CN104377697B - 模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于解决现有技术存在的缺点，提供一种新型模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，通过使电压源换流站模拟同步发电机的转子运动，提高整个换流站的稳定性。为了达到所述目的，本发明模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，用于电压源换流站中，包括一个频率和有功功率的下垂控制。本发明与现有技术相比，模拟交流同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，即通过在电压源换流站的常用的频率‑有功功率下垂控制方法中有意地加入一个一阶惯性环节，实现对同步发电机的转子运动方程的模拟。

Description

模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法

技术领域

本发明是涉及一种电压源换流站，特别涉及一种耐高压的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法。

背景技术

随着柔性直流输电、柔性交流输电和储能电站等技术的广泛应用，电网中有了越来越多的电压源换流站。换流站是指在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的站点,具有性能稳定，损耗小等优点。现有技术中定有功功率控制和定无功功率控制是电压源换流站的一种传统控制方式。在定有功功率控制和定无功功率控制下，电压源换流站不会对电网频率变化做出响应，不能向交流电网提供频率支撑。

为了使电压源换流站对电网频率变化做出响应，可以采用如图1所示的频率和有功功率的下垂控制，图中s为拉普拉斯算子。频率—有功功率的斜率控制是根据换流站输出的有功功率来调节换流站电压角频率的指令值。换流站输出交流电压角频率的指令值为：

其中ω0是角频率的额定值，P*和P分别是换流站输出有功功率的指令值和实际值。D是有功功率偏差和角频率偏差之间的比例系数。对角频率的指令值进行积分后，就可以得到电压源换流站输出的交流电压的相角的指令值。采用这种频率和有功功率的下垂控制后，电压源换流站根据其输出的有功功率来调节换流站的输出交流电压的频率的指令值。当电压源换流站输出的有功功率大于有功功率的指令值时，则电压源换流站的输出交流电压的频率的指令减小；当电压源换流站输出的有功功率小于有功功率的指令值时，则将电压源换流站的输出交流电压的频率的指令增大。这样，电压源换流站可以模拟交流同步发电机的一次调频的静态特性。但是，当电压源换流站的输出功率剧烈、快速地波动时，电压源换流站的频率指令值也相应地剧烈、快速地波动，这对交流电网的稳定运行不利。

交流同步发电机的频率变化的动态特性由转子运动方程决定，转子的惯性决定了同步发电机的频率变化是逐渐完成的，所以，同步发电机可以增强交流电网的惯性特性，对交流电网的稳定运行有利。如果能找到一种简单、实用的方法，使电压源换流站能够模拟同步发电机的转子运动，对交流电网的稳定运行有积极的意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的缺点，提供一种新型模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，通过使电压源换流站模拟同步发电机的转子运动，提高整个换流站的稳定性。

为了达到所述目的，本发明模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，用于电压源换流站中，包括一个频率和有功功率的下垂控制，还包括以下步骤：

步骤1：在电压源换流站的频率和有功功率的下垂控制中加入了一个具有延迟特性的一阶惯性环节，换流站输出交流电压角频率的指令值为：

其中s是拉普拉斯算子，ω0是角频率的额定值，P*和P是换流站输出有功功率的指令值和实际值，T表示一阶惯性环节的时间常数。对角频率的指令值进行积分后，就可以得到电压源换流站输出的交流电压的相角的指令值；

步骤2：令时间常数T为：

T＝M/D

D的取值与交流电网的一次调频参数一致，T的取值为5到15倍的工频周期；

步骤3：根据步骤1和步骤2所得的公式，联立后得到：

(Ms+D)(ω^*-ω₀)＝P^*-P

对上式进行拉氏反变换后，可以得到时域形式的表达式：

如果将上式中换流站输出有功功率的指令值P*等效为输入同步发电机的机械功率，那么上式与同步发电机的转子运动方程具有相似的形式，电压源换流站实现对同步发电机的动态特性的模拟。

优选的，所述步骤2中T的取值具体为0.1秒到0.3秒。

本发明与现有技术相比，模拟交流同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，即通过在电压源换流站的常用的频率‐有功功率下垂控制方法中有意地加入一个一阶惯性环节，实现对同步发电机的转子运动方程的模拟。采用本发明后的有益效果：(1)电压源换流站可以模拟同步发电机的转子运动方程，并且还可以模拟同步发电机的一次调频，具备了向交流电网(特别是小惯量的交流电网)提供频率支撑的能力。(2)本发明仅是在电压源换流站的常用的频率和有功功率的下垂控制中加入一个一阶惯性环节，实现简单方便，具有实用价值。

附图说明

图1为现有技术中电压源换流站的频率和有功功率的下垂控制方法示意图，

图2为本发明提出的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法示意图；

图3为用于配置本发明的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法的电网系统图；

图4为本发明模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法所涉及的换流站的结构图；

图5为负荷增加时下垂控制方法的仿真波形图；

图6为负荷增加时本发明控制方法的仿真波形图；

图7为交流线路跳闸时下垂控制方法的仿真波形图；

图8为交流线路跳闸时本发明控制方法的仿真波形图。

具体实施方式

如图3所示，为本发明的一个具体实施例。主电网通过一个两端柔性直流输电系统向本地电网输送350MW的有功功率，本地电网包含两台同步发电机。第一发电机和第二发电机的输出功率分别为150MW和100MW，本地有功负荷为600MW。第一发电机和第二发电机都参与本地电网的一次调频，第二发电机还承担本地电网的二次调频。两电压源换流站采用模块化多电平换流器，主电网侧的电压源换流器采用常用的定直流电压控制方法，本地电网侧的电压源换流器采用定交流电压控制方法。定直流电压控制方法和定交流电压控制方法属于现有技术，可以采用与以下文献类似的方法：

以换流站2为例，具体控制方法如下：

定交流电压控制的指令值由本发明提出的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法给定。控制参数D＝20，T＝0.3s，功率指令值350MW。

如图4所示，测量本地电网母线1处输出电网的三相交流输出电压u_a,u_b和u_c，以及三相交流输出电流i_a,i_b和i_c。对以上的三相交流输出电压进行坐标变换，即乘以变换矩阵Tabc/dq，得到三相交流输出电压的d、q轴分量u_d和u_q；

其中，变换矩阵

该变换过程用数学式表示如下：

其中θ由本发明提出的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站控制方法确定，控制框图由图2给出。

对三相交流输出电流进行相同的坐标变换，即乘以变换矩阵T，得到三相交流输出电流的d、q轴分量i_d和i_q；

三相交流输出电压的d、q轴分量u_d和u_q的指令值和选取如下：

其中U*是母线1处的额定交流电压的峰值，即额定交流电压有效值的倍。三相交流输出电流的d、q轴分量i_d和i_q的指令值和可以分别根据以下两式确定：

其中ω^*由本发明提出的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站控制方法确定，控制框图由图2给出。C为图3中滤波电容的电容值。s为拉普拉斯算子，k_p2为比例增益常数，k_i2为积分增益常数，共同构成比例积分调节器，属于现有技术。换流器交流输出端的三相交流输出电压的d、q轴分量v_d和v_q的指令值和可以分别根据以下两式确定：

其中L为图3中电抗器的电感值。s为拉普拉斯算子，k_p1为比例增益常数，k_i1为积分增益常数，共同构成比例积分调节器，比例积分调节器属于现有技术。

对和进行逆变换，即乘以逆变换矩阵后，得到换流器交流输出端的三相交流输出电压的指令值和

其中，逆变换矩阵Tdq/abc的形式为：

该变换过程用数学式表示如下：

其中θ由本发明提出的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站控制方法确定，控制框图由图2给出，图中s为拉普拉斯算子。

如图3所示，在时间为10秒时，本地电网的母线6处，负荷增加50MW，图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)分别是采用下垂控制方法时的换流站2的交流电压的频率指令值、换流站2输入本地电网的有功功率、第一发电机的频率、第二发电机的频率的仿真波形。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)分别是采用本发明控制方法时的换流站2的交流电压的频率指令值、换流站2输入本地电网的有功功率、第一发电机的频率、第二发电机的频率的仿真波形。如图5和图6所示，在负荷增加后，电网频率出现短时间下降，随后逐渐恢复。对比图5和图6，采用本发明控制方法的频率下降过程比采用下垂控制方法的频率下降过程更缓慢，说明本发明控制方法与下垂控制方法相比，可以降低电网的频率变化率，有利于电网的频率稳定。

如图3所示，在时间为10秒时，本地电网的线路4‐6跳闸。图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)分别是采用下垂控制方法时的换流站2的交流电压的频率指令值、换流站2输入本地电网的有功功率、第一发电机的频率、第二发电机的频率的仿真波形。图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别是采用本发明控制方法时的换流站2的交流电压的频率指令值、换流站2输入本地电网的有功功率、第一发电机的频率、第二发电机的频率的仿真波形。如图7和图8所示，在线路4‐6跳闸后，电网频率出现较大的波动，随后逐渐恢复。对比图7(a)和图8(a)，采用下垂控制方法的换流站2的交流电压的频率指令值的最大波动为48.8Hz到51.8Hz，而采用本发明控制方法的换流站2的交流电压的频率指令值的最大波动为49.9Hz到50.6Hz。对比图7(c)和图8(c)，采用下垂控制方法的第一发电机的频率的最大波动为49.8Hz到51.3Hz，而采用本发明控制方法的第一发电机的频率的最大波动为49.9Hz到50.5Hz。对比图7(d)和图8(d)，采用下垂控制方法的第二发电机的频率的最大波动为49.6Hz到51.3Hz，而采用本发明控制方法的第二发电机的频率的最大波动为49.9Hz到50.7Hz。由此可见，本发明控制方法与下垂控制方法相比，可以降低电网频率的波动幅值，有利于电网的频率稳定。

本文仅就本发明的最佳实施例进行详细的描述，但不能理解为对本发明实施的其他方式的限制，凡是在本发明基础上进一步的改进和类似或雷同的方案，均视为是本发明请求保护的范围。

Claims (2)

1.模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，用于电压源换流站中，包括一个频率和有功功率的下垂控制，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1：在电压源换流站的频率和有功功率的下垂控制中加入了一个具有延迟特性的一阶惯性环节，换流站输出交流电压角频率的指令值为：

${\mathrm{\ω}}^{*}={\mathrm{\ω}}_0+\frac{1}{1+T\·s}\left(\frac{P^{*}-P}{D}\right)$

其中s是拉普拉斯算子，ω₀是角频率的额定值，P*和P是换流站输出有功功率的指令值和实际值，T表示一阶惯性环节的时间常数，对角频率的指令值进行积分后，就可以得到电压源换流站输出的交流电压的相角的指令值；

步骤2：令时间常数T为：

T＝M/D

D的取值与交流电网的一次调频参数一致，T的取值为5到15倍的工频周期；

步骤3：根据步骤1和步骤2所得的公式，联立后得到：

(Ms+D)(ω^*-ω₀)＝P^*-P

对上式进行拉氏反变换后，可以得到时域形式的表达式：

$M\frac{{\mathrm{d\ω}}^{*}}{dt}=P^{*}-P-D({\mathrm{\ω}}^{*}-{\mathrm{\ω}}_0)$

电压源换流站实现对同步发电机的动态特性的模拟。

2.如权利要求1所述的模拟同步发电机动态特性的电压源换流站的控制方法，其特征在于：所述步骤2中T的取值具体为0.1秒到0.3秒。