CN113675871A - 柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法 - Google Patents

柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，包括柔性直流输电系统；柔性直流输电系统包括第一、二换流器；第一、二换流器对应由第一、二控制器控制，第一控制器包括第一电流内环模块和功率外环模块；第二控制器包括第二电流内环模块和电压外环模块；功率外环模块包括用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块包括用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；第二仿真模块输出第一、二交流供电系统的模拟惯量信号。本发明提升电力系统频率调节能力。

Description

柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法
技术领域
本发明涉及智能电网控制技术领域，特别涉及一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法。
背景技术
目前，为应对全球能源危机和气候变化等严峻挑战，可再生能源发电在世界范围内得到了长足发展。可再生能源通常具有分布集中度高、与负荷中心呈逆向分布的特点。因此，为实现能源集约化开发和资源优化配置，必须建设大规模远距离的电能输送通道。柔性直流输电系统凭借其高度可控性和良好适应性等优势，成为了可再生能源远距离传输，尤其是大规模海上风电的送出的关键技术手段之一。柔性直流输电系统通常通过电力电子换流器并网，在传统控制方案下，电力电子换流器无法主动参与电网频率调节。因此，随着VSC-HVDC系统在电力系统中的数量不断增加，传统富含惯量的交流电网将会被分割成多个规模相对较小、惯量水平相对较低的电网，系统频率稳定性问题会更加严峻。与此同时，具有低惯量和无阻尼典型特性的可再生能源发电正在迅速取代同步发电机，进一步降低了电网整体惯性水平和阻尼能力。
针对未来电力系统低惯量、欠阻尼的问题，目前研究方案主要是采用虚拟同步机技术或惯量模拟方案，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和阻尼特性。然而，现有的方案然均要求当一侧交流系统发生扰动时，柔性直流输电系统的对侧换流站具有快速功率支撑的能力。并且一个系统的扰动会通过柔性直流输电系统传递到对侧，影响对侧交流系统安全稳定运行。考虑到海上风电场通常是弱网，较大的功率扰动可能会对海上风电场的安全稳定运行形成严峻挑战。
发明内容
本发明的目的是克服传统虚拟同步机和惯量模拟方案的缺点，提供一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法。本发明可在扰动发生时，向双边交流系统同时提供惯量和阻尼响应，有效抑制双边交流系统的频率扰动和功角振荡，能有效增强电网的频率调节能力，提升电网的稳定性。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，包括依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器；第一、二换流器对应由第一、二控制器控制，第一控制器包括第一电流内环模块和功率外环模块；第二控制器包括第二电流内环模块和电压外环模块；功率外环模块包括用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块包括用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
进一步地，第一仿真模块，其将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
进一步地，第一仿真模块包括第一延时模块、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块、第一微分模块、第一PI控制器；
第一延时模块用于模拟频率信号通信延时；其输入端输入第二交流供电系统实际频率信号；其输出端输出延时后的第二交流供电系统实际频率信号；
第一加法器为反相加法器，其正极输入端输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端分别与第一增益模块的输入端和第二增益模块的输入端相连；第一增益模块的输出端与第一微分模块的输入端相连，第一微分模块的输出端输出第一交流供电系统的惯性功率信号；第二增益模块的输出端输出第一交流供电系统的阻尼功率信号；
第二加法器为反相加法器，其正极输入端与第一延时模块的输出端相连，其负极输入端输入第二交流供电系统的额定频率，其输出端与第三增益模块的输入端相连；第三增益模块的输出端输出第二交流供电系统的阻尼功率信号；
第三加法器为同相加法器；其包括多个输入端；其中一个输入端输入第一换流器额定有功功率设定值，其余输入端中的三个对应与第一微分模块输出端、第二增益模块输出端及第三增益模块输出端相连；第三加法器的输出端输出第一换流器的有功功率参考信号；
第四加法器为反相加法器，其正极输入端与第三加法器的输出端相连，其负极输入端输入第一换流器的当前有功功率，其输出端与第一PI控制器的输入端相连；第一PI控制器输出端输出dq坐标系下的第一内环电流d轴参考信号至第一电流内环模块。
进一步地，第一仿真模块还包括乘法器和求和器；乘法器包括两个输入端口和及一个输出端口，其一个输入端输入第一换流器dq坐标系下的电流信号，其另一个输入端输入第一换流器dq坐标系下的电压信号；其输出端输出信号至求和器的输入端；求和器的输出端输出第一换流器的当前有功功率至第四加法器的负极输入端。
进一步地，第二仿真模块，其将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
进一步地，第二仿真模块包括第二延时模块、第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四增益模块、第五增益模块、开方器、限幅器、第二PI控制器；
第二延时模块用于模拟频率信号通信延时；其输入端输入第一交流供电系统实际频率信号；其输出端输出延时后的第一交流供电系统实际频率信号；
第五加法器为反相加法器，其正极输入端输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端与第四增益模块的输入端相连；第四增益模块的输出端输出由第二换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第六加法器为反相加法器，其正极输入端与第二延时模块的输出端相连，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端与第五增益模块的输入端相连；第五增益模块的输出端输出由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第七加法器为同相加法器；其包括多个输入端；其中一个输入端输入第二换流器的额定直流电压设定值的平方，其余输入端中的两个对应与第四增益模块输出端及第五增益模块输出端相连；第七加法器的输出端与开方器的输入端相连，开方器的输出端与限幅器的输入端相连，限幅器的输出端输出第二换流器的直流电压参考信号；
第八加法器为反相加法器，其正极输入端与限幅器的输出端相连，其负极输入端输入直流母线电压，其输出端与第二PI控制器的输入端相连；第二PI控制器输出端输出dq坐标系下的第二内环电流d轴参考信号至第二电流内环模块。
本发明还提供了一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，设置依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；柔性直流输电系统设置第一换流器和第二换流器；使第一、二换流器对应由第一、二控制器控制，第一控制器设置第一电流内环模块及功率外环模块；第二控制器设置第二电流内环模块及电压外环模块；功率外环模块设置用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块设置用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；使第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；使第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
进一步地，第一仿真模块，其将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
进一步地，通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；设第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfp；将Δfp通过增益模块处理，生成第一交流供电系统的阻尼功率；将Δfp依次通过增益模块和微分模块处理，生成第一交流供电系统的惯性功率；将第二交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，设延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfvd，将Δfvd通过增益模块处理，生成第二交流供电系统的阻尼功率。
进一步地，第二仿真模块，其将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
进一步地，通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；设第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfv；将Δfv通过增益模块处理，生成由第二换流器引起的直流电压变化的平方信号；将第一交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，设延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfpd，将Δfpd通过增益模块处理，生成由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法，能“同时”向两侧互联的异步交流系统提供惯量响应，其惯性能量仅仅来自于VSC-HVDC线路直流电容，并不会影响两侧互联的交流系统；
2、本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统及方法，能“同时”向两侧互联的异步交流系统提供阻尼响应，可有效抑制双边系统的功角振荡，其阻尼能量来自于互联的对侧交流系统；
3、本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，作为可再生能源远距离输送的一种有效手段，实现了柔性直流输电系统的友好并网，可有效提升电力系统的频率调节能力。
附图说明
图1是本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统的结构框图。
图2是本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统中的第一换流器的一种控制原理图。
图3是本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统中的第二换流器的一种控制原理图。
图2中：iabcp和vabcp分别表示第一交流供电系统并网点的三相电流和电压信号，θp为第一交流供电系统并网点的相位信号，fp表示第一交流供电系统的瞬时频率，f0表示第一交流供电系统和第二交流供电系统的额定频率，Δfp表示第一交流供电系统瞬时频率和额定频率的差，ΔPhp表示第一交流供电系统的惯性功率，ΔPdp表示第一交流供电系统的阻尼功率，ΔPdv表示第二交流供电系统的阻尼功率，fv表示第二交流供电系统的瞬时功率，Δfvd为延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差，P0为第一换流器额定有功功率设定值，Pp为第一换流器的实际有功功率信号，Pp *为第一换流器的参考有功功率信号，idqp和vdqp对应为第一换流器dq坐标系下的电流和电压信号，idp *和iqp *对应为第一换流器dq坐标系下的内环电流d、q轴参考信号，vdp1 *和vqp1 *对应为第一换流器dq坐标系下的电压d、q轴参考信号，vabcp *为第一换流器PWM调制三相电压参考信号；
图3中：iabcv和vabcv分别表示第二交流供电系统并网点的三相电流和电压信号，θv为第二交流供电系统并网点的相位信号，fv表示第二交流供电系统的瞬时功率，Δfv表示第二交流供电系统瞬时频率和额定频率的差，f0表示第一交流供电系统和第二交流供电系统的额定频率，通常为50或60Hz，fp表示第一交流供电系统的瞬时频率，Δfpd为考虑通信延时后的第一交流供电系统实际频率与其参考频率的差，ΔVdcv表示由第二换流器引起的直流电压变化，ΔVdcp表示由第一换流器引起的直流电压变化，Vdc0为第二换流器额定直流电压设定值，Vdc *为更新后的第二换流器的直流电压参考值，idqv和vdqv分别为第二换流器dq坐标系下的电流和电压信号，idv *和iqv *分别为第二换流器dq坐标系下的内环电流参考信号，vdv1 *和vqv1 *分别为第二换流器dq坐标系下的电压参考信号，vabcv *为第二换流器PWM调制三相电压参考信号。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图3，一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，包括依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；第一交流供电系统包括依次相连的第一同步发电机、第一变压器和第一滤波电抗器；第二交流供电系统包括依次相连的第二同步发电机、第二变压器和第二滤波电抗器；柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器；第一换流器的交流侧与第一滤波电抗器相连；第二换流器的交流测与第二滤波电抗器相连；第一换流器和第二换流器，两者各自在己方直流侧并联一电容器，两者通过直流母线相连；第一换流器由第一控制器控制，第二换流器由第二控制器控制，第一控制器包括第一电流内环模块及功率外环模块；第二控制器包括第二电流内环模块及电压外环模块；功率外环模块包括用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块包括用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
第一仿真模块，其可将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其可将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其可将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其可将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
第一仿真模块可包括第一延时模块、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块、第一微分模块、第一PI控制器；
第一延时模块可用于模拟频率信号通信延时；其输入端可输入第二交流供电系统实际频率信号；其输出端可输出延时后的第二交流供电系统实际频率信号；
第一加法器可为反相加法器，其正极输入端可输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端可分别与第一增益模块的输入端和第二增益模块的输入端相连；第一增益模块的输出端可与第一微分模块的输入端相连，第一微分模块的输出端可输出第一交流供电系统的惯性功率信号；第二增益模块的输出端可输出第一交流供电系统的阻尼功率信号；
第二加法器可为反相加法器，其正极输入端可与第一延时模块的输出端相连，其负极输入端可输入第二交流供电系统的额定频率，其输出端可与第三增益模块的输入端相连；第三增益模块的输出端可输出第二交流供电系统的阻尼功率信号；
第三加法器可为同相加法器；其可包括多个输入端；其中一个输入端可输入第一换流器额定有功功率设定值，其余输入端中的三个可对应与第一微分模块输出端、第二增益模块输出端及第三增益模块输出端相连；第三加法器的输出端可输出第一换流器的有功功率参考信号；
第四加法器可为反相加法器，其正极输入端可与第三加法器的输出端相连，其负极输入端可输入第一换流器的当前有功功率，其输出端可与第一PI控制器的输入端相连；第一PI控制器输出端可输出dq坐标系下的第一内环电流d轴参考信号至第一电流内环模块。
进一步地，第一仿真模块还可包括乘法器和求和器；乘法器可包括两个输入端口和及一个输出端口，其一个输入端可输入第一换流器dq坐标系下的电流信号，其另一个输入端可输入第一换流器dq坐标系下的电压信号；其输出端可输出信号至求和器的输入端；求和器的输出端可输出第一换流器的当前有功功率至第四加法器的负极输入端。
第二仿真模块，其可将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其可将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其可将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后可再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其可将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
第二仿真模块可包括第二延时模块、第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四增益模块、第五增益模块、开方器、限幅器、第二PI控制器；
第二延时模块可用于模拟频率信号通信延时；其输入端可输入第一交流供电系统实际频率信号；其输出端可输出延时后的第一交流供电系统实际频率信号；
第五加法器可为反相加法器，其正极输入端可输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端可输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端可与第四增益模块的输入端相连；第四增益模块的输出端可输出由第二换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第六加法器可为反相加法器，其正极输入端可与第二延时模块的输出端相连，其负极输入端可输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端可与第五增益模块的输入端相连；第五增益模块的输出端可输出由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第七加法器可为同相加法器；其可包括多个输入端；其中一个输入端可输入第二换流器的额定直流电压设定值的平方，其余输入端中的两个可对应与第四增益模块输出端及第五增益模块输出端相连；第七加法器的输出端可与开方器的输入端相连，开方器的输出端可与限幅器的输入端相连，限幅器的输出端可输出第二换流器的直流电压参考信号；
第八加法器可为反相加法器，其正极输入端可与限幅器的输出端相连，其负极输入端可输入直流母线电压，其输出端可与第二PI控制器的输入端相连；第二PI控制器输出端可输出dq坐标系下的第二内环电流d轴参考信号至第二电流内环模块。
本发明还提供了一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，设置依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；第一交流供电系统设置依次相连的第一同步发电机、第一变压器和第一滤波电抗器；第二交流供电系统设置依次相连的第二同步发电机、第二变压器和第二滤波电抗器；柔性直流输电系统设置第一换流器和第二换流器；使第一换流器的交流侧与第一滤波电抗器相连；使第二换流器的交流测与第二滤波电抗器相连；使第一换流器和第二换流器，两者各自在己方直流侧并联一电容器，两者通过直流母线相连；使第一换流器由第一控制器控制，使第二换流器由第二控制器控制，第一控制器设置第一电流内环模块及功率外环模块；第二控制器设置第二电流内环模块及电压外环模块；功率外环模块设置用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块设置用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；使第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；使第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
第一仿真模块，其可将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其可将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其可将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其可将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
可通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；可设第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfp；将Δfp通过增益模块处理，生成第一交流供电系统的阻尼功率；可将Δfp依次通过增益模块和微分模块处理，生成第一交流供电系统的惯性功率；可将第二交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，可设延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfvd，可将Δfvd通过增益模块处理，生成第二交流供电系统的阻尼功率。
第二仿真模块，其可将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其可将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后可再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其可将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
可通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；可设第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfv；可将Δfv通过增益模块处理，生成由第二换流器引起的直流电压变化的平方信号；可将第一交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，设延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfpd，可将Δfpd通过增益模块处理，生成由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
图1是本发明的一种结构示意图，一种基于柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，包括依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统、第二交流供电系统；柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器；第一换流器的交流侧与第一交流供电系统相连；第二换流器的交流测与第二交流供电系统相连；第一换流器、第二换流器直流侧各自并联一电容器且通过直流母线相连；第一换流器、第二换流器均由双闭环控制器驱动。第一换流器的第一控制器设有功率外环模块、第一电流内环模块以及第一脉宽调制解调器，第二换流器的第二控制器设有电压外环模块、第二电流内环模块以及第二脉宽调制解调器；功率外环模块输出参考电流至第一电流内环模块；第一电流内环模块，其还输入第一换流器交流侧的实际电流和实际电压，其输出脉宽控制信号至第一脉宽调制解调器；电压外环模块输出参考电流至第二电流内环模块；第二电流内环模块，其还输入第二换流器交流侧的实际电流和实际电压，其输出脉宽控制信号至第二脉宽调制解调器；第一、二脉宽调制解调器相应控制第一、二换流器的工作。
第一控制器设有第一脉宽调制解调器、第一电流内环模块，第一PI控制器，第一无功功率控制器，第一坐标转换模块、第二坐标转换模块，第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块、第一微分模块、第一锁相环模块、第一延时模块、乘法器、求和器。
其中，第一延时模块、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块、第一微分模块、第一PI控制器构成第一仿真模块。由第一仿真模块搭建了第一控制器的功率外环模块。
第一脉宽调制解调器为PWM脉宽调制解调器，第一锁相环模块通过采集并网点的电压信号获得并网点的频率信号fp和相位信号θp，频率信号fp通过第一加法器分为两路信号，一路信号依次经过第一增益模块和第一微分模块与第三加法器相连，另一路信号经过第二增益模块与第三加法器相连；第一延时模块的输入为第二换流器的频率信号fv，依次通过第一延时模块、第二加法器、第三增益模块与第三加法器相连；第三加法器输出信号与第四加法器相连；并网点的电压和电流信号依次通过第一坐标转换模块、乘法器、求和器与第四加法器相连，其中第一坐标转换模块的输入信号为并网点的电压和电流信号和第一锁相环模块的相位信号θp，输出信号为dq坐标系下的电压电流信号；第一电流内环模块共有4路输入信号，其中一路与第四加法器通过第一PI控制器相连，一路与第一无功功率控制器相连，另外两路信号与第一坐标转换模块相连；第二坐标转换模块共有两路输入信号，一路与第一电流内环模块相连，另一路与第一锁相环模块的相位信号θp相连；第二坐标转换模块的输出信号输出至第一脉宽调制解调器，第一脉宽调制解调器输出脉冲信号至第一换流器。
第二控制器设有第二脉宽调制解调器、第二电流内环模块，第二PI控制器，第二无功功率控制器，第三坐标转换模块、第四坐标转换模块，第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四增益模块、第五增益模块、第二锁相环模块、第二延时模块、开方器、限幅器。
第二延时模块、第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四增益模块、第五增益模块、开方器、限幅器、第二PI控制器构成了第二仿真模块。由第二仿真模块搭建了第二控制器的电压外环模块。
第二锁相环模块通过采集并网点的电压信号获得并网点的频率信号fv和相位信号θv，频率信号fp依次通过第五加法器、第四增益模块与第七加法器相连；第一延时模块的输入为第一换流器的频率信号fp，依次通过第二延时模块、第六加法器、第五增益模块与第七加法器相连；第三加法器输出信号依次通过开方器、限幅器、第八加法器与第二PI控制器相连；第二电流内环模块共包括4路输入信号，一路与第二PI控制器相连，一路与第二无功功率控制器相连，另外两路信号与第三坐标转换模块相连；第三坐标转换模块的包含三路输入信号，一路为第二锁相环模块的相位信号θv，另外两路为并网点的三相电压信号和电流信号；第四坐标转换模块共有两路输入信号，一路与第一电流内环模块相连，另一路与第一锁相环模块的相位信号θp相连；第四坐标转换模块的输出信号输出至第二脉宽调制解调器，第二脉宽调制解调器输出脉冲信号至第二换流器。
本发明的一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，包含如下几个步骤：
步骤1，设定虚拟惯性时间常数Hvscp和Hvscv，以及阻尼因子Dvscp和Dvscv。
步骤2，根据电力系统实时频率计算并更新系统频率动态信息。
(2-1)通过第一换流器中的第一锁相环模块，测量第一交流供电系统并网点的三相电压信号压vabcp得到电力系统频率fp。
(2-2)通过第二换流器中的第二锁相环模块，测量第二交流供电系统并网点的三相电压信号压vabcv得到电力系统频率fv。
步骤3，根据电力系统实时频率计算并更新系统频率动态信息。
(3-1)通过第一换流器中的第一锁相环模块，测量第一交流供电系统并网点的三相电压信号压vabcp得到交流系统频率fp。
(3-2)通过第二换流器中的第二锁相环模块，测量第二交流供电系统并网点的三相电压信号压vabcv得到交流系统频率fv。
步骤4，根据频率动态信息，计算并更新第一换流器的有功功率参考值。
(4-1)将第一交流供电系统的频率fp输入第一加法器其中一个输入端，将电网参考频率输入至另一个输入端；得到第一交流供电系统实际频率与其参考频率的差Δfp。
(4-2)将第一交流供电系统的频率差值Δfp通过第一加法器、第一增益模块和第一微分模块计算得到第一交流供电系统的惯性功率ΔPhp。
(4-3)将第一交流供电系统的频率差Δfv通过第二增益模块计算得到第一交流供电系统的阻尼功率ΔPdp。
(4-4)将第二交流供电系统的频率fv通过第一延时模块输入到第一加法器其中一个输入端，将电网参考频率输入至另一个输入端；得到考虑通信延时后的第二交流供电系统实际频率与其参考频率的差Δfvd。
(4-5)将第二交流供电系统的考虑通信延时的频率差Δfvd通过第五增益模块计算得到第二交流供电系统的阻尼功率ΔPdv。
(4-6)将第一交流供电系统的惯性功率ΔPhp、阻尼功率ΔPdp和第二交流供电系统的阻尼功率ΔPdv以及第一换流器的额定功率设定值P0分别输入第三加法器，计算第一换流器的有功功率参考值Pp *。
步骤5，计算第一电流内环模块的电流参考值id *和iq *。
(5-1)通过采集并网点三相电压电流信号，经过第一坐标转换模块得到dq坐标系下的dq轴电流电压idqp和vdqp；经过乘法器和求和器计算得到实际有功功率测量值Pp。
(5-2)将第一换流器的有功功率参考值Pp *和实际有功功率测量值Pp分别输入第四加法器中，将得到的差值通过第一PI控制器得到d轴电流参考值idp *。
(5-3)根据第一无功功率控制器得到q轴电流参考值iqp *。
步骤6，根据电流内环电流参考值idp *和iqp *和实际测量值idp和iqp通过第一电流内环模块，以及PWM型第一脉宽调制解调器，产生脉冲调制信号，用于控制第一换流器的开关器件的开通和关断。
步骤7，根据频率动态信息，计算并更新第二换流器的直流电压参考值。
(7-1)将第二交流供电系统的频率fv输入第五加法器其中一个输入端，将电网参考频率输入至另一个输入端；得到第二交流供电系统实际频率与其参考频率的差Δfv。
(7-2)将第二交流供电系统的频率差值Δfv通过第五增益模块计算得到第二交流供电系统引起的直流电压变化ΔVdcv。
(7-3)将第一交流供电系统的频率fp通过第二延时模块输入到第六加法器其中一个输入端，将电网参考频率输入至另一个输入端；得到考虑通信延时后的第一交流供电系统实际频率与其参考频率的差Δfpd。
(7-4)将第一交流供电系统的考虑通信延时的频率差Δfpd通过第五增益模块计算得到第一交流供电系统引起的直流电压变化ΔVdcp。
(7-5)将第一交流供电系统引起的直流电压变化ΔVdcp和第二交流供电系统引起的直流电压变化ΔVdcv以及第二换流器的额定直流电压平方设定值Vdc0 2分别输入第三加法器，计算结果通过开方器、限幅器得到第二换流器的直流电压参考值Vdc *。
步骤8，计算第二电流内环模块的电流参考值id *和iq *。
(8-1)通过采集并网点三相电压电流信号，经过第三坐标转换模块得到dq坐标系下的dq轴电流电压idqp和vdqp；经过乘法器和求和器计算得到实际有功功率测量值Pp。
(8-1)将第二换流器的直流电压参考值Vdc *和实际直流电压测量值Vdc分别输入第八加法器中，将得到的差值通过第二PI控制器得到d轴电流参考值idv *。
(5-3)根据第二无功功率控制器得到q轴电流参考值iqv *。
步骤9，根据电流内环电流参考值idv *和iqv *和实际测量值idv和iqv通过第二电流内环模块，以及PWM型第二脉宽调制解调器，产生脉冲调制信号，用于控制第二换流器的开关器件的开通和关断。
第一、二仿真模块工作原理如下：
同步电机的转子运动方程可以表示为：
Figure BDA0003220730220000141
式中，Hsg和Dsg分别是同步电机的惯性时间常数和阻尼因子；f和f0分别是瞬时电网频率和额定电网频率，一般为50或60Hz；Pm及Pe对应为同步电机输入机械功率和输出电功率。因此，同步电机的标幺值下的惯性功率ΔPhsg和阻尼功率ΔPdsg可分别表示为：
Figure BDA0003220730220000142
Figure BDA0003220730220000143
本发明旨在通过柔性直流输电系统的直流电容为双边异步交流系统同时提供惯量响应。考虑双边交流系统频率的惯性功率可重新表示为：
Figure BDA0003220730220000144
式中，ΔPhpv是提供给两侧交流系统总惯性功率的标幺值；ΔPhp和ΔPhv分别是提供给第一交流供电系统和第二交流供电系统惯性功率的标幺值；Hvscp和Hvscv分别是第一换流器和第二换流器的模拟惯性时间常数；fp和fv分别是第一交流供电系统和第二交流供电系统的瞬时频率。
通过改变直流线路电压，直流电容的充放电电磁功率可量化为：
Figure BDA0003220730220000151
式中，N是VSC-HVDC系统中直流电容的数量；C为单个直流电容的电容值；Vdc为直流线路实际电压；Svsc是单个换流站的视在容量；Pin和Pout分别为VSC-HVDC系统输入和输出功率的标幺值；ΔPC是直流电容器吸收(或释放)的电磁功率的标幺值。
为了能实现利用直流电容的电磁功率变化ΔPC提供惯性功率ΔPhpv，将上述两式联立求解可得：
Figure BDA0003220730220000152
Figure BDA0003220730220000153
Figure BDA0003220730220000154
式中，Vdc *是直流电压参考值。式(8)表示第二换流器的控制原理。考虑到第一换流器的频率信号fp传递到第二换流器需要借助通信系统，故引入第二延时模块。
考虑到第一换流器为功率控制换流器，为利用直流电容电磁能向第一交流供电系统提供惯量响应，需将直流电容提供的惯性功率通过换流器的控制传输到第一交流供电系统。因此，第一换流器的有功功率参考值，需要依据第一交流供电系统的瞬时频率进行调整，即：
Figure BDA0003220730220000155
式中，P1 *是PR-VSC的调整后的有功功率参考值，P0是PR-VSC的额定有功功率参考值。公式中的负号表示功率传输方向从第一换流器到第二换流器。根据式(3)，通过换流器为第一交流供电系统提供的阻尼功率可表示为：
Figure BDA0003220730220000156
式中，ΔPdp是提供给第一交流供电系统阻尼功率的标幺值；Dvscp是第一交流供电系统的模拟阻尼因子。式(10)中的负号表示功率传输方向是从第一换流器到第二换流器。类似地，提供给第二交流供电系统的阻尼功率可以表示为：
Figure BDA0003220730220000157
式中，ΔPdv是提供给第二交流供电系统阻尼功率的标幺值；Dvscv是第二交流供电系统的模拟阻尼因子。结合阻尼功率ΔPdp和ΔPdv，提供给通过互联的双边交流系统的总阻尼功率ΔPdpv可以表示为：
Figure BDA0003220730220000161
考虑式(9)中的惯性功率ΔPhp和式(12)中的阻尼功率ΔPdpv，第一换流器的有功功率的最终参考值设置为
P*＝P0+ΔPhp+ΔPdpv (13)；
Figure BDA0003220730220000162
式(14)表示第一换流器的控制原理。考虑到第二换流器的频率信号传递到第一换流器需要借助通信系统，故引入第一延时模块。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (11)

1.一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，包括依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；柔性直流输电系统包括第一换流器和第二换流器；第一、二换流器对应由第一、二控制器控制，第一控制器包括第一电流内环模块和功率外环模块；第二控制器包括第二电流内环模块和电压外环模块；其特征在于，功率外环模块包括用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块包括用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，其特征在于，第一仿真模块，其将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，其特征在于，第一仿真模块包括第一延时模块、第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四加法器、第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块、第一微分模块、第一PI控制器；
第一延时模块用于模拟频率信号通信延时；其输入端输入第二交流供电系统实际频率信号；其输出端输出延时后的第二交流供电系统实际频率信号；
第一加法器为反相加法器，其正极输入端输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端分别与第一增益模块的输入端和第二增益模块的输入端相连；第一增益模块的输出端与第一微分模块的输入端相连，第一微分模块的输出端输出第一交流供电系统的惯性功率信号；第二增益模块的输出端输出第一交流供电系统的阻尼功率信号；
第二加法器为反相加法器，其正极输入端与第一延时模块的输出端相连，其负极输入端输入第二交流供电系统的额定频率，其输出端与第三增益模块的输入端相连；第三增益模块的输出端输出第二交流供电系统的阻尼功率信号；
第三加法器为同相加法器；其包括多个输入端；其中一个输入端输入第一换流器额定有功功率设定值，其余输入端中的三个对应与第一微分模块输出端、第二增益模块输出端及第三增益模块输出端相连；第三加法器的输出端输出第一换流器的有功功率参考信号；
第四加法器为反相加法器，其正极输入端与第三加法器的输出端相连，其负极输入端输入第一换流器的当前有功功率，其输出端与第一PI控制器的输入端相连；第一PI控制器输出端输出dq坐标系下的第一内环电流d轴参考信号至第一电流内环模块。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，其特征在于，第一仿真模块还包括乘法器和求和器；乘法器包括两个输入端口和及一个输出端口，其一个输入端输入第一换流器dq坐标系下的电流信号，其另一个输入端输入第一换流器dq坐标系下的电压信号；其输出端输出信号至求和器的输入端；求和器的输出端输出第一换流器的当前有功功率至第四加法器的负极输入端。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，其特征在于，第二仿真模块，其将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制系统，其特征在于，第二仿真模块包括第二延时模块、第五加法器、第六加法器、第七加法器、第八加法器、第四增益模块、第五增益模块、开方器、限幅器、第二PI控制器；
第二延时模块用于模拟频率信号通信延时；其输入端输入第一交流供电系统实际频率信号；其输出端输出延时后的第一交流供电系统实际频率信号；
第五加法器为反相加法器，其正极输入端输入第一交流供电系统的瞬时频率，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端与第四增益模块的输入端相连；第四增益模块的输出端输出由第二换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第六加法器为反相加法器，其正极输入端与第二延时模块的输出端相连，其负极输入端输入第一交流供电系统的额定频率，其输出端与第五增益模块的输入端相连；第五增益模块的输出端输出由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号；
第七加法器为同相加法器；其包括多个输入端；其中一个输入端输入第二换流器的额定直流电压设定值的平方，其余输入端中的两个对应与第四增益模块输出端及第五增益模块输出端相连；第七加法器的输出端与开方器的输入端相连，开方器的输出端与限幅器的输入端相连，限幅器的输出端输出第二换流器的直流电压参考信号；
第八加法器为反相加法器，其正极输入端与限幅器的输出端相连，其负极输入端输入直流母线电压，其输出端与第二PI控制器的输入端相连；第二PI控制器输出端输出dq坐标系下的第二内环电流d轴参考信号至第二电流内环模块。
7.一种柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，设置依次连接的第一交流供电系统、柔性直流输电系统及第二交流供电系统；柔性直流输电系统设置第一换流器和第二换流器；使第一、二换流器对应由第一、二控制器控制，第一控制器设置第一电流内环模块及功率外环模块；第二控制器设置第二电流内环模块及电压外环模块；其特征在于，功率外环模块设置用于模拟第一交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第一仿真模块；电压外环模块设置用于模拟第二交流供电系统虚拟同步机转子运动方程模型的第二仿真模块；使第一仿真模块输出第一交流供电系统的模拟惯量信号和模拟阻尼信号以及第二交流供电系统的模拟阻尼信号；使第二仿真模块输出第一交流供电系统和第二交流供电系统的模拟惯量信号。
8.根据权利要求7所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，其特征在于，第一仿真模块，其将第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算为第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率，其将延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算为第二交流供电系统的阻尼功率；其将第一交流供电系统的惯性功率和阻尼功率、第二交流供电系统的阻尼功率、第一换流器的额定有功功率设定值相加，生成第一换流器的功率参考信号；其将第一换流器的功率参考信号与第一换流器的当前有功功率的差值，经过PI控制器处理，生成第一电流内环模块的d轴电流参考信号。
9.根据权利要求8所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，其特征在于，通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；设第一交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfp；将Δfp通过增益模块处理，生成第一交流供电系统的阻尼功率；将Δfp依次通过增益模块和微分模块处理，生成第一交流供电系统的惯性功率；将第二交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，设延时后的第二交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfvd，将Δfvd通过增益模块处理，生成第二交流供电系统的阻尼功率。
10.根据权利要求7所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，其特征在于，第二仿真模块，其将第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值换算得到由第二换流器引起的直流电压变化量的平方，其将延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差换算得到由第一换流器引起的直流电压变化量的平方；其将由第一换流器引起的直流电压变化量的平方、由第二换流器引起的直流电压变化量的平方、第二换流器的额定直流电压设定值的平方相加，然后再进行开方及限幅处理，生成第二换流器的直流电压参考信号；其将第二换流器的直流电压参考信号与直流母线电压的差值，经过PI控制器处理，生成第二电流内环模块的d轴电流参考信号。
11.根据权利要求10所述的柔性直流输电系统的双边惯量阻尼模拟控制方法，其特征在于，通过锁相环模块检测第一、二交流供电系统并网点的三相电压信号，得到对应的第一、二交流供电系统的瞬时频率；设第二交流供电系统的瞬时频率与其额定频率的差值信号为Δfv；将Δfv通过增益模块处理，生成由第二换流器引起的直流电压变化的平方信号；将第一交流供电系统的瞬时频率通过延时模块延时处理，设延时后的第一交流供电系统实际频率与其额定频率的差为Δfpd，将Δfpd通过增益模块处理，生成由第一换流器引起的直流电压变化量的平方信号。
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