CN104467000B - 柔性直流输电系统中逆变换流站的调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统中逆变换流站的调频控制方法，通过建立扰动下直流电压变化与频率变化之间的映射关系，利用直流侧电容的储能模拟同步电动机转子模拟转动惯量，提出一种柔性直流输电系统中逆变站的频率产生机制与控制策略，并根据负载的扰动特性和对系统故障穿越能力的要求设计系统模型参数和控制参数，从而使得逆变站具有与同步发电机相似的外特性，可利用负荷频率特性调节有功需求，并将故障信息通过频率传递给保护装置，达到提高系统的故障穿越能力的目的。

Description

柔性直流输电系统中逆变换流站的调频控制方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种向无源网络供电的柔性直流输电系统在交流侧电网故障时，一种柔性直流输电系统中逆变站的频率产生机制与控制策略。

背景技术

随着经济的快速发展，能源问题越来越突出，必须开发新能源，大力提高我国自身的产油能力。而柔性直流输电较之常规直流输电具有紧凑化、模块化设计，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点，可对无源网络和孤岛安全、优质和经济供电。但是我们在向无源网络供电的柔性直流输电系统在送端交流电网故障下，由于变流器的过载能力弱，在限流器的作用下，会引起受端交流电网有功功率缺额问题，进而影响受端系统的稳定运行。

对于以上问题，现有几种解决方案：

1、通过在线估计负荷的变化在受端换流站中引入功率-频率的下垂控制，从而利用了负荷的频率特性来提高系统静态稳定性。但该方法所依赖的非线性观测器的动态性能不够理想，影响了系统频率的动态响应特性。

2、借鉴变流器在微网中频率控制方法，模拟了同步发电机的特性，提高了柔性直流输电系统与发电机的协同工作特性和穿越受端交流电网故障的能力，但这种工作机制是在假设直流电压恒定前提下得到的，也就是假设了送端交流电网为理想电源，未考虑送端交流电网故障穿越运行问题。

3、在微网系统中，为模拟原动机的功率-频率下垂特性，实现单个逆变换流站与系统其它发电设备协调控制。进一步模拟同步发电机的转动惯量，系统频率能够动态响应负荷的变化，但不能反映和跟随能量源引起的功率缺额问题(比如在柔性直流输电系统中送端交流侧发生故障而产生的功率不平衡)，因而不适用于VSC型换流站向无源网络供电的系统。

4、分别利用超级电容、风力发电机转子和蓄电池等储能元件对系统频率进行控制，相当于在频率控制中引入了微分控制，但同样不适用于VSC型换流站向无源网络供电的系统(由于受端系统频率需要由换流站自身产生)。

现有情况下，人们对变流器模拟同步发电机的特性进行了大量的研究，但是对于柔性直流输电系统在送端交流电网故障穿越运行问题有待进一步研究。

发明内容

通过建立扰动下直流电压变化与频率变化之间的映射关系，利用直流侧电容的储能模拟同步电动机转子模拟转动惯量，提出一种柔性直流输电系统中逆变站的频率产生机制与控制策略，从而使得逆变站具有与同步发电机相似的外特性，可以利用频率将有功不平衡信息传递给保护装置，与此同时，利用负荷的频率特性调节有功需求。此外，直流电容的储能还可提供短时有功功率支持。

本发明的技术解决方案如下：

1.将柔性直流输电系统作为统一体，分析直流电容放电的行为特征，研究直流电压受有功不平衡影响的变化规律，利用直流电容的储能模拟同步电动机转子的储能，而扰动下直流电压变化模拟转子转速(频率)对扰动的响应，从而建立直流电压与转速(频率)的映射关系。

2.受端换流站采用SPWM控制，其调制信号的初相角为0，调制信号的频率由直流电压的映射关系得到、调制信号的调制度由受端换流站(逆变站)端口电压幅值闭环控制器输出得到。

3.而后建立系统动力学模型，送端换流站(整流站)分别采用功率-直流电压(供电频率)下垂控制和恒直流电压控制实现对受端交流系统一次调频和二次调频，模控制系统有功出力的方法。

有益效果：

1)将柔性直流输电系统作为统一体构建基于直流电压与频率关联映射的受端交流电网供电频率的产生机制，提高系统的故障穿越能力。

2)大幅提高柔性直流输电系统对孤岛供电的安全水平及与传统的电力系统的保护技术(如低频减载技术)的兼容性。

3)提出柔性直流输电系统的控制原理使系统具有与传统发电机组相近的调频、调压外特性，提高系统与传统电力分析方法的兼容性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图

图2是本发明的技术路线流程图

图3是本发明的控制信号流程图

具体实施方式:

本发明的结构图如图1所示，将直流电容器的储能特性和它的电压与频率映射关系结合模拟成同步发电机的转动惯量，再通过特定控制方式对逆变站进行有功频率的控制，实现对同步发电机的模拟，其思路如图2所示。

首先，利用直流侧电容的储能模拟同步电动机转子的储能，而扰动下直流电压变化模拟转子转速(频率)对扰动的响应，从而建立直流电压与转速(频率)的映射关系。

我们由直流电容的特性可知，它的电压和电能关系如下：

如果我们忽略换流器的能量损失，电容的动态响应将反映输入直流系统的能量和输出能量之间的关系，如下式所示：

通过发电机频率特性关系：

(其中K_G是发电机的功率-频率特性系数)我们结合上面的公式，建立频率与直流电压的控制关系：

f_m＝f₀-k_FC(u² _DCref-u² _DC) (4)

式中f₀是正常频率值，k_FC是控制常数，u_DCref是参考直流电容电压值。

其次，受端换流站采用SPWM控制，其调制信号的频率由公式(4)即直流电压的映射关系得到、调制信号的调制度由受端换流站端口电压幅值闭环控制器输出得到。如图3控制流程图所示。逆变器的电压闭环控制先由dq变化建立换流器的稳态数学模型。二相同步旋转坐标系下逆变器的相数学模型

式中：u_cd、u_cq为换流器交流侧基波的d、q轴分量；u_sd、u_sq为电网电压的d、q轴分量；i_sq、i_sd为电网电流的d、q轴分量。采用电压矢量定向控制策略，以无源交流网络侧母线侧电压矢量U_s2相位为参考，有u_sd＝U_s2，u_sq＝0，则式(5)简化为

再结合图3得到调制度信号参数，对逆变器进行控制。图3中u^* _s2为无源交流网络母线处的电压设定值。

同时本发明在利用直流电压获取频率时，利用独立分量分析方法消除电压纹波的影响，并分析直流电容大小、直流电压与频率的映射关系及控制器参数对系统静态、动态和暂态性能的影响。并在此基础上，考虑系统的鲁棒性和低频减载保护判据，根据负载的扰动特性和对系统故障穿越能力的要求设计系统模型参数和控制器参数。

该模拟同步电机的方法创造性的利用直流侧电容的储能特性模拟同步电动机转子储能特性，通过建立电容电压与频率的映射关系形成受端电网频率产生机制，在系统故障下能有效平抑有功不平衡，并将有功不平衡信息通过频率传递给保护装置，提高向无源网络供电的柔性直流输电系统的故障穿越能力。

Claims (1)

1.一种向无源网络供电的柔性直流输电系统中逆变换流站的调频控制方法其特征是：利用直流侧电容的储能模拟同步电动机转子的储能，而扰动下直流电压变化模拟转子转速(频率)对扰动的响应，从而建立直流电压与转速(频率)的映射关系，由直流电容的特性可知，它的电压和电能关系如下：

$W_{DC}=\frac{1}{2}{C}_{DC}{u^2}_{DC}---\left(1\right)$

如果我们忽略换流器的能量损失，电容的动态响应将反映输入直流系统的能量和输出能量之间的关系，如下式所示：

$\frac{d}{dt}{W}_{DC}=\frac{1}{2}{C}_{DC}{u^2}_{DC}=P_{rec}-P_{inv}---\left(2\right)$

通过发电机频率特性关系：

$K_G=-\frac{{\mathrm{\ΔP}}_G}{\mathrm{\Δ}f}---\left(3\right)$

其中K_G是发电机的功率-频率特性系数)我们结合上面的公式，建立频率与直流电压的控制关系：

f_m＝f₀-k_FC(u² _DCref-u² _DC) (4)

式中f₀是正常频率值，k_FC是控制常数，u_DCref是参考直流电容电压值，然后再以此映射关系得到受端换流站正弦脉宽调制(SPWM)控制的调制信号的频率，同时调制信号的调制度由受端换流站端口电压幅值闭环控制器输出得到，逆变器的电压闭环控制先由dq变化建立换流器的稳态数学模型，二相同步旋转坐标系下逆变器的数学模型

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{Ri}}_{sd}+{\mathrm{\ωLi}}_{sq}+u_{sd}\\ u_{cq}={\mathrm{Ri}}_{sq}-{\mathrm{\ωLi}}_{sd}+u_{sq}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中u_cd、u_cq为换流器交流侧基波的d、q轴分量，u_sd、u_sq为电网电压的d、q轴分量，i_sq、i_sd为电网电流的d、q轴分量，采用电压矢量定向控制策略，以无源交流网络侧母线侧电压矢量U_s2相位为参考，有u_sd＝U_s2和u_sq＝0，则式(5)简化为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{cd}={\mathrm{Ri}}_{sd}+{\mathrm{\ωLi}}_{sq}+u_{sd}\\ u_{cq}={\mathrm{Ri}}_{sq}-{\mathrm{\ωLi}}_{sd}\end{array}\right.---\left(6\right)$

进而得到调制度信号参数，对逆变器进行控制，从而可利用负荷频率特性调节有功需求，并将故障信息通过频率传递给受端电网的保护装置，达到提高系统的故障穿越能力的目的。