本發(fā)明涉及高壓直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)火捆綁經(jīng)直流輸電所引發(fā)的次同步振蕩的抑制方法。

背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電具有不污染環(huán)境，儲備資源豐富的優(yōu)點，近年來風(fēng)電裝機容量不斷提高。海上風(fēng)電能源鑒于其高速穩(wěn)定的風(fēng)速、相較于內(nèi)陸風(fēng)機可用較大機組、且單機容量將大于3MW的優(yōu)點，在國內(nèi)外都得到了迅猛發(fā)展。目前對于風(fēng)機的研究大多將風(fēng)機、齒輪箱和轉(zhuǎn)子看作一個集中質(zhì)塊，且用統(tǒng)一的慣性時間常數(shù)。這種統(tǒng)一質(zhì)塊的研究思路結(jié)構(gòu)簡單，無法反映出風(fēng)機在故障情況下實際的動態(tài)特性；且統(tǒng)一的慣性時間常數(shù)無法反應(yīng)出實際系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，故為了得到風(fēng)機較為準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性，在實際分析時需將風(fēng)機軸系模型考慮為兩質(zhì)塊模型或三質(zhì)塊模型。海上風(fēng)電場具有裝機容量大，電量輸出較為穩(wěn)定的特點，通過高壓直流輸電可以解決海上風(fēng)電場的大容量、高電壓、遠距離輸電問題，有效減小了電能損耗。出于風(fēng)電場出力不能長時間維持在同一功率水平考慮，目前國內(nèi)選擇在附近風(fēng)電場建設(shè)火電機組來實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻目的，從而形成了風(fēng)電火電捆綁經(jīng)高壓直流輸電的工況。但由于高壓直流的換流站為電力電子設(shè)備，其晶閘管的觸發(fā)方式多采用等間隔觸發(fā)脈沖方式，換流閥的高頻觸發(fā)特性有可能向附近的發(fā)電機組引入負阻尼，有可能與風(fēng)機軸系、汽輪機軸系發(fā)生機網(wǎng)耦合，造成風(fēng)機和汽輪機的次同步振蕩。發(fā)生風(fēng)機和汽輪機的軸系振蕩后，會造成軸系的疲勞積累，嚴重情況下會造成軸系斷裂，嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于解決在風(fēng)電火電捆綁經(jīng)高壓直流送電時，有可能發(fā)生次同步振蕩，嚴重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行的問題，并進一步解決在抑制風(fēng)電機組和火電機組的次同步振蕩過程中，將風(fēng)電機組與火電機組的阻尼控制器同時附加在直流整流側(cè)主控制器時，控制器之間有可能發(fā)生相互影響甚至形成負反饋，導(dǎo)致次同步振蕩進一步嚴重的問題。且將兩種阻尼控制器同時投入，會造成直流功率調(diào)制幅值較大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種風(fēng)火捆綁經(jīng)直流輸電所引發(fā)的次同步振蕩的抑制方法，用于抑制風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生的次同步振蕩，其技術(shù)方案為：第一步：設(shè)計風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器；其中，當(dāng)風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生的次同步振蕩，將整流側(cè)換流母線的頻率偏差作為風(fēng)電機組次同步振蕩的觀測信號，將火電機組軸系的轉(zhuǎn)速偏差作為火電機組次同步振蕩的觀測信號，根據(jù)風(fēng)電機組次同步振蕩與火電機組次同步振蕩的觀測信號，分別設(shè)計得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器；第二步：在線抑制次同步振蕩；其中，風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生次同步振蕩，首先比較風(fēng)電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差與火電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差的幅值大小，若風(fēng)電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差的幅值大，則先投入風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器，再投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器；反之，則先投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器，再投入風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器。根據(jù)一種具體的實施方式，先投入的次同步振蕩阻尼控制器，將其對應(yīng)機組軸系轉(zhuǎn)速偏差的幅值衰減至其最大幅值的10％時，退出先投入的次同步振蕩阻尼控制器，再投入另一機組的次同步振蕩阻尼控制器。根據(jù)一種具體的實施方式，根據(jù)風(fēng)電機組次同步振蕩與火電機組次同步振蕩的觀測信號，先分別得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)；再分別根據(jù)風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。根據(jù)一種具體的實施方式，通過Prony算法辨識出風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，并通過極點配置法設(shè)計得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過在風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生的次同步振蕩，根據(jù)風(fēng)電機組次同步振蕩與火電機組次同步振蕩的觀測信號，分別設(shè)計得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。其中，將整流側(cè)換流母線頻率偏差作為風(fēng)電機組次同步振蕩的觀測信號，可避免由于風(fēng)電場距離整流站電氣距離較遠而帶來的時延影響。將設(shè)計好的風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器，用于在線抑制次同步振蕩，當(dāng)風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生的次同步振蕩時，通過比較風(fēng)電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差與火電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差的幅值大小，來決定風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器的投入順序，從而不僅避免將風(fēng)電機組與火電機組的阻尼控制器同時附加在直流整流側(cè)主控制器時，控制器之間相互影響甚至形成負反饋，導(dǎo)致次同步振蕩更嚴重的情形發(fā)生，還避免了風(fēng)機次同步振蕩阻尼控制器和火電機組次同步振蕩阻尼控制器同時加入時會造成直流功率調(diào)制幅值偏大，影響系統(tǒng)安穩(wěn)運行的情況。因此，本發(fā)明的分時投入策略，首先抑制嚴重的次同步振蕩，避免了次同步振蕩對系統(tǒng)影響的擴大，進一步抑制另一種次同步振蕩，有效保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。本發(fā)明能夠有效地抑制風(fēng)電火電捆綁經(jīng)高壓直流送電時發(fā)生的次同步振蕩，而且明顯地提高了系統(tǒng)的魯棒性。附圖說明圖1是風(fēng)火捆綁經(jīng)直流輸電的拓撲圖；圖2是本發(fā)明風(fēng)電機組與火電機組次同步振蕩阻尼控制器的控制邏輯示意圖；圖3是同時發(fā)生次同步振蕩時風(fēng)機和火電機組軸系的轉(zhuǎn)速偏差幅值的對比圖；圖4是未投入風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器葉片和輪轂間的轉(zhuǎn)矩偏差圖；圖5是投入風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器葉片和輪轂間的轉(zhuǎn)矩偏差圖；圖6是未投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器高低壓缸間的轉(zhuǎn)矩偏差圖；圖7是投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器高低壓缸間的轉(zhuǎn)矩偏差圖；圖8是同時投入兩種控制器時的的直流功率調(diào)制幅值；圖9是分時投入控制器時的直流功率調(diào)制幅值。具體實施方式下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。風(fēng)電機組軸系的各質(zhì)塊剛性系數(shù)較低，發(fā)生次同步振蕩的頻率范圍多為2～12Hz；相對于風(fēng)機軸系，汽輪機軸系各質(zhì)塊的剛性系數(shù)較高，發(fā)生次同步振蕩的頻率范圍主要集中在13～35Hz。結(jié)合圖1所示的風(fēng)火捆綁經(jīng)直流輸電的拓補圖，其中火電機組包括高壓缸、低壓缸、發(fā)電機、勵磁機四個質(zhì)塊，風(fēng)電機組包括葉片、輪轂、發(fā)電機三個質(zhì)塊。具體的，以火力發(fā)電機端電壓為22kV，額定功率為320MW；風(fēng)力發(fā)電機端電壓0.69kV，額定功率為2.5MW，海上風(fēng)電場包括32臺風(fēng)力發(fā)電機。直流輸電單極運行，額定直流電壓和直流電流分別為400kV和1kA，整流側(cè)和逆變側(cè)的控制方式分別為定直流電流和定直流電壓控制為實施例。在整流側(cè)換流母線出現(xiàn)小擾動后，風(fēng)電機組易發(fā)生次同步振蕩，雖然次同步振蕩可自行衰減，但衰減速度較為緩慢，容易造成風(fēng)電機組軸系疲勞積累，不利于長期穩(wěn)定的運行，而且，火電機組的軸系質(zhì)塊間也易發(fā)生等幅振蕩。為抑制次同步振蕩，需要設(shè)計相應(yīng)的次同步振蕩阻尼控制器。通過在直流輸電整流側(cè)主控制器上加小幅值(5％-10％)階躍，并使風(fēng)電機組和火電機組同時發(fā)生次同步振蕩，本發(fā)明將整流側(cè)換流母線的頻率偏差作為風(fēng)電機組次同步振蕩的觀測信號，將火電機組軸系的轉(zhuǎn)速偏差作為火電機組次同步振蕩的觀測信號，根據(jù)風(fēng)電機組次同步振蕩與火電機組次同步振蕩的觀測信號，分別設(shè)計得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。具體的，本發(fā)明根據(jù)風(fēng)電機組次同步振蕩與火電機組次同步振蕩的觀測信號，先分別得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)；再分別根據(jù)風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。而且在本發(fā)明中，由于海上風(fēng)電場距離整流站距離較遠，直接取風(fēng)機軸系轉(zhuǎn)速偏差作為觀測信號會有時延影響，故取整流側(cè)換流母線頻率偏差作為風(fēng)電機組次同步振蕩的觀測信號，避免時延的影響，進而避免風(fēng)電機組的次同步振蕩阻尼控制器的設(shè)計偏差。實施時，本發(fā)明通過Prony算法辨識出風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)。按照實施例中的參數(shù)設(shè)定，基于Prony算法辨識出風(fēng)電機組與火電機組次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，如表1所示。表1：次同步振蕩模態(tài)參數(shù)結(jié)果表本發(fā)明在辨識出風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)后，通過極點配置法設(shè)計得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器。設(shè)計阻尼控制器的目的是通過增加系統(tǒng)的總阻尼來抑制次同步振蕩，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中，X為狀態(tài)變量；U為輸入變量；A為狀態(tài)變量的系數(shù)矩陣；B為輸入變量的系數(shù)矩陣。系統(tǒng)的特征值為λ＝σ±j2πf(2)特征值的實部σ為衰減因子，即為系統(tǒng)阻尼；虛部f為系統(tǒng)的振蕩頻率。阻尼比確定了振蕩幅值的衰減速度，即阻尼比越大，衰減速度越快，對軸系的保護越好。阻尼控制器應(yīng)針對機組的每個扭振頻率，增大每個模態(tài)的阻尼比。首先辨識出系統(tǒng)的次同步振蕩模態(tài)參數(shù)，然后基于極點配置法設(shè)計阻尼控制器的參數(shù)?；跇O點配置法得到的控制器傳遞函數(shù)G(s)表達式為其中，K1、K2、K3和K4分別為控制器需要設(shè)計的參數(shù)，n表示控制器階數(shù)。結(jié)合圖2所示的本發(fā)明風(fēng)電機組與火電機組次同步振蕩阻尼控制器的控制邏輯示意圖；其中，風(fēng)電機組的次同步振蕩阻尼控制器的輸入信號為整流側(cè)換流母線的頻率偏差，風(fēng)電機組的次同步振蕩阻尼控制器包括帶通濾波器環(huán)節(jié)，基于極點配置法得到控制器傳遞函數(shù)G(s)，增益環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)?；痣姍C組的次同步振蕩阻尼控制器的輸入信號為汽輪機軸系的轉(zhuǎn)速偏差，汽輪機次同步振蕩阻尼控制器包括帶通濾波器環(huán)節(jié)，基于極點配置法得到控制器傳函G(s)，增益環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)。得到風(fēng)電機組與火電機組的次同步振蕩阻尼控制器后，避免將風(fēng)電機組與火電機組的阻尼控制器同時附加在直流整流側(cè)主控制器時，控制器之間可能形成負反饋，導(dǎo)致次同步振蕩更嚴重的情形發(fā)生；且減小了兩種控制器同時加入造成的直流調(diào)制幅值偏大，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。通過設(shè)計一個選擇環(huán)節(jié)，即比較風(fēng)電機組和火電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差幅值的大小，來決定風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器與火電機組的阻尼控制器的投退，最終形成直流觸發(fā)角作用于直流輸電。結(jié)合圖3所示的同時發(fā)生次同步振蕩時風(fēng)機和火電機組軸系的轉(zhuǎn)速偏差幅值的對比圖；可知風(fēng)機軸系轉(zhuǎn)速偏差小于火電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差，故應(yīng)該先投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器，待火電機組軸系轉(zhuǎn)速偏差衰減值其最大幅值的10％時，即相當(dāng)于在大約為6s時，退出火電機組次同步振蕩阻尼控制器，并投入風(fēng)機次同步振蕩阻尼控制器。結(jié)合圖4和圖5分別所示的未投入與投入風(fēng)電機組次同步振蕩阻尼控制器葉片和輪轂間的轉(zhuǎn)矩偏差圖，以及圖6和圖7分別所示的未投入與投入火電機組次同步振蕩阻尼控制器高低壓缸間的轉(zhuǎn)矩偏差圖；可以表明：本發(fā)明在實際應(yīng)用時，能夠有效地迅速地抑制風(fēng)電火電捆綁經(jīng)高壓直流送電時發(fā)生的次同步振蕩。結(jié)合圖8和圖9分別所示的同時投入兩種控制器的直流功率調(diào)制幅值圖與分時投入控制器的直流功率調(diào)制幅值圖；其中，若兩種控制器同時投入，直流功率調(diào)制幅值較大，而本發(fā)明分時投入控制器策略下，直流功率調(diào)制幅值較小，減小了對系統(tǒng)的影響，且具有較好的次同步振蕩抑制效果。因此，本發(fā)明的風(fēng)火捆綁經(jīng)直流輸電所引發(fā)的次同步振蕩的抑制方法，不僅避免將風(fēng)電機組與火電機組的阻尼控制器同時附加在直流整流側(cè)主控制器時，控制器之間相互影響甚至形成負反饋，導(dǎo)致次同步振蕩更嚴重的情形發(fā)生，還避免了風(fēng)機次同步振蕩阻尼控制器和火電機組次同步振蕩阻尼控制器同時加入時會造成直流功率調(diào)制幅值偏大，影響系統(tǒng)安穩(wěn)運行的情況。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了詳細說明，但本發(fā)明并不限制于上述實施方式，在不脫離本申請的權(quán)利要求的精神和范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出各種修改或改型。