CN113098033A - 基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统及方法，包括风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统，风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统依次连接，通过构建自适应虚拟惯性时间常数，产生脉冲调制信号，并用于第一换流器的开通和关断，进而控制整个系统。本发明可在交流电力系统发生功率波动时，根据交流系统的频率动态特性，通过设计灵活的惯性时间常数能提供灵活的惯量响应，有效的抑制频率波动并减少系统恢复时间，从而提升电力系统的频率调节能力，增强电力系统稳定性。

Description

基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统及方法

技术领域

本发明属于智能电网控制技术领域，尤其是基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统及方法。

背景技术

为应对全球环境污染和和能源危机等问题，可再生能源得到大规模的利用和发展，在传统电力系统中的占比不断提高。柔性直流输电系统因其具有输送功率大，控制迅速灵活、无换向失败风险等优势，成为实现大规模可再生能源并网输送和满足电力系统异步互联的需要的关键手段之一。但是柔性直流输电系统的通常采用电力电子装置换流器并网，缺乏传统同步电机的惯量和阻尼特性。因此，随着柔性直流输电系统在电力系统中的广泛应用，电力系统的惯量整体水平不断降低，频率调节能力严重下降，电力系统的安全运营面临着巨大的挑战。

为解决系统惯量缺失的问题，目前的主要研究方案是采用虚拟同步机技术或惯量模拟控制方案，其关键是在换流器的控制回路中引入同步发电机的转子运动方程，从而使并网逆变器能够模拟传统同步电机的惯量特性。频率偏移和频率变化率是衡量系统频率稳定性的重要动态指标，然而上述控制方案通常采用固定的惯性时间常数，无法根据电力系统的频率动态指标灵活调整模拟的惯性时间常数，这会降低系统频率稳定性和增加故障恢复时间。另外，考虑到惯性功率通常与惯性时间常数有关，因此模拟固定的惯性时间常数难以实现惯性能量的灵活利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统及方法，能够在交流系统发生功率扰动时，根据交流系统的频率动态特性指标提供灵活的惯量响应，有效的抑制频率偏移并减少故障恢复时间，提升电力系统稳定性。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统，包括风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统，风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统依次连接，风电场区域电力系统包括风电场、第二变压器、电阻及电感，风电场连接第二变压器，第二变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统；电压源型换流器柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器，第二换流器的交流侧与风电场区域电力系统相连，第一换流器的交流侧与同步发电机区域电力系统相连，第一换流器和第二换流器直流侧各自并联一电容器并且通过直流母线相互连接；同步发电机区域电力系统包括同步发电机、第一变压器、电阻及电感，同步发电机连接第一变压器，第一变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统。

而且，所述第一换流器和第二换流器由双闭环控制器驱动。

而且，所述第一换流器控制系统包括PWM脉宽调制解调器、电流内环模块、第一PI控制器，第二PI控制器，电压限幅器，开方运算器，第一加法运算器，第二加法运算器、第三加法运算器、第四加法运算器、第一乘法运算器、第一坐标转换模块、第二坐标转换模块、增益模块、自适应惯性时间常数模块、频率动态信息计算模块、PLL锁相环模块，一阶离散微分模块和低通滤波器模块。

一种基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电力系统实时频率计算并更新系统频率动态信息；

步骤2、根据频率动态信息，计算并更新自适应惯性时间常数H_vh；

步骤3、根据自适应惯性时间常数H_vh和电力系统频率，计算直流电压参考值V_dc ^*；

步骤4、根据直流电压，计算电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*；

步骤5、根据电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*和实际测量值i_d和i_q，通过电流内环控制器，以及PWM调制环节，产生脉冲调制信号，控制第一换流器开关器件的开通和关断。

而且，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、通过第一换流器中的锁相环模块，测量PCC并网点三相交流电压v_abc得到电力系统频率f；

步骤1.2、通过电力系统频率经一阶离散微分器模块和低通滤波器模块计算系统的频率变化率df/dt。

而且，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、设置包括额定惯性时间常数H₀、系数a、系数b、电力系统额定频率f₀、电力系统频率变化的最大值f_max和电力系统频率变化的最小值f_min的初始计算参数,并输入系统实际频率f，df/dt；

步骤2.2、计算自适应惯性时间常数H_vh：

而且，所述步骤3中直流电压电压参考值V_dc ^*的计算方法为：

其中，V_dc0为超级电容的额定直流电压，S_vsc为柔性直流输电系统的额定容量，N为柔性直流输电系统电容的数量，C为直流电容的电容大小，f为电力系统实际频率，f₀为电力系统额定频率。

而且，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、根据直流电压电压参考值V_dc ^*和实际直流电压测量值V_dc的差值，通过第一PI控制器得到d轴电流参考值i_d ^*，

步骤4.2、根据提前设定的无功功率参考值Q_ac ^*和实际直流电压测量值Q_ac的差值，通过PI控制器得到q轴电流参考值i_q ^*。

本发明的优点和积极效果是：

本发明包括风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统，风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统依次连接，通过构建自适应虚拟惯性时间常数，产生脉冲调制信号，并用于第一换流器的开通和关断，进而控制整个系统。本发明可在交流电力系统发生功率波动时，根据交流系统的频率动态特性，通过设计灵活的惯性时间常数能提供灵活的惯量响应，有效的抑制频率波动并减少系统恢复时间，从而提升电力系统的频率调节能力，增强电力系统稳定性。

附图说明

图1为本发明系统的结构图；

图2为本发明方法的控制流程图；

图3为本发明自适应虚拟惯性时间常数的设计流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统，如图1所示，其特征在于：包括风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统，风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统依次连接，风电场区域电力系统包括风电场、第二变压器、电阻及电感，风电场连接第二变压器，第二变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统；电压源型换流器柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器，第二换流器的交流侧与风电场区域电力系统相连，第一换流器的交流侧与同步发电机区域电力系统相连，第一换流器和第二换流器直流侧各自并联一电容器并且通过直流母线相互连接；同步发电机区域电力系统包括同步发电机、第一变压器、电阻及电感，同步发电机连接第一变压器，第一变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统。

第一换流器和第二换流器由双闭环控制器驱动。如图2所示，第一换流器控制系统包括PWM脉宽调制解调器、电流内环模块、第一PI控制器，第二PI控制器，电压限幅器，开方运算器，第一加法运算器，第二加法运算器、第三加法运算器、第四加法运算器、第一乘法运算器、第一坐标转换模块、第二坐标转换模块、增益模块、自适应惯性时间常数模块、频率动态信息计算模块、PLL锁相环模块，一阶离散微分模块和低通滤波器模块。其中，自适应惯性时间常数模块的一路输入信号与PLL锁相环模块电连接，另一路输入信号由PLL锁相环模块、一阶离散微分模块串联低通滤波器模块电连接；其中PLL锁相环模块通过检测并点PCC的电压信号v_abc得到电网中的实际频率以及电网相位θ；第三加法运算器输入信号为电网实际频率与电网参考频率的差值，该输出信号通过与自适应惯性时间常数模块输出信号通过第一乘法运算器模块以及增益模块，第四加法运算器、开方运算器、电压限幅器计算得到直流电压的参考值；其中第四加法运算器的输入端其中一输入端与增益模块相连，另一输入端与直流电压额定值的平方值相连；直流电压的参考值与柔性直流输电系统的实际电压的差值通过第一加法运算器、第一PI控制器得到d轴电流参考值i_d ^*，无功功率参考值与实际无功功率通过第二加法运算器，第二PI控制器得到q轴电流参考值i_q ^*；其中，第一加法器的两端输入信号其中一端为直流电压的参考值，另一端为柔性直流输电系统的实际电压，第二加法器的两端输入信号其中一端为无功功率的参考值，另一端为实际无功功率；d轴电流参考值信号i_d ^*与q轴电流参考值信号i_q ^*通过电流内环模块，第一坐标转化模块和脉宽调制解调器模块得到输出脉冲信号第一换流器控制功率开关器件的通断；其中电流内环模块输入为四路信号，其中第一路为d轴电流参考信号i_d ^*与第一PI控制器模块电连接，第二路输入信号为q轴电流参考值信号i_q ^*，与第二PI控制器模块电连接，第三和第四路输入信号分别为基于dq轴的实际电压信号v_dq和实际电流信号i_dq，与第二坐标转换器模块电连接，输入信号两路信号，第一路为d轴压参考值信号v_d ^*’第二路为q轴电压参考值信号v_q ^*”；第二坐标转换器模块输入三路信号，第一路信号为电网相位信号θ，与PLL锁相环模块电连接，第二和第三路信号分别为三相电压信号v_abc和三相电流信号i_abc，通过在并网点PCC测量得到；第一坐标转换器模块，输入三路信号，第一路信号为电网相位信号θ，与PLL锁相环模块电连接，第二和第三路信号输入信号分别为d轴压参考值信号v_d ^*和q轴电压参考值信号v_q ^*”与电流内环模块电连接。

第一换流器的功率开关器件为IGBT、MOSFET或IGCT型功率开关器件；控制模块还包括：用于采集电网实际频率的电网频率采集单元，用于采集柔性直流输电系统直流电压采集单元，用于采集并网点PCC的三相电压和电流信号的采集单元；电网频率采集单元设有用于检测电网实时频率的锁相环。

基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电力系统实时频率计算并更新系统频率动态信息。

步骤1.1、通过第一换流器中的锁相环模块，测量PCC并网点三相交流电压v_abc得到电力系统频率f；

步骤1.2、通过电力系统频率经一阶离散微分器模块和低通滤波器模块计算系统的频率变化率df/dt。

步骤2、根据频率动态信息，计算并更新自适应惯性时间常数H_vh。

步骤2.1、如图3所示，设置包括额定惯性时间常数H₀、系数a、系数b、电力系统额定频率f₀、电力系统频率变化的最大值f_max和电力系统频率变化的最小值f_min的初始计算参数,并输入系统实际频率f，df/dt；

步骤2.2、计算自适应惯性时间常数H_vh。

电力系统的频率变化率df/dt计算公式为：

其中，ΔP_mis为由电力系统扰动等引起的不平衡功率，H_s为电力系统总体惯量，f₀为电力系统额定频率。根据上式，对于相同的不平衡功率ΔP_mis，电力系统整体惯量H_s越大，则所引起的df/dt越小，因为为了有效抑制电力系统中的频率变化率df/dt，本发明设计了一种基于指数函数的形式的自适应惯性时间常数H_vh1：

其中，H_vh1为考虑系统频率变化率df/dt的自适应惯性时间常数。

当发生扰动时，电力系统频率最低点变化范围与df/dt的近似关系可以表示为：

其中，Δf_nadir为频率最低点变化范围，m和n分别为常数，通过历史运行数据获得。根据上式，对于相同的不平衡功率ΔP_mis，电力系统整体惯量H_s越大，所引起的最低点频率变化范围越小。因此本发明提出了一种基于系统频率偏移(f-f₀)的自适应惯性时间常数：

式中，H_vh2为考虑系统频率偏移的自适应惯性时间常数。

因此，综合考虑系统频率变化率df/dt和系统频率偏移(f-f₀)的自适应惯性时间常数的为：

步骤3、根据自适应惯性时间常数H_vh和电力系统频率，计算直流电压参考值V_dc ^*。

同步电机的转子运动方程表达式为：

其中，ΔP_sg为同步电机的惯性功率，H为同步电机的惯性时间常数，f为电力系统实时频率，f₀为电力系统额定频率。

直流电容的动态方程为：

其中，ΔP_C为柔性直流输电系统电容释放的电磁功率，N为柔性直流输电系统电容的数量，C为直流电容的电容大小，S_vsc为柔性直流输电系统的额定容量。

当采用直流电容模拟同步电机转动惯量时，

D P_sg＝D P_C

方程两边化简，并积分可得：

其中，V_dc0为直流输电系统直流电压额定值。

整理可得：

式中，V_dc ^*为直流输电系统直流电压参考值。

其中，V_dc0为超级电容的额定直流电压，S_vsc为柔性直流输电系统的额定容量，N为柔性直流输电系统电容的数量，C为直流电容的电容大小，f为电力系统实际频率，f₀为电力系统额定频率。

步骤4、根据直流电压，计算电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*。

步骤4.1、根据直流电压电压参考值V_dc ^*和实际直流电压测量值V_dc的差值，通过第一PI控制器得到d轴电流参考值i_d ^*。

步骤4.2、根据提前设定的无功功率参考值Q_ac ^*和实际直流电压测量值Q_ac的差值，通过PI控制器得到q轴电流参考值i_q ^*。

步骤5、根据电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*和实际测量值i_d和i_q，通过电流内环控制器，以及PWM调制环节，产生脉冲调制信号，控制第一换流器开关器件的开通和关断。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统，其特征在于：包括风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统，风电场区域电力系统、电压源型换流器柔性直流输电系统和同步发电机区域电力系统依次连接，风电场区域电力系统包括风电场、第二变压器、电阻及电感，风电场连接第二变压器，第二变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统；电压源型换流器柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器，第二换流器的交流侧与风电场区域电力系统相连，第一换流器的交流侧与同步发电机区域电力系统相连，第一换流器和第二换流器直流侧各自并联一电容器并且通过直流母线相互连接；同步发电机区域电力系统包括同步发电机、第一变压器、电阻及电感，同步发电机连接第一变压器，第一变压器的另一端分别连电阻和接接地电容，电阻的另一端通过电感连接电压源型换流器柔性直流输电系统。

2.根据权利要求1所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统，其特征在于：所述第一换流器和第二换流器由双闭环控制器驱动。

3.根据权利要求2所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统，其特征在于：所述第一换流器控制系统包括PWM脉宽调制解调器、电流内环模块、第一PI控制器，第二PI控制器，电压限幅器，开方运算器，第一加法运算器，第二加法运算器、第三加法运算器、第四加法运算器、第一乘法运算器、第一坐标转换模块、第二坐标转换模块、增益模块、自适应惯性时间常数模块、频率动态信息计算模块、PLL锁相环模块，一阶离散微分模块和低通滤波器模块。

4.一种如权利要求1所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据电力系统实时频率计算并更新系统频率动态信息；

步骤2、根据频率动态信息，计算并更新自适应惯性时间常数H_vh；

步骤3、根据自适应惯性时间常数H_vh和电力系统频率，计算直流电压参考值V_dc ^*；

步骤4、根据直流电压，计算电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*；

步骤5、根据电流内环电流参考值i_d ^*和i_q ^*和实际测量值i_d和i_q，通过电流内环控制器，以及PWM调制环节，产生脉冲调制信号，控制第一换流器开关器件的开通和关断。

5.根据权利要求2所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、通过第一换流器中的锁相环模块，测量PCC并网点三相交流电压v_abc得到电力系统频率f；

步骤1.2、通过电力系统频率经一阶离散微分器模块和低通滤波器模块计算系统的频率变化率df/dt。

6.根据权利要求2所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、设置包括额定惯性时间常数H₀、系数a、系数b、电力系统额定频率f₀、电力系统频率变化的最大值f_max和电力系统频率变化的最小值f_min的初始计算参数,并输入系统实际频率f，df/dt；

步骤2.2、计算自适应惯性时间常数H_vh：

7.根据权利要求2所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中直流电压电压参考值V_dc ^*的计算方法为：

其中，V_dc0为超级电容的额定直流电压，S_vsc为柔性直流输电系统的额定容量，N为柔性直流输电系统电容的数量，C为直流电容的电容大小，f为电力系统实际频率，f₀为电力系统额定频率。

8.根据权利要求2所述的基于柔性直流输电系统的自适应虚拟惯量控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、根据直流电压电压参考值V_dc ^*和实际直流电压测量值V_dc的差值，通过第一PI控制器得到d轴电流参考值i_d ^*，

步骤4.2、根据提前设定的无功功率参考值Q_ac ^*和实际直流电压测量值Q_ac的差值，通过PI控制器得到q轴电流参考值i_q ^*。

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