CN112366755A - 基于mmc子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MMC子模块能量同步的风场‑柔直控制方法及系统，所述方法包括受端换流站、送端换流站的控制。受端换流站的控制分为两部分，在交流侧，计算所有子模块能量和，并利用该能量实现对电网的无锁相环自同步问题，解决了传统电流型矢量控制弱电网下运行性能不佳的问题，同时，通过对电网频率的快速同步，可以实时地获取电网频率信息；在直流侧，利用补偿调制快速调节直流电压跟踪电网频率变化。送端换流站通过检测直流电压将电网频率变化反馈到风电场汇集点频率，辅助风场实现惯量响应。本发明具备良好的弱网运行性能，并可以主动支撑电网频率。

Description

基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风电场-柔性直流并网系统的控制技术领域，具体地，涉及一种能利用MMC子模块能量自主同步电网的风场-柔直控制方法及系统。

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)、交流海缆、送端换流站(海上换流站)、直流海缆、受端换流站(岸上换流站)及受端系统(交流电网)组成，风电场的风功率由送端换流站转换为直流送出，再通过受端换流站转换为交流输入交流电网。

该系统中，受端换流站主要用于工作在恒直流电压控制模式下，建立并维持直流输电的电压。送端换流站一般工作在V-f控制模式下，维持交流侧电压幅值与频率恒定，便于风电场群的接入。传统控制下，受端换流站一般采用直流电压-交流电流双闭环电流源型矢量控制，这种控制方法采用锁相环对电网电压进行定向。但随着可再生能源在电网占比的不断增加，电网等效强度会变弱，尤其是对于额定容量较大的风场-柔直并网系统，其并网点短路比较小，近来许多研究表明，接入短路比较小的弱电网时，锁相环的性能会有较大恶化，从而引发一系列交互稳定性问题。

采用电压源型控制可以有效解决受端换流站并入弱电网稳定性的问题，在电压源型控制下，受端换流站可利用功率平衡实现对电网频率及相位的同步，而非采用锁相环。具备良好的弱网运行能力。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，通过模拟同步发电机的转子运动方程，利用虚拟惯量来完成同步过程，但这种控制方法主要针对储能变换器设计，考虑直流侧为恒定电压源，在应用于风场-柔直并网系统受端换流站时，需要加入直流电压外环，导致控制环复杂，参数难以整定，另外较大的虚拟惯量使得受端换流站的功率调节速度变慢，导致直流电压动态控制性能变差。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，以较为简单的控制结构实现了风场-柔直并网系统中受端换流站的无锁相环自同步，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。但该研究主要针对两电平型换流器，随着直流输电电压等级不断升高，目前柔性直流输电系统换流站主要采用模块化多电平拓扑，即MMC拓扑，对于MMC结构的受端换流站，可以利用子模块内部能量实现直流侧与交流侧的解耦控制，不仅能够实现交流侧的快速同步，同时具备良好的直流电压动态控制性能，能够应对较大的功率波动。

因此，目前还没有发现针对风电场经柔性直流输电并网的场景的基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制技术。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提出一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统。

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，一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法，用于海上风电场并网的柔性直流输电，包括：

在受端换流站MMC交流侧，以所有子模块电容能量之和作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以子模块电容能量之和及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；其中：

通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项。从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

可选地，所述方法还包括：在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪。

优选地，所述方法还包括：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映射系数K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。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统，包括：受端换流站交流侧控制模块，所述受端换流站交流侧控制模块以所有子模块电容能量之和作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以子模块电容能量之和及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；其中：

所述受端换流站交流侧控制模块根据受端换流站交流频率，通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项，从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

可选地，所述系统还包括受端换流站直流侧控制模块、送端MMC换流站控制模块中一个或两个，其中：

所述受端换流站直流侧控制模块在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪；

所述送端MMC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映射系数K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。

本发明上述方法及系统针对风电场经柔性直流输电并网的场景，在受端换流站交流侧利用子模块能量和的实时平衡实现了无锁相环的自主电网同步，受端换流站对电网体现为电压源，大幅提升了受端换流站的弱电网运行能力。进一步的，在直流侧利用补偿调制，通过对直流内电势(即MMC子模块调制电压中的直流分量)的调节，快速调节直流端口电压，从而实现良好的直流电压动态控制性能。同时，通过自同步获得的电网频率信息，也可以通过直流电压传递至风场侧，辅助风机实现惯量响应。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

1、本发明提供的基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统，是一种用于实现弱电网稳定运行的含风电场接入的柔性直流输电系统控制方法，在受端MMC的交流侧控制上通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项。从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力，具备良好的弱网运行能力；

2、本发明提供的基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统，在受端MMC的直流侧控制上，利用补偿调制，通过对直流内电势(即MMC子模块调制电压中的直流分量)的调节，快速调节直流端口电压，从而实现良好的直流电压动态控制性能；

3、本发明提供的基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统，通过自同步获得的电网频率信息，可以借由快速的直流电压调节能力，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场，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为现有海上风场-柔性直流并网系统基本拓扑图；

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。

参照图1-4所示，本发明实施例提供一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法，用于实现弱电网下风场-柔直并网系统的稳定接入，并且能对电网提供主动频率响应，应用于远距离海上风场并网的柔性直流输电系统，具体实现中包括受端换流站和送端换流站的有功/无功控制策略。

本发明实施例提供了一种基于MMC子模块能量同步，具备较强弱电网接入能力的风场-柔直控制方法，在受端换流站MMC交流侧，以所有子模块电容能量之和作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以子模块电容能量之和及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；其中：通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项。从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

进一步的，所述方法还包括：在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪。

在上述实施例基础上，作为一优选方案，在受端MMC换流站中，对于交流侧控制，计算子模块能量和E_total：

式中，C_SM为MMC子模块电容容值，U_SMn为第n个模块的电容电压幅值。

定义虚拟惯量时间常数H_v得到式(2)：

式中，

为受端MMC换流站输出频率与额定值偏差的标幺值，ΔE_total为受端MMC换流站子模块能量和与额定值偏差的有名值，S_nom为额定容量。

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初始给定值(标幺值)

再定义虚拟阻尼系数D_v得到式(3)：

式中，

为受端MMC换流站稳态工作点的交流有功功率。根据式(3)计算出用于阻尼补偿的

并与

相加计算出最终受端MMC换流站的输出交流电压幅值：

通过式(2)得到受端MMC换流站输出交流电压的频率，通过式(2)得到受端MMC换流站输出交流电压的幅值，最终计算出受端MMC换流站三相交流电压输出：

式中t为时间，ω_rec为受端MMC换流站输出频率的有名值，U_ac为受端MMC换流站输出交流电压幅值的有效值，U_aca、U_acb及U_acc分别为A、B、C三相交流电压的参考值。

受端MMC换流站子模块能量和与交流侧功率及直流侧功率的关系如下：

式中，

为受端换流站直流侧功率的标幺值，

为受端换流站交流侧功率的标幺值；由于式(3的存在，E_total的变化会引起受端MMC换流站输出交流电压的变化，进而引起

的变化：

式中，P_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流功率的额定值，U_g为电网电压的幅值，X为并网阻抗及电网阻抗之和，△U_ac为受端MMC换流站输出交流电压与额定值偏差的有名值，δ₀为受端MMC换流站在稳态工作点的功角，U_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流电压的额定值，P_ac0为受端MMC稳态工作点交流有功功率的有名值，

为受端MMC稳态工作点交流有功功率的标幺值。

结合式(2、式(6及式(7可以得到：

式(8与同步发电机的摇摆方程类似，可以建立起与同步发电机类似无锁相环的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

式中，ω_g为电网频率，δ为受端MMC换流站的功角，P_ac受端MMC输出交流有功功率，E_total为受端MMC子模块能量和，ω_rec为受端MMC输出交流频率。

当电网频率上升，导致受端MMC换流站输出交流功角变小，输出交流有功功率变小。此时输入直流功率大于输出交流有功功率，导致受端MMC换流站子模块能量和变大，受端MMC换流站增大其输出交流频率，直到与电网频率达到同步。

在上述实施例基础上，作为一个优选方式，在受端MMC换流站中，对于直流侧控制，将交流侧输出频率的偏差

转化为直流端口电压参考值与额定直流电压的偏差

式中K为映射系数，

为直流端口电压额定值的标幺值，

为直流端口参考值的标幺值。再将直流端口电压参考值与实际测量值比较，经过一个PI环节后得到受端MMC的直流电压输出值E_dc。由于式(9所述的同步过程，

将与电网频率保持动态同步，因此通过式(10可以将电网频率变化实时映射到直流电压上。

在上述实施例基础上，作为一优选方式，根据受端MMC换流站输出交流三相电压参考值U_aca、U_acb及U_acc，和受端MMC的直流电压输出值E_dc，计算出受端MMC六个桥臂的参考输出电压：

其中，U_pa、U_pb、U_pc分别为A、B、C三相上桥臂的参考输出电压，U_na、U_nb、U_nc分别为A、B、C三相下桥臂的参考输出电压。U_cira、U_cirb、U_circ为二倍频环流控制的输出电压，用于控制受端MMC换流器内的二倍频环流。将六个桥臂的参考输出电压，除以子模块电压的平均值，得到每个桥臂投入的子模块数目。

上述各实施例中，由于MMC子模块能量仅作为同步时的参考使用，并非为电网提供惯量的主体，因此虚拟惯量时间常数H_v不能取得过大，一般选为MMC换流站子模块电容时间常数的数倍，正常情况MMC换流站子模块时间常数为30～50ms左右，因此虚拟惯量时间常数H_v可以取值为0.05～0.3左右。虚拟阻尼系数D_v则按照最优二阶系统设计，一般取H_v的40～100倍左右。

在本发明另一优选实施例中，在上述实施例基础上，还进一步包括送端换流站控制。具体的，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映射系数K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。

进一步地，映射系数K的取值方法为：正常情况下变化电网频率波动在±0.5Hz(±1％)，稳态时直流电压需要反映电网频率变化，但直流电压波动不能超过±5％，代入式(10)中即0.05≥0.01K，同时为提高电网频率变化信息传输精度K应尽量大，因此取K为5。

为了更好说明本发明上述实施例中的技术方案，下面结合附图和应用实例进一步详细描述，但本发明并不局限于以下实施例。

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。

本实施例针对上述现有海上风场并网的柔性直流输电系统，整体控制框图见图1：在受端MMC的交流侧控制上，通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项。从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力，具备良好的弱网运行能力；在受端MMC的直流侧控制上，利用补偿调制，通过对直流内电势(即MMC子模块调制电压中的直流分量)的调节，快速调节直流端口电压，从而实现良好的直流电压动态控制性能；通过自同步获得的电网频率信息，可以借由快速的直流电压调节能力，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场，实现了风电场对交流电网的无通信快速惯量响应。

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MMC换流站中，对于交流侧控制，计算子模块能量和E_total：

式中，C_SM为MMC子模块电容容值，U_SMn为第n个模块的电容电压幅值。

定义虚拟惯量时间常数H_v得到式(2)：

式中，

为受端MMC换流站输出频率与额定值偏差的标幺值，ΔE_total为受端MMC换流站子模块能量和与额定值偏差的有名值，S_nom为额定容量。

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初始给定值(标幺值)

再定义虚拟阻尼系数D_v得到式(3)：

式中，

为受端MMC换流站稳态工作点的交流有功功率。根据式(3)计算出用于阻尼补偿的

并与

相加计算出最终受端MMC换流站的输出交流电压幅值：

通过式(2)得到受端MMC换流站输出交流电压的频率，通过式(3)得到受端MMC换流站输出交流电压的幅值，最终计算出受端MMC换流站三相交流电压输出：

式中t为时间，ω_rec为受端MMC换流站输出频率的有名值，U_ac为受端MMC换流站输出交流电压幅值的有效值，U_aca、U_acb及U_acc分别为A、B、C三相交流电压的参考值。

受端MMC换流站子模块能量和与交流侧功率及直流侧功率的关系如下：

式中，

为受端换流站直流侧功率的标幺值，

为受端换流站交流侧功率的标幺值；由于式(2)的存在，E_total的变化会引起受端MMC换流站输出交流电压的变化，进而引起

的变化：

式中，P_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流功率的额定值，U_g为电网电压的幅值，X为并网阻抗及电网阻抗之和，△U_ac为受端MMC换流站输出交流电压与额定值偏差的有名值，δ₀为受端MMC换流站在稳态工作点的功角，U_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流电压的额定值，P_ac0为受端MMC稳态工作点交流有功功率的有名值，

为受端MMC稳态工作点交流有功功率的标幺值。

结合式(2)、式(6)及式(7)可以得到：

式(8)与同步发电机的摇摆方程类似，可以建立起与同步发电机类似无锁相环的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

当电网频率上升，导致受端MMC换流站输出交流功角变小，输出交流有功功率变小。此时输入直流功率大于输出交流有功功率，导致受端MMC换流站子模块能量和变大，受端MMC换流站增大其输出交流频率，直到与电网频率达到同步。

由于MMC子模块能量仅作为同步时的参考使用，并非为电网提供惯量的主体，因此虚拟惯量时间常数H_v不能取得过大，一般选为MMC换流站子模块电容时间常数的数倍，正常情况MMC换流站子模块时间常数为30～50ms左右，因此虚拟惯量时间常数H_v可以取值为0.05～0.3左右。虚拟阻尼系数D_v则按照最优二阶系统设计，一般取H_v的40～100倍左右。

对于直流侧控制，将交流侧输出频率的偏差

转化为直流端口电压参考值与额定直流电压的偏差

式中K为映射系数，

为直流端口电压额定值的标幺值，

为直流端口参考值的标幺值。

正常情况下变化电网频率波动在±0.5Hz(±1％)，稳态时直流电压需要反映电网频率变化，但直流电压波动不能超过±5％，代入式(10)中即0.05≥0.01K，同时为提高电网频率变化信息传输精度K应尽量大，因此取K为5。

再将直流端口电压参考值与实际测量值比较，经过一个PI环节后得到受端MMC的直流电压输出值E_dc。由于式(9)所述的同步过程，

将与电网频率保持动态同步，因此通过式(10)可以将电网频率变化实时映射到直流电压上。

根据所获得的受端MMC换流站输出交流三相电压参考值U_aca、U_acb及U_acc，和所获得的受端MMC的直流电压输出值E_dc，计算出受端MMC六个桥臂的参考输出电压：

其中，U_pa、U_pb、U_pc分别为A、B、C三相上桥臂的参考输出电压，U_na、U_nb、U_nc分别为A、B、C三相下桥臂的参考输出电压。U_cira、U_cirb、U_circ为二倍频环流控制的输出电压，用于控制受端MMC换流器内的二倍频环流。

将六个桥臂的参考输出电压，除以子模块电压的平均值，得到每个桥臂投入的子模块数目。

2)如图3所示，送端换流站控制

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1/K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。

式中

为风场内网交流频率与额定值偏差的标幺值，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。

3)仿真验证

本实施例通过PSCAD/EMTDC软件，基于图1中的风电场柔直系统构建了仿真模型。电网采用单同步机等效，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，风场额定功率1500MW，其他参数见表1。

表1仿真系统参数

工况：短路比为2.5，电网有功负载在t＝2s时从4GW突增至5GW。

由图4可知，采用本实施例所提出的控制策略，即使是在极低短路比的弱电网条件下，风场-柔直并网系统仍能稳定运行，同时具有良好的直流电压动态控制性能。对比图4中(a)与(b)可以发现，直流电压能实时快速跟踪电网频率。而由图4中(c)可以发现，通过送端换流站将电网频率信息传递到风电场后，风电场能够对电网提供快速惯量响应。当风电场-柔直并网系统采用本实施例所提出的控制策略，为电网提供频率支撑后，电网1的频率最低值及频率下降速度均有很大改善。

在本发明另一实施例中，还提供一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统，用于实现上述的控制方法，具体的，该系统包括：受端换流站交流侧控制模块，受端换流站交流侧控制模块以所有子模块电容能量之和作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以子模块电容能量之和及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；其中：受端换流站交流侧控制模块根据受端换流站交流频率，通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项，从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

在一较优实施例中，基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统还包括受端换流站直流侧控制模块，其中：受端换流站直流侧控制模块在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪。

在一较优实施例中，基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统还包括送端MMC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映射系数K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。

在一较优实施例中，基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统还包括受端换流站直流侧控制模块、送端MMC换流站控制模块，其中：受端换流站直流侧控制模块在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪；送端MMC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映射系数K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。

本发明上述实施例中的基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制方法及系统，具备良好的弱网运行性能，并可以主动支撑电网频率，包括受端换流站、送端换流站的控制。受端换流站的控制分为两部分，在交流侧，计算所有子模块能量和，并利用该能量实现对电网的无锁相环自同步问题，解决了传统电流型矢量控制弱电网下运行性能不佳的问题，同时，通过对电网频率的快速同步，可以实时地获取电网频率信息；在直流侧，利用补偿调制快速调节直流电压跟踪电网频率变化。送端换流站通过检测直流电压将电网频率变化反馈到风电场汇集点频率，辅助风场实现惯量响应。

需要说明的是，本发明提供的所述方法中的步骤，可以利用所述系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

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 (10)

1.一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，包括：

在受端换流站MMC交流侧，以所有子模块电容能量之和作为参考量，控制受端换流站输出交流电压的频率；以子模块电容能量之和及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；其中：

通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项；通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项，从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

2.根据权利要求1所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，所述方法具体如下：

在受端MMC换流站中，对于交流侧控制，计算子模块能量和E_total：

式中，C_SM为MMC子模块电容容值，U_SMn为第n个模块的电容电压幅值；

定义虚拟惯量时间常数H_v得到式(2)：

式中，

为受端MMC换流站输出频率与额定值偏差的标幺值，ΔE_total为受端MMC换流站子模块能量和与额定值偏差的有名值，S_nom为额定容量；

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初始给定值即标幺值

再定义虚拟阻尼系数D_v得到式(3)：

式中，

为受端MMC换流站稳态工作点的交流有功功率；根据式(3)计算出用于阻尼补偿的

并与

相加计算出最终受端MMC换流站的输出交流电压幅值：

通过式(2)得到受端MMC换流站输出交流电压的频率，通过式(3)得到受端MMC换流站输出交流电压的幅值，最终计算出受端MMC换流站三相交流电压输出：

式中t为时间，ω_rec为受端MMC换流站输出频率的有名值，U_ac为受端MMC换流站输出交流电压幅值的有效值，U_aca、U_acb及U_acc分别为A、B、C三相交流电压的参考值；

受端MMC换流站子模块能量和与交流侧功率及直流侧功率的关系如下：

式中，

为受端换流站直流侧功率的标幺值，

为受端换流站交流侧功率的标幺值；由于式(3)的存在，E_total的变化会引起受端MMC换流站输出交流电压的变化，进而引起

的变化：

式中，P_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流功率的额定值，U_g为电网电压的幅值，X为并网阻抗及电网阻抗之和，△U_ac为受端MMC换流站输出交流电压与额定值偏差的有名值，δ₀为受端MMC换流站在稳态工作点的功角，U_{ac_nom}为受端MMC换流站输出交流电压的额定值，P_ac0为受端MMC稳态工作点交流有功功率的有名值，

为受端MMC稳态工作点交流有功功率的标幺值；

结合式(2)、式(6)及式(7)得到：

式(8)与同步发电机的摇摆方程类似，建立起与同步发电机类似无锁相环的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：

当电网频率上升，导致受端MMC换流站输出交流功角变小，输出交流有功功率变小，此时输入直流功率大于输出交流有功功率，导致受端MMC换流站子模块能量和变大，受端MMC换流站增大其输出交流频率，直到与电网频率达到同步。

3.根据权利要求2所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，所述虚拟惯量时间常数H_v取值为0.05～0.3；所述虚拟阻尼系数D_v取H_v的40～100倍。

4.根据权利要求1所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪。

5.根据权利要求4所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，在受端MMC换流站中，对于直流侧控制，将交流侧输出频率的偏差

转化为直流端口电压参考值与额定直流电压的偏差

式中K为映射系数，

为直流端口电压额定值的标幺值，

为直流端口参考值的标幺值；

再将直流端口电压参考值与实际测量值比较，经过一个PI环节后得到受端MMC的直流电压输出值E_dc；由于式(9)所述的同步过程，

将与电网频率保持动态同步，因此通过式(10)将电网频率变化实时映射到直流电压上。

6.根据权利要求5所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，根据受端MMC换流站输出交流三相电压参考值U_aca、U_acb及U_acc，和受端MMC的直流电压输出值E_dc，计算出受端MMC六个桥臂的参考输出电压：

其中，U_pa、U_pb、U_pc分别为A、B、C三相上桥臂的参考输出电压，U_na、U_nb、U_nc分别为A、B、C三相下桥臂的参考输出电压；U_cira、U_cirb、U_circ为二倍频环流控制的输出电压，用于控制受端MMC换流器内的二倍频环流；

将六个桥臂的参考输出电压，除以子模块电压的平均值，得到每个桥臂投入的子模块数目。

7.根据权利要求5所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，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映射系数K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。

8.根据权利要求7所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直系统控制方法，其特征在于，所述映射系数K的取值为5。

9.一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统，其特征在于，包括：受端换流站交流侧控制模块，所述受端换流站交流侧控制模块以所有子模块电容能量之和作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以子模块电容能量之和及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；其中：

所述受端换流站交流侧控制模块根据受端换流站交流频率，通过建立子模块能量和与输出交流频率间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程的惯量同步项，通过建立子模块能量和与输出交流电压间的比例关系，模拟同步发电机摇摆方程中的阻尼项，从而使得受端MMC换流站具备类似同步发电机的无锁相环自同步能力。

10.根据权利要求9所述的一种基于MMC子模块能量同步的风场-柔直控制系统，其特征在于，还包括受端换流站直流侧控制模块、送端MMC换流站控制模块中一个或两个，其中：

所述受端换流站直流侧控制模块在受端换流站MMC直流侧，以直流端口电压、子模块能量和及交流侧输出频率作为参考量，控制受端MMC换流站输出直流电压的幅值，实现良好的直流电压动态控制性能，以及直流电压对电网频率的快速跟踪；

所述送端MMC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映射系数K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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