感器PT 8及电流互感器CT 9接入控制器7的输入端。发电机1经由20kV母线、升压变压器2与500kV母线相连。
根据用户的需要，可在35kV母线上，增设FC电感电容装置，或不加FC装置。
见图2，控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
见图1，发电机1的两路转速信号ωa1、ωb1接入测速柜6，测速柜6的两路输出信号ω_a1、ω_b1用光缆接入控制器7，控制器7的控制信号接入全控型变流器件SVG装置4的信号输入端，SVG装置4经由35kV母线、降压变压器3接入500KV母线。
见图2，基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，控制方法包括以下步骤：
1)发电机转速信号采集、与标准转速信号比较得到变化量；见图1，测速柜将发电机转速电信号ωa1、ωb1转换成高频光信号ω_a1、ω_b1，发电机转速高频光信号ω_a1、ω_b1由光电转换器K1转为电信号ωa1、ωb1，ωa1、ωb1与标准转速信号ω0经比较器K2比较得到差值Δωa1、Δωb1；
2)滤波；差值Δωa1、Δωb1经过低通高通滤波器K3滤掉高频低频，再经过带通滤波器K4中的带通滤波器1至带通滤波器3进行带通滤波，得到次同步模态一，次同步模态二，次同步模态三次同步模态分量信号；
3)相位矫正；上述次同步模态分量信号再分别过各自的移相模块K5矫正相位，
4)比例放大；矫正相位后的信号再经过比例放大模块K6进行增益比例放大；
5)运算处理；经矫正相位、比例放大的所有次同步模态分量经求和单元K7求和得到ΔWa1的综合控制量Bra1、ΔWb1的综合控制量Brb1；将综合控制量ΔBra1与综合控制量ΔBrb1经求平均单元K8，得到两个转速信号的综合控制量；
6)上述综合控制量经函数F(br)K9变为IGBT触发时刻。控制器以PT信号为同步信号控制IGBT触发时刻，使得SVG装置中流过由发电机转速信号得到的次同步分量调制的无功电流，最终影响发电机的转速，达到抑制次同步振荡的目的。
本实施例中，全控型变流器件为IGBT，还可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
SVG装置包括降压型和直挂式两种类型，FC部分属于可选部分。
此外，图中的一支IGBT可以是单支开关器件，也可以是多支IGBT的串联或并联。
图3是采用间接电流控制方法(电压法)时的SVG控制框图。
图4是采用直接电流控制方法(电流法)时的SVG控制框图。
下面结合附图叙述SVG装置的具体结构类型。
图5是降压型两电平功率单元并联型SVG结构示意图；功率单元每相由两只反并联开关器件IGBT1组成，二极管D1整流，整个功率模块形成两电平变流器功能。
降压型两电平功率单元并联型SVG是由采用两电平变流器的功率单元并联，然后通过变压器T1升至高压并联于电网上。降压型两电平功率单元并联型SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图6是降压型三电平功率单元并联型SVG结构示意图；功率单元每相由四只反并联开关器件IGBT2组成，二极管D2钳位，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型三电平功率单元并联型SVG是由采用二极管D2钳位的三电平变流器的功率单元并联，然后通过变压器T2升至高压并联于电网上。降压型三电平功率单元并联型SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图7是降压型Δ型链式SVG结构示意图；单项功率单元A1每相由四只反并联开关器件IGBT3组成，二极管D3整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型Δ型链式SVG是由单项功率单元A1串联到一定电压等级，三相Δ接后通过变压器T3升至高压并联于电网上。降压型Δ型链式SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图8是降压型Y型链式SVG结构示意图；单项功率单元A2每相由四只反并联开关器件IGBT4组成，二极管D4整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型Y型链式SVG是由单项功率单元A2串联到一定电压等级，三相Y接后通过变压器T4升至高压并联于电网上。降压型Y型链式SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图9是降压型MMC型SVG结构示意图；模块化多电平变流器(Modular MultilevelConverter)的简称是MMC型变流器。MMC型变流器与三相桥式变流器类似。每个桥臂由IGBT5组成的多个单相半桥A3串联组成，每个桥臂中点经电抗器L1后接入降压变压器T5二次侧。
图10是降压型多重化SVG结构示意图；降压型多重化SVG由多个变压器T1、T2……Tn组成，其中，所有变流器10可以共用一个或多个直流电容C，也可以单独配置电容，电容的作用是给变流器提供正常工作所需的直流电压。变流器10通常由具有公共直流母线的三个单相H桥构成，每个H桥的输出接至变压器的低压侧。在各个变压器的高压侧，对应的各相串联后并入系统。此外，为消去变流器产生的低次谐波对电网造成的影响，通常采用变压器原副边移相的方法，如Y/Y连接，或Y/Δ连接(如图10)。
图11是非降压型器件串联型两电平SVG结构示意图；非降压型器件串联型两电平SVG是由功率器件IGBT6先串联形成高压功率单元A4，然后这些功率器件串联的高压功率单元A4再构成两电平输出接入电网。非降压型器件串联型两电平SVG主要由功率器件串联单元、控制单元、接入电抗器组成。
图12是非降压型器件串联型三电平SVG结构示意图；非降压型器件串联型三电平SVG是由功率器件IGBT7先串联形成高压功率单元A5，然后这些功率器件串联的高压功率单元A5再构成三电平输出接入电网。非降压型器件串联型三电平SVG主要由功率器件串联单元、控制单元、接入电抗器组成。
图13是直挂式Δ型链式SVG结构示意图；单项功率单元A6每相由四只反并联开关器件IGBT8组成，二极管D9整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
直挂式Δ型链式SVG是由单项功率单元A6直接串联到高电压等级，三相Δ接后直接接入电网。直挂式Δ型链式SVG主要由功率单元、控制单元、接入电抗器组成。
图14是直挂式Y型链式SVG结构示意图；单项功率单元A7每相由四只反并联开关器件IGBT9组成，二极管D10整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
直挂式Y型链式SVG是由单项功率单元A7直接串联到高电压等级，三相Y接后直接接入电网。直挂式Y型链式SVG主要由功率单元、控制单元、接入电抗器组成。
图15是直挂式MMC型SVG结构示意图。MMC型变流器的每个桥臂由多个单相半桥A8串联组成，每个桥臂中点经电抗器L2直接接入电网，不需降压变压器。
Claims (10)
1.基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，该方法以发电机组的转速信号的变化量为控制量，将该转速信号变化量经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制变流功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生次同步模态调制电流，该电流经功率传输单元影响发电机组的转速，达到抑制发电机组次同步振荡的目的。
2.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型两电平功率单元并联型SVG结构、或降压型三电平功率单元并联型SVG结构。
3.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型Δ型链式SVG结构、或降压型Y型链式SVG结构。
4.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型MMC型SVG结构、或降压型多重化SVG结构。
5.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为非降压型器件串联型两电平SVG结构、或非降压型器件串联型三电平SVG结构。
6.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为直挂式Δ型链式SVG结构、直挂式Y型链式SVG结构、或直挂式MMC型SVG结构。
7.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
所述的滤波模块包括低通、高通滤波器和对各个次同步模态信号分别进行滤波的带通滤波器，用来将转速信号的变化量经过低通、高通滤波器滤掉低频、高频，再经过带通滤波器进行处理，得到次同步模态分量；
所述的移相模块用来接收滤波单元输出的次同步模态信号，将次同步模态信号进行相位矫正；
所述的比例模块用来将移相处理的次同步模态信号进行比例放大处理；
所述的运算模块用来将移相、比例处理后的次同步模态信号进行加权求和处理得到综合控制量；将此控制量通过函数运算变为全控型变流装置的控制信号。
8.根据权利要求1-6中的任意一项所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的全控型变流装置所采用半导体开关器件可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
9.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，该方法所采用的发电机组次同步振荡抑制装置可为一台或多台，进行冗余设计。
10.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的发电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，该方法所采用的发电机组次同步振荡抑制装置可抑制一台或多台发电机组的次同步振荡。
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