CN116231720A - 新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法及系统 - Google Patents

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CN116231720A CN202310330593.7A CN202310330593A CN116231720A CN 116231720 A CN116231720 A CN 116231720A CN 202310330593 A CN202310330593 A CN 202310330593A CN 116231720 A CN116231720 A CN 116231720A
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Abstract

本发明公开了一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法及系统，包括：新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令；将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令；若故障后系统稳定平衡点处阻尼不满足要求，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至阻尼满足要求。本发明可应用于新能源经柔性直流输电并网系统稳定控制策略的设计，保证新能源机组和送端MMC在故障期间能够保持同步稳定运行。

Description

新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源经柔性直流输电并网技术领域，尤其涉及一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high-voltage direct current,HVDC)因具有模块化程度高、谐波含量少以及有功和无功独立控制等优势，成为了大规模新能源并网的理想方案。由于电力系统电力电子化程度不断提高，使得电网的网架结构越来越弱，抗干扰能力越来越差，故障后新能源机组脱网的风险大大增加。新能源经柔性直流输电并网系统发生故障后，新能源机组并网变流器(gridside converter,GSC)可能与送端MMC失去同步，严重影响新能源的安全送出和可靠消纳。
新能源机组GSC一般采用跟网型变流器(grid-following converter,GFL)，利用锁相环(phase locked loop,PLL)跟踪公共耦合点(point of common coupling,PCC)的电压相位以实现并网同步稳定运行。近年来，国外多个国家的电力系统在极端自然灾害下出现了新能源机组大规模脱网并引发连锁故障的事故。为了保证电力系统的安全可靠运行，我国新能源并网导则规定新能源机组应具备一定的故障耐受能力，不能任意闭锁。但是，采用传统的低电压穿越(low-voltage ride through,LVRT)策略时，新能源机组故障穿越期间仍然可能与电网失去同步，导致系统发生失稳，且故障切除后这种失稳现象可能依然持续。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法及系统，通过自适应调节故障期间新能源机组和送端MMC的电流，故障后系统的初始运行点恰好为稳定平衡点，系统阻尼也在初始运行点处取得最大值，并通过调节新能源机组PLL的参数使得系统在故障后的平衡点附近存在正阻尼区间，以提升新能源经柔性直流输电并网系统的暂态稳定性。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，包括：
新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。
新能源机组和送端MMC的输出电流均达到输出控制指令值，且新能源机组锁相环的比例系数完成自适应调节后，系统等效功角的波动很小且趋于稳定。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的系统，包括：
送端MMC的电流输出控制模块，用于在新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
新能源机组的电流输出控制模块，用于将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
新能源机组锁相环控制模块，用于判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明充分发挥送端MMC的过电流能力提升系统阻尼，自适应调节送端MMC电流输出，使系统的阻尼在初始功角处取得最大值。
(2)本发明充分利用新能源机组的过电流能力，自适应调节新能源机组电流输出，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点。
(3)本发明根据故障位置、故障电阻的大小和电网所需正阻尼，自适应调节新能源机组PLL的比例系数，保证了系统稳定平衡点附近存在正阻尼。
(4)本发明可应用于新能源经柔性直流输电并网系统稳定控制策略的设计，保证新能源机组和送端MMC在故障期间能够保持同步稳定运行。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法流程图；
图2为本发明实施例中新能源经柔性直流输电并网系统拓扑图；
图3中的(a)和(b)分别为本发明实施例中故障前后系统等效电路图；
图4为本发明实施例中暂态稳定性提升策略原理图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，如图1所示，包括：
步骤S1：新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，并网点电压跌落，系统运行状态改变。
本实施例借鉴同步发电机功角稳定性的理论，建立系统的二阶等效摇摆方程，使分析更加具有物理意义，揭示系统的暂态失稳机理。
具体地，结合图2，新能源经柔性直流输电并网系统中，新能源机组GSC采用PLL与送端MMC实现同步。如图3中的(a)所示，正常运行情况下，新能源机组控制注入电网电流的dq轴分量等于外环交流电压/无功功率控制计算得到的指令值，可以等效为一个受控电流源；送端MMC控制PCC点电压的幅值和频率保持恒定，可以等效为一个恒定电压源。图3中的(b)所示，三相短路故障发生后，新能源切换到LVRT策略，直接控制注入电网的电流，可以等效为一个受控电流源；由于故障后系统电压跌落，送端MMC无法将PCC点电压维持在额定值，而将根据电流指令值，由电流内环控制其电流输出，也可以等效为一个受控电流源。
新能源机组PLL和送端MMC两个不同dq轴坐标之间的相量满足如下转换关系：
Figure BDA0004154870510000051
式中，上标“W”表示新能源机组PLL的dq轴坐标，上标“M”表示送端MMC的dq轴坐标，δ＝θpll-θm为新能源机组和送端MMC的dq坐标之间的相角差，即等效功角(equivalentpower angle,EPA)。同时，ωpll为新能源机组PLL输出的角频率，ωn为电网额定角频率，Park变换的角度直接通过积分得到，即θpll＝∫ωplldt，θm＝∫ωndt。
为了使系统的稳定性分析更加具有物理意义，建立系统的二阶等效摇摆方程：
Figure BDA0004154870510000061
式中，uw和um分别等效于同步发电机的机械转矩和电磁转矩；Jeq和Deq分别为等效惯性系数和阻尼系数。
故障后等效摇摆方程各变量表达式：
Figure BDA0004154870510000062
Figure BDA0004154870510000063
Figure BDA0004154870510000064
Figure BDA0004154870510000065
式中，kT1为新能源机组并网变压器变比；kT2为送端MMC变压器变比；Z1＝R1+jL1和Z2＝R2+jL2分别为故障点两侧线路阻抗；Rfault为故障电阻；Im为流入送端MMC的电流；Kp_pll和Ki_pll分别为新能源机组PLL的PI控制器的比例和积分系数；Uwb为新能源机组的基准电压；
Figure BDA0004154870510000066
和/>
Figure BDA0004154870510000067
分别为新能源机组PLL同步坐标下新能源机组输出电流的dq轴分量；上标“W”表示新能源机组PLL的同步坐标系；R1和L1分别为新能源机组到故障点之间的等效电阻和等效电感。
角度
Figure BDA0004154870510000071
可由式(7)求得：
Figure BDA0004154870510000072
式中，
Figure BDA0004154870510000073
和/>
Figure BDA0004154870510000074
分别为新能源机组PLL同步坐标下MMC电流的dq轴分量，/>
Figure BDA0004154870510000075
和/>
Figure BDA0004154870510000076
分别为MMC同步坐标下MMC电流的dq轴分量，/>
Figure BDA0004154870510000077
表示MMC电流在MMC同步坐标下的角度。
新能源经柔性直流输电并网系统和同步发电机的等效摇摆方程具有相同的形式，即它们具有类似的同步动态。因此通过适当调节新能源机组和送端MMC的电流，故障后系统的初始运行点恰好为稳定平衡点，系统阻尼也在初始功角δ0处取得最大值，且调节参数使得系统故障后稳定平衡点处存在正阻尼区间，在保证系统的暂态稳定性的同时使故障后的暂态波动最小。
步骤S2：将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
本实施例中，自适应调节送端MMC的电流输出，使系统阻尼在初始功角处取得最大值，提升系统的阻尼。同时为了充分发挥MMC的过电流能力，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值。据此可计算得到提升系统暂态稳定性所需MMC输出电流的dq轴分量。
根据式(6)，系统阻尼系数Deq在
Figure BDA0004154870510000078
时取得最大值，k为一个整数，Z表示整数集。
因此，保证Deq在δ0处取得最大值的
Figure BDA0004154870510000079
为：/>
Figure BDA0004154870510000081
δ0可由式(9)计算得到
Figure BDA0004154870510000082
式中，Rline和Lline分别为线路电阻和电感，Ums为PCC点电压幅值，下标“0”代表系统发生故障前的稳态值。
为了充分发挥送端MMC的过电流能力以提升系统阻尼，MMC的电流幅值设置为最大限幅值Immax，此时稳定性提升所需的MMC电流的dq轴分量为：
Figure BDA0004154870510000083
同时，δ0处um对δ的导数为：
Figure BDA0004154870510000084
上式表明，故障后该点可以作为稳态平衡点。
步骤S3：将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
本实施例中，自适应调节新能源机组电流输出，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点。同时为了充分利用新能源的过电流能力，并输出尽量多的无功电流，将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值。据此可计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流dq轴分量。
为了使得故障瞬间系统的运行点变化到稳态平衡点处。uw需要等于um(δ0)，将式(10)代入故障后um的表达式可得：
Figure BDA0004154870510000091
因此，为了实现上述控制目标，故障后新能源机组输出电流的dq轴分量需要满足以下关系：
Figure BDA0004154870510000092
为了充分利用新能源机组的过电流能力，并输出尽量多的无功电流，将新能源机组输出电流的幅值Iw设置为最大电流限幅值Iwmax，即：
Figure BDA0004154870510000093
联合式(13)和式(14)，可得暂态稳定提升所需新能源机组输出电流的dq轴分量为：
Figure BDA0004154870510000094
步骤S4：判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。通过增大新能源机组PLL的比例系数，以保证系统的正阻尼和快速响应能力。
具体地，当系统发生故障电阻Rfault较小的严重短路故障后，根据上述步骤得到的新能源机组d轴电流
Figure BDA0004154870510000095
可能不满足系统存在正阻尼的新能源机组电流限制条件。此时，需要通过增大新能源机组PLL的比例系数Kp_pll或降低新能源机组PLL的积分系数Ki_pll，以提升系统的阻尼，并保证系统的暂态稳定性。考虑到提升新能源机组PLL的比例系数Kp_pll在增大系统阻尼的同时，降低系统的惯性，而降低新能源机组PLL的积分系数Ki_pll在增大系统阻尼的同时，反而将增大系统的惯性。因此，为了保证系统的快速响应能力，增大新能源机组PLL比例系数的方式是一个更好的选择。因此，提出一种新能源机组PLL的自适应系数调节方法，根据故障点的位置、故障电阻和系统所需阻尼大小，在故障电阻较小而系统阻尼不足时，通过自适应地增大新能源机组PLL的比例系数，保证系统存在一定的正阻尼。假设故障瞬间系统所需的阻尼系数为Dreq，修改后的新能源机组PLL比例系数Kp_pll可以由式(16)计算得到：
Figure BDA0004154870510000101
步骤S5：交流电流控制动态比锁相环动态的时间尺度快一个数量级以上，新能源机组GSC和送端MMC的交流电流控制时间尺度很小，实际输出电流可以迅速跟踪指令值。
新能源机组和送端MMC输出电流均达到指令值，且新能源机组PLL的参数完成自适应调节后，系统等效功角的波动很小且趋于稳定。基于所提的新能源机组和送端MMC自适应电流控制方法以及新能源机组PLL的参数自适应调节方法，可以提升新能源经柔性直流输电并网系统发生严重故障时的暂态稳定性。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的系统，包括：
送端MMC的电流输出控制模块，用于在新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
新能源机组的电流输出控制模块，用于将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
新能源机组锁相环控制模块，用于判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。
需要说明的是，上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，具体不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，包括：
新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。
2.如权利要求1所述的一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，具体为：
Figure FDA0004154870500000011
其中，
Figure FDA0004154870500000012
和/>
Figure FDA0004154870500000013
分别为MMC同步坐标下MMC电流的dq轴分量；δ0为初始功角，Immax为流入送端MMC的最大电流限幅值，/>
Figure FDA0004154870500000014
表示MMC电流在MMC同步坐标下的角度。
3.如权利要求2所述的一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，使系统阻尼在初始功角处取得最大值的
Figure FDA0004154870500000015
具体为：
Figure FDA0004154870500000021
其中，k表示整数，Z表示整数集。
4.如权利要求1所述的一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，具体为：
Figure FDA0004154870500000022
其中，
Figure FDA0004154870500000023
分别表示新能源机组输出的d轴和q轴电流，Iwmax为新能源机组的最大电流限幅值，ωn为电网额定角频率，Rfault为故障电阻，R1和L1分别为新能源机组到故障点之间的等效电阻和等效电感。
5.如权利要求1所述的一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，所述自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，具体为：
假设故障瞬间系统所需的阻尼系数为Dreq，修改后的新能源机组PLL比例系数Kp_pll为：
Figure FDA0004154870500000024
其中，Ki_pll为新能源机组PLL的积分系数，
Figure FDA0004154870500000025
为新能源机组d轴电流，Rfault为故障电阻，Im为流入送端MMC的电流；kT1为新能源机组并网变压器变比；kT2为送端MMC变压器变比，L1为新能源机组到故障点之间的等效电感。
6.如权利要求1所述的一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法，其特征在于，新能源机组和送端MMC的输出电流均达到输出控制指令值，且新能源机组锁相环的比例系数完成自适应调节后，系统等效功角的波动很小且趋于稳定。
7.一种新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的系统，其特征在于，包括：
送端MMC的电流输出控制模块，用于在新能源经柔性直流输电并网系统传输线路中发生三相短路故障后，将MMC的电流幅值设置为最大限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的MMC输出电流，作为送端MMC的电流输出控制指令，以使系统阻尼在初始功角处取得最大值；
新能源机组的电流输出控制模块，用于将新能源机组输出电流的幅值设置为最大电流限幅值，计算得到提升系统暂态稳定性所需的新能源机组输出电流，作为新能源机组的电流输出控制指令，以保证故障瞬间系统的运行点恰好为稳定平衡点；
新能源机组锁相环控制模块，用于判断故障后系统稳定平衡点处阻尼是否满足要求，若否，根据故障位置、故障电阻的大小和系统所需的阻尼，自适应调节新能源机组锁相环的比例系数，直至所述阻尼满足要求。
8.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-6任一项所述的新能源经柔性直流并网系统暂态稳定性提升的方法。
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