CN111614102B - 多源耦合系统暂态电压控制方法 - Google Patents

Abstract

多源耦合系统暂态电压控制方法，本发明以提高特高压直流、火电、风电多源耦合系统暂态电压稳定性为目标，构建了特高压直流‑火电‑风电多源耦合系统暂态电压模型，推导暂态电压稳定性与风电、火电、直流系统及模型的函数关系，并针对暂态电压稳定性影响因子设计基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制方法，最大限度提升电网应对高比例新能源交直流外送系统暂态电压问题的能力。

Description

多源耦合系统暂态电压控制方法

技术领域

本发明属于多能源系统暂态电压控制策略领域，属于多源耦合系统暂态电压控制方法。

背景技术

随着我国经济社会的发展，用电需求将不断增长。我国负荷中心主要集中在东部地区， 而能源资源却分布不均，能源资源与电力需求的呈逆向分布。为在全国范围内实现能源资源 优化配置、缓解中东部地区用电紧张局面，通过区域电网互联和高压直流输电技术(HVDC， high-voltage direct current)形成大规模电力系统是我国电力工业的发展整体趋势。

在交直流混联电网的背景下，系统的频率、电压耦合性问题进一步凸显。特高压直流输 电系统输送容量较大，降低了特高压直流系统短路比(SCR)，一旦直流系统发生故障，将 对交流电网产生极大冲击。由于直流系统稳定运行时消耗的无功功率较大(约为传输有功功 率40％-60％)，直流系统发生双极闭锁等故障后，大量无功功率涌入交流系统，对交流系统 以及近区风电场产生暂态压升，可能引发风电场无序脱网等连锁故障，极大威胁电网安全稳 定运行。

发明内容

本发明通过搭建交直流混联背景下风火打捆外送系统电磁暂态模型，研究直流系统双极 闭锁、交流系统短路等故障方式下新能源及交直流系统的暂态电压耦合特性，推导暂态电压 稳定性与风电、火电、直流系统及模型的函数关系，并针对暂态电压稳定性影响因子给出电 压稳定控制策略，最大限度提升电网应对高比例新能源交直流外送系统暂态电压问题的能 力。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：

多源耦合系统暂态电压控制方法，其步骤为：

1)DFIG并网结构及控制：

双PWM变换器由机侧和网侧两个PWM变换器组成，各自功能独立；网侧变换器实现电网 侧功率因数控制和保持直流电压稳定，机侧变流器实现DFIG的矢量变换控制，通过坐标变 换确保DFIG输出解耦的有功功率和无功功率；中间直流环节采用电容连接，两个变流器实 现独立控制并进行有功交换；

旋转坐标系交直轴电流通过变换得到的电压电流量均为直流量，采用变流器控制系统， 电流d轴分量与交流侧电流的有功分量对应，电流q轴分量与交流侧电流的无功分量对应， 实现对交流侧电流有功分量和无功分量的独立解耦控制；

1.1)DFIG机组d-q解耦控制：DFIG风电机组主要由风轮机、增速齿轮箱、感应电机、变流器构成，其中DFIG定子侧与电网直接相连，转子侧与电网间接连接，DFIG风电机组通过控制转子励磁实现d-q解耦控制；

1.2)运用派克变换将三相电流转化成定子电流的交直轴d-q分量；

1.3)令同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量u_d重合，使u_q为零，简化DFIG并网d-q解耦控制；

2)同步火电机组电磁暂态数学模型：运用交直轴暂态时间常数，体现火电机组与1) 中所建立DFIG风机策略在不同时间尺度上对电网电压的贡献程度，配合E″恒定的三阶数 学模型，建立的火电机组模型；

3)特高压直流输电系统数学模型及控制：对于远距离输送电能采用高压直流输电，建 立HVDC竖向模型；

4)基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制：通过死区与动作时间 常数的参数设置使STATCOM率先动作，在电压波动的暂态阶段对系统无功产生快速响应；且 使有载调压及并联电容器在STATCOM动作后迅速投入。

所述的步骤1.1)中，具体方法为：

双馈风电机组有功出力公式为：

其中，P_W为转子机械功率；r为风机转子半径；F_a为空气阻力系数；V_W是风速，

为系统功角；

双馈风电机组机械转矩计算公式为：

其中，T_m为转子机械转矩；P_W为转子机械功率；W_m为转子侧转速标幺值。

所述的步骤1.2)中，具体方法为：

派克变换公式如下：

其中，i_a、i_b、i_c为网侧三相电流；i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i₀为零轴电 流，θ为相电流夹角；

忽略零轴分量可得：

派克反变换为如下形式：

其中，派克变换的系数为2/3，派克反变换的系数为1；

网侧电压源型PWM变流器的拓扑结构中，u_a、u_b、u_c为网侧三相电压；v_a、v_b、v_c分别为变流器桥臂交流侧相对电源中性点O点的电压；u_dc为直流侧电容电压，i_L为直流侧 电流；

经过坐标系变换后，交直轴坐标系下电压电流方程如公式(4)、(5)所示，根据PWM变流器拓扑可推导得到公式(6)-(8)：

其中，R为电阻，ω为转速；L为电感；v_d为转速d轴分量，v_q为转速q轴分量，u_d为 电压d轴分量；u_q为电压q轴分量，S_d为功率d轴分量，S_q为功率q轴分量；

将变流器在d-q坐标系下的电压电流方程展开可得：

其中，ω₁Li_q为电感q轴电压值，-ω₁Li_d为电感d轴电压值，ω₁Li_q和-ω₁Li_d是需要消去 的交叉耦合项，u_d和u_q通过引入相应的电压前馈补偿项消除其扰动的影响；

引入消除交叉耦合项和前馈补偿项可得公式(9)，将式(8)与式(9)联立消去耦合项和补偿项电压电流方程，如公式(10)：

其中，v_dref为转速d轴分量参考值，v_qref为转速q轴分量参考值，k_p为交叉耦合项系数，k_i为前馈补偿项系数，s为频域系数，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值。

所述的步骤1.3)中，具体方法为：

当采用电网电压定向的矢量控制时简化控制设计，即令同步旋转坐标系d轴与电网电压 矢量u_d重合，使u_q为零，此时，公式(10)转换为：

所述的步骤2)中，具体方法为：

考虑风火联合电压综合特性后转子绕组电压方程为：

其中，X_d为直轴电抗，X_q为交轴电抗，X′_d为直轴暂态电抗，X′_q为轴暂态电抗，X″_d为d轴次暂态电抗，X″_q为q轴次暂态电抗，e′_d为直轴暂态感应电势，e′_q为交轴暂态感应电 势，e″_d为直轴次暂态感应电势，e″_q为交轴次暂态感应电势，T′_d0为直轴暂态时间常数， T′_q0为交轴暂态时间常数，T″_d0为直轴次暂态时间常数，T″_q0为交轴次暂态时间常数，E_fq为机 组稳态空载电压。

所述的步骤3)中，具体方法为：

整流站和逆变站均为双桥串联结构，构成12脉动换流桥，整流侧换流二次侧额定电压 的设置目标为保持线路中点电压为500kV；

其中，V_r2为整流侧换流二次侧额定电压，V_dr为直流母线电压，cosα为触发角余弦值，X_C为系统容抗，X_R为系统阻抗。

整流变二次侧额定电流为：

其中，I_r2为整流变二次侧额定电流，I_dr为直流母线电流

整流侧变压器额定容量为：

其中，S_r为整流侧变压器额定容量，I_r2为整流变二次侧额定电流，V_r2为整流侧换流二次 侧额定电压。

本发明创造的有益效果为：本发明以提高特高压直流、火电、风电多源耦合系统暂态电 压稳定性为目标，构建了特高压直流-火电-风电多源耦合系统暂态电压模型，推导暂态电压 稳定性与风电、火电、直流系统及模型的函数关系，并针对暂态电压稳定性影响因子设计基 于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制方法，极大提升了电网应对高比例 新能源交直流外送系统暂态电压问题的能力。

附图说明

图1为双馈风机电路原理图；

图2为DFIG网侧变流器控制原理图；

图3为HVDC基本结构图；

图4为实施例1的HVDC基本结构图；

图5a为实施例1的盛天风机侧电压曲线；

图5b为实施例1的盛天风机侧有功功率曲线；

图5c为实施例1的盛天风机侧无功功率曲线；

图6a为实施例1的SVC输出无功功率曲线；

图6b为实施例1的系统电纳与相角变化曲线。

具体实施方式

多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)DFIG并网结构及控制：

1.1)DFIG机组d-q解耦控制：DFIG风电机组主要由风轮机、增速齿轮箱、感应电机、变流器构成，其中DFIG定子侧与电网直接相连，转子侧与电网间接连接，DFIG风电机组通过控制转子励磁实现d-q解耦控制，具体方法为：

双馈风电机电路结构如图1所示，双馈风电机组有功出力公式为：

其中，P_W为转子机械功率；r为风机转子半径；F_a为空气阻力系数；V_w是风速，

为系统功角；

双馈风电机组机械转矩计算公式为：

其中，T_m为转子机械转矩；P_W为转子机械功率；W_m为转子侧转速标幺值。

1.2)运用派克变换将三相电流转化成定子电流的交直轴d-q分量，具体方法为：

派克变换公式如下：

其中，i_a、i_b、i_c为网侧三相电流；i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i₀为零轴电 流，θ为相电流夹角；

忽略零轴分量可得：

派克反变换为如下形式：

其中，派克变换的系数为2/3，派克反变换的系数为1；这属于恒幅值变换。在PSCAD/EMTDC仿真分析中，运用的就是恒幅值变换；

网侧电压源型PWM变流器的拓扑结构中，u_a、u_b、u_c为网侧三相电压；u_a、v_b、v_c分别为变流器桥臂交流侧相对电源中性点O点的电压；u_dc为直流侧电容电压，i_L为直流侧 电流；

经过坐标系变换后，交直轴坐标系下电压电流方程如公式(4)、(5)所示，根据PWM变流器拓扑可推导得到公式(6)-(8)：

其中，R为电阻，ω为转速；L为电感；v_d为转速d轴分量，v_q为转速q轴分量，u_d为 电压d轴分量；u_q为电压q轴分量，S_d为功率d轴分量，S_q为功率q轴分量；

将变流器在d-q坐标系下的电压电流方程展开可得：

其中，ω₁Li_q为电感q轴电压值，-ω₁Li_d为电感d轴电压值，ω₁Li_q和-ω₁Li_d是需要消去 的交叉耦合项，u_d和u_q通过引入相应的电压前馈补偿项消除其扰动的影响；

引入消除交叉耦合项和前馈补偿项可得公式(9)，将式(8)与式(9)联立消去耦合项和补偿项电压电流方程，如公式(10)：

其中，v_dref为转速d轴分量参考值，v_qref为转速q轴分量参考值，k_p为交叉耦合项系数，k_i为前馈补偿项系数，s为频域系数，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值。

1.3)令同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量u_d重合，使u_q为零，简化DFIG并网d-q解耦控制，具体方法为：

由于网侧变流器交流侧直接与电网相接，当采用电网电压定向的矢量控制时可简化控制 设计，即令同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量u_d重合，使u_q为零。此时，公式(10)转换为：

网侧变流器解耦控制原理如图2所示，双PWM变换器由机侧和网侧两个PWM变换器组 成，各自功能独立；网侧变换器实现电网侧功率因数控制和保持直流电压稳定，机侧变流器 实现DFIG的矢量变换控制，通过坐标变换确保DFIG输出解耦的有功功率和无功功率；中间 直流环节采用电容连接，两个变流器实现独立控制并进行有功交换；旋转坐标系交直轴电流 通过变换得到的电压电流量均为直流量，采用变流器控制系统，电流d轴分量与交流侧电流 的有功分量对应，电流q轴分量与交流侧电流的无功分量对应，实现对交流侧电流有功分量 和无功分量的独立解耦控制。

2)同步火电机组电磁暂态数学模型：本发明建立的火电机组模型考虑采用E″恒定的三 阶数学模型。同时，为综合考虑火电机组与S1步骤中所建立DFIG风机策略在不同时间尺度 上对电网电压的贡献程度，本发明考虑运用交直轴暂态时间常数来加以体现。考虑风火联合 电压综合特性后转子绕组电压方程为：

其中，X_d为直轴电抗，X_q为交轴电抗，X″_d为直轴暂态电抗，X′_q为轴暂态电抗，X″_d为d轴次暂态电抗，X″_q为q轴次暂态电抗，e′_d为直轴暂态感应电势，e′_q为交轴暂态感应电 势，e″_d为直轴次暂态感应电势，e″_q为交轴次暂态感应电势，T″_d0为直轴暂态时间常数， T″_q0为交轴暂态时间常数，T″_d0为直轴次暂态时间常数，T″_q0为交轴次暂态时间常数，E_fq为机 组稳态空载电压。

3)特高压直流输电系统数学模型及控制，在步骤1)、步骤2)所设计的DFIG及火电控制策略的基础上，设计风火多源系统通过特高压直流工程送出的打捆外送系统的数学模型 及控制策略。鉴于远距离输送电能，直流线路损耗小、造价低、调节速度快等优点，对于远 距离输送电能均采用高压直流输电。HVDC能实现各地区电网互联，线路间无落点，无电压 支撑，主要用于将类似西北等偏远地区过剩的电能资源远距离输送到华东高负荷地区。HVDC 设备主要包括换流阀、换流变压器、平波电抗器、交/直流滤波器、无功补偿设备等，HVDC 基本结构如图3所示。

整流站和逆变站均为双桥串联结构，构成12脉动换流桥，整流侧换流二次侧额定电压 的设置目标为保持线路中点电压为500kV；

其中，V_r2为整流侧换流二次侧额定电压，V_dr为直流母线电压，cosα为触发角余弦值，X_C为系统容抗，X_R为系统阻抗。

整流变二次侧额定电流为：

其中，I_r2为整流变二次侧额定电流，I_dr为直流母线电流

整流侧变压器额定容量为：

其中，S_r为整流侧变压器额定容量，I_r2为整流变二次侧额定电流，V_r2为整流侧换流二次 侧额定电压。

4)基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制：通过死区与动作时间 常数的参数设置使STATCOM率先动作，在电压波动的暂态阶段对系统无功产生快速响应；且 使有载调压及并联电容器在STATCOM动作后迅速投入。具体的，基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制方法。经典的电压稳定控制方法有两种，分别为“Vref型AVR”和“ΔV型AVR”。其中，“Vref型AVR”方法根据电网参考电压进行控制，通过 输出无功功率以控制电压达到参考值，STATCOM的斜坡电抗会改变无功功率输出的灵敏度。 “ΔV型AVR”方法通过检测电压波动的变化量来输出无功功率，以补偿电压波动的变化 量，该方法通过复位滤波器的时间常数来决定抑制波动的周期，同时STATCOM的斜坡电抗也 会改变无功功率输出的灵敏度。经典的无功电压控制方法并未考虑STATCOM等无功补偿装置 的无功裕度问题，达不到避免电压崩溃的要求。因此，由于STATCOM具有快速响应AVR，为 和现有调压设备及并联无功补偿装置协调配合，本发明在设计多元件协同暂态电压控制方法 时，通过死区与动作时间常数的参数设置使STATCOM率先动作，在电压波动的暂态阶段对系 统无功产生快速响应；同时，为了保证电网稳态过程中的无功平衡，使有载调压及并联电容 器在STATCOM动作后迅速投入，从而在保证STATCOM装置的无功功率输出裕度的同时，最大 限度发挥各无功补偿装置作用。

实施例1：

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明以我国西北地区某特高压直流工程为实际研究对象，该特高压直流工程送端换流 站位于西北某地，受端换流站为中原地区，输电线路的全长达2210千米，导线截面6×103 mm2。该系统模型中风电机组采用技术成熟的双馈式感应异步风电机组，火电机组采用考虑 次暂态和暂态电势的三阶模型，特高压直流系统模型及控制策略以实际工程参数基准。“风 火打捆”特高压直流输电外送系统电磁暂态模型如图4所示。

本发明计算边界条件为特高压直流换流站双极运行，正常方式输送有功功率7700MW， 12个风电场总共投入267台风机，全部以13m/s的风速运行，送出有功功率640MW，火电 厂2台1200MW机组投入运行，8台660MW机组投入运行，送出有功功率5000MW。三相短路故障设置在风电场35千伏侧，故障时间为2.2-2.32秒。风机机侧电压以及有功、无功 响应特性如图5所示。

从仿真结果可以看出，故障发生后风电场侧节点电压跌落，有功变化不大，无功略微增 加，而其它风电场则出现有功跌落情况，无功同样略微增加，导致风电场短时间出现无功略 微过剩的情况。而在故障被切除时，风电场PCC母线及机端母线电压都略有升高趋势，但对 风电场整体及各个风场电压影响不是很大，但如果电压升高过高，将会出现过电压保护切机 事故。

针对上述电压问题，应用本发明所提出的基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同 暂态电压控制方法，针对暂态电压稳定性影响因子给出电压稳定控制策略，在指定风电场加 装动态无功补偿装置STATCOM，同时协调控制直流近区有载调压、并联电容器。

从仿真结果可以看出，风机35kV侧配置的STATCOM在故障发生时输出的容性无功功率 出现突增，这是由于在系统发生三相短路故障瞬间系统电压严重降低，STATCOM自动电压调 节器会补充发出无功功率提高电压，而此时TCR电纳并无变化，电容器始终保持投切1级的 情况，电压维持稳定，无需电容器继续协调动作。

Claims (6)

1.多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)DFIG并网结构及控制：

1.1)DFIG机组d-q解耦控制：DFIG风电机组主要由风轮机、增速齿轮箱、感应电机、变流器构成，其中DFIG定子侧与电网直接相连，转子侧与电网间接连接，DFIG风电机组通过控制转子励磁实现d-q解耦控制；

1.2)运用派克变换将三相电流转化成定子电流的交直轴d-q分量；

1.3)令同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量u_d重合，使u_q为零，简化DFIG并网d-q解耦控制；

2)同步火电机组电磁暂态数学模型：运用交直轴暂态时间常数，体现火电机组与1)中所建立DFIG风机策略在不同时间尺度上对电网电压的贡献程度，配合E″恒定的三阶数学模型，建立的火电机组模型；

考虑风火联合电压综合特性后转子绕组电压方程为：

其中，X_d为直轴电抗，X_q为交轴电抗，X′_d为直轴暂态电抗，X′_q为轴暂态电抗，X″_d为d轴次暂态电抗，X″_q为q轴次暂态电抗，e′_d为直轴暂态感应电势，e′_q为交轴暂态感应电势，e″_d为直轴次暂态感应电势，e″_q为交轴次暂态感应电势，T′_d0为直轴暂态时间常数，T′_q0为交轴暂态时间常数，T″_d0为直轴次暂态时间常数，T″_q0为交轴次暂态时间常数，E_fq为机组稳态空载电压；

3)特高压直流输电系统数学模型及控制：对于远距离输送电能采用高压直流输电，建立HVDC竖向模型；

4)基于STATCOM、有载调压、并联电容器的协同暂态电压控制：通过死区与动作时间常数的参数设置使STATCOM率先动作，在电压波动的暂态阶段对系统无功产生快速响应；且使有载调压及并联电容器在STATCOM动作后迅速投入。

2.根据权利要求1所述的多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中，具体方法为：双PWM变换器由机侧和网侧两个PWM变换器组成，各自功能独立；网侧变换器实现电网侧功率因数控制和保持直流电压稳定，机侧变流器实现DFIG的矢量变换控制，通过坐标变换确保DFIG输出解耦的有功功率和无功功率；中间直流环节采用电容连接，两个变流器实现独立控制并进行有功交换；旋转坐标系交直轴电流通过变换得到的电压电流量均为直流量，采用变流器控制系统，电流d轴分量与交流侧电流的有功分量对应，电流q轴分量与交流侧电流的无功分量对应，实现对交流侧电流有功分量和无功分量的独立解耦控制。

3.根据权利要求1所述的多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，所述的步骤1.1)中，具体方法为：

双馈风电机组有功出力公式为：

其中，P_W为转子机械功率；r为风机转子半径；F_a为空气阻力系数；V_W是风速，

为系统功角；

双馈风电机组机械转矩计算公式为：

其中，T_m为转子机械转矩；P_W为转子机械功率；W_m为转子侧转速标幺值。

4.根据权利要求1所述的多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，所述的步骤1.2)中，具体方法为：

派克变换公式如下：

其中，i_a、i_b、i_c为网侧三相电流；i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，i₀为零轴电流，θ为相电流夹角；

忽略零轴分量可得：

派克反变换为如下形式：

其中，派克变换的系数为2/3，派克反变换的系数为1；

网侧电压源型PWM变流器的拓扑结构中，u_a、u_b、u_c为网侧三相电压；v_a、v_b、v_c分别为变流器桥臂交流侧相对电源中性点O点的电压；u_dc为直流侧电容电压，i_L为直流侧电流；

经过坐标系变换后，交直轴坐标系下电压电流方程如公式(4)、(5)所示，根据PWM变流器拓扑可推导得到公式(6)-(8)：

其中，R为电阻，ω为转速；L为电感；v_d为转速d轴分量，v_q为转速q轴分量，u_d为电压d轴分量；u_q为电压q轴分量，S_d为功率d轴分量，S_q为功率q轴分量；

将变流器在d-q坐标系下的电压电流方程展开可得：

其中，ω₁Li_q为电感q轴电压值，-ω₁Li_d为电感d轴电压值，ω₁Li_q和-ω₁Li_d是需要消去的交叉耦合项，u_d和u_q通过引入相应的电压前馈补偿项消除其扰动的影响；

引入消除交叉耦合项和前馈补偿项可得公式(9)，将式(8)与式(9)联立消去耦合项和补偿项电压电流方程，如公式(10)：

其中，v_dref为转速d轴分量参考值，v_qref为转速q轴分量参考值，k_p为交叉耦合项系数，k_i为前馈补偿项系数，s为频域系数，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值。

5.根据权利要求4所述的多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，所述的步骤1.3)中，具体方法为：

当采用电网电压定向的矢量控制时简化控制设计，即令同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量u_d重合，使u_q为零，此时，公式(10)转换为：

6.根据权利要求1所述的多源耦合系统暂态电压控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，具体方法为：

整流站和逆变站均为双桥串联结构，构成12脉动换流桥，整流侧换流二次侧额定电压的设置目标为保持线路中点电压为500kV；

其中，V_r2为整流侧换流二次侧额定电压，V_dr为直流母线电压，cosα为触发角余弦值，X_C为系统容抗，X_R为系统阻抗；

整流变二次侧额定电流为：

其中，I_r2为整流变二次侧额定电流，I_dr为直流母线电流

整流侧变压器额定容量为：

其中，S_r为整流侧变压器额定容量，I_r2为整流变二次侧额定电流，V_r2为整流侧换流二次侧额定电压。

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