本發明涉及電網無功功率補償
技術領域：
，具體涉及一種基于SVG(StaticVarGenerator，靜止無功發生器)的動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法。
背景技術：
：我國幅員遼闊，能源和經濟的發展在地域上呈逆向分布，極不平衡，因而進行大容量、遠距離的輸電勢在必行。但是，高壓、遠距離輸電技術存在功率受限的問題。現有技術中，一般采用固定串聯補償輸電技術來解決高壓、遠距離輸電技術存在的功率受限問題，從而實現電網安全運行和經濟輸電，解決我國電力送出受限問題。但是，固定串聯補償輸電技術在提高輸電線路輸送能力的同時，也給一些風力發電場帶來次同步振蕩(SSO,SubsynchronousOscillation)的問題，而次同步振蕩將會嚴重影響風力發電系統的穩定運行。為解決電網的次同步振蕩問題，目前主要采用如下幾種抑制電網次同步振蕩的方法：附加勵磁阻尼控制抑制法、阻塞濾波器抑制法、次同步附加阻尼控制抑制法，以及靜止無功補償器抑制法。但是，上述抑制方法均未采用全控型功率器件，因而對輸電系統中的次同步振蕩的抑制效果非常有限。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中所存在的上述缺陷，提供一種基于SVG并能動態、有效地抑制電網的次同步振蕩的頻率閉環控制方法。解決本發明技術問題所采用的技術方案是：本發明提供一種基于SVG動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法，所述控制方法包括如下步驟：1)采集電網三相電壓；2)對所述電網三相電壓進行跟蹤處理，以得到電網頻率；3)對所述電網頻率進行濾波處理，以得到抑制電網次同步振蕩的頻率實際值；4)將所述抑制電網次同步振蕩的頻率實際值和抑制電網次同步振蕩的頻率參考值做差，形成電網頻率偏差值，并對所述電網頻率偏差值進行比例積分控制，以得到與所述電網頻率偏差值對應的控制量；5)對與所述電網頻率偏差值對應的控制量進行閉環控制，以得到抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而抑制電網的次同步振蕩。優選地，在所述步驟1)中，采用SVG內置的電壓傳感器實現電網三相電壓的采集。優選地，所述步驟2)具體為：21)將所述電網三相電壓變換成有功電壓實際值和無功電壓實際值；22)利用鎖相環對所述無功電壓實際值進行跟蹤處理，以得到所述電網頻率。優選地，所述步驟21)具體為：使三相靜止坐標系下的所述電網三相電壓通過abc/dq坐標變換，得到兩相旋轉坐標系下的所述有功電壓實際值和無功電壓實際值。優選地，在所述步驟3)中，采用模態濾波器對所述電網頻率進行濾波處理，所述模態濾波器包括依次連接的低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器，或者包括依次連接的高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器。優選地，在所述步驟3)中，所述帶通濾波器以其輸入信號的次同步振蕩頻率為中心頻率。優選地，在所述步驟3)中，所述抑制電網次同步振蕩的頻率實際值的頻率范圍為2～50Hz。優選地，所述步驟5)具體為：51)使與所述電網頻率偏差值對應的控制量依次經過直流電壓環和有功電流環處理，以形成第一控制量；以及使與所述電網頻率偏差值對應的控制量依次經過無功功率環和無功電流環處理，以形成第二控制量；52)將所述第一控制量和所述第二控制量變換成抑制電網次同步振蕩的控制量；53)對所述抑制電網次同步振蕩的控制量進行脈沖寬度調制，以生成相應的驅動信號，并對SVG中的可關斷電力電子器件進行控制，以產生抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而抑制電網的次同步振蕩。優選地，所述步驟51)具體為：將與所述電網頻率偏差值對應的控制量作為直流電壓額外給定值，在所述直流電壓額外給定值中加入直流電壓給定值，以得到總直流電壓給定值，對所述總直流電壓給定值和直流電壓實際值做差，形成有功功率偏差值，對所述有功功率偏差值進行比例積分控制，以得到與有功功率偏差值對應的控制量，將所述與有功功率偏差值對應的控制量作為有功電流給定值，將所述有功電流給定值和有功電流實際值做差，形成有功電流偏差值，對所述有功電流偏差值進行比例積分控制，以得到與所述有功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第一控制量；以及將與所述電網頻率偏差值對應的控制量作為無功功率額外給定值，在所述無功功率額外給定值中加入無功功率給定值，以得到總無功功率給定值，對所述總無功功率給定值和無功功率實際值做差，形成無功功率偏差值，對所述無功功率偏差值進行比例積分控制，以得到與無功功率偏差值對應的控制量，將所述與無功功率偏差值對應的控制量作為無功電流給定值，將所述無功電流給定值和無功電流實際值做差，形成無功電流偏差值，對所述 無功電流偏差值進行比例積分控制，以得到與所述無功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第二控制量。優選地，所述步驟52)具體為：使兩相旋轉坐標系下的所述第一控制量和所述第二控制量通過dq/abc坐標變換，得到三相靜止坐標系下的所述抑制電網次同步振蕩的控制量。有益效果：本發明所述動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法在現有SVG雙環(電流內環+直流電壓外環/無功功率外環)解耦PI控制策略中加入電網頻率閉環等效阻尼控制策略，具體地，將抑制電網次同步振蕩的頻率實際值和抑制電網次同步振蕩的頻率參考值做差，形成電網頻率偏差值，將其經過比例積分控制形成與該電網頻率偏差值對應的控制量，將該控制量分別作為現有SVG直流電壓外環和無功功率外環的額外給定值(額定值)，即，對于現有SVG直流電壓外環來說，將該控制量作為其直流電壓額外給定值，對于現有SVG無功功率外環來說，將該控制量作為其無功功率額外給定值，然后經過現有SVG雙環解耦PI控制策略處理后生成相應的控制量，對該控制量進行脈沖寬度調制以生成相應的驅動信號，并對SVG中的可關斷電力電子器件進行控制，以產生抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而構成電流內環+直流電壓中環/無功功率中環+電網頻率外環三環解耦PI控制策略，進而在現有SVG控制策略的基礎上有效地補償(抑制)了電網中的次同步振蕩。可見，本發明在現有SVG雙環解耦PI控制策略的基礎上增加了在線動態抑制電網次同步振蕩的控制算法，且現有SVG采用全控型功率器件，因而可以有效地為風力發電場提供正阻尼，有效地改善風力發電系統的穩定性。此外，本發明具有簡單、易于實現、成本低的優點，相比于現有其它抑制電網次同步振蕩的控制策略，可以使SVG根據實時的抑制電網次同步振蕩的補償電壓快速地輸出更加精確的有功功 率和無功功率，從而能有效解決電網中的次同步振蕩問題。附圖說明圖1為本發明實施例所述基于SVG的動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法的流程圖；圖2為圖1中步驟S200的子流程圖；圖3為本發明實施例所述模態濾波器的一種結構示意圖；圖4為本發明實施例所述模態濾波器的另一種結構示意圖；圖5為圖1中步驟S500的子流程圖；圖6為本發明實施例所述基于SVG的動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法的應用示意圖；圖7a為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG輸出的有功功率的波形圖；圖7b為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG輸出的無功功率的波形圖；圖8為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG的電機轉矩的波形圖。具體實施方式為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。近年來，柔性交流輸電系統(FACTS，FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems)得到了較為廣泛的應用和發展。基于全控型功率器件(IGBT)的SVG以其靈活的控制性能和快速的動態特性，受到了用戶的青睞，從而廣泛地應用于柔性交流輸電系統。SVG(StaticVarGenerator，靜止無功發生器)是一種并聯的、能進行無功補償的全控型交流輸配電裝置，可在容性和感性范圍內進行調節，響應速度快，本發明應用其抑制電網的次同步振蕩具有更好的阻尼效果，從而為風力發電場提供正阻尼，有效地改善了風力發電系統的穩定性。本發明采用的控制策略包括： 對抑制電網次同步振蕩的頻率實際值的濾波篩選，模態濾波器的設計實現，電網頻率閉環等效阻尼控制策略的設計，以及基于SVG抑制電網次同步振蕩的整體控制方案，下面通過具體實施例對本發明進行詳細描述。實施例：如圖1所示，本實施例提供一種基于SVG的在線動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法，其包括如下步驟：S100.采集電網三相電壓ua,ub,uc。優選地，采用SVG內置的電壓傳感器實現電網三相電壓ua,ub,uc的采集。S200.對電網三相電壓ua,ub,uc進行跟蹤處理，以得到電網頻率f。可利用現有的頻率跟蹤技術對電網三相電壓ua,ub,uc進行跟蹤處理以實現對電網頻率的自動跟蹤。優選地，如圖2所示，步驟S200包括如下步驟：S201.將電網三相電壓ua,ub,uc變換成有功電壓實際值ud和無功電壓實際值uq。優選地，步驟S201具體為：使三相靜止坐標系下的電網三相電壓ua,ub,uc通過abc/dq坐標變換，得到兩相旋轉坐標系下的有功電壓實際值ud和無功電壓實際值uq。具體地，對電網三相電壓ua,ub,uc進行三相-兩相(3s/2r)坐標變換，即在三相靜止坐標系abc和兩相旋轉坐標系dq之間進行變換，從而得到有功電壓實際值ud和無功電壓實際值uq。三相-兩相坐標變換所采用的公式如下：uduq=23sinαsin(α-23π)sin(α+23π)cosαcos(α-23π)cos(α+23π)uaubuc]]>上式中的參數α為d軸與a軸夾角。S202.利用鎖相環(PLL，PhaseLockedLoop)對無功電壓實際值uq進行跟蹤處理，以得到電網頻率f。由于鎖相環技術屬于現 有技術，對其結構和原理不再贅述。S300.對電網頻率f進行濾波處理，以得到抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf。其中，抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf的頻率范圍為2～50Hz。在步驟S300中，采用模態濾波器對電網頻率f進行濾波處理，模態濾波器包括依次連接的低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器(如圖3所示)，或者包括依次連接的高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器(如圖4所示)。優選地，帶通濾波器以其輸入信號的次同步振蕩頻率為中心頻率。優選地，在模態濾波器中，低通濾波器的截止頻率高于帶通濾波器的上限截止頻率，高通濾波器的截止頻率低于帶通濾波器的下限截止頻率，使得低通濾波器和高通濾波器先濾除了大部分無用的信號，再經過帶通濾波器的窄帶濾波，有效地篩選出抑制電網次同步振蕩的成分，即篩選出抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf。以次同步振蕩頻率值為24Hz為例，選擇低通濾波器的截止頻率為40Hz，高通濾波器的截止頻率為10Hz，帶通濾波器的中心頻率為24Hz，則低通濾波器的傳遞函數G1、高通濾波器的傳遞函數G2和帶通濾波器的傳遞函數G3分別如下：G1=63165.44s2+251.2s+63165.44]]>G2=s2s2+62.8s+3947.84]]>G3=150.7ss2+150.7s+22710.49]]>S400.將抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf與抑制電網次同步振蕩的頻率參考值Δfref做差，形成電網頻率偏差值，并對電網頻率偏差值進行比例積分控制，以得到與電網頻率偏差值對應的控制量。其中，抑制電網次同步振蕩的頻率參考值Δfref可由本領域技術人員根據電網的實際情況自行設置。S500.對與電網頻率偏差值對應的控制量進行閉環控制，以 得到抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而抑制電網的次同步振蕩。具體地，如圖5所示，步驟S500包括如下步驟：S501.使與電網頻率偏差值對應的控制量依次經過直流電壓環和有功電流環處理，以形成第一控制量；以及使與電網頻率偏差值對應的控制量依次經過無功功率環和無功電流環處理，以形成第二控制量。具體地，步驟S501具體為：將與電網頻率偏差值對應的控制量作為直流電壓額外給定值Δudc_ref，在直流電壓額外給定值Δudc_ref中加入直流電壓給定值udc_ref，以得到總直流電壓給定值，對總直流電壓給定值和直流電壓實際值udc做差，形成有功功率偏差值ΔP，對有功功率偏差值ΔP進行比例積分控制，以得到與有功功率偏差值ΔP對應的控制量，將與有功功率偏差值ΔP對應的控制量作為有功電流給定值Id_ref，將有功電流給定值Id_ref和有功電流實際值id做差，形成有功電流偏差值，對有功電流偏差值進行比例積分控制，以得到與有功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第一控制量；以及將與電網頻率偏差值對應的控制量作為無功功率額外給定值ΔQm_ref，在無功功率額外給定值ΔQm_ref中加入無功功率給定值Qm_ref，以得到總無功功率給定值，對總無功功率給定值和無功功率實際值Qm做差，形成無功功率偏差值ΔQ，對無功功率偏差值ΔQ進行比例積分控制，以得到與無功功率偏差值ΔQ對應的控制量，將與無功功率偏差值ΔQ對應的控制量作為無功電流給定值Iq_ref，將無功電流給定值Iq_ref和無功電流實際值iq做差，形成無功電流偏差值，對無功電流偏差值進行比例積分控制，以得到與無功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第二控制量。其中，有功電流實際值id和無功電流實際值iq可通過如下方式獲得：(采用SVG內置的電流傳感器)采集電網三相電流ia,ib,ic；使三相靜止坐標系下的電網三相電流ia,ib,ic通過abc/dq坐標 變換，得到兩相旋轉坐標系下的有功電流實際值id和無功電流實際值iq。具體地，對電網三相電流ia,ib,ic進行三相-兩相(3s/2r)坐標變換，即在三相靜止坐標系abc和兩相旋轉坐標系dq之間進行變換，從而得到有功電流實際值id和無功電流實際值iq。三相-兩相坐標變換所采用的公式如下：idiq=23sinαsin(α-23π)sin(α+23π)cosαcos(α-23π)cos(α+23π)iaibic]]>上式中的參數α為d軸與a軸夾角。本實施例中，直流電壓環、無功功率環、有功電流環和無功電流環均屬于現有SVG雙環(電流內環+直流電壓外環/無功功率外環)解耦PI控制策略，故上述直流電壓給定值udc_ref、直流電壓實際值udc、無功功率給定值Qm_ref、無功功率實際值Qm、有功電流實際值id、無功電流實際值iq均為現有SVG雙環解耦PI控制策略中的已知參數，這里不再贅述。S502.將第一控制量和第二控制量變換成抑制電網次同步振蕩的控制量。優選地，使兩相旋轉坐標系下的第一控制量和第二控制量通過dq/abc坐標變換，得到三相靜止坐標系下的抑制電網次同步振蕩的控制量。具體地，對第一控制量kd和第二控制量kq進行兩相-三相(2r/3s)坐標變換，即在兩相旋轉坐標系dq和三相靜止坐標系abc之間進行變換，從而得到抑制電網次同步振蕩的控制量ka,kb,kc。兩相-三相坐標變換所采用的公式如下：kakbkc=sinαcosαsin(α-23π)cos(α-23π)sin(α+23π)cos(α+23π)kdkq]]>上式中的參數α為d軸與a軸相位角(夾角)。S503.對抑制電網次同步振蕩的控制量進行脈沖寬度調制，以生成相應的驅動信號，并對SVG中的可關斷電力電子器件(全控型開關管，例如IGBT)進行控制，即控制相應的全控型開關管動作，以產生抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而抑制電網的次同步振蕩。在實際應用中，步驟S100至步驟S500是循環往復的，換言之，每采集到一組電網三相電壓ua,ub,uc，就按照步驟S200至步驟S500所述的方法對其進行處理，以產生對應的抑制電網次同步振蕩的補償電壓，使SVG根據實時的抑制電網次同步振蕩的補償電壓輸出精確的有功功率和無功功率，從而能夠動態、有效地抑制電網的次同步振蕩。而且，本實施例所述控制方法可通過在現有SVG雙環解耦PI控制策略中加入電網頻率閉環等效阻尼控制策略實現，從而在一定程度上節約了成本。本實施例中，所述控制方法可采用數字信號處理器(DSP,DigitalSignalProcessing)實現，其具有在線、實時進行數字運算的優點。當采用SVG內置的電壓傳感器實現電網三相電壓的采集時，由于電壓傳感器輸出的信號無法直接被DSP識別，因此所述控制方法中還需要先將電壓傳感器輸出的信號轉換成DSP可讀的信號后再進行步驟S200。下面結合圖6詳細描述采用DSP實現的基于SVG的動態抑制電網次同步振蕩的頻率閉環控制方法。圖6中，PLL表示鎖相環模塊，PI表示比例積分控制器(即PI控制器)，PWM表示脈沖寬度調制模塊(即PWM模塊)。采用SVG內置的電壓傳感器實時采集電網三相電壓ua,ub,uc；使三相靜止坐標系下的電網三相電壓ua,ub,uc通過abc/dq坐標變換，得到兩相旋轉坐標系下的有功電壓實際值ud和無功電壓實際值uq，將無功電壓實際值uq輸出至PLL，由PLL對無功電壓實際值uq進行跟蹤處理，得到電網頻率f，并輸出至模態濾波器，由模態濾波器對電網頻率f依次進行低通濾波、高通濾波和帶通濾 波處理，以得到抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf，將抑制電網次同步振蕩的頻率實際值Δf和抑制電網次同步振蕩的頻率參考值Δfref做差，形成電網頻率偏差值；將電網頻率偏差值分別輸出至兩個PI控制器，通過這兩個PI控制器(稱為PI1和PI2)分別對電網頻率偏差進行比例積分控制，從而得到兩個分別與電網頻率偏差對應的控制量，其中一個與電網頻率偏差對應的控制量作為直流電壓額外給定值Δudc_ref，在直流電壓額外給定值Δudc_ref中加入直流電壓給定值udc_ref，以得到總直流電壓給定值，對總直流電壓給定值和直流電壓實際值udc做差，形成有功功率偏差值ΔP，并輸出至PI控制器(稱為PI3)，通過該PI控制器對有功功率偏差值ΔP進行比例積分控制，得到與有功功率偏差值ΔP對應的控制量，將與有功功率偏差值ΔP對應的控制量作為有功電流給定值Id_ref，將有功電流給定值Id_ref和有功電流實際值id做差，形成有功電流偏差值，并輸出至PI控制器(稱為PI5)，通過該PI控制器對有功電流偏差值進行比例積分控制，得到與有功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第一控制量；以及，另一個與電網頻率偏差對應的控制量作為無功功率額外給定值ΔQm_ref，在無功功率額外給定值ΔQm_ref中加入無功功率給定值Qm_ref，以得到總無功功率給定值，對總無功功率給定值和無功功率實際值Qm做差，形成無功功率偏差值ΔQ，并輸出至PI控制器(稱為PI4)，通過該PI控制器對無功功率偏差值ΔQ進行比例積分控制，以得到與無功功率偏差值對應的控制量，將與無功功率偏差值對應的控制量作為無功電流給定值Iq_ref，將無功電流給定值Iq_ref和無功電流實際值iq做差，形成無功電流偏差值，并輸出至PI控制器(稱為PI6)，通過該PI控制器對無功電流偏差值進行比例積分控制，以得到與無功電流偏差值對應的控制量，將該控制量作為第二控制量；使兩相旋轉坐標系下的第一控制量和第二控制量通過dq/abc坐標變換，得到三相靜止坐標系下的抑制電網次同步振蕩的控制量，并輸出至PWM模塊；PWM模塊以脈沖寬度調制的方式對抑制電網次同步振蕩的控制量進行調制，以生成相應的驅動 信號，并控制SVG中相應的全控型開關管動作，以產生抑制電網次同步振蕩的補償電壓，從而動態抑制電網的次同步振蕩。需要說明的是，直流電壓給定值udc_ref、直流電壓實際值udc、無功功率給定值Qm_ref、無功功率實際值Qm、有功電流實際值id、無功電流實際值iq均為現有SVG雙環解耦PI控制策略中的已知參數。本發明還對所述控制方法進行了仿真驗證，仿真結果如圖7a、圖7b和圖8所示，圖7a為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG輸出的有功功率的波形圖，圖7b為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG輸出的無功功率的波形圖，圖8為應用本發明所述控制方法和未應用本發明所述控制方法的SVG的電機轉矩的波形圖，而且仿真圖中實線為應用本發明所述控制方法而得到的仿真波形，虛線為現有技術的仿真波形，可以看出，本發明所述控制方法有效地抑制了SVG輸出的有功功率的波動、無功功率的波動和電極的輸出轉矩的波動，從而證明了本發明所述控制方法的準確性、簡易性和可靠性，為工程應用提供了很好的參考價值。可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3