CN108011390A - 一种背靠背柔性直流输电系统及双环附加频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种背靠背柔性直流输电系统及双环附加频率控制方法，该系统包括：背靠背换流器本体，基本控制器，有功附加控制器以及无功附加控制器，基本控制器用于根据定有功功率控制环的指令、定无功功率控制环的指令以及定直流电压控制环的指令和定交流电压的指令，使背靠背换流器本体的直流侧电压保持恒定、传输的有功功率保持恒定以及向电网吸收或发出的无功功率恒定；有功附加控制器用于对频率偏差输入信号进行比例积分控制输出有功功率附加参考指令值；无功附加控制器用于对频率偏差输入信号进行微分控制输出无功功率附加参考指令值；本发明通过改变有功功率指令值和无功功功率指令值实现对受扰动的交流系统的频率支撑。

Description

一种背靠背柔性直流输电系统及双环附加频率控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电系统技术领域，具体地涉及一种背靠背柔性直流输电系统及双环附加频率控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术(VSC-HVDC)相对于传统的高压直流输电技术，具有有功和无功功率可独立控制、无换相失败危险、无无功补偿问题等优势。采用背靠背柔性直流输电技术(BTB-VSC-HVDC)还可以实现两个异步运行的交流电网互联，从而提高电网运行可控性，降低电网安全稳定运行风险。然而，被VSC-HVDC隔离开的两个交流系统，当柔直系统一侧的交流系统发生负荷扰动时，由于柔直系统采用定有功功率控制，其传输的有功功率为调度中心下的指令值，不会因为系统受到负荷扰动而改变，因此柔直系统另一侧的交流系统不能参与负荷扰动后的频率相应过程，两侧的交流系统无法实现相互的频率支撑。

目前，已有一些利用常规的VSC-HVDC为交流系统提供频率支撑控制策略。然而常规的VSC-HVDC系统是通过直流线路连接的，适用于远距离海上风电并网或向弱电网供电，有别于连接异步交流电网的背靠背柔性直流。BTB-VSC-HVDC没有直流线路连接，其整流器与逆变器控制系统公用机柜，控制信号可以实现无延时的交互与共享，控制策略也将更加灵活。

然而针对背靠背柔性直流输电的附加频率控制(supplementary frequencycontrol,SFC)策略研究还比较少。此外，大多数柔性直流系统的附加频率控制策略，都是基于定有功功率控制环或定直流电压控制环制定的。而基于定无功功率控制环的附加控制策略却研究甚少，但合理地设计无功环的附加频率控制策略，能一定程度上改善系统的频率响应暂态特性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种背靠背柔性直流输电系统及双环附加频率控制方法，其目的在于实现BTB-VSC-HVDC两端交流系统之间的相互频率支撑，改善交流系统频率响应特性。

作为本发明的一方面，本发明提供一种背靠背柔性直流输电系统，包括：

背靠背换流器本体，其包括整流侧换流器和直流侧同整流侧换流器的直流侧连接逆变侧换流器，整流侧换流器的交流侧用于与第一交流系统连接，逆变侧换流器的交流侧用于与第二交流系统连接；

基本控制器，其整流输出端与整流侧换流器的控制端连接，其逆变输出端与逆变侧换流器的控制端连接，其包含有定有功功率控制环、定无功功率控制环以及定直流电压控制环，用于根据定有功功率控制环的指令、定无功功率控制环的指令以及定直流电压控制环的指令，输出整流控制信号和逆变控制信号使背靠背换流器本体的直流侧电压保持恒定、传输的有功功率保持恒定以及向电网吸收或发出的无功功率恒定；

无功附加控制器，其无功附加指令输出端与基本控制器的定无功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行微分控制输出无功功率附加参考指令值；

有功附加控制器，其有功附加指令输出端与基本控制器的定有功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行比例积分控制输出有功功率附加参考指令值；

其中，频率偏差输入信号为整流侧的频率偏差和逆变侧的频率偏差的差值，整流侧的频率偏差为整流侧换流器的电网公共连接点母线电压频率与交流系统正常运行时的频率之差，逆变侧的频率偏差为逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率与交流系统正常运行时的频率之差。

优选地，基本控制器包括逆变控制器和整流控制器，逆变控制器包含逆变阀层控制单元和逆变站层控制单元，逆变站层控制单元的输出端与逆变阀层控制单元的输入端连接；逆变站层控制单元包括逆变内环控制结构和逆变外环控制结构，逆变外环控制结构的输出端与逆变内环控制结构的输入端连接，逆变内环控制结构包括逆变d轴控制内环和逆变q轴控制内环，逆变外环控制结构均包括逆变d轴控制外环和逆变q轴控制外环；

整流控制器包含整流阀层控制单元和整流站层控制单元，整流站层控制单元的输出端与整流阀层控制单元的输入端连接；整流站层控制单元包括整流内环控制结构整流外环控制结构，整流外环控制结构的输出端与整流内环控制结构的输入端连接，整流内环控制结构包括整流d轴控制内环和整流q轴控制内环，整流外环控制结构均包括整流d轴控制外环和整流q轴控制外环；

定有功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定有功功率控制的控制环；

定无功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定无功功率控制的控制环；

定直流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定直流电压控制的控制环；

定交流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定交流电压控制的控制环。

作为本发明的另一方面，本发明提供了背靠背柔性直流输电系统的双环附加频率控制方法，包括以下步骤：

(1)根据整流侧换流器的电网公共连接点母线电压频率f_A、逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率f_B以及交流系统正常运行时的频率f_N，获得频率偏差输入信号；

(2)对频率偏差输入信号进行比例积分控制获得有功功率附加参考指令值，对频率偏差输入信号进行微分控制获得无功功率附加参考指令值；

(3)对有功功率附加参考指令值和无功功率附加参考指令值进行限幅处理，获得限幅后的有功功率附加参考指令值和限幅后的无功功率附加参考指令值；

(4)将限幅后的有功功率附加参考指令叠加有功功率参考指令上，得到实际有功功率参考指令，将限幅后的无功功率附加参考指令叠加无功功率参考指令上，得到实际无功功率参考指令与无功功率。

本发明提供的双环附加频率控制方法，当一侧交流系统受到负荷扰动后，频率偏差输入信号将不为零。当系统进行一次调频时，采用比例积分控制得到的有功功率附加参考指令值和采用微分控制得到的无功功率附加参考指令值均不为零，改变背靠背直流系统上传输的有功功率和无功功率，实现改善了未受扰动的交流系统对受扰动的交流系统的频率支撑，改善了受扰动系统频率响应的动态特性。当系统一次调频结束，频率恢复稳定时。采用比例积分控制得到的有功功率附加参考指令值仍不为零，意味着背靠背柔直系统上传输的有功功率改变了，实现了未受扰动的交流系统对受扰动的交流系统的频率支撑，改善了受扰动系统频率响应的稳态特性。进一步地，当系统频率稳定时，采用微分控制得到的无功功率附加参考指令值将变为零，故无功环的附加频率控制仅对系统频率响应的暂态特性有影响，而对稳态特性没有影响。

优选地，根据公式Δf_AB＝Δf_A-Δf_B获得频率偏差输入信号；

其中，Δf_A＝f_A-f_N，Δf_B＝f_B-f_N，f_A为整流侧换流器的电网公共连接点母线电压频率，f_B为逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率，f_N为交流系统正常运行时的频率。

优选地，根据公式获得有功功率附加参考指令值；

其中，ΔP_{ref_SFC}表示附加有功功率指令值，k_pP和k_iP分别表示比例积分控制结构的比例参数与积分参数，s为算子。

优选地，根据公式获得无功功率附加参考指令值；

其中，ΔQ_{ref_SFC}表示附加有功功率指令值，k_pQ和T_wQ分别表示微分型控制结构的增益参数和时间常数，s为算子。

优选地，根据公式对有功功率附加参考指令值进行限幅处理；

其中，ΔP^F _{ref_SFC}为限幅后的附加有功功率指令值，ΔP_{ref_SFCmax}为附加有功功率指令值的最大值，ΔP_{ref_SFCmin}为附加有功功率指令值的最小值。

优选地，根据公式对无功功率附加参考指令值进行限幅处理；

其中，ΔQ^F _{ref_SFC}为限幅后的附加无功功率指令值，ΔQ_{ref_SFCmax}为附加无功功率指令值的最大值，ΔQ_{ref_SFCmin}为附加无功功率指令值的最小值。

优选地，比例积分控制的比例参数和积分参数根据如下步骤获得：

搭建背靠背柔性直流输电系统的仿真模型和搭建交流系统的仿真模型，背靠背柔性直流输电系统的仿真模型包括背靠背换流器本体模型、基本控制器模型和有功附加控制器；

搭建交流系统的仿真模型包括同步发电机模型与交流系统的网架结构；其中，同步发电机数学模型包含转动方程、机电暂态方程、调速器模型、励磁系统模型与电力系统稳定器；

搭建有功功率附加频率控制结构，包含搭建位于整流侧换流器与交流系统的公共连接点的电压频率测量单元、搭建位于逆变侧换流器与交流系统的公共连接点的电压频率测量单元、搭建输出端与定有功功率控制环连接的比例积分型控制结构以及搭建输出端与定无功功率控制环连接的微分型控制结构。

令有功附加控制器模型的积分控制参数为零，在相同的负荷扰动下，获得不同的比例参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的比例参数作为比例积分控制的比例参数；

令有功附加控制器模型的比例控制参数为最优频率响应特性指标对应的比例参数，在相同的负荷扰动下，获得不同的积分参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的积分参数作为比例积分控制的积分参数；

其中，频率响应特性指标包括频率变化速率，频率偏差极值和稳定频率。

优选地，微分控制的增益参数和时间控制参数根据如下步骤获得：

令有功附加控制器模型的比例控制参数和积分参数分别为最优频率响应特性指标对应的比例参数和积分参数；

设置无功附加控制器模型时间控制参数在3～10秒，在相同的负荷扰动下，获得不同的增益参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的增益参数作为微分控制的增益参数；

令无功附加控制器模型的增益参数为最优频率响应特性指标对应的比例参数增益参数，在相同的负荷扰动下，获得不同的时间控制参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的时间控制参数作为微分控制的时间控制参数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的背靠背柔性直流输电系统，根据频率偏差输入信号进行比例积分控制获得有功功率附加参考指令值，如此一来，柔性直流输电系统传输的有功功率不再是定值，可以根据负荷扰动引起的交流系统频率变化，改变柔直系统实时传输的有功功率值，使得未受扰动侧的交流系统参与频率相应过程，为受扰动的交流系统提供频率支撑，改善其频率响应过程的稳态特性与暂态特性。同理，根据频率偏差输入信号进行微分控制获得无功功率附加参考指令值，如此一来，换流器提供/吸收无功功率也不再是定值，可以根据交流系统频率变化的速率，改变换流器实时提供/吸收的无功功率，从而为该侧交流系统提供虚拟惯量支撑，进一步改善该侧交流系统频率响应过程的暂态特性。

2、与常规的VSC-HVDC的附加频率控制不同，本发明提供了一种双环附加频率控制方法，即同时在有功功率控制环和无功功率控制环添加附加频率控制。本发明研究了定无功功率环在频率响应过程中的作用，在常规的比例积分型有功功率控制环附加频率控制结构基础上，添加微分型无功功率附加频率控制，进一步改善受扰动系统频率响应的暂态特性。

3、充分利用背靠背柔性直流系统共用控制机柜，信号无时延共享的特点，利用整流侧与交流侧的频率信号合成附加频率控制器的输入信号，不用考虑通讯时滞，使得控制结构相对简单。

4、双环附加频率控制策略采用比例积分型和微分型控制结构，控制参数少，且参数整定比较简单。

附图说明

图1为本发明提供的背靠背柔性直流输电系统的结构示意图；

图2是含渝鄂背靠背柔性直流的两端交流系统等值简化模型示意图；

图3为本发明提供的双环附加频率控制方法的流程图；

图4是交流系统频率响应特性示意图；

图5是不同P环K_pP时的控制效果对比图，其中，图5(a)是西南电网的频率响应曲线，图5(b)是湖北电网的频率响应曲线，图5(c)是背靠背柔性直流输电系统的直流电压，图5(d)是附加有功功率指令值；

图6是负荷扰动后不同附加频率控制结构下系统频率响应特性对比图，其中，图6(a)是西南电网的频率响应曲线，图6(b)是湖北电网的频率响应曲线，图6(c)是西南电网与湖北电网的频率偏差，图6(d)是背靠背柔性直流输电系统的直流电压，图6(e)是附加有功功率指令值，图6(f)是附加无功功率指令值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种背靠背柔性直流输电系统，其结构示意图如图1所示，背靠背柔性直流输电系统包括背靠背换流器本体、基本控制器、有功附加控制器以及无功附加控制器。

背靠背换流器本体包括整流侧换流器和逆变侧换流器，其中，整流侧换流器的直流侧同逆变侧换流器的直流侧连接，整流侧换流器的交流侧用于同第一交流系统连接，逆变侧换流器的交流侧用于同第二交流系统连接。逆变侧换流器均由桥臂换流阀子模块构成，逆变侧换流器接受逆变侧换流器阀控制单元给出的脉宽调制信号，通过换流阀的开通与关断，实现逆变功能，整流侧换流器均由桥臂换流阀子模块构成，整流侧换流器接受整流侧换流器阀控制单元给出的脉宽调制信号，通过换流阀的开通与关断，实现整流功能。

基本控制器包括逆变控制器和整流控制器，逆变控制器控制的输出端作为基本控制的逆变输出端，整流控制器控制的输出端作为基本控制的整流输出端；

逆变控制器包含逆变阀层控制单元和逆变站层控制单元，站层控制单元的输出端与阀层控制单元的输入端连接；逆变阀层控制单元输出端作为逆变控制器的输出端；逆变阀控制单元作为底层控制，其输出的脉宽调制信号用于逆变侧换流器控制晶闸管的开通与关断。逆变站层控制单元采用级联控制，分为逆变内环控制模块与逆变外环控制模块，均为比例积分型控制结构。

逆变站层控制单元包括逆变内环电流控制结构和逆变外环控制结构，逆变外环控制结构的输出端与逆变内环电流控制的输入端连接，逆变内环电流控制结构的输出端为逆变站层控制单元的输出端，逆变外环控制结构的输入端为逆变站层控制单元的输入端。逆变内环电流控制结构包括逆变d轴电流控制内环和逆变q轴电流控制内环，逆变外环控制结构包括逆变d轴控制外环和逆变q轴控制外环，逆变d轴电流控制内环的输入端与逆变d轴控制外环的输出端连接，逆变q轴电流控制内环的输入端与逆变q轴控制外环的输出端连接。

逆变d轴控制外环的输入端作为逆变外环控制结构的第一输入端，逆变q轴控制外环的输入端作为逆变外环控制结构的第二输入端，逆变d轴电流控制内环的输出端作为逆变内环控制结构的第一输出端，逆变q轴电流控制内环的输入端作为逆变内环控制结构的第二输出端。

整流控制器包含整流阀层控制单元和整流站层控制单元，站层控制单元的输出端与阀层控制单元的输入端连接；整流阀层控制单元输出端作为整流控制器的输出端；同逆变阀控制单元结构相同，整流阀控制单元作为底层控制，其输出的脉宽调制信号用于整流侧换流器控制晶闸管的开通与关断。整流站层控制单元采用级联控制，分为整流内环控制模块与整流外环控制模块，均为比例积分型控制结构。

整流站层控制单元包括整流内环电流控制结构和整流外环控制结构，整流外环控制结构的输出端与整流内环电流控制的输入端连接，整流内环电流控制结构的输出端为整流站层控制单元的输出端，整流外环控制结构的输入端为整流站层控制单元的输入端。整流内环电流控制结构包括整流d轴电流控制内环和整流q轴电流控制内环，整流外环控制结构包括整流d轴控制外环和整流q轴控制外环，整流d轴电流控制内环的输入端与整流d轴控制外环的输出端连接，整流q轴电流控制内环的输入端与整流q轴控制外环的输出端连接。

整流d轴控制外环的输入端作为整流外环控制结构的第一输入端，整流q轴控制外环的输入端作为整流外环控制结构的第二输入端，整流d轴电流控制内环的输出端作为整流内环控制结构的第一输出端，整流q轴电流控制内环的输入端作为整流内环控制结构的第二输出端。

站层控制的外环控制用于实现换流站级的功能，包括定直流电压、定交流电压、定有功功率和定无功功率。

定有功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定有功功率控制的控制环。

定无功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定无功功率控制的控制环。

定直流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定直流电压控制的控制环。

定交流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定交流电压控制的控制环。

在本发明提供的实施例中，逆变d轴控制外环采用定有功功率控制、逆变q轴控制外环采用定无功功率控制，外环控制输出信号为内环控制的电流参考信号。逆变内环电流控制结构采用定电流控制，其输出信号作为阀层控制的输入信号，用于产生脉宽调制信号。

整流d轴控制环采用定直流电压控制、整流q轴控制外环采用定交流电压控制，外环控制输出信号为内环控制的电流参考信号。整流内环电流控制结构采用定电流控制，其输出信号作为阀层控制的输入信号，用于产生脉宽调制信号。

即逆变d轴控制外环作为定有功功率控制环，逆变q轴控制外环作为定无功功率控制环，整流d轴控制环为直流电压控制环，整流q轴控制外环为定交流电压控制。

有功附加控制器，其有功附加指令输出端与基本控制器的定有功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行比例积分控制，输出有功功率附加参考指令值；无功附加控制器，其无功附加指令输出端与基本控制器的定无功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行微分控制，输出无功功率附加参考指令值；

附加控制器添加在定有功功率控制环和定无功功率控制环上，该控制器利用交流系统的频率偏差信号，产生有功功率与无功功率的附加参考指令值，并分别叠加到系统层控制给出的有功功率与无功功率参考指令值上，形成定有功功率控制与定无功功率控制的实时参考指令值。

本发明提供的背靠背柔性直流输电系统，当以系统A的频率偏差Δf_A作为附加频率控制器的输入信号，当整流侧交流系统A的负荷增加，频率低于正常频率时，通过附加频率控制减少直流系统上传输的有功功率，即减小系统A的有功负荷，实现对系统A的频率支撑，进而实现对系统A在负荷扰动下的频率响应特性的改善。

同理，当以系统B的频率偏差Δf_B作为附加频率控制器的输入信号，当逆变侧交流系统B的负荷增加，频率低于正常频率时，通过附加频率控制增加直流系统上传输的有功功率，即增加系统B的有功出力，实现对系统B的频率支撑，从而实现对系统B在负荷扰动下的频率响应特性的改善。

进一步地，为了实现背靠背柔性直流输电系统两侧的交流系统之间的相互频率支撑，附加频率控制的输入信号需要同时包含系统A的频率偏差和系统B的频率偏差。因此，附加频率控制的输入信号选为Δf_AB＝Δf_A-Δf_B。

在换流器的定有功功率控制环上添加比例积分型附加频率控制，改善交流系统受到扰动后的频率响应过程的暂态特性与稳态特性，在换流器的定无功功率控制环上添加微分型附加频率控制，通过对△f的微分信号进行控制，改善交流系统频率响应过程的暂态特性。

本发明通过在换流器的定有功功率环控制环添加比例积分型附加频率控制，实现对受扰动的交流系统的频率支撑，改善该交流系统频率响应的稳态特性与暂态特性，通过在换流器的定无功功率环添加微分型附加频率控制，实现对受扰动交流系统的惯量支撑，进一步改善该交流系统频率响应的暂态特性。

本发明提供的基于背靠背柔性直流输电系统的双环附加频率控制方法，基于含渝鄂背靠背柔性直流输电的西南电网与湖北电网等值简化系统，对该等值简化系统的频率响应特性改善，并通过MATLAB/Simulink仿真对比结果，验证双环附加频率控制策略改善系统频率响应特性的有效性。

含渝鄂背靠背柔性直流输电系统的西南电网和湖北电网等值简化系统如图2所示，该模型中，BTB-VSC-HVDC右侧的系统是湖北电网的等值模型，利用5台发电机和4个负荷等值系统不同区域电网得来。湖北电网与邻省河南、江西和湖南电网的省间断面潮流等效为负荷，4回至华东电网和1回至广东的三峡直流输电工程也等值为负荷。左侧的系统是西南电网(四川与重庆电网)的等值模型，包含4台发电机和3个负荷。各发电机与负荷数据参见表I，等效模型线路参数参见表II。在表I和表II中，基准容量S_B＝1000MVA，基准电压V_B＝100kV。

表I等值系统发电机及负荷数据(标幺值)

表II等值系统线路数据(标幺值)

本发明提供的一种背靠背柔性直流输电系统的双环附加频率控制方法，流程如图3所示，包括以下步骤：

(1)获取整流侧换流器接入的西南电网公共连接点9号母线电压频率f_A，逆变侧换流器接入的湖北电网公共连接点13号母线电压频率f_B，以及交流系统正常运行时的频率f_N＝50Hz；

(2)计算整流侧的频率偏差Δf_A＝f_A-f_N和逆变侧的频率偏差Δf_B＝f_B-f_N，同时，得到附加频率控制器的输入信号Δf_AB＝Δf_A-Δf_B；

(3)在定有功功率环上添加比例积分型附加频率控制，在定无功功率环上添加微分型附加频率控制，双环附加频率控制结构如图1所示；

(31)有功环附加频率控制控制结构采用比例积分型控制，即k_pP和k_iP表示比例积分环节的参数；

(32)考虑到背靠背柔性直流输电系统的有功传输能力，有必要对有功环附加频率控制产生的附加有功功率参考指令限幅，结合柔直系统有功传输能力与系统调度中心下达的额定有功功率指令，确定附加有功功率参考指令的限幅范围为[ΔP_{ref_SFCmin}，ΔP_{ref_SFCmax}]；在发明提供的实施例中，考虑渝鄂背靠背柔性直流输电系统的有功功率传输能力，有功环附加频率控制产生的附加有功功率参考指令需要被限幅在[-1000,1000]兆瓦范围之内；

(33)无功环附加频率控制控制结构采用微分型控制，即k_pQ和T_wQ分别表示微分型控制结构的增益参数和时间常数；

(34)考虑到背靠背柔性直流输电系统的换流器产生/吸收无功功率的能力，有必要对无功环附加频率控制产生的附加无功功率参考指令限幅，结合柔直系统无功传输能力与系统调度中心下达的额定无功功率指令，确定附加无功功率参考指令的限幅范围为[ΔQ_{ref_SFCmin}，ΔQ_{ref_SFCmax}]，在本发明提供的实施例中，无功环附加频率控制产生的附加无功功率参考指令被限幅在[-1000,1000]兆瓦范围之内；

(4)搭建背靠背柔性直流输电系统的仿真模型，搭建交流系统的仿真模型以及搭建双环的附加频率控制结构，通过仿真计算整定有功环附加频率控制与无功环附加频率控制的控制参数；

(41)搭建背靠背柔性直流输电系统的仿真模型，搭建交流系统的仿真模型以及搭建双环的附加频率控制结构，包括以下步骤：

(411)搭建背靠背柔性直流输电系统的仿真模型，包含VSC换流器模型，VSC的基本控制结构。其中，VSC换流器模型可以采用详细模型、电磁暂态模型或平均值模型。VSC的基本控制结构由外环控制、内环电流控制与底层换流阀阀控制组成；外环控制用于实现换流站级的功能，包括定直流电压、定交流电压、定有功功率和定无功功率。不同组合的外环控制，使得背靠背柔性直流输电系统控制方式灵活多变。

通常，为了保持背靠背柔性直流输电系统传输的有功功率实时平衡，要求采用定有功功率控制的换流器对侧的换流器，必须采用定直流电压控制，从而维持直流电压稳定，实现对传输有功功率水平的跟踪。

(412)搭建交流系统的仿真模型，包括同步发电机模型与交流系统的网架结构。其中，同步发电机数学模型包含转动方程、机电暂态方程、调速器模型、励磁系统模型与电力系统稳定器(PSS)；

(413)搭建双环的附加频率控制结构，包含整流侧换流器与交流系统的公共连接点、逆变侧环流器与交流系统的公共连接点的电压频率测量单元，基于定有功功率控制环的比例积分型附加频率控制结构和基于定无功功率控制环的微分型控制结构。

步骤(411)中VSC的外环控制分d轴、q轴结构，存在以下几种控制方式：①定有功功率、定无功功率；②定有功功率、定交流电压；③定直流电压、定无功功率；④定直流电压、定交流电压。根据不同的需求，BTB-VSC-HVDC可以采用①+③、①+④、②+③、②+④四种控制方式的组合形式。每种组合形式下，具体到整流侧与逆变侧的换流器分别采用何种控制方式可根据实际需求确定。

在本发明提供的实施例中，搭建含有渝鄂背靠背柔性直流输电系统的西南电网与湖北电网的等值系统的仿真模型根据如下步骤进行：

(411)搭建渝鄂背靠背柔性直流输电系统模型，渝鄂背靠背柔性直流输电系统结构如图2所示。整流侧VSC外环控制采用定直流电压控制和定交流电压控制，逆变侧VSC外环控制采用定有功功率控制和定无功功率控制。

(412)搭建西南电网与湖北电网等值系统模型，其中西南电网等值模型包含4台等值发电机与4个等值负荷，湖北电网等值模型包含5台等发电机和4个等值负荷，等值发电机与等值负荷的参数、及线路参数参见表I、II。仿真模型中发电机采用6阶暂态模型，所有等值发电机均装有调速器、励磁系统和电力系统稳定器。

(413)搭建双环附加频率控制器，包含整流侧换流器与西南等值电网的公共连接点、逆变侧换流器与湖北等值电网的公共连接点的电压频率测量单元，基于定有功功率控制环的比例积分型附加频率控制结构和基于定无功功率控制环的微分型控制结构。

(42)定义系统频率响应特性的评价指标，频率变化速率、频率偏差极值和稳定频率，用于评价交流系统频率响应特性。其中，频率变化速率与频率偏差极值用于评价系统频率响应过程的暂态特性，稳定频率用于评价频率响应过程的稳态特性。系统频率响应示意图及各指标定义如图4所示。

(421)频率变化速率(rate of change of frequency,RoCoF)：指系统在发生事故后，系统一次调频动作开始之前，系统进行惯量响应时，频率变化的速率。该指标体现系统频率响应的暂态特性。在扰动发生后，频率响应特性中A点和B点之间，以100毫秒为时间窗计算得到，RoCoF越大，惯量响应特性越差。

(422)频率偏差极值点(frequency nadir,FN)：指在一次调频开始动作，使得系统频率开始向正常频率恢复之前，偏离正常频率最大的系统频率点，该指标体现系统频率响应的暂态特性。如图4中B点所示。FN与正常频率的偏差越大，频率响应的暂态特性越差。电力系统稳定运行导则对电网低频切负荷和高频切机的频率阈值有相关规定，当FN低于系统低频切负荷频率阈值或高于系统高频切机频率阈值时，说明系统的一次调频备用容量不足。

(423)稳定频率(settling frequency,SF)，指一次调频结束时的系统频率。如图4中C点所示。由于一次调频是有差调频，所以SF与正常频率之间存在偏差，该偏差越大，频率响应的稳态特性越差。

(43)通过仿真计算整定有功环附加频率控制与无功环附加频率控制的控制参数；

(431)整定有功环附加频率控制器的比例控制参数k_pP：

在BTB-VSC-HVDC的基本控制结构基础上，投入有功环比例积分型附加频率控制结构，令积分控制参数k_iP＝0，此时有功环附加频率控制是比例式控制结构，为了考查比例控制参数对交流系统频率响应特性的影响，在相同的负荷扰动下，分别设置不同的比例参数k_pP，对比仿真结果中，受扰动交流系统的频率响应特性指标，得出有功环附加频率控制比例控制参数k_pP对频率响应特性的影响效果，选取使得性能指标最优的k_pP作为有功环附加频率控制的比例控制参数。

不同比例参数k_pP下，受扰动系统的频率响应特性如图5所示，响应的指标如表1所示。从图5和表1可以看出，随着k_pP增大，FN指标变小，SF与RoCoF变化不明显。说明k_pP增大，有利于改善背靠背柔性直流系统两端电网频率响应的暂态特性，对稳态特性影响不大。且随着k_pP进一步减小，FN的变化量也将不再明显，没有必要再继续增大比例参数，因此，选定有功环的比例参数为k_pP＝100。

表1不同k_pP下的P环附加频率控制效果指标

指标	无SFC	kpP＝25	kpP＝50	kpP＝100
					RoCoF(Hz/s)	0.0193	0.0206	0.0202	0.0196
FN(Hz)	50.1042	50.0837	50.0823	50.0797
					SF(Hz)	50.0743	50.0426	50.0422	50.0418

(432)整定有功环附加频率控制器的积分控制参数k_iP：

在(431)的基础上，参考积分控制参数k_iP对频率响应特性的影响效果，设置合适的k_pP，再分别设置不同的积分参数k_iP，在相同的负荷扰动下，对比受扰动系统相应的频率响应特性指标，得出有功环附加频率控制积分控制参数k_iP对频率响应特性的影响效果；在相同的负荷扰动下，受扰动交流系统的频率响应特性指标如表2所示。由表2可以看出，随着k_iP增加，FN和SF均明显降低，而对比k_iP＝100和k_iP＝150时的SF，发现k_iP的进一步增大，已经不能使SF明显减小，原因可能是受到了附加频率控制限幅的作用。因此，在受扰动系统的频率响应特性得到明显改善的前提下，不再继续增大k_iP，所以，积分控制参数为k_iP＝100。

表2不同k_iP下的P环附加频率控制效果指标

指标	无SFC	kiP＝50	kiP＝100	kiP＝150
					RoCoF(Hz/s)	0.0193	0.0192	0.0196	0.0211
FN(Hz)	50.1042	50.0860	50.0797	50.0749
					SF(Hz)	50.0743	50.0448	50.0418	50.0411

(433)整定无功环附加频率控制器的增益参数k_pQ：

在BTB-VSC-HVDC的基本控制结构及有功环附加频率控制结构的基础上，投入微分型无功附加频率控制结构，并分别参考(43)和(44)中k_pP和k_iP对频率响应特性的影响效果，设置合适的k_pP和k_iP，使得交流系统频率响应特性得到明显改善的同时，控制参数不至于太大。此时k_pP＝100和k_iP＝100。

对于无功附加频率控制，可以先设置一个合理的微分环节时间控制参数T_wQ，暂且令时间控制参数T_wQ＝5，再设置不同的增益参数k_pQ，在相同的负荷扰动下，对比受扰动交流系统的频率响应特性指标，得出无功环附加频率控制增益参数k_pQ对频率响应特性的影响效果；在相同的负荷扰动下，受扰动交流系统的频率响应特性指标如表3所示。由表3可以看出，随着k_pQ增大，RoCoF下降，FN明显减小，SF略微增加。即，随着k_pQ增加，受扰动系统频率响应的暂态特性有所改善，但是稳态特性影响不明显。选择无功环的增益参数为k_pQ＝500。

表3不同k_pQ的Q环附加频率控制效果指标

指标	无SFC	kpQ＝250	kpQ＝500	kpQ＝750
					RoCoF(Hz/s)	0.0193	0.0185	0.0181	0.0173
FN(Hz)	50.1042	50.1016	50.0992	50.0969
					SF(Hz)	50.0743	50.0746	50.0749	50.0751

(434)整定无功环附加频率控制器的时间控制参数T_wQ：

在(433)基础上，设置合适的增益参数k_pQ，确定k_pP＝100、k_iP＝100、k_pQ＝500，再设置不同的时间控制参数T_wQ，在相同的负荷扰动下，对比受扰动系统的频率响应特性指标，得出无功环附加频率控制时间控制参数T_wQ对频率响应特性的影响效果；在相同的负荷扰动下，受扰动交流系统的频率响应特性指标如表4所示。由表4可以看出，随着T_wQ增大，RoCoF和SF没有明显变化，FN明显减小。即，随着T_wQ增加，受扰动系统频率响应的暂态特性同样有所改善，但是稳态特性影响不明显。因此，选择无功环附加频率控制的时间控制参数为T_wQ＝10。

表4不同T_wQ的Q环附加频率控制效果指标

指标	无SFC	TwQ＝2	TwQ＝5	TwQ＝10
					RoCoF(Hz/s)	0.0193	0.0182	0.0181	0.0182
FN(Hz)	50.1042	50.1016	50.0992	50.0978
					SF(Hz)	50.0743	50.0745	50.0749	50.0744

(435)结合(431)、(432)、(433)、(434)中得到的控制参数对频率响应特性的影响效果，设置有功环附加频率控制比例与积分控制参数分别为k_pP＝100和k_iP＝100，无功环附加频率控制的增益与时间控制参数分别为k_pQ＝500和T_wQ＝10；

(5)系统受到负荷扰动后，有功环比例积分型附加频率控制产生有功功率附加参考指令ΔP_{ref_SFC}，无功环微分型附加频率控制产生无功功率附加参考指令ΔQ_{ref_SFC}。

(6)得到柔性直流输电系统有功功率与无功功率参考指令；

(61)将步骤(5)中得到的附加有功功率与系统调度下达的背靠背柔直有功功率指令值相加，得到柔直系统传输有功功率的实时指令值。

(62)将步骤(5)中得到的附加无功功率与系统调度下达的背靠背柔直无功功率指令值相加，得到柔直换流器提供/吸收无功功率的实时指令值。

(7)通过电压源型换流器(VSC)定有功功率与定无功功率控制，实现背靠背柔性直流系统传输功率的改变，VSC的基本控制结构如图1所示。

(71)步骤(6)得到的有功功率与无功功率实时指令值，经过VSC的外环定有功功率与定无功功率控制，产生d、q轴电流参考指令值；

(72)步骤(71)得到的电流参考指令值经过内环定电流控制，产生交流电压参考指令值；

(73)步骤(72)得到的交流电压参考指令值经过换流阀控制，产生响应的脉宽调制信号，通过调节晶闸管开关动作，实现背靠背柔性直流系统传输功率的改变。

在双环附加频率控制下，当扰动设置为1秒时，湖北等值系统中节点7的有功负荷突然减少3000MW时，背靠背柔性直流输电系统两端的交流系统的频率响应特性如图6所示。

图6(a)中西南电网的频率响应曲线，当背靠背柔性直流输电系统不采用附加频率控制时，该等值电网作为非受扰动端系统，将维持正常运行频率。采用Q环附加频率控制时，该等值系统依然维持正常频率，这是因为定无功功率控制施加在连接湖北电网的逆变侧VSC上，逆变换流器向湖北系统提供或吸收无功功率的大小不会对西南电网造成影响。当采用双环附加频率控制时，Q环对湖北电网频率特性的影响通过附加频率控制控制信号与P环附加频率控制耦合起来，进而对西南电网的频率响应特性产生影响，使得双环附加频率控制的控制效果与仅采用P环附加频率控制时的控制效果不同。

图6(b)中湖北电网频率响应曲线可以看出，湖北电网发生负荷突减扰动后，渝鄂背靠背柔性直流系统不采用附加频率控制时，湖北等值系统频率最高达到50.16Hz，一次调频结束后，系统频率稳定在50.08Hz。仅采用P环附加频率控制后，系统最高频率下降至50.13Hz，一次调频结束后，系统频率稳定在50.05Hz。当采用双环附加频率控制时，由于Q环附加频率控制的作用，FN小于采用P环附加频率控制时的FN，即在双环附加频率控制作用下，受扰动的交流系统具有更好的频率响应暂态特性。

从图6(c)中附加频率控制的输出信号可以看出，采用P环和双环附加频率控制时，输出的附加有功功率指令均达到限幅值。由于限幅值的存在，使得西南等值系统的稳定频率与正常频率的偏差小于湖北等值系统与正常频率的偏差。

从图6(d)中直流电压曲线看出，当电网发生负荷突减扰动，使得电网中有功功率出现盈余，背靠背柔性直流输电系统参与系统一次调频后，直流电压有所升高。同样地，由于Q环附加频率控制的作用，采用双环附加频率控制相比仅采用P环附加频率控制时的直流电压响应曲线，电压上升的速率有所下降。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种背靠背柔性直流输电系统，其特征在于，包括：

背靠背换流器本体，包括整流侧换流器和直流端与整流侧换流器的直流端连接的逆变侧换流器，整流侧换流器的交流端用于与第一交流系统连接，逆变侧换流器的交流端用于与第二交流系统连接；

基本控制器，整流输出端与整流侧换流器的控制端连接，逆变输出端与逆变侧换流器的控制端连接，包含有定有功功率控制环、定无功功率控制环以及定直流电压控制环和定交流电压控制环，用于根据定有功功率控制环的指令、定无功功率控制环的指令以及定直流电压控制环和定交流电压控制环的指令，输出整流换流阀的控制信号和逆变换流阀的控制信号，使背靠背换流器本体的直流侧电压保持恒定、传输的有功功率保持恒定以及向电网吸收或发出的无功功率恒定、换流站与交流电网的公共连接点的母线交流电压幅值恒定；

有功附加控制器，有功附加指令输出端与基本控制器的定有功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行比例积分控制输出有功功率附加参考指令值；

无功附加控制器，无功附加指令输出端与基本控制器的定无功功率控制环的输入端连接，用于对频率偏差输入信号进行微分控制输出无功功率附加参考指令值；

其中，频率偏差输入信号为整流侧的频率偏差和逆变侧的频率偏差的差值，整流侧的频率偏差为整流侧换流器的交流电网公共连接点母线电压频率与交流系统正常运行时的频率之差，逆变侧的频率偏差为逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率与交流系统正常运行时的频率之差。

2.如权利要求1所述的背靠背柔性直流输电系统，其特征在于，基本控制器包括逆变控制器和整流控制器；

逆变控制器包含逆变阀层控制单元和逆变站层控制单元，逆变站层控制单元的输出端与逆变阀层控制单元的输入端连接；逆变站层控制单元包括逆变内环控制结构和逆变外环控制结构，逆变外环控制结构的输出端与逆变内环控制结构的输入端连接，逆变内环控制结构包括逆变d轴控制内环和逆变q轴控制内环，逆变外环控制结构包括逆变d轴控制外环和逆变q轴控制外环；

整流控制器包含整流阀层控制单元和整流站层控制单元，整流站层控制单元的输出端与整流阀层控制单元的输入端连接；整流站层控制单元包括整流内环控制结构整流外环控制结构，整流外环控制结构的输出端与整流内环控制结构的输入端连接，整流内环控制结构包括整流d轴控制内环和整流q轴控制内环，整流外环控制结构包括整流d轴控制外环和整流q轴控制外环；

定有功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定有功功率控制的控制环；

定无功功率控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定无功功率控制的控制环；

定直流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定直流电压控制的控制环；

定交流电压控制环为逆变d轴控制外环、逆变q轴控制外环、整流d轴控制外环以及整流q轴控制外环采用定交流电压控制的控制环。

3.一种基于权利要求1所述的背靠背柔性直流输电系统的双环附加频率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据整流侧换流器的电网公共连接点母线电压频率f_A、逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率f_B以及交流系统正常运行时的频率f_N，获得频率偏差输入信号；

(2)对频率偏差输入信号进行比例积分控制获得有功功率附加参考指令值，对频率偏差输入信号进行微分控制获得无功功率附加参考指令值；

(3)对有功功率附加参考指令值和无功功率附加参考指令值进行限幅处理，获得限幅后的有功功率附加参考指令值和限幅后的无功功率附加参考指令值；

(4)将限幅后的有功功率附加参考指令叠加有功功率参考指令上，得到实际有功功率参考指令，将限幅后的无功功率附加参考指令叠加无功功率参考指令上，得到实际无功功率参考指令与无功功率；

通过对有功功率和无功功率的调整实现未受扰动侧的交流系统参与受扰动侧交流系统的频率响应过程。

4.如权利要求3所述的双环附加频率控制方法，其特征在于，根据公式Δf_AB＝Δf_A-Δf_B获得频率偏差输入信号；

其中，Δf_A＝f_A-f_N，Δf_B＝f_B-f_N，f_A为整流侧换流器的电网公共连接点母线电压频率，f_B为逆变侧换流器的电网公共连接点母线电压频率，f_N为交流系统正常运行时的频率。

5.如权利要求3或4所述的双环附加频率控制方法，其特征在于，根据公式获得有功功率附加参考指令值；

其中，ΔP_{ref_SFC}表示附加有功功率指令值，k_pP和k_iP分别表示比例积分控制结构的比例参数与积分参数，s为算子。

6.如权利要求3至5任一项所述的双环附加频率控制方法，其特征在于，根据公式获得无功功率附加参考指令值；

其中，ΔQ_{ref_SFC}表示附加有功功率指令值，k_pQ和T_wQ分别表示微分型控制结构的增益参数和时间常数，s为算子。

7.如权利要求3至6任一项所述的双环附加频率控制方法，其特征在于，比例积分控制的比例参数和积分参数根据如下步骤获得：

搭建背靠背柔性直流输电系统的仿真模型和搭建交流系统的仿真模型，背靠背柔性直流输电系统的仿真模型包括背靠背换流器本体模型、基本控制器模型和有功附加控制器；

令有功附加控制器模型的积分控制参数为零，在相同的负荷扰动下，获得不同的比例参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的比例参数作为比例积分控制的比例参数；

令有功附加控制器模型的比例控制参数为最优的频率响应特性指标对应的比例参数，在相同的负荷扰动下，获得不同的积分参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的积分参数作为比例积分控制的积分参数；

其中，频率响应特性指标包括频率变化速率，频率偏差极值和稳定频率。

8.如权利要求3至7任一项所述的双环附加频率控制方法，其特征在于，微分控制的增益参数和时间控制参数根据如下步骤获得：

令有功附加控制器模型的比例控制参数和积分参数分别为最优频率响应特性指标对应的比例参数和积分参数；

设置无功附加控制器的时间控制参数在3～10秒，在相同的负荷扰动下，获得不同的增益参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的增益参数作为微分控制的增益参数；

令无功附加控制器模型的增益参数为最优频率响应特性指标对应的增益参数，在相同的负荷扰动下，获得不同的时间控制参数下受扰动交流系统的频率响应特性指标，选取最优的频率响应特性指标对应的时间控制参数作为微分控制的时间控制参数；

其中，频率响应特性指标包括频率变化速率，频率偏差极值和稳定频率。