CN110086192A - 两区域柔性直流互联系统频率一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两区域柔性直流互联系统频率一致性控制方法，包含就地控制层及上层协调控制层两部分：(1)上层协调控制层：利用直流线路两侧直流电压信息，通过设计直流电压控制律，为VSC就地控制层提供直流电压参考，最终实现频率一致性控制目标。(2)就地控制层，包含送端VSC控制及受端VSC控制两部分。

Description

两区域柔性直流互联系统频率一致性控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流互联系统控制技术领域，尤其涉及一种适用于两区域交流电网柔性直流互联系统的频率一致性控制方法。

背景技术

作为新一代直流输电技术，柔性直流输电(voltage sourceconverterbasedhigh-voltage DC,VSC-HVDC)因其具有功率控制灵活、高功率因数及对环境影响小等优点，在世界范围内得到广泛发展和应用[1-5]。

两区域交流电网通过柔性直流输电技术实现异步互联，可有效隔离交流系统故障，防止故障扩散，提高异步互联系统的安全性及可靠性[6,7]。电力系统频率的质量决定了电能的质量，是重要的判断标准，因此维持系统频率稳定是电力系统安全稳定运行的主要目标之一[8,9]。当交流电网由于负荷扰动，系统频率将偏离额定运行值，严重时导致频率振荡，影响系统稳定运行。而对于柔性直流互联系统，可通过调节直流传输功率参与系统频率支撑，提高整个互联系统频率稳定性。

对于柔性直流互联两区域系统，通常采用一端VSC采用定有功功率控制，另一端VSC采用定直流电压控制的控制方法，不论哪个交流区域内发生功率扰动，直流系统传输功率为定值。因此，常规控制方法无法实现全系统旋转备用共享，受扰交流电网频率波动较大。文献[10]在直流电压下垂控制中引入频率-有功功率(f-P)斜率控制，实现互联系统旋转备用共享，但功率控制端VSC连接的交流系统无法对扰动区域进行功率支撑。虚拟同步发电机技术(virtual synchronous generator,VSG)可以模拟同步发电机的惯性特性和一次调频特性，增加系统惯性，提供频率支撑，因此得到广泛关注[11]，但VSG控制结构比较复杂，参数整定较为困难。

文献[12]提供利用各交流电网频率，通过动态调整有功参考，实现各交流电网频率一致性控制，使得由负荷引起的频率偏差得到合理分配，但该控制基于集中控制，需要采集就地电压、频率，并通过集中控制器对电压信息进行PI控制，对系统通信依赖性高。

参考文献

[1]Zhang,L.,L.Harnefors and H.P.Nee,Power-Synchronization Control ofGrid-Connected Voltage-Source Converters.IEEE Transactions on Power Systems,2010.25(2):809-820.

[2]徐政，陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术，2007(01):1-10.

[3]马为民，吴方劼，杨一鸣，等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术，2014，40(08):2429-2439.

[4]张东辉，冯晓东，孙景强，等.柔性直流输电应用于南方电网的研究[J].南方电网技术，2011，05(2):1-6.

[5]汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化，2013，37(15):3-14.

[6]安婷，Bjarne，Andersen，等.中欧高压直流电网技术论坛综述[J].电网技术，2017，41(8):2407-2416.

[7]李广凯，江政昕，赵昕，等.电压源换流器高压直流输电的特点与前景[J].南方电网技术，2011(05):13-17.

[8]P KUNDUR.电力系统稳定与控制[M].北京:中国电力出版社，2001.

[9]徐泰山，薛禹胜.暂态频率偏移可接受性的定量分析[J].电力系统自动化，2002，26(19):7-10.

[10]朱瑞可，李兴源，应大力.VSC-MTDC互联系统频率稳定控制策略[J].电网技术，2014，38(10):2729-2734.

[11]付强，杜文娟，黄登一，等.含虚拟同步发电机的多端柔性直流系统稳定性分析[J].电力系统自动化，2018，42(09):164-170.

[12]Kirakosyan A.,El-Saadany E.F.,Moursi M.S.E.,et al.DC VoltageRegulation and Frequency Support in Pilot Voltage Droop Controlled MultiTerminal HVDC Systems[J].IEEE Transactions onPower Delivery,2018.33(3):1153-1164.

发明内容：

本发明基于“就地控制+上层协调控制”控制思路，提供一种适用于两区域交流电网柔性直流互联系统的频率一致性控制方法，上层通过合理设计直流电压控制律为就地控制提供电压参考，就地控制层利用就地频率、电压信息及上层电压参考，通过相应控制，无论送端交流电网还是受端交流电网发生功率扰动，直流系统均会对其进行功率支撑，实现全系统频率支撑和旋转备用，本发明的控制方法简单易行，对通信依赖性小，即使通信发生故障，也能维持系统正常运行。本发明的技术方案如下:

一种两区域柔性直流互联系统频率一致性控制方法，包含就地控制层及上层协调控制层两部分，其中，

(1)上层协调控制层：利用直流线路两侧直流电压信息，通过设计直流电压控制律，为VSC就地控制层提供直流电压参考，最终实现频率一致性控制目标，上层协调电压控制律表述如下：

式中，u_dci为就地测量直流电压信号；u_com为就地测量直流电压平均值，为就地控制层提供直流电压参考。

(2)就地控制层，包含送端VSC控制及受端VSC控制两部分，其中，

1)对于送端VSC1，将直流电压参考值取送端交流电网1的频率标幺值，此时电流参考i_d1,ref，获取方式如下：

i_d1,ref＝[ω₁-(1-α)u_com-αu_dc1](k_p,U+k_i,U/s)

式中，α∈[0,1]为直流电压调整系数，ω1和u_dc1分别为交流电网1的频率测量值和直流电压测量值；k_p,U和k_i,U分别为直流电压PI控制器的比例系数和积分系数，通过直流电压PI控制产生电流参考i_d1,ref，当α＝0时，上层控制输出电压参考为直流线路两侧电压平均值(u_dc1+u_dc2)/2，此时系统实现频率一致性控制；当系统发生故障时，取α＝1，此时VSC利用就地直流电压信号u_dci，维持系统稳定运行。

将电流参考i_d1,ref作为内环电流控制参考值，进而产生VSC1控制信号，实现直流母线电压稳定控制的同时，对交流电网1频率变化做出响应。

2)对于受端VSC2，在有功功率控制中的有功功率参考值基础上，叠加辅助有功功率参考值P_set，获取方式如下：

P_set＝[ω₂-(1-α)u_com-αu_dc2](k_p,_PU+k_i,PU/s)

式中，ω₂和u_dc2分别为交流电网1的频率测量值和直流电压测量值；k_p,PU和k_i,PU分别为辅助有功功率PI控制器的比例系数和积分系数。

将有功功率参考值与辅助有功功率参考值P_set之和作为功率控制参考值，经过PI控制获得内环电流控制参考值，最后经过内环电流控制产生VSC2控制信号，实现有功功率控制的同时，可对受端交流电网2频率变化做出响应。

采用本发明提出的适用于两区域交流电网柔性直流互联系统的频率一致性控制方法，无论送端交流电网还是受端交流电网发生功率扰动，两区域交流电网均会通过直流系统为受扰电网提供紧急功率支撑，减小受扰电网频率波动，且稳态时，功率扰动增量将在两区域交流电网按照其等效刚性系数进行分配，实现两区域旋转备用共享。

附图说明：

图1两区域交流电网柔性直流互联系统；

图2常规控制策略；

图3频率一致性控制策略；

图4工况1:交流电网1功率扰动时频率及直流传输功率动态

图5工况2:交流电网2功率扰动时频率及直流传输功率动态

具体实施方式：

本发明内容所述的两区域交流电网柔性直流互联系统如图1所示，其中交流电网均采用等值机组和负荷进行模拟。不失一般性，本发明考虑送端VSC1控制直流电压，受端VSC2则为功率控制端。两端VSC均以功率流向直流侧为正方向。考虑等值机组转子特性、调速器特性及汽轮机组特性的交流电网频率动态可表示为：

式中，Δω_i、ΔP_m,i、ΔP_L,i和ΔP_VSC,i分别为等值机组输出频率、机械功率、负荷及VSCi输出功率，H_i和D_i分别为交流电网i等值机组等效惯量和阻尼；1/R为等值机组的一次调频特性；G_M(s)用于模拟等值机组调速器和涡轮机综合动态特性。本发明所有变量均基于标幺值系统。

由上式可知，当交流电网发生功率扰动后，通过对VSCi流向交流电网i有功功率进行控制，可使得VSCi参与交流电网频率稳定控制。稳态下，频率变化量Δω_i为：

式中β_i为交流电网i等效刚性系数，满足β_i＝D_i+1/R_i。

两区域交流电网柔性直流互联系统VSC通常采用如图2所示的常规控制策略。1)送端VSC1采用电压控制策略，如图2(a)所示，u_dc1,ref和u_dc1分别为直流电压参考值和实际值；k_p,U和k_i,U分别为直流电压PI控制器的比例系数和积分系数，通过直流电压PI控制产生电流参考i_d1,ref，与无功控制环路产生的电流参考i_q1,ref，作为参考电流输入，经过内环电流控制产生VSC1控制信号，实现直流母线电压稳定控制。2)受端VSC2采用有功功率控制，实现直流系统给定功率传输，如图2(b)所示，P₀和P_VSC2分别为VSC2传输功率参考值及实际值，k_p,P和k_i,P分别为有功功率PI控制器的比例系数和积分系数。

由图2可知，采用常规控制策略时，直流系统传输功率为给定值，交流电网发生功率扰动时，ΔP_VSC,i＝0，稳态时交流电网稳态频率偏差如下

由上可知，采用常规控制，当交流电网发生功率扰动后，VSCs无法对功率扰动做出响应，VSCs仍按照给定功率值传输，两区域交流电网被直流系统隔离，功率增量均由受扰交流电网内同步发电机机组承担。因此，采用常规控制策略的直流系统，无法实现全系统旋转备用共享和频率支撑。

为实现两区域交流电网柔性直流互联系统旋转备用共享和频率支撑，本发明提出了如图3所示频率一致性控制策略。频率一致性控制策略包含就地控制层及上层协调控制层两部分。

上层协调控制层：利用直流线路两侧直流电压信息，通过合理设计直流电压控制律，为就地控制层提供直流电压参考，最终实现频率一致性控制目标。上层协调电压控制律表述如下：

式中，u_dci为就地测量直流电压信号；u_com为就地测量直流电压平均值，为就地控制层提供直流电压参考。特别指出，本发明所有变量均取标幺值。

就地控制层：

1)对于送端VSC1，不同于常规定电压控制策略(一般取直流电压参考u_dc1,ref为1(标幺值)，实现直流电压在额定值控制)，此处将直流电压参考就地取送端交流电网1的频率标幺值，此时电流参考i_d1,ref具体表述如下：

i_d1,ref＝[ω₁-(1-α)u_com-αu_dc1](k_p,U+k_i,U/s) (5)

式中，α(α∈[0,1])为直流电压调整系数，ω₁和u_dc1分别为交流电网1的频率测量值(标幺值)和直流电压测量值(标幺值)；k_p,U和k_i,U分别为直流电压PI控制器的比例系数和积分系数，通过直流电压PI控制产生电流参考i_d1,ref。当α＝0时，上层控制输出电压参考为直流线路两侧电压平均值(u_dc1+u_dc2)/2，此时系统实现频率一致性控制；当系统发生故障时，取α＝1，此时VSC利用就地直流电压信号u_dci，维持系统稳定运行。

由上式可知，当交流电网1因功率扰动导致系统频率波动时，VSC1将对频率波动做出响应。

2)对于受端VSC2，在常规定有功功率基础上，加入辅助有功功率参考P_set，获取方式如下

P_set＝[ω₂-(1-α)u_com-αu_dc2](k_p,PU+k_i,PU/s) (6)

式中，ω₂和u_dc2分别为交流电网1的频率测量值(标幺值)和直流电压测量值(标幺值)；k_p,PU和k_i,PU分别为辅助有功功率PI控制器的比例系数和积分系数。

由上式可知，与常规定有功功率控制不同，本发明利用交流电网2频率信息产生辅助功率参考值，使得当交流电网2由于功率扰动产生频率波动时，VSC2能够做出响应。

当取α＝0时，上层协调控制为就地控制层提供的电压参考为直流线路两侧电压平均值u_com＝(u_dc1+u_dc2)/2，此时实现全系统频率一致性控制目标。接下来将分别对送端交流电网及受端交流电网发生功率扰动时分析系统频率一致性控制工作原理。

1)送端交流电网1发生功率扰动

以送端交流电网1负荷突减导致交流电网1频率ω₁升高为例，由电压端VSC1控制策略可知，直流电压参考u_com将跟随频率ω₁升高而增大，进而导致功率端VSC2辅助有功控制环路PI控制器作用，产生的辅助功率参考P_set为负，即直流系统注入送端交流电网1的传输功率将减小，从而抑制送端交流电网因负荷突减引起的频率过高。与此同时，由于受端交流电网2通过直流系统注入交流电网1的传输功率减小，交流电网2频率将升高。同理，当送端交流电网1负荷陡增导致交流电网1频率ω₁下降时，可得出直流系统注入送端交流电网1的传输功率将增加，从而避免送端交流电网因负荷陡增引起的频率过低。

不论上述那种情况，当送端交流电网1发生功率扰动时，全系统将为交流电网1提供频率支撑。

假设负荷扰动前，两区域交流电网系统频率均稳定在额定频率(即ω₁＝ω₂＝1)，当送端交流电网1发生负荷ΔP_L,1时，由于各自PI控制器作用，送端交流电网1及受端交流电网2稳态频率相等(ω₁＝ω₂＝(u_dc1+u_dc2)/2)，即两区域交流电网频率变化量相等。此时，

稳态时，ΔP_VSC,1＝-ΔP_VSC,2，直流系统稳态传输功率增量及频率增量分别为

当送端交流电网1发生ΔP_L,1功率扰动时，采用本发明所提一致性控制策略，可有效调动直流传输功率，为交流电网1提供紧急功率支撑，减小交流电网1频率偏差。且稳态时，变化的功率增量将在两区域交流电网按照其等效刚性系数进行分配。

2)受端交流电网2发生功率扰动

以受端交流电网2负荷陡增导致交流电网2频率ω₂降低为例，由功率端VSC2控制策略可知，此时受端VSC2辅助功率控制环路产生的功率参考P_set为负，直流系统注入受端交流电网2的传输功率将增加，从而避免受端交流电网2因负荷陡增引起的频率过低。与此同时，由于交流电网1通过直流系统输出的功率增加，送端交流电网1的频率将下降。同理，当受端交流电网2负荷突减导致交流电网2频率ω₂升高时，直流系统注入受端交流电网2的传输功率将减少，从而抑制受端交流电网2因负荷突减引起的频率过高。不论上述那种情况，当送端交流电网2发生功率扰动时，全系统将为交流电网2提供频率支撑。

假设负荷扰动前，两区域交流电网系统频率均稳定在额定频率(即ω₁＝ω₂＝1)，当受端交流电网2发生负荷ΔP_L,2时，送端交流电网1及受端交流电网2稳态频率相等(ω₁＝ω₂＝(u_dc1+u_dc2)/2)，即两区域交流电网频率变化量相等。此时

稳态时，ΔP_VSC,1＝-ΔP_VSC,2，直流系统稳态传输功率增量及频率增量分别为

当受端交流电网2发生ΔP_L,2功率扰动时，采用本发明所提一致性控制策略，可有效调动直流传输功率，为交流电网2提供紧急功率支撑，减小交流电网2频率偏差。且稳态时，变化的功率增量将在两区域交流电网按照其等效刚性系数进行分配。

综上可知，采用本发明提出适用于两区域交流电网柔性直流互联系统的频率一致性控制方法，无论送端交流电网还是受端交流电网发生功率扰动，两区域交流电网均可通过直流系统为受扰电网提供紧急功率支撑，减小受扰电网频率波动，且稳态时，功率扰动增量将在两区域交流电网按照其等效刚性系数进行分配，实现两区域旋转备用共享。

为验证本发明所提控制策略的有效性，在仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示两区域交流电网柔性直流互联系统，分别针对送端交流电网1受扰及受端交流电网2受扰两种工况进行验证。系统参数如表1所示。在仿真中，VSC采用图3所示VSC频率一致性控制策略，对照组采用图2所示常规控制策略，上层通信延时设置为10ms。

表2 两区域交流电网柔性直流互联系统参数

(1)工况1:交流电网1发生功率扰动

为验证送端交流电网1发生功率扰动时，本发明所提控制策略的有效性，第50s时刻送端电网1投入50MW(0.05pu)负荷。系统频率动态及有功功率动态如图4所示。图中直流传输功率P_dc正方向为送端交流电网1流向受端交流电网2。

由图可知，当送端交流电网1发生负荷扰动后，采用常规控制策略时，直流传输功率恒定为800MW(0.8pu)，受端电网2不受送端电网1负荷波动影响，频率仍然维持在额定值(50Hz)；相比采用常规控制策略，采用本发明所提出的频率一致性控制策略时，直流系统向交流电网1快速调动有功功率，交流电网1的频率波动峰值变化量及稳态变化量均有所减小，有效改善了交流电网1的频率动态特性，与此同时，由于流向送端电网1的直流传输功率增加，导致受端交流电网2频率一定程度上降低，最终实现两区域交流电网稳态频率偏差一致及旋转备用共享。仿真结果均与前文分析一致。

(2)工况2:交流电网2功率扰动

为验证受端交流电网2发生功率扰动时，本发明所提控制策略的有效性，第50s时刻受端交流电网2投入200MW(0.2pu)负荷。系统频率动态以及直流传输功率动态如图5所示。

由图可知，当受端交流电网2发生负荷扰动后，采用常规控制策略时，直流传输功率恒定，为800MW，送端电网1不受受端电网2负荷波动影响，频率仍然维持在额定值50Hz；相比常规控制策略，采用本发明所提频率一致性控制策略时，直流系统向交流电网2快速调动有功功率，交流电网2的频率波动峰值变化量及稳态变化量均有所减小，有效改善了交流电网2的频率动态特性，与此同时，由于流向送端电网2的直流传输功率增加，导致交流电网1频率一定程度上降低，最终实现两区域电网频率偏差一致及旋转备用共享。仿真结果与前文分析一致。

Claims (1)

1.一种两区域柔性直流互联系统频率一致性控制方法，包含就地控制层及上层协调控制层两部分，其中，

(1)上层协调控制层：利用直流线路两侧直流电压信息，通过设计直流电压控制律，为VSC就地控制层提供直流电压参考，最终实现频率一致性控制目标，上层协调电压控制律表述如下：

式中，u_dci为就地测量直流电压信号；u_com为就地测量直流电压平均值，为就地控制层提供直流电压参考；

(2)就地控制层，包含送端VSC控制及受端VSC控制两部分，其中，

1)对于送端VSC1，将直流电压参考值取送端交流电网1的频率标幺值，此时电流参考i_d1,ref，获取方式如下：

i_d1,ref＝[ω₁-(1-α)u_com-αu_dc1](k_p,U+k_i,U/s)

式中，α∈[0,1]为直流电压调整系数，ω₁和u_dc1分别为交流电网1的频率测量值和直流电压测量值；k_p,U和k_i,U分别为直流电压PI控制器的比例系数和积分系数，通过直流电压PI控制产生电流参考i_d1,ref，当α＝0时，上层控制输出电压参考为直流线路两侧电压平均值(u_dc1+u_dc2)/2，此时系统实现频率一致性控制；当系统发生故障时，取α＝1，此时VSC利用就地直流电压信号u_dci，维持系统稳定运行；

将电流参考i_d1,ref作为内环电流控制参考值，进而产生VSC1控制信号，实现直流母线电压稳定控制的同时，对交流电网1频率变化做出响应；

2)对于受端VSC2，在有功功率控制中的有功功率参考值基础上，叠加辅助有功功率参考值P_set，获取方式如下：

P_set＝[ω₂-(1-α)u_com-αu_dc2](k_p,PU+k_i,PU/s)

式中，ω₂和u_dc2分别为交流电网1的频率测量值和直流电压测量值；k_p,PU和k_i,PU分别为辅助有功功率PI控制器的比例系数和积分系数；

将有功功率参考值与辅助有功功率参考值P_set之和作为功率控制参考值，经过PI控制获得内环电流控制参考值，最后经过内环电流控制产生VSC2控制信号，实现有功功率控制的同时，可对受端交流电网2频率变化做出响应。