特高壓直流輸電次同步阻尼控制器設計

徐大鵬　李文博　龔祎

摘要：本文從系統傳函的角度出發，基于射影定理設計特高壓直流輸電附加次同步阻尼控制器，首先通過TLS-ESPRIT算法得到發電機軸系固有扭振頻率下的系統傳函，然后基于射影定理設計附加次同步阻尼控制器，最終實現次同步振蕩的抑制。

關鍵詞：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、調節迅速、運行靈活、傳輸功率大等特點，直流系統的投入運行可能在某些運行方式下引起電力系統的次同步振蕩（SSO）。當系統發生擾動時，可能造成電氣系統和發電機組以低于工頻的頻率進行能量交換，最終造成發電機軸系疲勞積累，進而有可能造成發電機軸系的斷裂并嚴重影響電力系統的安全穩定運行[3-7]。附加次同步阻尼控制器（SSDC）作為一種經濟而有效的手段被廣泛應用于高壓直流輸電系統，其將次同步分量疊加到直流整流側主控制器上，產生次同步頻率的阻尼從而實現抑制SSO的目的[9-11]。

1基本原理

1.1 射影控制

在SSDC的設計過程中，發電機組軸系的固有扭振頻率可通過計算得到，基于射影定理設計的控制器直接保留固有模態下的特征根即可。射影定理將狀態反饋控制器映射為低階靜態或動態的輸出反饋控制器，從而保證了低階控制器的工程實用性。

被控系統的狀態方程可用式（1）表示

其中，x狀態向量，y為輸出向量，u為控制向量，A為狀態矩陣，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，只要求得狀態反饋增益矩陣，即可求得SSDC的狀態矩陣、控制矩陣和輸出矩陣，進而即可得到SSDC的傳函。

1.2變換矩陣求狀態反饋矩陣

SSDC的設計是針對每個軸系固有扭振頻率分別設計相應的控制器實現分層控制，故而每層控制器針對一對或兩對軸系固有特征根進行設計控制器，因此可以用變換矩陣求得狀態反饋增益矩陣。

1.3 控制器設計

首先取得待研究發電機端轉速偏差，經過巴特沃斯濾波器得到相應的固有扭振頻率，然后經過基于射影控制設計SSDC的傳函，最終將每層SSDC的輸出疊加后加入到勵磁器上，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，其拓撲結構圖如圖2所示。

以盛魯電廠2×1000MW發電機組為例，當系統穩定運行至2s，在直流整流側主控制器上施加幅值為10%的階躍，然后以發電機缸體轉速偏差作為輸入信號，通過TLS-ESPRIT算法辨識出軸系固有扭振頻率對應下的系統傳函，采用平衡截斷法進行降階。

根據辨識出針對每個固有扭轉頻率下的系統傳函，利用變換矩陣求得狀態反饋增益矩。進一步基于射影定理針對每個扭振頻率設計控制器傳函。

基于射影定理設計附加次同步阻尼控制器，最終附加阻尼控制器輸出信號加在整流側直流主控制器上，盛魯電廠火電機組加上阻尼控制器前后電機組轉速時域仿真對比如圖3所示。

3 結論

本文通過TLS-ESPRIT算法得到發電機軸系固有扭振頻率下所對應的系統傳函，進而針對每個固有扭振頻率通過射影定理設計HVDC附加次同步阻尼控制器，以達到抑制次同步振蕩的目的。通過上海廟～山東±800kV特高壓直流模型進行仿真驗證，所設計的SSDC可快速有效抑制SSO。

參考文獻

[1]? 穆子龍， 王渝紅， 彭燦， 等. 四川電網由高壓直流輸電引起的次同步振蕩特性研究[J].電力系統保護與控制， 2013， 41（3）： 21-25.

[2]? 王坤， 徐政， 杜寧， 等. 并列機組軸系次同步振蕩特性及采用SSDC抑制多機系統次同步振蕩研究[J]. 高電壓技術， 2016， 42（1）： 321-329.

[3] 江桂芬，孫海順，陳霞，等. 寧夏多直流外送系統SSO 特性分析及次同步阻尼控制器設計 [J]. 電工技術學報，2017，32（1）：30-38.