一种高频振荡抑制装置的制作方法

1.本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种高频振荡抑制装置。


背景技术：

2.基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)的柔性直流输电技术(high voltage direct current，hvdc)以其优越的性能在近来年得到快速发展，采用具有自关断能力的绝缘栅双极型晶体管(insulate-gate bipolar transistor，igbt)的换流站具有扩容增压方便、无器件动态和静态均压问题、交流电压谐波特性好以及高频电磁干扰小等优点，可以为弱交流电网提供电压和无功支撑，具有电网跨区异步互联功能。
3.自2010年以来，国内外新建的柔性直流输电工程大多采用模块化多电平换流器(mmc)拓扑，随着模块化多电平换流器型高压直流输电(mmc-hvdc)技术和工程应用日益成熟，基于mmc-hvdc的交直流并联输电系统也越来越多，mmc-hvdc的快速灵活可控、无需无功补偿和故障处理能力对电网的动态响应、控制方式和稳定运行等带来了深刻的影响。
4.在实际的mmc-hvdc系统中，各个桥臂的子模块数目高达数百个，系统的采样、站控、阀控和保护等环节相对分散，多个控保装置间数据通讯导致控制链路延时难以减小。较长的控制链路延时导致其与交流电网之间出现高频振荡现象，量测系统采样延时、控制系统计算延时、换流阀开关器件的死区效应、阀器件触发延时等因素均可能引发高频振荡现象，威胁mmc安全稳定运行。
5.为消除换流器和电网之间的高频振荡交互影响，通常采用低通滤波器或陷波器对换流器控制系统中的电压前馈环节进行滤波，以消除电网对换流器控制系统的谐振激励。然而，由于控制环节的延时无法消除，无法保证在全频域范围内换流器的阻抗特性在安全的范围内，随着电网运行方式的变化，仍存在振荡的风险。为了降低振荡的风险，在柔性直流系统的控制系统前馈环节加入滤波的同时，也会采用降低系统动态响应的方式来降低振荡风险。因而，现有的处理方式不仅降低了柔性直流系统的动态响应能力，也会降低柔性直流系统的故障穿越能力。
6.随着柔直技术的发展和工程的快速推进，迫切需要能实现本质安全的柔性直流系统，充分保证稳定性的同时，对柔性直流系统的动态响应能力和故障穿越能力不存在影响。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种高频振荡抑制装置，能够有效的抑制柔性直流系统mmc换流器与交流电网之间的高频振荡，提高柔性直流系统的稳定性，同时能够实现不影响柔性直流系统的动态响应，故障穿越能力。
8.本发明提供了一种高频振荡抑制装置，包括：柔性直流系统和滤波器，其中，所述柔性直流系统包括模块化多电平换流器和换流变，其中：
9.所述模块化多电平换流器通过所述换流变与交流电网的并网母线相连；
10.所述滤波器的一端与所述交流电网的并网母线相连，所述滤波器的另一端接地。
11.优选地，所述滤波器为单调谐滤波器。
12.优选地，所述单调谐滤波器包括：第一电感、第一电容和第一电阻；其中：
13.所述第一电感的一端与所述交流电网的并网母线相连，所述第一电感的另一端分别与所述第一电容的一端和第一电阻的一端相连；
14.所述第一电容的另一端和所述第一电阻的另一端相连后接地。
15.优选地，所述滤波器为双调谐滤波器。
16.优选地，所述双调谐滤波器包括：第二电容、第三电容、第二电感和第二电阻，其中：
17.所述第二电容的一端与所述交流电网的并网母线相连，所述第二电容的另一端分别与所述第三电容的一端和第二电阻的一端相连；
18.所述第三电容的另一端与所述第二电感的一端相连；
19.所述第二电感的另一端和所述第二电阻的另一端相连后接地。
20.优选地，所述柔性直流系统还包括控制器，所述控制器包括：用于对电网电压dq分量进行滤波的低通滤波器。
21.优选地，所述低通滤波器为二阶低通滤波器。
22.优选地，所述二阶低通滤波器的截止频率大于1000hz。
23.综上所述，本发明公开了一种高频振荡抑制装置，包括：柔性直流系统和滤波器，其中，柔性直流系统包括模块化多电平换流器和换流变，其中：模块化多电平换流器通过换流变与交流电网的并网母线相连；滤波器的一端与交流电网的并网母线相连，滤波器的另一端接地。通过在交流电网的并网母线处配置滤波器，能够使得模块化多电平换流器与滤波器的总体阻抗特性的相频特性在全频域范围内均小于90
°
，从而能够保证无论交流系统运行方式如何变化，交流系统与柔性直流系统均不会发生振荡，提高了柔性直流系统的稳定性，同时能够实现不影响柔性直流系统的动态响应，故障穿越能力。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明公开的一种高频振荡抑制装置实施例1的结构示意图；
26.图2为本发明公开的单调谐滤波器的电路拓扑图；
27.图3为本发明公开的双调谐滤波器的电路拓扑图；
28.图4为本发明公开的一种高频振荡抑制装置实施例2的结构示意图；
29.图5为本发明公开的一种高频振荡抑制装置的控制示意图；
30.图6为本发明公开的不附加任何措施时柔性直流系统的阻抗特性示意图；
31.图7为本发明公开的配置滤波器后柔性直流系统的相频特性示意图；
32.图8为本发明公开的在前馈环节采用非线性滤波器后的柔性直流系统的阻抗特性示意图；
33.图9为本发明公开的在前馈环节添加低通滤波器，在并网点配置单调谐滤波器后
的相频特性示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.如图1所示，为本发明公开的一种高频振荡抑制装置，包括：柔性直流系统和滤波器，其中，柔性直流系统包括模块化多电平换流器和换流变，其中：
36.模块化多电平换流器通过换流变与交流电网的并网母线相连；
37.滤波器的一端与交流电网的并网母线相连，滤波器的另一端接地。
38.上述实施例1公开的高频振荡抑制装置的工作原理是：在现有技术中，在对柔性直流系统不附加任何措施时，柔性直流系统的阻抗特性如图6所示，在柔性直流系统mmc换流器与交流电网之间容易出现高频振荡。根据振荡理论，当柔性直流系统的相角大于90
°
，柔性直流系统与交流电网之间的相角差可能大于180
°
，并存在负阻尼，因此存在振荡的风险。由此可以看出，全频域范围内本质安全是在任何频段范围内，保证柔性直流系统的相角均在[-90
°
，90
°
]范围内，从而从根本上避免柔性直流系统与交流电网之间发生振荡的风险。
[0039]
为解决现有柔性直流系统容易出现高频振荡的问题，本实施例在交流电网的并网母线处配置了滤波器，如图7所示，通过配置滤波器能够使得模块化多电平换流器(mmc换流器)与滤波器的总体阻抗特性的相频特性在全频域范围内均小于90
°
，从而保证了无论交流系统运行方式如何变化，交流系统与柔性直流系统均不会发生振荡，提高了柔性直流系统的稳定性，同时能够实现不影响柔性直流系统的动态响应，故障穿越能力。
[0040]
具体的，在上述实施例1中，滤波器可以为单调谐滤波器。如图2所示，单调谐滤波器包括：第一电感l1、第一电容c1和第一电阻r1；其中：
[0041]
第一电感l1的一端与交流电网的并网母线相连，第一电l1感的另一端分别与第一电容c1的一端和第一电阻r1的一端相连；
[0042]
第一电容c1的另一端和第一电阻r1的另一端相连后接地。
[0043]
具体的，在上述实施例1中，滤波器可以为双调谐滤波器。如图3所示，双调谐滤波器包括：第二电容c2、第三电容c3、第二电感l2和第二电阻r2，其中：
[0044]
第二电容c2的一端与交流电网的并网母线相连，第二电容c2的另一端分别与第三电容c3的一端和第二电阻r2的一端相连；
[0045]
第三电容c3的另一端与第二电感l2的一端相连；
[0046]
第二电感l2的另一端和第二电阻r2的另一端相连后接地。
[0047]
如图4所示，为本发明公开的一种高频振荡抑制装置，包括：柔性直流系统和滤波器，其中，柔性直流系统包括模块化多电平换流器、换流变和控制器，其中：
[0048]
控制器一端连接在换流变与交流电网的并网母线之间，另一端与模块化多电平换流器相连，控制器中包括用于对电网电压dq分量进行滤波的低通滤波器；
[0049]
模块化多电平换流器通过换流变与交流电网的并网母线相连；
[0050]
滤波器的一端与交流电网的并网母线相连，滤波器的另一端接地。
[0051]
上述实施例2公开的高频振荡抑制装置的工作原理是：在现有技术中，在对柔性直流系统不附加任何措施时，柔性直流系统的阻抗特性如图6所示，在柔性直流系统mmc换流器与交流电网之间容易出现高频振荡。另外，在现有技术中，在控制器的前馈环节采用非线性滤波器后的柔性直流系统的阻抗特性如图8所示，相比于在控制器的前馈环节采用低通滤波器，采用非线性滤波器能进一步的降低最大阻抗角。然而采用该方案后，在500-1250hz这个频段范围内，相角依然大于90
°
，仍然存在振荡的风险，同时牺牲了部分动态性能。
[0052]
根据振荡理论，当柔性直流系统的相角大于90
°
，柔性直流系统与交流电网之间的相角差可能大于180
°
，并存在负阻尼，因此存在振荡的风险。由此可以看出，全频域范围内本质安全是在任何频段范围内，保证柔性直流系统的相角均在[-90
°
，90
°
]范围内，从而从根本上避免柔性直流系统与交流电网之间发生振荡的风险。
[0053]
为解决现有柔性直流系统容易出现高频振荡的问题，本实施例在交流电网的并网母线处配置了滤波器，如图7所示，通过配置滤波器能够使得模块化多电平换流器(mmc换流器)与滤波器的总体阻抗特性的相频特性在全频域范围内均小于90
°
，从而保证了无论交流系统运行方式如何变化，交流系统与柔性直流系统均不会发生振荡，提高了柔性直流系统的稳定性，同时能够实现不影响柔性直流系统的动态响应，故障穿越能力。
[0054]
同时，在控制器的前馈环节添加了低通滤波器，通过添加的低通滤波器能够进一步对电网电压dq分量进行滤波，在保证交流系统与柔性直流系统均不会发生振荡的同时，能够进一步减小滤波器的容量。
[0055]
具体的，在控制器的前馈环节添加了低通滤波器的控制过程如图5所示，交流侧三相电压u
sabc
和三相电流i
sabc
经过pt和ct采样后，送入锁相环，经过dq分解，得到交流电网的电压相位θ，三相电流的dq分量i
sd
和i
sq
，三相电压的dq分量u
sd
和u
sq
。
[0056]
其中，外环控制器包括有功控制和无功控制两部分，有功控制包括直流电压控制器和有功功率控制器，无功控制包括交流电压控制器和无功功率控制器，根据运行和调度需求，选择相应的控制器，并下发相应的控制参考值。外环控制器的输出结果作为内环控制器的参考值，即i
dref
和i
qref
。电流内环经过控制器控制后，再经过dq逆变换，得到三相调制波，送入阀基控制系统。阀基控制系统对调制波进行环流抑制控制，nlm调制以及电容电压均衡控制后，得到六个桥臂的触发信号，送入换流器。
[0057]
具体的，低通滤波器可以为二阶低通滤波器，二阶低通滤波器的截止频率可以大于1000hz。
[0058]
如图9所示，给出了在前馈环节添加截止频率1000hz的二阶巴特沃斯低通滤波器，并网点配置8％的单调谐滤波器的相角特性，从图9中可以看出，最大相角75
°
，相比于图7，最大相角降低了9.3度，系统稳定裕量提高了9.3
°
。在稳定裕量要求相同的情况下，进一步的降低了滤波器容量的配置。
[0059]
具体的，在上述实施例2中，滤波器可以为单调谐滤波器。如图2所示，单调谐滤波器包括：第一电感l1、第一电容c1和第一电阻r1；其中：
[0060]
第一电感l1的一端与交流电网的并网母线相连，第一电l1感的另一端分别与第一电容c1的一端和第一电阻r1的一端相连；
[0061]
第一电容c1的另一端和第一电阻r1的另一端相连后接地。
[0062]
具体的，在上述实施例2中，滤波器可以为双调谐滤波器。如图3所示，双调谐滤波
器包括：第二电容c2、第三电容c3、第二电感l2和第二电阻r2，其中：
[0063]
第二电容c2的一端与交流电网的并网母线相连，第二电容c2的另一端分别与第三电容c3的一端和第二电阻r2的一端相连；
[0064]
第三电容c3的另一端与第二电感l2的一端相连；
[0065]
第二电感l2的另一端和第二电阻r2的另一端相连后接地。
[0066]
综上所述，本发明在交流电网的并网母线处配置无源滤波器，能够使得柔性直流系统处于本质安全的环境，同时再通过在控制器中增加对电网电压分量进行滤波的低通滤波器对控制环节进行优化，降低了滤波器的配置容量，在满足振荡抑制需求的同时，降低了主回路的投资。
[0067]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0068]
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0069]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0070]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。