CN114123289A - 一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法 - Google Patents

一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法，该方法可以建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型；非线性模型包括锁相环模型及直流电压外环模型；然后基于非线性模型，得到预设变换器的反馈输出功率，并控制预设变换器以反馈输出功率进行输出，实现柔性直流输电系统的振荡抑制，解决了现有相关方案在弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制的问题。

Description

一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法。
背景技术
柔性直流输电技术是一种新兴的输电技术，其由换流站和直流输电线路构成。传统直流输电系统采用相控换流器(Line Commutated Converter，LCC)，虽然其传输容量大，运行安全，但存在换相失败、无功消耗大以及不能运行于弱电网等问题。随着电力电子行业的快速发展，基于电压源变换器VSC的柔性直流输电技术克服了上述问题，基于电压源变换器(voltage-source converter，VSC)的柔性直流输电技术不受强弱电网的影响，不存在换流失败等问题，具有可靠性高、运行灵活等优点。
然而，现阶段对弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制。
发明内容
对此，本申请提供一种柔性直流输电系统及其振荡抑制方法，以解决现有相关方案在弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本申请第一方面公开了一种柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，包括：
建立出所述柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型；所述非线性模型包括锁相环模型及直流电压外环模型；
基于所述非线性模型，得到所述预设变换器的反馈输出功率，并控制所述预设变换器以所述反馈输出功率进行输出，实现所述柔性直流输电系统的振荡抑制。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，建立出所述柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型，包括：
分别建立出所述锁相环模型和所述直流电压外环模型；
将所述锁相环模型和所述直流电压外环模型进行双向耦合，得到所述非线性模型。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，建立出所述锁相环模型，包括：
确定出所述锁相环模型各部分的传递函数；
基于所述锁相环模型各部分的传递函数，构建出所述锁相环模型。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，所述锁相环模型各部分的传递函数，包括：误差生成传递函数、调节器控制传递函数及积分环节传递函数；
其中，所述误差生成传递函数为RgIq-id *(ωn+ΔωPLL)Lg-vgsin(δ)；所述调节器控制传递函数为
Figure BDA0003380806440000021
所述积分环节传递函数为
Figure BDA0003380806440000022
Rg为电网电阻，Iq为电网电流q轴分量，id *为电网电流内环d轴参考，ωn为电网角频率，ΔωPLL为锁相环输出角频率误差，Lg为电网电抗，vg为电网电压，δ为角度误差，
Figure BDA0003380806440000023
为PI调节器比例系数，
Figure BDA0003380806440000024
为PI调节器积分系数。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，建立出所述直流电压外环模型，包括：
确定出所述直流电压外环模型各部分的传递函数；
基于所述直流电压外环模型各部分的传递函数，构建出所述直流电压外环模型。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，所述直流电压外环模型各部分的传递函数，包括：反馈输出功率计算传递函数、直流电压反馈计算传递函数及调节器控制传递函数；
其中，所述反馈输出功率计算传递函数为Pe＝Vg(id *cosδ-Iqsinδ)+Rg((id *)2+(Iq)2)，所述直流电压反馈计算传递函数为
Figure BDA0003380806440000031
所述调节器控制传递函数为
Figure BDA0003380806440000032
为电容Cdc消耗功率，P*为参考输入功率，Vdc为直流电压反馈，Vdc *为参考直流电压，kp dc为PI调节器比例系数，ki dc为PI调节器积分系数。
可选地，上述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中，基于所述非线性模型，得到所述预设变换器的反馈输出功率，包括：
确定出所述非线性模型中的反馈输出功率计算传递函数；
利用所述反馈输出功率计算传递函数进行计算，得到所述预设变换器的反馈输出功率。
本申请第二方面公开了一种柔性直流输电系统，包括：送端电网、预设变换器及受端电网；
其中，所述预设变换器的一侧与所述送端电网相连，另一侧与所述受端电网相连，所述预设变换器通过如第一方面公开的任一项所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，得到所述预设变换器的反馈输出功率，并控制自身以所述反馈输出功率进行输出。
可选地，上述的柔性直流输电系统中，所述预设变换器为电压源变换器。
可选地，上述的柔性直流输电系统中，所述预设变换器为模块化多电平变换器。
基于上述本发明提供的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，该方法可以建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型；非线性模型包括锁相环模型及直流电压外环模型；然后基于非线性模型，得到预设变换器的反馈输出功率，并控制预设变换器以反馈输出功率进行输出，实现柔性直流输电系统的振荡抑制，解决了现有相关方案在弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种柔性直流输电系统的振荡抑制方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型的流程图；
图3为本申请实施例提供的一种柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型的控制原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供一种柔性直流输电系统的振荡抑制方法，以解决现有相关方案在弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制的问题。
请参见图1，该柔性直流输电系统的振荡抑制方法可以包括如下步骤：
S100、建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型。
该非线性模型可以包括锁相环模型及直流电压外环模型。
实际应用中，执行步骤S100、建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型的具体过程可以如图2所示，可以包括如下步骤：
S200、分别建立出锁相环模型和直流电压外环模型。
其中，建立出锁相环模型的过程可以为：先确定出锁相环模型各部分的传递函数；然后基于锁相环模型各部分的传递函数，构建出锁相环模型。
具体的，结合图3，锁相环模型(图中的PLL(QSM))各部分的传递函数可以包括：误差生成传递函数、调节器控制传递函数及积分环节传递函数。其中，误差生成传递函数为RgIq-id *(ωn+ΔωPLL)Lg-vgsin(δ)；调节器控制传递函数为
Figure BDA0003380806440000051
积分环节传递函数为
Figure BDA0003380806440000052
Rg为电网电阻，Iq为电网电流q轴分量，id *为电网电流内环d轴参考，ωn为电网角频率，ΔωPLL为锁相环输出角频率误差，Lg为电网电抗，vg为电网电压，δ为角度误差，
Figure BDA0003380806440000053
为PI调节器比例系数，
Figure BDA0003380806440000054
为PI调节器积分系数。
需要说明的是，实际应用中，电网电压vg可以通过电压霍尔传感器获得，电网电流可以通过电流霍尔传感器获得。其中，电网电流q轴分量Iq和电网电流d轴分量Id是三相电网电流经过坐标变换得到。变换公式可以如下所示：
Figure BDA0003380806440000055
其中，Id和Iq分别为电网电流Iabc在d轴和q轴下的分量。
实际应用中，建立出直流电压外环模型的过程可以是：先确定出直流电压外环模型各部分的传递函数；然后基于直流电压外环模型各部分的传递函数，构建出直流电压外环模型。
需要说明的是，实际应用中，电网电流内环d轴参考id *还可以参与柔性直流输电系统中电流环的控制，关于电网电流内环d轴参考id *还可以参与柔性直流输电系统中电流环的控制的具体控制过程可参见现有技术，此处不再一一赘述。
具体的，结合图3，该直流电压外环模型(图中的DVC)各部分的传递函数可以包括：反馈输出功率计算传递函数、直流电压反馈计算传递函数及调节器控制传递函数。其中，反馈输出功率计算传递函数为Pe＝Vg(id *cosδ-Iqsinδ)+Rg((id *)2+(Iq)2)，直流电压反馈计算传递函数为
Figure BDA0003380806440000056
调节器控制传递函数为
Figure BDA0003380806440000057
为电容Cdc消耗功率，P*为参考输入功率，Vdc为直流电压反馈，Vdc *为参考直流电压，kp dc为PI调节器比例系数，ki dc为PI调节器积分系数。
实际应用中，参考输入功率P*为预先设定好的，其具体取值可视具体应用环境和用户需求确定，本申请不作限定，均属于本申请的保护范围。
需要说明的是，锁相环模型和直流电压外环模型中的调节器可以是PI调节器，当然，并不仅限于此，还可以视具体应用环境和用户需求确定，无论采用何种调节器实现，均在本申请的保护范围内。
S202、将锁相环模型和直流电压外环模型进行双向耦合，得到非线性模型。
实际应用中，可以以锁相环模型输出的角度误差作为直流电压外环模型的一个输入，用于计算预设变换器的反馈输出功率；将直流电压外环模型输出的电网电流内环d轴参考作为锁相环模型的一个输入，用于计算该预设变换器的角度误差，以实现锁相环模型与直流电压外环模型的双向耦合。
S102、基于非线性模型，得到预设变换器的反馈输出功率，并控制预设变换器以反馈输出功率进行输出，实现柔性直流输电系统的振荡抑制。
实际应用中，可以先确定出非线性模型中的反馈输出功率计算传递函数；然后利用反馈输出功率计算传递函数进行计算，得到预设变换器的反馈输出功率。
换言之，可以依据非线性模型中的反馈输出功率计算传递函数进行计算，得到预设变换器的反馈输出功率，然后控制预设变换器以反馈输出功率进行输出，实现柔性直流输电系统的振荡抑制。
基于上述原理，本实施例提供的柔性直流输电系统的振荡抑制方法可以建立出柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型；非线性模型包括锁相环模型及直流电压外环模型；然后基于非线性模型，得到预设变换器的反馈输出功率，并控制预设变换器以反馈输出功率进行输出，实现柔性直流输电系统的振荡抑制，解决了现有相关方案在弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器的振荡和不稳定机理不清晰，无法对柔性直流输电系统电压源变换器的振荡和不稳定进行抑制的问题。
此外，本申请提供的柔性直流输电系统的振荡抑制方法中的非线性模型考虑了锁相环动态、直流电压外环动态以及二者的相互耦合影响，从而增强预设变换器非线性模型的精确度，提高其模型完整性，该模型具有精度高、优良的抗扰性、稳态特征和动态性能，能够为柔性直流输电系统奠定了坚实的理论和实践基础，并且该非线性模型构建过程简单，工程应用价值高。
值得说明的是，针对现阶段对弱电网条件下柔性直流输电系统电压源变换器建模不足，导致电压源变换器VSC的振荡和不稳定机理不清晰的问题，2018年Julian Freytes教授等人在国际期刊IEEE Transactions on Power Delivery发表的论文Improving Small-Signal Stability ofan MMC With CCSC by Control ofthe Internally Stored Energy中指出柔性直流输电系统中的模块化多电平变换器(ModularMultilevel Converter，MMC)容易出现振荡或不稳定问题，并提出了一种振荡抑制方案，有效提高了系统可靠性。然而该方案并未系统性的揭示基于电压源变换器的柔性直流输电系统高频振荡机理，且其振荡抑制效果有限；而本申请通过建立预设变换器的非线性模型能够系统性揭示基于电压源变换器的柔性直流输电系统高频振荡机理，提高柔性直流输电系统的振荡抑制效果。
还值得说明的是，虽然2020年Jiabing Hu教授等人在国际期刊IEEE Transactionon Power Electronics发表的论文High-Frequency Oscillation MechanismAnalysisand Suppression Method of电压源变换器VSC-HVDC中还提出了一种振荡抑制方案，揭示了基于电压源变换器的柔性直流输电系统的高频振荡机理，解决了系统高频振荡问题，但是其模型只考虑了电压源变换器的直流电压外环动态和稳定性，未考虑锁相环的动态问题，更未考虑电压源变换器的直流电压外环动态和锁相环动态的相互耦合关系，从而致使上述方案振荡抑制效果较差，且只能应用于一般场合，不能应用于动态性能要求较高且工况较为复杂的柔性直流输电系统。
基于上述实施例提供的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，结合图3，假设预设变换器为电压源变换器，本发明中建立出预设变换器的非线性模型具体有如下实施过程：
该电压源变换器的非线性模型包含锁相环模型和直流电压控制模型。
锁相环模型包含误差生成部分、调节器控制部分、积分环节、反馈部分。
误差生成部分包含电网电阻电压部分、电网电抗电压部分及电网电压部分；电网电阻电压部分为RgIq，其中Rg为电网电阻，Iq为电网电流q轴分量；电网电抗电压部分为id *(ωn+ΔωPLL)Lg，其中Lg为电网电抗，id *为电网电流内环d轴参考，ωn为电网角频率，ΔωPLL为锁相环输出角频率误差；电网电压部分为vgsin(δ)，其中vg为电网电压，δ为角度误差；误差生成部分计算方式为RgIq-id *(ωn+ΔωPLL)Lg-vgsin(δ)。
调节器控制部分为PI调节器，传递函数为
Figure BDA0003380806440000071
其中
Figure BDA0003380806440000072
为PI调节器比例系数，
Figure BDA0003380806440000073
为PI调节器积分系数，将误差经过PI调节器调节后，生成锁相环输出角频率误差ΔωPLL。
积分环节为
Figure BDA0003380806440000081
其作用是将ΔωPLL转变为角度误差δ。
反馈部分为vgsin(δ)。
该直流电压控制模型包含反馈输出功率计算部分、直流电压反馈计算部分及调节器部分。
反馈输出功率计算部分为Pe＝Vg(id *cosδ-Iqsinδ)+Rg((id *)2+(Iq)2)。
直流电压反馈计算部分为
Figure BDA0003380806440000082
其中
Figure BDA0003380806440000083
为电容Cdc消耗功率，P*为参考输入功率；将直流电压反馈vdc和参考直流电压vdc *做差后得到电压误差。
调节器部分为PI调节器，传递函数为
Figure BDA0003380806440000084
其中kp dc为PI调节器比例系数，ki dc为PI调节器积分系数，将电压误差经过PI调节器调节后，生成电网电流内环d轴参考id *。
基于上述实施例提供的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，本申请另一实施例还提供了一种柔性直流输电系统，该柔性直流输电系统主要包括：送端电网、预设变换器及受端电网。
其中，预设变换器的一侧与送端电网相连，另一侧与受端电网相连，预设变换器通过如上述任一实施例所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，得到预设变换器的反馈输出功率，并控制自身以反馈输出功率进行输出。
实际应用中，该预设预设变换器可以是电压源变换器，也可以为模块化多电平变换器，视具体应用环境和用户需求确定即可，均属于本申请的保护范围。
需要说明的是，关于柔性直流输电系统的振荡抑制方法的相关说明可参见上述实施例，此处不再一一赘述。
还需要说明的是，关于柔性直流输电系统的相关说明还可以参见现有技术，此处也不再一一赘述，均属于本申请的保护范围。
本说明书中的各个实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，包括：
建立出所述柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型；所述非线性模型包括锁相环模型及直流电压外环模型；
基于所述非线性模型，得到所述预设变换器的反馈输出功率，并控制所述预设变换器以所述反馈输出功率进行输出，实现所述柔性直流输电系统的振荡抑制。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，建立出所述柔性直流输电系统中预设变换器的非线性模型，包括：
分别建立出所述锁相环模型和所述直流电压外环模型；
将所述锁相环模型和所述直流电压外环模型进行双向耦合，得到所述非线性模型。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，建立出所述锁相环模型，包括：
确定出所述锁相环模型各部分的传递函数；
基于所述锁相环模型各部分的传递函数，构建出所述锁相环模型。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，所述锁相环模型各部分的传递函数，包括：误差生成传递函数、调节器控制传递函数及积分环节传递函数；
其中，所述误差生成传递函数为RgIq-id *(ωn+ΔωPLL)Lg-vgsin(δ)；所述调节器控制传递函数为
Figure FDA0003380806430000011
所述积分环节传递函数为
Figure FDA0003380806430000012
Rg为电网电阻，Iq为电网电流q轴分量，id *为电网电流内环d轴参考，ωn为电网角频率，ΔωPLL为锁相环输出角频率误差，Lg为电网电抗，vg为电网电压，δ为角度误差，
Figure FDA0003380806430000013
为PI调节器比例系数，
Figure FDA0003380806430000014
为PI调节器积分系数。
5.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，建立出所述直流电压外环模型，包括：
确定出所述直流电压外环模型各部分的传递函数；
基于所述直流电压外环模型各部分的传递函数，构建出所述直流电压外环模型。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，所述直流电压外环模型各部分的传递函数，包括：反馈输出功率计算传递函数、直流电压反馈计算传递函数及调节器控制传递函数；
其中，所述反馈输出功率计算传递函数为Pe＝Vg(id *cosδ-Iqsinδ)+Rg((id *)2+(Iq)2)，所述直流电压反馈计算传递函数为
Figure FDA0003380806430000021
所述调节器控制传递函数为
Figure FDA0003380806430000022
Figure FDA0003380806430000023
为电容Cdc消耗功率，P*为参考输入功率，Vdc为直流电压反馈，Vdc *为参考直流电压，kp dc为PI调节器比例系数，ki dc为PI调节器积分系数。
7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，其特征在于，基于所述非线性模型，得到所述预设变换器的反馈输出功率，包括：
确定出所述非线性模型中的反馈输出功率计算传递函数；
利用所述反馈输出功率计算传递函数进行计算，得到所述预设变换器的反馈输出功率。
8.一种柔性直流输电系统，其特征在于，包括：送端电网、预设变换器及受端电网；
其中，所述预设变换器的一侧与所述送端电网相连，另一侧与所述受端电网相连，所述预设变换器通过如权利要求1-7任一项所述的柔性直流输电系统的振荡抑制方法，得到所述预设变换器的反馈输出功率，并控制自身以所述反馈输出功率进行输出。
9.根据权利要求8所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述预设变换器为电压源变换器。
10.根据权利要求8所述的柔性直流输电系统，其特征在于，所述预设变换器为模块化多电平变换器。
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