特高壓直流輸電次同步阻尼控制器設(shè)計(jì)

徐大鵬　李文博　龔祎

摘要：本文從系統(tǒng)傳函的角度出發(fā)，基于射影定理設(shè)計(jì)特高壓直流輸電附加次同步阻尼控制器，首先通過(guò)TLS-ESPRIT算法得到發(fā)電機(jī)軸系固有扭振頻率下的系統(tǒng)傳函，然后基于射影定理設(shè)計(jì)附加次同步阻尼控制器，最終實(shí)現(xiàn)次同步振蕩的抑制。

關(guān)鍵詞：次同步振蕩;射影定理;附加次同步阻尼控制器;特高壓直流輸電

0 引言

高壓直流輸電（HVDC）具有高度可控、調(diào)節(jié)迅速、運(yùn)行靈活、傳輸功率大等特點(diǎn)，直流系統(tǒng)的投入運(yùn)行可能在某些運(yùn)行方式下引起電力系統(tǒng)的次同步振蕩（SSO）。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，可能造成電氣系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組以低于工頻的頻率進(jìn)行能量交換，最終造成發(fā)電機(jī)軸系疲勞積累，進(jìn)而有可能造成發(fā)電機(jī)軸系的斷裂并嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-7]。附加次同步阻尼控制器（SSDC）作為一種經(jīng)濟(jì)而有效的手段被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)，其將次同步分量疊加到直流整流側(cè)主控制器上，產(chǎn)生次同步頻率的阻尼從而實(shí)現(xiàn)抑制SSO的目的[9-11]。

1基本原理

1.1 射影控制

在SSDC的設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組軸系的固有扭振頻率可通過(guò)計(jì)算得到，基于射影定理設(shè)計(jì)的控制器直接保留固有模態(tài)下的特征根即可。射影定理將狀態(tài)反饋控制器映射為低階靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的輸出反饋控制器，從而保證了低階控制器的工程實(shí)用性。

被控系統(tǒng)的狀態(tài)方程可用式（1）表示

其中，x狀態(tài)向量，y為輸出向量，u為控制向量，A為狀態(tài)矩陣，B為控制矩陣，C為輸出矩陣。

基于射影定理可推得

由式（2）知，只要求得狀態(tài)反饋增益矩陣，即可求得SSDC的狀態(tài)矩陣、控制矩陣和輸出矩陣，進(jìn)而即可得到SSDC的傳函。

1.2變換矩陣求狀態(tài)反饋矩陣

SSDC的設(shè)計(jì)是針對(duì)每個(gè)軸系固有扭振頻率分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器實(shí)現(xiàn)分層控制，故而每層控制器針對(duì)一對(duì)或兩對(duì)軸系固有特征根進(jìn)行設(shè)計(jì)控制器，因此可以用變換矩陣求得狀態(tài)反饋增益矩陣。

1.3 控制器設(shè)計(jì)

首先取得待研究發(fā)電機(jī)端轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器得到相應(yīng)的固有扭振頻率，然后經(jīng)過(guò)基于射影控制設(shè)計(jì)SSDC的傳函，最終將每層SSDC的輸出疊加后加入到勵(lì)磁器上，控制框圖如圖1所示。

2仿真算例

2.1上海廟～山東±800kV特高壓直流模型

以PSCAD/EMTDC作為仿真軟件，在PSCAD中搭建上海廟～山東±800kV特高壓直流輸電工程模型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

以盛魯電廠2×1000MW發(fā)電機(jī)組為例，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至2s，在直流整流側(cè)主控制器上施加幅值為10%的階躍，然后以發(fā)電機(jī)缸體轉(zhuǎn)速偏差作為輸入信號(hào)，通過(guò)TLS-ESPRIT算法辨識(shí)出軸系固有扭振頻率對(duì)應(yīng)下的系統(tǒng)傳函，采用平衡截?cái)喾ㄟM(jìn)行降階。

根據(jù)辨識(shí)出針對(duì)每個(gè)固有扭轉(zhuǎn)頻率下的系統(tǒng)傳函，利用變換矩陣求得狀態(tài)反饋增益矩。進(jìn)一步基于射影定理針對(duì)每個(gè)扭振頻率設(shè)計(jì)控制器傳函。

基于射影定理設(shè)計(jì)附加次同步阻尼控制器，最終附加阻尼控制器輸出信號(hào)加在整流側(cè)直流主控制器上，盛魯電廠火電機(jī)組加上阻尼控制器前后電機(jī)組轉(zhuǎn)速時(shí)域仿真對(duì)比如圖3所示。

3 結(jié)論

本文通過(guò)TLS-ESPRIT算法得到發(fā)電機(jī)軸系固有扭振頻率下所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)傳函，進(jìn)而針對(duì)每個(gè)固有扭振頻率通過(guò)射影定理設(shè)計(jì)HVDC附加次同步阻尼控制器，以達(dá)到抑制次同步振蕩的目的。通過(guò)上海廟～山東±800kV特高壓直流模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的SSDC可快速有效抑制SSO。

參考文獻(xiàn)

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