CN105870963B - 一种基于频率电压斜率控制的vsc换流站控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法，具体包括以下几个步骤：1)直流侧电压偏差积分得到交流测频率的调整量；2)利用1)中频率调整量对直流侧电压偏差进行修正，构成频率电压斜率控制；3)对1)中的频率调整量加上频率给定值构成新的频率给定值；4)对3)中的新的频率给定值积分得到相角，用于生成调制波形。本发明提出的控制方法，用直流端口电压值表征直流线路上的功率变化，能自动满足交流侧电网的功率需求，使交流测电网共用整个系统的一次调频功能，由于换流站被控制成为了频率源，能支持交流子系统并网运行或离网运行。与现有控制方法相比，本发明提高了交流子电网的交互能力，增强了整个交直流互联电网的稳定性。

Description

一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法

技术领域：

本发明属于逆变并网技术领域，具体涉及一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法。

背景技术：

近年来，风能、太阳能等新能源技术得到了快速发展，但由于其间歇性、随机性等特点，使得电网接纳超大规模可再生能源的传统技术受到越来越多的限制，研究表明多端柔性直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段。

为了使联接多个不同步交流系统的多端直流系统可以稳定运行，其基本的控制要求是控制整个网络的直流电压维持稳定、直流功率保持平衡，以及防止换流阀、架空线和电缆等设备上的电流越限。因此为了满足控制要求，通常将电压控制与功率控制配合使用，前主要有以下三种电压控制方式：电压裕度控制，电压下垂控制和带电压裕度的电压下垂控制。虽然上述三种控制方式可以实现直流电压、功率的协调控制，但缺乏与交流电网的互动，不能向交流电网提供一次调频功能，为此有学者提出了直流电压和功率、交流频率和功率双下垂相结合的控制方式，这种控制方式在稳定直流电压的同时还可以向交流电网提供一次调频功能，但这种控制方式需要检测交流电网频率，当交流侧转孤岛运行时要进行模式切换，且交流侧负载发生突变时会引起较大的功率波动，缺乏动态均流手段。

传统的换流站控制策略注重对传输功率的控制。这样换流站对于交流系统来说就是一个指定功率的电源(逆变侧)，或者负载(整流侧)，这对于交流系统自身的功率平衡及整个大电网的功率平衡是不利的。传统的小电网互联形成更大的电网是为了使各小电网能够共用整个大电网的转动惯量和调频功能，各小电网可以相互支撑互为备用，从而使整个系统的运行更加稳定。如果将换流站控制成了指定功率的电源或者是负载，则大大削弱了系统互联的优势。

发明内容：

本发明的目的是为了克服上述现有控制策略存在的缺陷，提供了一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法，这种控制方法可自动感知交流系统功率需求，根据交流功率需求通过直流电网自动传递所需功率，同时还能维持直流系统电压的稳定(Automatically meet power demand-AMPD。)

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法，包括以下步骤：

1)VSC换流站的直流侧电压参考指令U_{dc_ref}与实际值U_dc的差值为ΔU_dc，具体公式如下：

U_{dc_ref}-U_dc＝ΔωK (1)

2)将步骤1)得到的直流电压误差ΔU_dc积分得到变流器交流侧频率给定值的频率调整量Δω，具体公式如下：

ω＝ω_ref+Δω (2)

3)将2)得到的频率调整量Δω经比例环节K与ΔU_dc作差，构成负反馈；

4)将2)得到的频率调整量Δω再加上频率给定指令ω_ref得到新的交流侧频率给定值ω；

5)将步骤4)中得到的新的交流侧频率给定值积分得到相位角θ，将其作为调制波的相位信号用于生成PWM调制信号，进而驱动换流站开关网络，具体公式如下：

式中，s为积分算子。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

这种控制方法不仅可以自动平衡直流电压、交流频率和传输功率，向交流电网提供一次调频功能，还可以向交流电网提供虚拟转动惯量，避免换流站在交流负载突变时承担过大的动态功率波动。此控制方式将换流站控制成频率源，支持交流系统并网运行和其孤岛运行，在交流系统由并网转向孤岛运行时，无需切换控制方式，实现无缝过渡；此外，当某一个交流系统出现有功功率缺额时，能源管理系统无需向换流站发送调节指令，其他交流系统就可以通过直流电网自动向其提供功率支撑，且各交流系统所承担的功率值由各自的一次调频能力决定。这样使每个交流系统共用整个交直流混联系统中所有发电机的一次调频服务和转动惯量，增强了各交流系统的实时相互支撑的能力，极大地提高了整个系统的稳定性。

附图说明：

图1为传统VSC变流站运行特性(虚线)和控制特性(实线)曲线；

图2为新型直流侧电压与交流侧频率控制特性曲线；

图3为本发明直流电压与交流频率控制器的原理图；

图4为仿真时使用的集总电路模型；

图5为电压频率控制策略实例验证结果—C站交流侧负荷突变后三站的有功功率、直流侧电压、交流侧频率变化波形；其中，5(a)为换流站有功功率变化波形，5(b)为换流站交流侧频率变化波形，5(c)为换流站直流侧电压变化波形。

具体实施方式：

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实际换流站的运行特性曲线如图1中虚线所示，在整流侧看来，传输的功率与直流电压正相关；在逆变侧看来，传输的功率与直流电压下垂。为了使系统在运行点附近稳定运行，往往使控制特性曲线与外特性曲线能够在运行点附近相交，因此下垂控制特性往往设计成如图1中实线所示，在整流侧看来，是有功与电压的下垂，在逆变侧看来，是有功与电压的正相关。

对于交流输电系统，有功功率与系统的频率和节点间的相角差相关。因此，需要将逆变器控制成有功功率与频率的下垂，考虑到直流侧的直流电压与逆变器转换功率的关系，将逆变器控制成直流电压和交流频率的正相关关系。

基于以上分析，本发明提出一种变流器直流电压与交流频率正相关的控制方法，如图2所示。这种控制方式不同于传统的跟踪功率指令的控制方式，这种控制方式的主要特点是协调控制直流电压和交流频率以满足负荷或新能源对换流站传递功率的需求。此外，为了使换流站能够自动灵敏的感知交流系统的功率波动，且能够支持交流电网的孤岛运行，将变流器控制成频率源。在频率控制中引入虚拟转动惯量，可以使变流器在交流系统发生功率阶跃时，实现与传统同步发电机动态功率均分效果。其直流电压－交流频率控制环如图3所示。

如图3所示为本发明为本发明直流电压与交流频率控制器的原理图，图中V_dc为变流器直流电压，U_{dc_ref}为直流电压参考值，ω_ref为变流器交流侧的频率给定，ω为变流器生成的交流侧频率，θ控制器计算生成的相角；J是虚拟惯量的系数，但不等同于传统同步发电机的惯量意义，J参数的合理设计可以平滑交流系统的频率波动，同时可以起到动态过程中的功率均分设计原则应该是满足动态均流的前提下，充分利用大系统中所有发电机的转动惯量；K是交流频率与直流电压的斜率系数。

一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法，包括以下步骤：

1)采集变流器直流侧电压U_dc与参考电压U_{dc_ref}作差，得到电压偏差ΔU_dc；

2)将步骤1)得到的直流电压偏差ΔU_dc除以虚拟转动惯量J后积分得到变流器交流侧的频率调整量Δω；

3)将步骤2)得到的频率调整量Δω乘以下垂系数K反馈至电压偏差信号中斜率系数K的存在，可以使每个交流系统共用整个系统所有发电机的调频功能。

4)将步骤2)得到的交流侧的频率偏差Δω再加上频率给定ω_ref得到新的交流侧频率给定值ω，这样就将换流站控制成了频率源，交流侧频率的微小变化会引起交流系统的一起调频，达到功率平衡。

5)将步骤4)得到的新的频率值ω积分得到变流器交流侧电压的相位角θ，将其作为调制波的相位信号用生成PWM调制信号，进而驱动换流站开关网络。

实施例：

图4为仿真时所用的模型，A，B，C为三个等效的换流站，换流站交流侧分别连接在三个不同步的交流电网上，换流站直流侧直接连接形成一个节点O；如图5所示，t＝20s时电网AC1的交流侧负荷突然增加90MW，A站和B站通过直流电网向C站输送的功率会增加(稳态时A站和B站向C传送功率)，图6和图7中可以看出，C站交流侧电网AC3负荷的增加使三个换流站的频率和换流站端口直流电压都有所下降，交流电网AC1和AC2自动向AC3传输更多的功率，以维持整个交直流混联系统的功率平衡。三侧交流子电网共同承担AC3所增加的功率，承担的能力由三站交流侧电网中发电机的容量和一次调频能力共同决定。

总上所述，实施例验证了本发明所提出的频率电压斜率控制方法的有效性。

Claims (1)

1.一种基于频率电压斜率控制的VSC换流站控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)VSC换流站的直流侧电压参考指令U_{dc_ref}与实际值U_dc的差值为ΔU_dc；

2)将步骤1)得到的直流电压误差ΔU_dc积分得到变流器交流侧频率给定值的频率调整量Δω；

3)将2)得到的频率调整量Δω经比例环节K与ΔU_dc作差，构成负反馈，具体公式如下：

U_{dc_ref}-U_dc＝ΔωK (1)

4)将2)得到的频率调整量Δω再加上频率给定指令ω_ref得到新的交流侧频率给定值ω，具体公式如下：

ω＝ω_ref+Δω (2)

5)将步骤4)中得到的新的交流侧频率给定值积分得到相位角θ，将其作为调制波的相位信号用于生成PWM调制信号，进而驱动换流站开关网络，具体公式如下：

式中，s为积分算子。