一种基于故障恢复信号的VSC-HVDC附加阻尼控制方法

摘要

一种基于故障恢复信号的VSC-HVDC附加阻尼控制方法，其特点是：在交直流混联系统中，直流系统运行在额定功率状态下，交流系统受大扰动引起低频振荡，此时，由于附加阻尼控制器的作用，直流功率将跟随交流功率的振荡产生相应的调制，将导致直流功率出现过负荷现象，为防止过负荷现象的出现，提高安全稳定性，提出了基于故障恢复信号的附加阻尼控制，依据系统的特征根，在直流功率调制前期引入故障恢复信号，使直流功率骤降后，缓慢爬升恢复原始状态，同时增加了附加阻尼控制对直流功率的调制裕度，提升交流系统阻尼，有效抑制交流系统的低频振荡，提高了系统安全稳定运行能力，具有方法科学合理，控制效果好，实用价值高等优点。

主权项

一种基于故障恢复信号的VSC‑HVDC附加阻尼控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)选取交流线路上的有功功率P_ac为控制器的输入信号，根据直流功率与交流有功功率构成闭环传递函数，对直流有功功率输入指定信号，通过对交流线路上的有功功率P_ac的时域响应数据进行prony时域辨识，获取开环传递函数G(s)，设定闭环系统的主导特征根，再根据极点配置法对附加阻尼控制器进行设计和参数整定，即得到附加阻尼控制信号P_mod；2)在交流系统中施加扰动，使系统出现低频振荡现象，通过步骤1)所设计的VSC‑HVDC附加阻尼控制器，直流功率将随交流有功功率产生相应的功率波动，进而得到直流功率的调制波形，对其进行prony时域辨识，得出实际的主导特征根，计算振荡频率和阻尼比；3)在VSC‑HVDC附加阻尼控制器输出端并入故障恢复信号，构成基于故障恢复信号的VSC‑HVDC附加阻尼控制器，产生故障恢复信号P_aux的辅助控制器由故障检测环节、故障恢复信号发生环节、输出信号选择器三部分构成，故障检测环节用于检测系统受到大的扰动时，发出使能信号给另两个环节，使发生环节产生阶跃信号，使输出信号选择器动作，检测信号可选取是直流功率的变化率或所连交流母线电压等大扰动的标志性信号；故障恢复信号发生环节用于直流功率骤降后的功率恢复，产生的故障恢复信号P_aux为阶跃响应，响应呈指数规律衰减，衰减速率取决于惯性环节的时间常数；输出信号选择器是针对系统发生大的扰动时，根据检测环节的使能信号，将辅助控制器投入运行状态，发出故障恢复信号；4)计及系统阻尼作用，采用小干扰法分析简单系统的静态稳定性，得出系统的特征值为λ_1,2＝σ±jω，进而直流有功功率的波动量ΔP_dc随时间变化规律可用公式(1)表示，ΔP_dc＝K′e^σtsin(ωt+θ)   (1)式中，K′为有功功率波动量的比例系数；σ为衰减常数；ω为低频振荡频率；θ为初相位，选取衰减振荡的包络线作为故障恢复信号，但比例系数需做调整，故P_aux＝‑Ke^σt，若σ一定，此时还需要确定故障恢复信号的比例系数K，才能构造出故障恢复信号，基于故障恢复信号的附加阻尼控制在一定程度上提高了功率调制的裕度，但由于直流功率的波动将导致直流线路上的电压发生波动，故不能无限制的调制直流功率，因此，关于比例系数K整定的约束条件是，以衰减振荡第一周期的峰谷差为限制目标，以额定直流功率的2*20％为限制范围，在一个周期内，对式(1)求一阶导数，得到两个极值点t₁、t₂，如式(2)，$t_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{\omega }[\arctan (-\frac{\omega }{\sigma })-\theta ],t_1<t_2---\left(2\right)$计算出ΔP_dc(t₁)和ΔP_dc(t₂)，进而得到峰谷差Δ，如式(3)，Δ＝|ΔP_dc(t₁)‑ΔP_dc(t₂)|≤0.4P_N   (3)式中，P_N为直流功率的额定值，由此求出参数K的最大值K_max，即参数K的选择应满足式(4)，$K=\left\{\begin{array}{cc}{K}^{\prime }& 0\le K^{\prime }\le K_{\max }\\ K_{\max }& K^{\prime }\ge K_{\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$综上得出经过附加阻尼控制调制产生的直流功率时域表达式P_ref，如式(5)，P_ref＝P_set+P_mod+P_aux＝1.0+K′e^σtsin(ωt+θ)+(‑Ke^σt)   (5)；5)对于辅助控制器所发出的故障恢复信号的投入时机，当VSC‑HVDC处在额定运行状态下，系统发生小扰动时，直流的调制功率将不会导致严重过负荷现象出现，由于故障检测环节的作用，不发出使能信号，即仅有附加阻尼控制投入运行，而系统发生大扰动后，由于附加阻尼控制的作用，直流功率发生相应的波动，为防止出现过负荷现象，加入辅助控制器所发出的故障恢复信号，给予附加阻尼控制器以充分的调制裕度，同时给予直流功率恢复时间，减小其功率骤升骤降带来的影响，即附加阻尼控制器与辅助控制器共同投入运行，随着振荡的逐渐减小，故障恢复信号随之衰减，直至系统趋于稳定，辅助控制器退出运行。