CN110198045A - 一种vsc-mtdc附加频率自适应下垂控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种VSC‑MTDC附加频率自适应下垂控制方法，所述方法针对多端柔性直流输电系统中的电压源换流站，采用的自适应下垂控制表达式为：本方法利用虚拟惯性技术，将直流侧有功功率和交流侧系统频率耦合，使换流站在交流系统发生频率波动时能根据电压下垂系数变化适度调节功率参考值增量大小，减少直流电压在调节过程中的超调量，有效提高直流电压质量，提高了互联系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统中稳定直流输出电压的控制方法，属于输配电技术领域。
背景技术
随着输配电技术的发展，特高压线路将迎来建设高潮，充分发挥特高压大电网输送能力可有效解决能源资源负荷逆向分布的难题。新建的直流端可取落点于已建的直流输电系统，形成多端直流输电的运行方式。与多条两端直流输电相比，多端柔性直流输电(voltage source converter multi-terminal DC，VSC-MTDC)更经济，效率也更高。
高压直流输电的优点是能够解耦各端交流系统，能够隔离孤岛电网与主网的相互影响，但是与此同时也牺牲了各交流电网在发生大扰动后的相互支援能力。在新能源发电逐年增加的情况下，电网的整体惯性有所下降，因此当电网发生扰动时，系统频率容易出现较大偏移。由于电压源换流器能够快速调节输出功率，因而需要研究合理的控制策略使VSC-MTDC为交流系统提供有力的频率支撑。
为了实现上述目标，可研究基于柔性直流的异步互联系统频率支援控制，控制方式上可以分成以下几类：基于站间通信的主从式控制、通过直流电压作为中间变量传递频率偏差的主从式控制、附加频率调节的下垂控制、虚拟同步机类的控制方法。但目前的控制策略主要存在以下缺点：
(1)主从式控制方法对站间通信的要求较高，换流站发生故障后需要比较复杂的切换，这限制了其应用范围。
(2)虚拟同步机类的控制方法则结构复杂，参数整定的难度较大。
(3)附加频率调节的下垂控制具有控制结构简单、端数扩展灵活、不依赖通信的优点，工程实用性较高。然而当频率出现较大扰动时，直流电压偏离额定值过大可能引起直流系统运行的中断，不利于保持系统稳定。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法，以提高电压质量和互联系统的稳定性。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法，所述方法针对多端柔性直流输电系统中的电压源换流站，采用的自适应下垂控制，表达式为：
其中Uref为直流电压参考值；Udc为直流电压实测值；K为传统P-U下垂控制的电压下垂系数；HVSC为虚拟惯性系数；N为该换流站所配置的直流电容数量；C为直流电容值；U0为直流电压实测值；f为交流系统频率实测值；f0为交流系统频率初始值；η为换流站负载率；Pref为有功功率参考值；SVSC为换流站的额定容量；P为直流侧有功功率实测值；K'为自适应电压下垂系数。
上述VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法，为了防止换流站有功功率指令值频繁调整，在频率变化量Δf上引入滞环控制，环宽为2fdm，若频率偏差在环宽以内，则将换流站有功功率指令值变化量ΔPref设置为0。
本方法利用虚拟惯性技术，将直流侧有功功率和交流侧系统频率耦合，使换流站在交流系统发生频率波动时能根据电压下垂系数变化适度调节功率参考值增量大小，减少直流电压在调节过程中的超调量，有效提高直流电压质量，提高了互联系统的稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为四端柔性直流输电系统结构图；
图2为下垂控制Udc-P特性曲线；
图3为换流器关系曲线；
图4为负荷增加后直流电压仿真波形；
图5为负荷减少后直流电压仿真波形；
附图或文中所用符号为：
HVDC：高压直流输电， VSC-MTDC：多端柔性直流输电，
Uref：直流电压参考值， Udc：直流电压实测值，
Pref：直流侧有功功率参考值， P：直流侧有功功率实测值，
f：频率实测值， f0：频率初始值，
K：传统电压下垂系数， β'：自适应频率下垂系数，
HVSC：虚拟惯性系数， C：直流电容值，
SVSC：换流站额定容量， ΔPref：有功功率参考值变化量，
η：换流站负载率， N：直流侧电容数量，
U0：直流电压初始值， U＇：P-U下垂曲线在U轴的截距，
K＇：自适应电压下垂系数， fdm：滞环控制的环宽，
考虑频率变化后的有功功率参考值， Δf：频率实测值与初始值的差值，
具体实施方式
参见图1，四端柔性直流输电系统包括：
交流系统1，与换流站2相连；
换流站2，与交流系统1和母线3相连，该换流站运行于整流状态，用于把交流系统1的交流电转换成直流电，输送到直流母线3；
直流母线3，与换流站2、换流站9和直流输电线路4相连，该母线用于汇聚换流站2和换流站9输送的电能，再经过直流输电线路4传输出去；
直流输电线路4，与母线3和母线5相连，该直流输电线路用于高压直流输电；
交流系统7，与换流站6相连。母线5，与直流输电线路4、换流站6和换流站10相连，该母线用于汇聚直流输电线路4的电能，再经过换流站6和换流站10给交流系统供电；
换流站6，与母线5和交流系统7相连，该换流站运行于逆变状态，用于把直流母线5的直流电转换成交流电，传输给交流系统7；
交流系统8，与换流站9相连；
换流站9，与交流系统8和母线3相连，该换流站运行于整流状态，用于把交流系统8的交流电转换成直流电，输送到直流母线3；
换流站10，与交流系统11和母线5相连，该换流站运行于逆变状态，用于把直流母线5的直流电转换成交流电，传输给交流系统11；
交流系统11，与换流站10相连。
本发明换流站2采用定有功功率控制，换流站6、换流站9和换流站10均采用下垂控制策略，考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制由如下过程获得：
第一步：利用同步发电机的转子运动方程和直流电容的动态方程建立直流电压和交流频率的关系，得到表达式：
其中HVSC为虚拟惯性系数；N为该换流站所配置的直流电容数量；C为直流电容值；SVSC为换流站的额定容量；f0为交流系统频率初始值；Udc为直流电压实测值；U0为直流电压实测值；f为交流系统频率实测值。
第二步：确定直流电压和有功功率的关系，根据上式并对其进行改进得到直流电压和有功功率的表达式为：
令
其中U'为P-U下垂曲线在U轴的截距；η为换流站负载率；P为直流侧有功功率实测值。
第三步：计算自适应电压下垂系数K'＝K-Kf，可得自适应电压下垂控制表达式为：
Udc＝Uref+K'(P-Pref)
其中K为传统P-U下垂控制的电压下垂系数；K'为自适应电压下垂控制系数；Uref为直流电压参考值；Pref为有功功率参考值。
第四步：利用同步发电机的转子运动方程和直流电容的动态方程以及传统电压下垂控制的表达式得到有功功率和交流频率的关系，其表达式为：
第五步：在自适应频率下垂控制下，定义β'为自适应频率下垂系数，表达式为：
第六步：综合自适应电压下垂系数K'和自适应频率下垂系数β'以及传统附加频率下垂控制表达式可得到考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制表达式为：
为了防止换流站有功功率指令值频繁调整，在频率变化量Δf上引入滞环控制，环宽为2fdm，若频率偏差在环宽以内，则将换流站有功功率指令值变化量ΔPref设置为0。
本发明利用虚拟惯性技术，建立直流电压与有功功率间耦合关系，得到自适应电压下垂控制策略，使换流站根据交流系统的调频能力灵活分配各换流站承担的功率，改善了交流系统的频率。
本方法利用虚拟惯性技术，将直流侧有功功率和交流侧系统频率耦合，使换流站在交流系统发生频率波动时能根据电压下垂系数变化适度调节功率参考值增量大小，减少直流电压在调节过程中的超调量，有效提高直流电压质量，提高了互联系统的稳定性。
参见图2，为传统电压下垂控制和自适应电压下垂控制Udc-P特性曲线。
传统电压下垂控制中下垂系数为定值，其控制方式为：
Uref-Udc＝K×(Pref-P)
当直流系统出现功率缺额时，各换流站分担的功率是固定值，容易导致调频能力弱的交流系统频率出现较大的波动。
自适应电压下垂控制中，其控制方式为：
自适应电压下垂控制中电压下垂系数不是定值，而是根据换流站负载率以及交流系统频率变化量进行自动调节。本发明中电压下垂系数K为负值，当交流系统频率变化量较大时，该交流系统所对应的的换流站下垂系数变大，则该换流站分配的功率降低从而减少交流系统的频率变化，自适应电压下垂控制能够根据交流系统频率变化量合理分配各换流站所承担的功率，改善交流系统的频率。
图3为换流器关系曲线。
传统附加频率下垂控制策略的关系曲线的频率下垂系数为定值，其控制方式为：
其中β为传统附加频率下垂控制中频率下垂系数；为考虑频率变化后的有功功率参考值。
传统附加频率下垂控制策略在电压下垂系数变化时容易导致有功功率参考值的变化量过大，从而造成直流电压变化幅度过大。自适应频率下垂系数与换流站容量成正比，与电压下垂系数K成反比，其控制方式为：
当系统频率变化量相同时，自适应频率下垂控制策略与传统附加频率下垂控制策略相比功率参考值的变化量较小，从而降低直流电压在功率调节过程中的超调量。
参见图4和图5，为负荷变化后常规控制策略和考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制策略电压变化对比图。
在常规控制策略下，电压下垂系数为K'，频率下垂系数为定值β，由于频率和有功功率参考值间是线性耦合关系，β值不能根据电压下垂系数的大小进行相应调整，当交流系统频率变化时有功功率参考值变化量较大，又因为电压下垂系数增加，直流电压在调节过程中出现较大波动，如图4和图5所示，超过直流电压安全稳定范围。
在考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制策略下，电压下垂系数为K'，频率下垂系数为β'，频率下垂系数和电压下垂系数耦合，因此加到功率参考值上的有功功率增量随着电压下垂系数的变化而变化，虽然电压下垂曲线变陡，但由于考虑频率变化后的有功功率参考值变化量较小，使得直流电压在调节过程中变化量较小，如图4和图5所示，距离直流电压规定的限值较远，电压质量得到改善。
综上所述，与现有技术相比较，本发明的考虑直流电压稳定的VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法利用虚拟惯性技术，将直流侧有功功率和交流侧系统频率耦合，直流侧有功功率和交流侧系统频率之间系数的大小与换流站容量成正比与电压下垂系数成反比，从而使换流站在交流系统发生频率波动时能根据电压下垂系数变化适度调节功率参考值增量大小，所述方法可以减少直流电压在调节过程中的超调量，有效提高直流电压质量，减少波动较大的直流电压对设备造成的冲击，改善交流系统频率，提高了互联系统的稳定性。
Claims (2)
1.一种VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法，其特征是，所述方法针对多端柔性直流输电系统中的电压源换流站，采用的自适应下垂控制表达式为：
其中Uref为直流电压参考值；Udc为直流电压实测值；K为传统P-U下垂控制的电压下垂系数；HVSC为虚拟惯性系数；N为该换流站所配置的直流电容数量；C为直流电容值；U0为直流电压实测值；f为交流系统频率实测值；f0为交流系统频率初始值；η为换流站负载率；Pref为有功功率参考值；SVSC为换流站的额定容量；P为直流侧有功功率实测值；K'为自适应电压下垂系数。
2.根据权利要求1所述的一种VSC-MTDC附加频率自适应下垂控制方法，其特征是，在频率变化量Δf上引入滞环控制，环宽为2fdm，若频率偏差在环宽以内，则将换流站有功功率指令值变化量ΔPref设置为0。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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