CN109962497B - 通过hvdc集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法 - Google Patents
通过hvdc集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了通过高压直流输电(HVDC)集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法。首先，本发明提出同时利用HVDC电容能量和风力机(WT)惯量为主电网提供惯量支撑的策略，该策略不需要两个HVDC终端进行远程通信。进而提出了一种新的级联控制策略，该方案通过依次施加HVDC电容器能量和WT惯量来改善系统总体惯量水平。这两种策略都可以有效地为主网提供惯量支撑，而第二种策略通过借助陆上和海上交流电网之间的通信，实现最大限度地减少控制过程对捕获风能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电网系统惯量支撑控制方法，尤其是涉及通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法。
背景技术
风力发电等新能源对于缓解能源短缺和环境危机，保障社会可持续发展，维护国家能源安全起到了重要作用，当可再生能源在电力系统中的渗透率变得足够高时，其对交流系统动态稳定性的影响越来越显著。与传统发电厂不同，大多数可再生能源发电机通过电力电子变换器与电网连接。这些变换器在捕获太阳能或风能时主要采用最大功率点跟踪(MPPT)方法，并控制产生的电能传输到电网侧，但其惯量很小或几乎为零。这意味着，在相同干扰的情况下，在最初几秒内的系统频率变化率(ROCOF)将随着未来可再生能源的进一步部署而显着增长。所以，本发明主要研究在可再生能源大规模渗透的情况下如何为主网提供足够的惯量支撑控制方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提出一种通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，该方法是利用HVDC链路电容器的惯量以及风机惯量为系统提供惯量支撑的控制策略，以达到为主网提供惯量支撑的目的。
本发明的技术方案采用如下方法：
1)同时利用HVDC链路电容器的惯量以及WT的惯量提供惯量支撑的同时控制策略；
2)利用HVDC链路电容器的惯量以及WT的惯量提供惯量支撑的级联控制方案。
所述的同时控制策略分为三部分进行分析：
(1)HVDC链路电容的惯量支撑分析
HVDC链路电容的电压反映了注入风电场换流器(WFVSC)的功率
以及传输到岸上交流电网功率
的功率平衡，如果忽略高压直流输电电缆的功率损耗，每单位的HVDC电压
的动态特性可表示为：
其中，SB为系统基准值，C为标幺值下的电容总容量，VDCn为HVDC链路电压的标称电压，以下推到中均在标幺制下进行。
众所周知，电力系统中负载和发电之间的任何不平衡将导致系统频率的交替。同步发电机(SG)本质上使用其机械惯量来平滑频率偏差。该过程可以表示如下：
其中，H是SG惯量常数，
为系统频率，
为系统频率偏差。
为SG的机械功率和电磁功率之间的偏差。在相同的时间范围内，H越高，频率变化越小。
为了模拟(3)中的惯量常数，(1)中的
和
可以分别粗略地被视为SG 的机械输入和电力输入。在某种程度上，直流电压可类比于系统频率，即
其中，HDC为HVDC提供的等效虚拟惯量常数，对(4)式两边同时积分则有
其中，
和
为HVDC电压和系统频率的标称值，对应的标幺值通常设为1。实际中，HVDC电压会在标称值很小的范围内变动。因此，这里设HVDC电压的标幺值的变化范围为±0.1p.u.。其准确的数值取决于绝缘要求和PWM模式。因此，(6)式在平衡点附近可线性化为：
根据(5)式，控制过程可表示为：
KDC为控制参数，可根据实际应用时电压偏差和频率偏差范围要求进行合理设计。
(2)无通信耦合方案
风电场需要率先知道陆上交流电网频率的变化才能提供相应的惯量支撑。可以通过专用通信信道发送测量的频率信号来实现，然而从成本和可靠性的角度来看，这种方式可能不是理想的选择。另一种选择为，通过使用HVDC链路电压来建立陆上主电网和海上风电场的耦合从而无需远程通信。在忽略HVDC 电缆的功率损耗的情况下，认为WFVSC和GSVSC的HVDC电压相等。当主电网频率存在偏差时，可以首先通过HVDC电压下垂控制将频率偏差转换为 HVDC电压变化，然后可以通过下面给出的下垂控制使海上交流电网频率跟随陆上主网频率变化。
其中，
为海上交流电网频率的偏差，KA为控制参数，代表海上交流电网频率偏差
与WFVSC的直流电压偏差
的比例。结合公式(7)和公式(9)，陆上和海上AC电网频率可按(10)式进行耦合
(3)风电场惯量支撑
为获得风电场虚拟惯量，与(3)类似，风电场的动态特性方程可描述为：
其中，
为风电场初始有功功率，类似于SG的机械功率。
模拟SG的电功率，HWF为风电场所提供的虚拟惯量。
使基于DFIG的WT重新支撑海上交流电网频率的典型且直接的方法是将与海上交流电网频率偏差
成正比的功率偏差
与WT的原始参考功率Pref相加，比例系数为KB。因此，本发明采用的WT惯量控制实际上是一种下垂控制。根据(7)和(8)得到
为实现(12)，一种可行的方式是通过增大(11)的斜率，利用预留的能量来补偿WT的输出有功功率和输入风能之间的功率差。然而，如果WT偏离MPPT 运行状态，由于桨距角的机械调节，响应速度相当慢。相反，本发明采用的WT 惯量可以在短时间内吸收或释放不平衡功率
WT的有功功率可以通过转子侧变换器快速控制到想要的新值。如果忽略风力捕获中的功率损耗，则来自汇聚DFIG的有功功率等于风电场的总输出功率。即，
以及
根据(11)和(12)，有
两边同时积分，得
其中，
为时间段[t0,t]内的平均频率偏差。为了使HWF为正，KAKBKDC应取负。
所述的步骤4)中的HVDC电容和WT惯量同时控制策略，对于整个通过 HVDC传输的海上风电场汇聚系统，HVDC电容和WT惯量共同为系统提供惯量支撑，则同时控制的虚拟惯量常数为：
Hs＝HDC+HWF (15)
图1给出了本发明提出的同时控制策略实现过程。以主电网频率下降为例来说明整个过程，GSVSC首先降低其直流电压参考值响应系统频率的降低；相应地，HVDC电容器释放其能量以用于系统惯量支撑。同时，降低的HVDC电压将导致海上交流电网频率降低。因此，WT将增加其有功功率输出，随后降低海上交流电网频率。通过上述控制器的系列动作，可以降低主电网频率变化和 ROCOF，提高整个系统的稳定性。
所述的级联控制策略分为两部分进行分析：
(1)仅使用HVDC电容器进行级联控制
在级联控制下，GSVSC仍然采用HVDC电压下垂控制，从而实现HVDC 电压和主电网频率之间的耦合。值得注意的是，HVDC电压变化必须在正常工作范围内。对于WFVSC，当HVDC电压低于其正常范围时，离岸交流电网频率不会改变。因此，当系统频率偏差不超过±2％时，HVDC电容器将单独用于系统惯量支撑，而风电场惯量控制将不会被激活，从而最小化对WT MPPT控制的影响。与同时控制策略相比，所提出的级联控制策略可以在有效支撑系统频率的同时保证更好地捕获风能，这对于频率扰动较小的系统日常运行具有重要意义。
(2)HVDC电容器和WT惯量均激活的级联控制
当HVDC电压在系统较大频率干扰下达到其限制时，HVDC电容器会消耗其存储的能量。因此，WT惯量成为系统惯量支撑的最后屏障。为了激活风电场惯量支撑，陆上交流电网频率应通过通信信道传输到海上交流电网。这是因为当HVDC电压超出正常范围时，陆上和海上交流电网之间的人为耦合不存在。适用于海上交流电网频率的设计死区对于有序级联的HVDC电压下垂控制和风电场惯量支撑控制至关重要。因此，通过如下设计的死区也能避免频繁使用WT 惯量：
其中，
是截止频率，当HVDC电压超出其限制时，其值等于陆上交流电网频率，其表达式为
与同时控制不同，当HVDC电压在正常范围内时，WT惯量不被激活，并且仅在HVDC电压达到(16)和(17)的限制时才被激活以提供系统惯量支撑。模拟方程(14)，风电场虚拟惯量可写成
图5显示了级联控制的总体控制方案，级联控制的虚拟惯量常数如下
本发明具有的有益的效果是：
通过HVDC传输的与陆上主网集成的海上汇聚风电场协调控制策略，旨在提供快速的系统惯量支撑。
附图说明
图1为本发明同时控制策略实现过程。
图2为本发明风机的传统控制策略。
图3为本发明风场侧换流器控制策略。
图4为本发明电网侧换流器的传统控制策略实现过程。
图5为本发明级联控制策略实现过程。
图6为实施例实验测试系统。
图7为实施例在HVDC电压限制下使用相同控制参数的陆上交流电网突然负荷增加情况下的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明包括以下方法：
1)同时利用HVDC链路电容器的惯量以及WT的惯量提供惯量支撑；
2)根据HVDC电压不同情况，有序利用HVDC链路电容器的惯量以及WT 的惯量提供惯量支撑；
所述的1)中同时控制的虚拟惯量常数为：
Hs＝HDC+HWF (15)
所述的2)中级联控制方法为：
当系统频率偏差在一个小范围内时，HVDC电容器将单独用于系统惯量支撑，而风电场惯量控制将不会被激活，从而最小化对WT MPPT控制的影响。
当HVDC电压在系统较大频率干扰下达到其限制时，HVDC电容器会消耗其存储的能量。因此，WT惯量成为系统惯量支撑的最后屏障。为了激活风电场惯量支撑，陆上交流电网频率应通过通信信道传输到海上交流电网。适用于海上交流电网频率的设计死区对于有序级联的HVDC电压下垂控制和风电场惯量支撑控制至关重要。因此，通过如下设计的死区也能避免频繁使用WT惯量：
利用如下级联控制的虚拟惯量常数进行总体控制
本发明的具体实施例：
利用DIgSILENT/-PowerFactory通过如图3所示的仿真系统，对本发明提出的控制方法进行了实验验证。实验参数如下表1所示。
表1
实验截图如下：
图7给出了陆上交流电网负荷突然增加时的实验效果。在本例中，同时控制和级联控制策略的HVDC电压下垂控制和风电场惯量控制的控制参数均分别设为KDC＝1.5和KB＝-1.5。从图7(a)中可以清楚地看到，本发明提出的通过HVDC 传输系统的风电场集成惯量支撑的同时控制策略以及级联控制策略均能有效快速地提供系统惯量支撑。在同时控制的过程中，提供了更多的惯量支撑，并且频率最低点高于级联控制。这是因为通过级联控制，如果HVDC电压在其限制范围内，则惯量支撑仅来自HVDC电容器，而同时控制的惯量支撑不仅来自 HVDC电容器，还来自风电场。相应地，同时控制的ROCOF值略低于级联控制的ROCOF值，如图7(b)所示。因此，给定相同的控制参数，当HVDC电压在限制范围内时，同时控制可以提供比级联控制更多的惯量支撑。相反，相同 UL方案存储了约4.693p.u.的动能，有效验证本发明控制策略能够提高分布式能源的利用率。图7(c)显示了SG的机械功率开始增加以补偿负载间隙的情况。很明显，在没有任何控制的情况下，来自SG的机械功率比同时控制策略和级联控制策略增加得更快，同时控制策略比级联控制的机械功率变化的更柔和。相应地，如图7(e)所示，与级联控制相比，更多有功功率从GSVSC传输到岸上交流电网。由于选择的KDC相对较小，两种控制策略的HVDC电压都在电压限制范围内，如图7(d)所示。如图7(f)所示，在同步控制中，海上交流电网频率与HVDC 电压耦合，海上交流电网频率下降。相反，因为HVDC电压仍处于限制范围内，级联控制不会激活风电场惯量支撑，因此海上电网频率根本不会发生变化。图 7(g)表明，经过同时控制后，风电场的有功功率增加。相应地，它导致DFIG转子速度降低以补偿其机械功率和电功率之间的功率差。如图7(h)所示，由于转子速度偏离MPPT速度，捕获的风力比最大功率点更低。然而，在级联控制中，如图7(g)至(i)所示，风力捕获和转子速度并未受影响，因为在级联控制中，风电场惯量支撑未被激活用于支撑系统惯量。图7 (h)还表明两种控制策略的风力捕获差异大致为0.0081(S中标记的阴影区域)，其表示系统扰动期间捕获的风能损失。然而，如图7(g)所示，用E(E≈-0.0042)中标记的阴影区域表示动态过程中风电场的能量减少量。负值意味着剩余能量被注入到陆上交流电网中。由于风电场的惯量控制实际上是下垂控制；如图7(g)和(h)所示，风电场输出功率和捕获的风能存在稳态误差。因此，级联控制能够在为系统提供快速惯量支撑的同时更节能。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：包括两种策略，
1)策略一：同时利用HVDC链路电容器的惯量以及WT的惯量为主网提供惯量支撑的同时控制策略；
2)策略二：依次利用HVDC链路电容器的惯量以及WT的惯量为主网提供惯量支撑的级联控制方案；
所述的2)中级联控制策略中的HVDC电容器和WT惯量均激活的级联控制死区设计为：
其中，
为系统频率，
是截止频率，
为系统频率的标称值，KA为控制参数，代表海上交流电网频率偏差
与WFVSC的直流电压偏差
的比例，KDC为控制参数，
为HVDC电压，当HVDC电压达到极限时，截止频率等于陆上交流电网频率，其表达式为
2.根据权利要求1所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中同时控制策略中的HVDC链路电容的惯量支撑控制过程为：
其中，HDC为HVDC提供的等效虚拟惯量常数，C为标幺值下的电容总容量，
为HVDC电压的标称值，KDC为控制参数。
3.根据权利要求2所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中同时控制策略中通过使用HVDC链路电压来建立陆上主电网和海上风电场的耦合从而无需远程通信，陆上和海上AC电网频率通过如下控制进行耦合：
其中，
为海上交流电网频率的偏差，KA为海上交流电网频率偏差
与WFVSC的直流电压偏差
的比例，
为系统频率偏差。
4.根据权利要求3所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中同时控制策略中的风电场惯量支撑控制过程为：
其中，HWF为风电场所提供的虚拟惯量，KB为比例系数，
为时间段[t0,t]内的平均频率偏差，为了使HWF为正，KAKBKDC应取负。
5.根据权利要求4所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中同时控制策略的虚拟惯量常数为：
Hs＝HDC+HWF (4)。
6.根据权利要求1所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中级联控制策略中，当系统频率偏差不超过±2％时，仅使用HVDC电容器单独用于系统惯量支撑，而风电场惯量控制将不被激活，从而最小化对风机MPPT控制的影响。
7.根据权利要求1所述的通过HVDC集成的海上风电场为主电网提供系统惯量支撑的协调控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中级联控制策略中依次使用HVDC电容器和WT惯量进行级联控制方案的虚拟惯量
其中，HDC为HVDC提供的等效虚拟惯量，HWF为风电场所提供的虚拟惯量。
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