CN110649643B - 一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，同时提供了一种用于执行上述方法的系统。所述方法及系统包括受端换流站、送端换流站的控制：在受端换流站利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，解决了并入弱电网的谐振问题；并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性，以协调多受端换流站间的功率分配。此外，受端换流站直流侧电压还能自主响应电网频率变化，一方面可以自动调节直流系统潮流，从其他电网调用功率实现一次调频功能；另一方面还可以使直流母线电压与电网频率偏差挂钩，将电网频率变化信息配合送端换流站传递至风场侧，以辅助风场实现惯量响应。

Description

一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统

技术领域

本发明涉及多端柔性直流输电系统的控制技术领域，具体地，涉及一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，用于实现对电网主动频率响应的含风电场接入，应用于远距离海上风场并网的多端柔性直流输电系统，包括受端换流站与送端换流站的有功/无功控制策略。

背景技术

海上风场并网的多端柔性直流输电系统基本拓扑见图1，该系统主要由送端系统(风电场群)、送端换流站、直流架空线、直流断路器、限流电抗器、受端换流站及受端系统(交流电网)组成，风电场的风功率由送端换流站汇总注入直流系统中，再通过两个受端换流站间的协调分配输出到两个不同交流电网。该系统中，受端换流站主要负责直流母线电压的建立与维持，并协调分配注入各个电网的功率。而送端换流站任务为控制其交流侧电压幅值与频率的稳定，以便于风机的接入。

风电的波动特性会对电网频率的暂态稳定产生不利影响，最为突出的是惯量缺失导致的频率暂态稳定能力恶化。利用风电机组中转子及叶片中的储能来为电网提供短时间的惯量支撑，但在传统VSC-MTDC的控制模式下，风电场侧交流频率与电网频率解耦，风电场无法感知到电网频率变化，因此需要将电网频率信息传递至风电场侧；另外，还可以利用柔性直流输电功率控制灵活，控制速度快的优点，通过对潮流的快速控制，实现对交流电网的频率支撑，从而在一定程度上解决惯量缺失问题。经对现有技术的文献检索发现：F,DBianchi and J L Dominguez-Garcia.Coordinated Frequency Control Using MT-HVDCGrids With Wind Power Plants[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2016，7(1)：213-220.，采用主从控制，根据各交流电网的频率偏差，计算出风电场需要提供的额外支撑功率，并分配到各风场，利用风机叶片及转子惯量实现短时间的频率支撑，但这种方案需要大量的远距离通讯，其实时性和可靠性都存在一定问题。N R Chaudhuri，RMajumder，and B Chaudhuri.System Frequency Support Through Multi-Terminal DC(MTDC)Grids[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(1)：347-356.，采用P-U_dc-f双下垂控制，在传统的P-U_dc下垂的基础上添加了P-f下垂，在电网频率变化时自动调节潮流，从其他电网调用有功功率，提供频率支撑。

但以上的多端直流输电系统控制策略均基于电流矢量控制，即受端换流站相对于交流电网体现为一个电流源。这种控制策略往往采用锁相环(phase-locked loop，PLL)来实现与电网相位的同步，而近来许多研究表明，在接入弱电网时，锁相环的性能会有较大恶化，并引发一系列交互稳定性问题，如谐波振荡等。也有一些学者从阻抗角度指出，这是由于电流源型控制其输出阻抗在一定频带下呈容性，因此在电网变弱(等效电网阻抗增大)时出现谐振现象。

电压源型控制是提高换流站并弱电网稳定性的一种有效方式。在电压源型控制下，受端换流站的阻抗呈感性，不会产生与电网的交互谐振现象，具有较好的弱网运行能力。经对现有技术的文献检索发现，吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用[J].中国电机工程学报，2014，34(16)：2591-2603.，提出的虚拟同步控制，通过去除锁相环，改用类比同步发电机的转子运动方程完成自同步过程。但虚拟同步控制需要一个稳定的输入功率源来模拟同步发电机的机械转矩，不适用于波动风功率接入的场合。杨仁炘，张琛，蔡旭.具有频率实时镜像和自主电网同步能力的风场－柔直系统控制方法[J].中国电机工程学报，2017，37(02)：496-506.，在虚拟同步控制的基础上，利用直流系统等效电容的自然响应，以电容惯量取代虚拟同步控制中的虚拟惯量，实现了无锁相环的自同步，同时还能将电网频率变化反映到直流母线电压上，并通过送端换流站的协作，辅助风场实现对电网频率变化的惯量响应。但以上研究均针对点对点风场-柔直并网，换流站的工作模式往往为恒功率或者恒电压控制，在应用于风电-多端柔直并网系统中时，各受端换流站间只能采用主从控制来协调，这种控制方式对通讯可靠性的依赖较大，并且风电功率波动需要由主站全部承担，不适用于风电送出的场合。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是针对风电场经多端柔性直流输电并网的场景，提出一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，该方法及系统一方面实现了无锁相环的自主电网同步，受端换流站对交流侧体现为电压源，与常规控制方法相比大幅提高了受端换流站的弱网运行能力，另一方面受端换流站对直流侧体现为下垂特性，多受端换流站间可以不通过通讯手段自动分配潮流，并且在任一电网频率变化后能调节潮流为其提供一次调频，此外，直流汇集点电压能自动响应电网频率变化，通过送端换流站的协调控制可以将电网频率变化信息传递至风电机组，辅助风机实现惯量响应。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，用于海上风电场并网的多端柔性直流输电，包括：

在受端换流站，以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。

优选地，所述多端柔直系统控制方法，具体为：

定义下垂系数D与耦合系数K，得到式(1)：

式中，ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_nom为受端换流站输出交流电压的额定频率，U_dc为直流母线电压，U_{dc_nom}为直流母线电压额定值，U_{dc_ref}为直流母线电压给定值，P_ac为交流侧输出功率，P_ref为交流侧输出功率额定值；

通过式(1)得到受端换流站输出交流电压的频率，再将受端换流站输出无功功率的实际值与额定值比较，通过一个比例积分调节器后，作为受端换流站输出交流电压的幅值；

直流母线等效电容电压幅值与其两侧有功功率相关，即：

式中，P_dc为受端换流站直流侧功率，C为受端换流站直流侧等效电容；

同时，受端换流站交流输出功率为：

式中，U_rec为受端换流站输出交流电压的幅值，U_g为电网电压的幅值，ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_g为电网频率，δ为功角，X为并网阻抗及电网阻抗之和，m为调制比；

在式(1)所示控制下，受端换流站具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

当受端换流站输出交流电压的频率未与电网频率同步，则功角变小，受端换流站交流输出功率下降，由于此时受端换流站直流侧功率不变，根据式(2)，直流母线电压上升，此时式(1)中所建立的联系使得受端换流站输出交流电压的频率上升，直到与电网频率相同为止；即最终有：

对于直流系统中的n个受端换流站，结合式(1)与式(5)可得：

即对于第i个受端换流站，有：

稳态下各电网的Δω_g均为0，因此受端换流站的功率分配P_aci–P_refi与其下垂系数D_i成反比，通过修改P_refi与D_i即能够调节稳态下的功率分配；

将每个受端换流站的运行特性方程累加，有：

根据能量守恒原则，稳态下当直流系统中没有其他的功率来源时，式(8)中

即为注入直流系统的总风电功率P_WF，式(8)中

是一个常数，设其和为P_ref，整理式(8)，可得：

在电网频率变化过程中，设注入直流系统的风电功率不变，即P_WF-P_ref不变，将式(9)线性化后，直流母线电压变化量与电网频率变化量的关系为：

即当风功率一定时，直流母线电压变化量与电网频率变化量的加权和成正比，权重系数即为每个受端换流站的耦合系数与下垂系数之比，即K_m/D_m；因此直流母线电压能够反映多端直流输电系统相连的各交流电网的频率信息；

再将式(9)代入式(7)中，对于第i个受端换流器，有：

对于式(11)中

是单受端换流站i中P-U_dc以及U_dc-f双下垂曲线的交互作用结果，即Δf→ΔU_dc→ΔP，此部分功率大小与电网频率变化量Δω_gi成正比，且符号相反，符合一次调频的需求，通过调节耦合系数K_i以及下垂系数D_i的比例能够控制一次调频功率的大小；而式(11)中

是多个受端换流站间相互影响的结果，该部分功率与

符号相反，将削弱一次调频的效果，通过增大下垂系数D_i能够减轻这种影响。

优选地，所述下垂系数D与耦合系数K的取值方法为：

设稳态时直流母线电压的偏差不超过直流母线电压额定值的5％，即|U_dc-U_{dc_nom}|≤0.05U_{dc_nom}，结合式(9)有：

当电网i的频率发生变化，则式(11)整理为：

在设定下垂系数D与耦合系数K时，首先按式(12)式中

的最小值以及功率分配比例，确定各受端换流站的下垂系数D；再根据式(13)以及每个受端换流站所连交流电网的一次调频需求，确定每个受端换流站的耦合系数K。

优选地，在式(2)中，对于两电平换流器，C为其直流侧电容；对于MMC结构换流器，C为其子模块电容在直流侧的等效。

优选地，所述多端柔直系统控制方法，还包括：

在送端换流站通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与直流母线电压额定值的偏差乘以系数N_dc转化为风场内网交流频率的变化，实现通过检测交流侧频率得知电网频率的变化信息。

优选地，所述系数N_dc的取值方法为：

设直流母线电压的波动范围为±5％；风场内网交流频率的变化范围为±0.5Hz，即1％，因此有：

5％N_dc≤1％ (14)

即，N_dc≤0.2。

根据本发明的另一个方面，提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制系统，所述系统用于执行权利要求1至6中任一项所述的方法。

优选地，所述系统包括：

受端换流站控制模块，所述受端换流站控制模块以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。

优选地，所述系统还包括：

送端换流站控制模块，所述送端换流站控制模块通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与直流母线电压额定值的偏差乘以系数N_dc转化为风场内网交流频率的变化，实现通过检测交流侧频率得知电网频率的变化信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，是一种用于实现对电网主动频率响应的含风电场接入的多端柔性直流输电系统控制方法，在受端换流站将直流母线等效电容模拟为同步发电机转子，实现了受端换流站的无锁相环自同步，本质上是一种组网型控制，对弱电网适应性较强，同时直流侧电压与交流电网频率存在固有联动机制，能实现换流站间交流电网频率的无通讯传递，从而为自动频率响应奠定基础；

2、本发明提供的能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，利用该自同步控制策略直流母线电压跟踪电网频率的特性，与受端换流站的电压-功率下垂控制相结合，实现了多端直流输电系统对交流电网的一次调频功能；

3、本发明提供的能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，利用该自同步控制策略直流母线电压跟踪电网频率的特性，配合送端换流站将电网频率信息经由直流母线电压递至风电机组，实现了风电场对交流电网的无通信快速惯量响应；

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为海上风场并网的多端柔性直流输电系统基本拓扑图；

图2是本发明一实施例中受端换流站控制示意图；

图3是本发明一实施例中送端换流站控制示意图；

图4是本发明一实施例中对电网频率波动的响应仿真波形图；其中，(a)为电网频率，(b)为直流母线电压，(c)为受端换流站1有功功率，(d)为受端换流站2有功功率，(e)为风场1和风场2有功功率。

具体的实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，适用于海上风电场并网的多端柔性直流输电，在受端换流站采用以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以电网电压幅值及无功功率作为参考量，控制受端换流站输出交流电压幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

在受端换流站中，利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，解决了并入弱电网的谐振问题，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性，以协调多受端换流站间的功率分配。

进一步地，在受端换流站采用控制方法，是指：

定义一个下垂系数D与耦合系数K，有式(1)：

其中ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_nom为受端换流站输出交流电压的额定频率，U_dc为直流母线电压，U_{dc_nom}为直流母线电压额定值，U_{dc_ref}为直流母线电压给定值，P_ac为交流侧输出功率，P_ref为交流侧输出功率额定值；

在受端换流站中，直流侧等效电容电压幅值与其两侧功率相关：

P_dc为受端换流站直流侧功率，C为受端换流站直流侧等效电容，对于两电平换流器，C为其直流侧电容，而对于MMC结构换流器，C为其子模块电容在直流侧的等效。

同时，受端换流站交流输出功率为：

式中U_rec为受端换流站交流侧电压的幅值，U_g为电网电压的幅值，ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_g为电网频率，δ为功角，X为并网阻抗及电网阻抗等之和，m为调制比。

在(1)式所示控制下，受端换流站将会具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

当受端换流站输出交流频率未与电网同步，例如，ω_rec<ω_g，则功角变小，受端换流站交流输出功率下降，由于此时受端换流站直流侧功率不变，根据式(2)，直流母线电压会上升，此时式(1)中所建立的联系会使得受端换流站输出交流电压的频率上升，直到与电网频率相同为止。即最终有：

如此则利用受端换流站直流侧等效电容的自然惯性，实现了受端换流站对电网的自同步。这种同步方式不需要利用锁相环来获取并跟踪电网相位，在弱网下具有较强的稳定运行能力。

同时，本方法在控制回路中所添加下垂系数D，使受端换流站的直流侧体现为下垂特性，各受端换流站间可以根据下垂系数的大小实现功率的自动分配，避免冲突：

忽略传输线路上的压降，对于直流系统中的n个受端换流站，结合式(1)与式(5)可得：

即对于第i个受端换流站，有：

稳态下各电网的Δω_g均为0，因此受端换流站的功率分配P_aci–P_refi与其下垂系数D_i成反比，通过修改P_refi与D_i即可调节稳态下的功率分配。

将每个受端换流站的运行特性方程累加，有：

根据能量守恒原则，稳态下当直流系统中没有其他的功率来源时，上式左侧第一项

即为注入直流系统的总风电功率P_WF，左侧第二项

是一个常数，设其和为P_ref，整理式(8)，可得：

由于风功率变化速度较慢，在电网频率变化过程中，可认为注入直流系统的风电功率不变，即P_WF-P_ref不变，将式(9)线性化后，直流母线电压变化量与电网频率变化量的关系为：

即当风功率一定时，直流母线电压变化量与电网频率变化量的加权和成正比，权重系数即为每个受端换流站的耦合系数与下垂系数之比(K_m/D_m)。因此直流母线电压可以反映多端直流输电系统相连的各交流电网的频率信息。

再将式(9)代入(7)中，对于第i个换流器，有：

对于(11)式的等号右边，第一项

是单受端换流站i中P-U_dc以及U_dc-f双下垂曲线的交互作用结果(Δf→ΔU_dc→ΔP)，这部分功率大小与电网频率变化量Δω_gi成正比，且符号相反，符合一次调频的需求，通过调节耦合系数K_i以及下垂系数D_i的比例可以控制一次调频功率的大小；而第二项

是多个受端换流站间相互影响的结果，该部分功率与第一项

符号相反，会削弱一次调频的效果，通过增大下垂系数D_i可以减轻这种影响。

进一步地，下垂系数D与耦合系数K的取值方法：

一般情况下，稳态时直流母线电压的偏差不应超过直流母线电压额定值的5％，即|U_dc-U_{dc_nom}|≤0.05U_{dc_nom}，结合式(9)有：

因此，下垂系数系数D_m，各站功率参考值P_refm的值应根据各受端换流站间的功率分配比例来设计，并遵循式(12)的限制。

当电网i的频率发生变化，则式(11)可整理为：

因此，在设计D及K参数时，应当先按式(12)中

的最小值以及功率分配比例，确定各受端换流站的D参数，再根据式(13)以及每个受端换流站所连交流电网的一次调频需求，确定每个受端换流站的K参数。

进一步地，本发明实施例所提供的方法，还包括：

在送端换流站通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与额定值的偏差乘以一定系数(N_dc)转化为其交流侧频率的变化，由于风场汇集内网的频率由送端换流站整定，因此每台风电机组都能通过检测交流频率来迅速得知电网频率的变化信息。

进一步地：所述系数N_dc的取值方法：

一般直流母线电压的波动范围为±5％，而风场内网交流频率的变化范围为±0.5Hz(1％)，因此有：

5％N_dc≤1％ (14)

即N_dc≤0.2，为使传递精度尽量高，N_dc一般取最大值0.2。

下面结合附图对本发明上述实施例的技术方案进一步详细描述。

如图1所示，为现有海上风场并网的柔性直流输电系统基本拓扑图，系统主要由风场部分与柔性直流输电(后文简称柔性直流)部分组成，柔性直流部分包括送端换流站(SEC)、受端换流站(REC)以及直流电缆等结构。传统的矢量控制无法维持较理想的电流源特性，电流响应特性恶化，从而引发如谐波振荡等一系列交互稳定性问题。

本发明针对现有海上风场并网的柔性直流输电系统，在受端换流站采用惯性同步控制并网的方式，在原有电压源控制的基础上，以直流电容惯量取代虚拟惯量，在简化控制环的同时，通过直流电容的惯量响应在电网频率变化时使直流母线电压幅值能及时准确跟随其变化，传递电网频率信息。而后在送端换流站的协同控制中再将直流母线电压幅值的变化再次转变为其交流侧频率的变化，实现从岸上电网频率到风场侧交流频率的镜像映射。

以下对具体实现技术细节进行说明：

1)如图2所示，受端换流站控制

在受端换流站中，直流侧等效电容电压幅值与其两侧功率相关：

因此，直流功率与交流功率间的偏差会直接反映在直流母线电压上，这与同步发电机的转子运动特性非常相似：

式中J为同步发电机转动惯量，ω_m为转子转速，P_m为机械功率，P_e为并网电功率。对于同步发电机，当其输出频率未与电网同步，例如，其输出频率低于电网频率，则功角变小，并网功率P_e下降，等式(b)右边为正，从而使得转子转速上升，由于转子转速ω_m与发电机输出频率ω_e间存在如下关系(p为极对数)：

ω_m＝pω_e (c)

因此，发电机输出频率将上升，直到与电网频率相同为止，此即为同步发电机的自同步原理。那么，如果让受端换流站模拟同步发电机，将输出交流频率与直流母线电压通过式(d)联系起来：

其中，K为耦合系数，ω_nom及U_{dc_nom}分别为直流母线电压及交流频率的额定值。那么受端换流站将会具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

式中ω_g为电网频率，δ为功角。当受端换流站输出交流频率未与电网同步，例如，ω_rec<ω_g，则功角变小，受端换流站输出交流功率下降，由于此时直流侧功率不变，根据式(a)，直流母线电压会上升，此时式(d)中所建立的联系会使得输出交流频率上升，直到与电网频率相同为止。如此则利用受端换流站直流侧等效电容的自然惯性，实现了受端换流站对电网的自同步。这种同步方式不需要利用锁相环来获取并跟踪电网相位，在弱网下具有较强的稳定运行能力。

由于受端换流站的自同步效应，直流母线电压会始终跟随电网频率，即：

若电网频率不变，则受端换流站等效于工作在定直流母线电压控制模式下，当直流系统中存在多个受端换流站时，其控制模式会相互冲突，功率分配不可控。为解决这个问题，本专利在上文所述的控制回路中添加虚拟电阻，使受端换流站的直流侧体现为下垂特性，各受端换流站间可以根据下垂系数的大小实现功率的自动分配，避免冲突。即有：

式中D为下垂系数，其具体大小由各受端换流站间功率分配比例决定。

2)如图3所示，送端换流站控制

送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与额定值的偏差乘以一定系数(N_dc)转化为其交流侧频率的变化：

式中ω_WF为风场内网交流频率，由于风场汇集内网的频率由送端换流站整定，因此每台风电机组都能通过检测交流频率来迅速得知电网频率的变化信息。一般直流母线电压的波动范围为±5％，而风场汇集内网频率的变化范围为±0.5Hz(1％)，因此有：

5％N_dc≤1％ (i)

3)仿真验证

本文通过PSCAD/EMTDC软件，基于图1中的四端柔直系统构建了仿真模型。电网采用单同步机等效，电网1等效同步机容量为5GMVA，负载为2GW；电网2等效同步机容量为10GVA，负载为4GW；风电机组采用全功率风电机组聚合模型，风场1额定功率750MW，风场2额定功率1500MW，其他参数见表1。

根据实际工程需求，受端站1与受端站2的风功率分配比例为1:2，因此下垂系数D₁/D₂＝2，系统额定直流母线电压500kV，额定交流频率50Hz，P_ref1＝750MW，P_ref2＝1500MW，P_{WF_max1}＝750MW，P_{WF_max2}＝1500MW，P_{WF_min1}＝0MW，P_{WF_min2}＝0MW，因此有

取D₁＝1/30，D₂＝1/60。

对于受端换流站的一次调频能力，按其最大提供10％额定功率的支撑(此时电网频率偏差按±0.5Hz计)，对受端换流站1应为150MW/Hz，而对受端换流站2应为300MW/Hz。将该需求代入(13)式中，可得K₁＝1，K₂＝2。

表1仿真系统参数

工况：电网1有功负载在t＝2s时从2GW突增至2.5GW。

对比图4中(a)与(b)可以发现，在本专利所提出的控制策略下，当电网1频率下降后，直流母线电压会随之下降，同时直流系统潮流会自动调节，减小并入电网2的风功率(见图4中(d))，将这部分功率增加到受端站1的并网功率上(见图4中(c))，为电网1提供频率支撑，同时送端换流站通过直流母线电压的下降可以感知到电网频率的变化，并将该信息传递至风电场，从而辅助风电场实现惯量响应(见图4中(e))。直流母线电压的变化量及支撑功率大小均与前文理论计算相同。当风电场-多端柔直系统采用本专利所提出的控制策略，为电网1提供频率支撑后，电网1的频率最低值及频率下降速度均有很大改善。

基于本发明上述实施例所提供的能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，本发明实施例同时提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制系统，所述系统用于执行本发明上述实施例所提供的方法。

进一步地，所述系统包括：

受端换流站控制模块，所述受端换流站控制模块以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。

进一步地，所述系统还包括：

送端换流站控制模块，所述送端换流站控制模块通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与直流母线电压额定值的偏差乘以系数N_dc转化为风场内网交流频率的变化，实现通过检测交流侧频率得知电网频率的变化信息。

本发明上述实施例提供的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，包括受端换流站、送端换流站的控制：在受端换流站中，利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，采用以电容直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以电网电压幅值及无功功率作为参考量，控制受端换流站输出交流电压幅值，从而实现组网型控制并网，解决了并入弱电网的谐振问题；并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性，以协调多受端换流站间的功率分配；在送端换流站中，通过风场内网交流频率来向风电场传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与额定值的偏差乘以一定系数(N_dc)转化为其交流侧频率的变化，由于风场汇集内网的频率由送端换流站整定，因此每台风电机组都能通过检测交流频率来迅速得知电网频率的变化信息。

本发明上述实施例在受端换流站利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，解决了并入弱电网的谐振问题；并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性，以协调多受端换流站间的功率分配。此外，受端换流站直流侧电压还能自主响应电网频率变化，一方面可以自动调节直流系统潮流，从其他电网调用功率实现一次调频功能；另一方面还可以使直流母线电压与电网频率偏差挂钩，将电网频率变化信息配合送端换流站传递至风场侧，以辅助风场实现惯量响应。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，包括：

在受端换流站，以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性；

具体为：

定义下垂系数D与耦合系数K，得到式(1)：

式中，ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_nom为受端换流站输出交流电压的额定频率，U_dc为直流母线电压，U_{dc_nom}为直流母线电压额定值，U_{dc_ref}为直流母线电压给定值，P_ac为交流侧输出功率，P_ref为交流侧输出功率额定值；

通过式(1)得到受端换流站输出交流电压的频率，再将受端换流站输出无功功率的实际值与额定值比较，通过一个比例积分调节器后，作为受端换流站输出交流电压的幅值；

直流母线等效电容电压幅值与其两侧有功功率相关，即：

式中，P_dc为受端换流站直流侧功率，C为受端换流站直流侧等效电容；

同时，受端换流站交流输出功率为：

式中，U_rec为受端换流站输出交流电压的幅值，U_g为电网电压的幅值，ω_rec为受端换流站输出交流电压的频率，ω_g为电网频率，δ为功角，X为并网阻抗及电网阻抗之和，m为调制比；

在式(1)所示控制下，受端换流站具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

当受端换流站输出交流电压的频率未与电网频率同步，则功角变小，受端换流站交流输出功率下降，由于此时受端换流站直流侧功率不变，根据式(2)，直流母线电压上升，此时式(1)中所建立的联系使得受端换流站输出交流电压的频率上升，直到与电网频率相同为止；即最终有：

对于直流系统中的n个受端换流站，结合式(1)与式(5)可得：

即对于第i个受端换流站，有：

稳态下各电网的Δω_g均为0，因此受端换流站的功率分配P_aci–P_refi与其下垂系数D_i成反比，通过修改P_refi与D_i即能够调节稳态下的功率分配；

将每个受端换流站的运行特性方程累加，有：

根据能量守恒原则，稳态下当直流系统中没有其他的功率来源时，式(8)中

即为注入直流系统的总风电功率P_WF，式(8)中

是一个常数，设其和为P_ref，整理式(8)，可得：

在电网频率变化过程中，设注入直流系统的风电功率不变，即P_WF-P_ref不变，将式(9)线性化后，直流母线电压变化量与电网频率变化量的关系为：

即当风功率一定时，直流母线电压变化量与电网频率变化量的加权和成正比，权重系数即为每个受端换流站的耦合系数与下垂系数之比，即K_m/D_m；因此直流母线电压能够反映多端直流输电系统相连的各交流电网的频率信息；

再将式(9)代入式(7)中，对于第i个受端换流器，有：

对于式(11)中

是单受端换流站i中P-U_dc以及U_dc-f双下垂曲线的交互作用结果，即Δf→ΔU_dc→ΔP，此部分功率大小与电网频率变化量Δω_gi成正比，且符号相反，符合一次调频的需求，通过调节耦合系数K_i以及下垂系数D_i的比例能够控制一次调频功率的大小；而式(11)中

是多个受端换流站间相互影响的结果，该部分功率与

符号相反，将削弱一次调频的效果，通过增大下垂系数D_i能够减轻这种影响。

2.根据权利要求1所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，所述下垂系数D与耦合系数K的取值方法为：

设稳态时直流母线电压的偏差不超过直流母线电压额定值的5％，即|U_dc-U_{dc_nom}|≤0.05U_{dc_nom}，结合式(9)有：

当电网i的频率发生变化，则式(11)整理为：

在设定下垂系数D与耦合系数K时，首先按式(12)式中

的最小值以及功率分配比例，确定各受端换流站的下垂系数D；再根据式(13)以及每个受端换流站所连交流电网的一次调频需求，确定每个受端换流站的耦合系数K。

3.根据权利要求1所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，在式(2)中，对于两电平换流器，C为其直流侧电容；对于MMC结构换流器，C为其子模块电容在直流侧的等效。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，还包括：

在送端换流站，通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与直流母线电压额定值的偏差乘以系数N_dc转化为风场内网交流频率的变化，实现通过检测交流侧频率得知电网频率的变化信息。

5.根据权利要求4所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，所述系数N_dc的取值方法为：

设直流母线电压的波动范围为±5％；风场内网交流频率的变化范围为±0.5Hz，即1％，因此有：

5％N_dc≤1％ (14)

即，N_dc≤0.2。

6.一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1至5中任一项所述的方法。

7.根据权利要求6所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制系统，其特征在于，包括：

受端换流站控制模块，所述受端换流站控制模块以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：

利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。

8.根据权利要求7所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制系统，其特征在于，还包括：

送端换流站控制模块，所述送端换流站控制模块通过风场内网交流频率来传递电网频率信息，即：送端换流站检测直流母线电压变化，并将直流母线电压与直流母线电压额定值的偏差乘以系数N_dc转化为风场内网交流频率的变化，实现通过检测交流侧频率得知电网频率的变化信息。

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