CN114268127A - 一种大规模风电接入的混合直流输电系统送端电网频率控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大规模风电接入的混合直流输电系统送端电网频率控制策略。混合直流系统整流侧采用电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)串联两个模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的结构，分别在风机和传统直流换流站中引入考虑一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略，在柔直换流站中引入虚拟惯性控制策略；为使柔直换流站与传统直流换流站协调参与送端电网调频，提出了基于直流电压‑电流偏差量的直流电压协调控制策略。本发明所提频率协调控制策略可以有效提高送端系统的惯量与一次调频能力，改善交流系统在不同运行工况下的频率稳定问题。
Description
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种风电与混合直流输电系统协调参与的送端电网频率控制策略。
背景技术
大力发展风电是实现“双碳目标”的重要举措之一。截止2020年底，全国新能源总装机占比24.3％，风电新增装机容量同比增长178.7％。直流侧采用电网换相换流器(LineCommutated Converter，LCC)串联两个模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)的混合级联直流系统充分结合了LCC与MMC的优点，兼具灵活性和经济性，成为将西部地区的风电、火电打捆远距离送出一种重要选择。
在大规模风电接入的特高压混合级联直流系统送端电网中，风力发电机组与混合直流系统本身并不具有惯量，这些高比例电力电子装备接入电力系统，将导致系统惯量和调频能力的不断减弱，给系统的频率稳定带来新的挑战。
为此，许多国内外学者提出让风电和直流系统参与电力系统频率控制。然而，已有的文献大多只单独研究了风电参与电网调频，传统直流或者柔性直流系统参与电网调频，而鲜有文献研究风电与混合直流系统协调参与送端电网的频率响应策略，以及在调频时混合直流系统各站之间的协调配合控制策略。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电与混合直流输电系统协调参与的送端电网频率控制策略，该控制策略包括以下几个步骤:
步骤1：当送端系统频率偏差值|Δf|在0.1Hz以下时，频率协调控制策略不投入，仅由常规火电机组平抑送端电网中的频率波动。
步骤2：当送端系统频率偏差值|Δf|大于0.1Hz时，风机中具有一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略投入，双馈风机新的有功功率参考值Pref为
其中，Pref0为风电机组有功功率参考值，Δω为送端电网发生功率扰动后的频率偏差标幺值，Kd1为风机功率-频率的惯性响应系数，Kp1为风机功率-频率的下垂系数。
MMC1换流站中具有惯性特性的附加频率策略投入，MMC1站的直流电容通过吸收或者释放的一部分能量参与送端电网频率支撑。MMC1站的直流电压参考值为
其中，UdcMMCref0为MMC1站原直流电压参考值，UdcMMC为直流电压基准值，K1为MMC1站功率-频率的惯性响应系数，HMMC1为MMC1站虚拟惯性常数，Ceq为MMC1站的等效电容。
步骤3：当送端交流系统频率扰动时，MMC1站的虚拟惯性控制策略投入，期望其直流电容通过释放或者吸收一定的能量为交流系统提供支撑。然而，LCC1站与MMC1站的直流电压之和为定值，当MMC1的直流电压上升(降低)时，LCC1的直流电压会伴随MMC1降低(上升)，即：MMC1站的直流电容释放(吸收)的能量绝大部分被LCC1站吸收(补偿)。因此，为了抑制LCC1站吸收或者补偿MMC1站的能量变化，投入基于直流电压-电流偏差量的直流电压协调控制策略减小LCC1站直流电压的变化量，直流电流补偿量为
ΔIdcref0＝(UdcLCC1ref-UdcLCC1m)(kp+∫kidt) (3)
其中，LCC1站直流电压参考值为
UdcLCC1ref＝Udcinvref+Idcref0RLine-UdcMMCref0 (4)
Udcinvref为逆变侧直流电压值，Idcref0为上层控制给出的电流参考值，RLine为输电线路等效电阻值。
步骤4：当送端系统频率偏差值大于0.15Hz时，LCC1中具有一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略投入，LCC1站新的直流电流整定值为
其中，Kd2为LCC1站功率-频率的惯性响应系数，Kp2为LCC1站功率-频率的下垂系数。UdcLCC1m为LCC1站的直流电压测量标幺值。
步骤5：当送端系统频率偏差值|Δf|大于0.5Hz时，混合直流系统采用紧急功率支援策略为送端电网提供频率支撑。
步骤6当交流系统发生短路故障时，风电场维持最大功率控制，不参与送端系统的频率响应，由混合直流系统的MMC1站与LCC1站协调参与送端系统频率控制。若上述控制策略仍然不能将频率控制在安全范围内，将进行低周减载、高周切机等安控措施。
附图说明
图1是特高压混合级联直流系统结构示意图；
图2是基于直流电压-电流偏差量的直流电压协调控制策略；
图3是送端系统频率协调控制策略框图；
图4为常规发电机组脱网工况下，系统在不投入协调频率控制策略与投入协调频率控制策略两种控制方式下，送端系统的各物理量仿真结果仿真对比图；
具体实施方式
为进一步阐述本发明的原理，以下结合附图对发明涉及的风电与混合直流输电系统协调参与的送端电网频率控制策略进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1为特高压混合级联直流系统单极拓扑结构示意图。送、受端的直流侧均采用LCC串联两个并联的MMC的结构，LCC1站与MMC1站直接连接送端交流系统，MMC2站连接孤岛风电场。其中，LCC1站采用定电流控制，MMC1站采用定直流电压控制，MMC2站采用定直流电压控制，LCC2站采用定直流电压控制，MMC3站采用定有功功率控制，MMC4站采用定有功功率控制。
此处以常规发电机组脱网导致的频率降低来说明本发明送端系统频率协调控制策略的具体实施步骤。
步骤1：当频率低于49.9Hz时，为提高风能利用率，风电场在附加频率控制策略的作用下增加出力；MMC1换流站中具有惯性特性的附加频率策略投入，MMC1站的直流电容通过吸收或者释放的一部分能量参与送端电网频率支撑。
步骤2：同时，为了减少LCC1站吸收MMC1站的直流电容释放的能量，基于直流电压-电流偏差量的直流电压协调控制策略投入，抑制了LCC1站直流电压的变化。
步骤3：当频率低于49.85Hz时，LCC1站在附加频率控制策略的作用下减小外送功率来支撑送端系统频率。
如图所示，送端电网在第10s时发生发电机脱网事故，送端系统中出现功率缺额，系统频率下降。若不投入任何频率控制策略，频率最低值为48.86Hz；投入协调频率控制策略之后，系统的频率最低值为49.80Hz，与不投入频率控制策略相比，频率的最低值有了明显的改善，频率偏差量82.5％，系统频率恢复至稳态的时间也大大缩短，缩短了74.5％，同时降低了送端系统的频率变化率，提高了频率稳态值，最终的系统频率稳态值为49.97Hz。在协调频率控制策略动作过程中，MMC1的最低直流电压值为382.6kV，LCC1的最大直流电压值为418.3kV，即MMC1的直流电压变化量为17.4kV，LCC1站的电压变化量为9.0kV，LCC1站与MMC1站的电压协调控制策略大幅度抑制了LCC1站吸收MMC1站直流电容释放的能量，使MMC1站参与送端频率控制。综上，本文提出的协调频率控制策略提高了送端电网的惯量，增强了系统的一次调频能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种风电与混合直流输电系统协调参与的送端电网频率控制策略，其特征在于，针对整流侧采用LCC串联两个并联的MMC的拓扑结构的混合直流系统，分别在风机和传统直流换流站中引入考虑一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略，在柔直换流站中引入虚拟惯性控制策略；为使柔直换流站与传统直流换流站协调参与送端电网调频，提出了基于直流电压-电流偏差量的直流电压协调控制策略。该频率协调控制策略包括以下步骤：
步骤1：当送端系统频率偏差值|Δf|在0.1Hz以下时，频率协调控制策略不投入，仅由交流系统中的常规火电机组将频率恢复至额定值。
步骤2：当送端系统频率偏差值|Δf|大于0.1Hz时，风机中具有一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略投入，风电场参与送端电网调频；MMC1换流站中具有惯性特性的附加频率策略投入，MMC1站的直流电容通过吸收或者释放的一部分能量参与送端电网频率调节。
步骤3：与此同时，基于直流电压-电流偏差量的直流电压协调控制策略投入，减小LCC1站直流电压的变化量，抑制LCC1站吸收或者补偿MMC1站的能量变化。
步骤4：当送端系统频率偏差值|Δf|大于0.15Hz时，LCC1中具有一次调频特性与惯性特性的附加频率控制策略投入，LCC1站参与送端电网调频；
步骤5：当送端系统频率偏差值|Δf|大于0.5Hz时，混合直流系统采用紧急功率支援策略为送端电网提供频率支撑。
步骤6：当交流系统发生短路故障时，风电场维持最大功率控制，不参与送端系统的频率响应，由混合直流系统的MMC1站与LCC1站协调参与送端系统频率控制。
若上述控制策略仍然不能将频率控制在安全范围内，将进行低周减载、高周切机等安控措施。
2.根据权利要求1所述的一种风电与混合直流输电系统协调参与的送端电网频率控制策略，其特征在于，可以有效提高送端系统的惯量与一次调频能力，改善交流系统在不同运行工况下的频率稳定问题。
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