一种海上风电VSC-HVDC输出系统的低频振荡阻尼控制方法

摘要

本发明公开了一种海上风电VSC‑HVDC输出系统的低频振荡阻尼控制方法；具体为在海上风电经VSC‑HVDC输出系统中，交直流混联系统中，直流系统运行在额定功率状态下，交流系统受大扰动引起低频振荡，需要添加阻尼控制器来抑制低频振荡。本发明只需要在VSC‑HVDC换流站的直流电压控制加上基于频率的前级控制，只需一个比例环节和滤波环节；在交流电网发生扰动后产生低频振荡时将频率信号的变化传递到直流电压上，直流电压在变化时会相应的引起有功功率变化，阻尼交流系统的低频振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对其所连接的交流系统低频振荡提供了较好的阻尼效果，保障了VSC‑HVDC直流系统的安全稳定运行以及电网友好性。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统安全运行领域，更具体地，涉及一种海上风电VSC-HVDC(基于电压源换流器的高压直流输电，Voltage Source Converter based High Voltage DirectCurrent Transmission)输出系统的交流电力系统低频振荡阻尼控制方法。

背景技术

低频振荡是电力系统的固有属性，持续的振荡会限制输电线路的传输容量，严重时甚至会导致系统解列。低频振荡的频率范围一般为0.1～2Hz，其中涉及一个发电厂内发电机与电网其他部分之间的振荡，称为局域振荡(约1～2Hz)；涉及区域之间多台发电机之间的振荡，称为区间振荡(约0.1～0.7Hz)。

抑制低频振荡最常采用的措施是为同步发电机的励磁调节器加装电力系统稳定器(power system stabilization，PSS)为发电机提供正阻尼转矩。随着近年来电力电子技术的快速发展以及风电和光伏的加入，高压直流输电系统(high voltage DC，HVDC)被广泛用于增加线路传输容量、降低线损，改善电力系统稳定性和安全性。随着这种变化，传统阻尼控制手段将难以独立应对电力系统运行特性出现的新变化。为充分发掘新能源发电在参与阻尼低频振荡方面的潜力，需要对海上风电VSC-HVDC输出系统的电网提供新的阻尼控制方案。

发明内容

针对现有技术的改进需求，本发明提供了一种海上风电VSC-HVDC输出系统的交流电力系统低频振荡阻尼控制方案，利用风机的输出功率调节能力，通过在风力发电经VSC-HVDC输出系统的增加的附加阻尼控制，增加系统阻尼，提高系统的安全稳定运行能力。

本发明提供了一种海上风电VSC-HVDC输出系统的交流电力系统低频振荡阻尼控制方法，包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc、三相电流i_abc和直流电压U_dc；

(2)对于所述电压信号U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率ω_g；

对于所述电压信号U_abc和所述三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取直流输电系统逆变侧换流站输出的无功功率Q；

(3)根据所述交流电网频率ω_g获得直流输电系统逆变侧换流站的直流电压参考值U_{dc_ref}；

(4)根据所述直流电压参考值U_{dc_ref}和所述直流电压检测值U_dc、直流系统逆变侧换流站的无功功率参考值Q_ref和无功功率计算值Q和交流电流dq变换得到电流d轴检测值i_d和q轴检测值i_q计算得到驱动信号S_abc，并驱动VSC-HVDC逆变侧换流站的变流器以实现低频振荡的阻尼控制。

更进一步地，步骤(3)具体包括：

将交流电网频率参考信号减去所述交流电网频率ω_g后进行低通滤波，经低通滤波后的信号再经过增益调节后与直流电压基本参考信号相加，获得VSC-HVDC直流输电系统逆变侧换流站的直流电压参考值U_{dc_ref}。

其中，交流电网频率参考信号可以为1，所述直流电压基本参考信号可以为1。

更进一步地，步骤(4)具体包括：

对所述直流电压参考值U_{dc_ref}和所述直流电压检测值U_dc进行PI控制后获得交流电流d轴参考值i_{d_ref}；其中，PI控制器包括比例比例系数k_{p_dc}和积分系数k_{i_dc}，实际系统中的这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

对直流系统逆变侧换流站的无功功率参考值Q_ref和无功功率计算值Q进行PI控制后获得交流电流q轴参考值i_{q_ref}；其中，PI控制器包括比例系数k_{p_q}和积分系数k_{i_q}，实际系统中的这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

对所述交流电流d轴参考值i_{d_ref}、所述交流电流q轴参考值i_{q_ref}与所述交流电流dq变换得到的电流d轴检测值i_d和q轴检测值i_q进行电流控制后获得所述驱动信号S_abc；其中，电流控制包括d轴电流和q轴电流控制，分别对应一个PI控制器(通常使用同一套参数)，参数包括一个比例系数k_{p_i}和积分系数k_{i_i}，实际系统中的这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：所得的U_{d，q_con}经过一个PWM调制单元生成所述驱动信号S_abc。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，只需要在VSC-HVDC换流站的直流电压控制加上基于频率的前级控制，只需一个比例环节和滤波环节。在交流电网发生扰动后产生低频振荡时，该控制方法将频率信号的变化传递到直流电压上，直流电压在变化时会相应的引起有功功率变化，阻尼交流系统的低频振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对其所连接的交流系统低频振荡提供了较好的阻尼效果，保障了VSC-HVDC直流系统的安全稳定运行以及电网友好性。

附图说明

图1是海上风电经VSC-HVDC输出系统的测试系统图；

图2是VSC-HVDC直流系统逆变侧换流站的控制结构图；

图3是附加阻尼控制的控制结构图；

图4是采用不同控制方式的同步发电机转速振荡对比图；

图5是采用不同控制方式的同步发电机功率振荡对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的全桥型MMC交流电压提升运行方法包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc、三相电流i_abc、直流电压U_dc为输入信号；

(2)对于所采集的并网点三相电压U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网的频率ω_g；对于所采集的并网点三相电压U_abc、三相电流i_abc，通过瞬时功率计算器获取直流输电系统逆变侧换流站输出的无功功率Q；三相电流i_abc经过dq变换得到交流电流d轴检测值i_d和q轴检测值i_q；

(3)通过锁相环输出的交流电网频率ω_g经过阻尼控制器得到VSC-HVDC直流输电系统逆变侧换流站的直流电压参考值U_{dc_ref}；

其中，步骤(3)具体包括：阻尼控制器由两个部分构成，一个是低通滤波环节，另一个是增益环节，交流电网频率参考信号(通常为1)减去锁相环输出的交流电网频率ω_g后，输入到低通滤波环节，低通滤波环节输出信号再输入到增益环节，输出信号再与直流电压基本参考信号(通常为1)相加后，得到VSC-HVDC直流输电系统逆变侧换流站的直流电压参考值U_{dc_ref}。

(4)根据得到的直流电压参考值U_{dc_ref}和直流电压U_dc检测值、直流系统逆变侧换流站的无功功率参考值Q_ref和无功功率计算值Q和交流电流dq变换得到电流d轴检测值i_d和q轴检测值i_q计算得到驱动信号S_abc，并驱动VSC-HVDC逆变侧换流站的变流器以实现低频振荡的阻尼控制。

其中，步骤(4)具体包括：根据得到的直流电压参考值U_{dc_ref}和直流电压检测值U_dc，将这两个信号输入到一个PI控制器，输出得到交流电流统逆变侧换流站的无功功率参考值Q_ref(通常为0)和无功功率计算值Q，将这两个信号输入到一个PI控制器，输出得到交流电流q轴参考值i_{q_ref}；得到的交流电流d轴参考值i_{d_ref}、交流电流q轴参考值i_{q_ref}与交流电流dq变换得到电流d轴检测值i_d和q轴检测值i_q输入到电流控制器，计算得到驱动信号S_abc。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的一种海上风电VSC-HVDC输出系统的交流电力系统低频振荡阻尼控制方法进行详细说明。

图1示出了一个典型的海上风电经VSC-HVDC输出系统的系统图：该系统由一个海上风电场、一个VSC-HVDC直流输电系统、含一台同步发电机的交流电网构成。海上风电场与VSC-HVDC直流输电系统的整流侧换流站连接，而逆变侧换流站与交流电网连接。海上风电场将风能转换为电能，VSC-HVDC直流输电系统的整流侧换流站将海上风电场的交流电转换为直流电，通过直流输电线路后再由逆变侧换流站将直流电转换为交流电，这样将海上风电场的功率传输到交流电网。VSC-HVDC直流输电系统的整流侧换流站采用定交流电压频率与幅值控制，逆变侧换流站采用定直流电压与无功控制。所需的阻尼控制器安装在VSC-HVDC直流系统的逆变侧换流站。图中并网点交流三相电压U_abc、三相电流i_abc、直流电压U_dc，是与本发明实施例相关的需要采集的信号。

图2示出了本发明实例提供的阻尼控制器的VSC-HVDC直流系统逆变侧换流站的控制结构图：该控制器包含直流电压控制、阻尼控制器、无功功率控制、电流控制、锁相环以及瞬时功率计算器和dq变换。锁相环通过并网点交流三相电压U_abc计算得到交流电网的频率ω_g和相位θ_PLL，阻尼控制器通过交流电网的频率ω_g得到直流电压参考值U_{dc_ref}。瞬时功率计算器将得到的三相电压U_abc、三相电流i_abc，利用CLARKE变换得到电网电压的α轴分量U_α、β轴分量U_β，并根据公式(1)计算瞬时无功功率Q：

直流电压参考值U_{dc_ref}与直流电压检测值U_dc经过直流电压控制的PI控制器得到d轴电流参考值i_{d_ref}；无功功率Q与无功功率参考值Q_ref经过无功控制的PI控制器得到q轴电流参考值i_{q_ref}；d轴电流参考值i_{d_ref}和q轴电流参考值i_{q_ref}与交流电流dq变换得到的d轴电流i_d、q轴电流i_q经过电流控制器得到变流器驱动信号，驱动VSC-HVDC逆变侧换流站的变流器。

图3示出了附加阻尼控制器的具体控制结构图。在图2中可以看到，附加阻尼控制器在直流电压控制器的前级，其主要结构为一个低通滤波环节和一个增益环节。交流电网的频率ω_g与频率参考值(通常为1)相减后，先通过低通滤波环节，再通过增益环节，与直流电压基准参考值(通常为1)相加后得到实际的直流电压参考值U_{dc_ref}。附加阻尼控制器的输入输出关系为：

低通滤波环节作用为滤去交流电网的频率ω_g的高频信号，增益环节可调节实际阻尼控制器的阻尼效果。附加阻尼控制器根据交流电网的频率ω_g的变化调节直流电压参考值U_{dc_ref}。VSC-HVDC的逆变侧控制会根据直流电压参考值的变化调节实际的直流电压，从而能够在交流侧产生相应的有功功率变化，阻尼交流频率的变化，从而达到抑制低频振荡的效果。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的海上风电VSC-HVDC输出系统的交流电力系统低频振荡阻尼控制方法，现结合附图以及实例仿真进行详细描述如下：

图1为采用Matlab/Simulink仿真软件的海上风电经VSC-HVDC输出系统的测试系统图；图2是VSC-HVDC直流系统逆变侧换流站的控制结构图；图3是附加阻尼控制的控制结构图；图4是采用不同控制方式的同步发电机转速振荡对比图；图5是采用不同控制方式的同步发电机功率振荡对比图。

参照图1～图2，图4～图5分别给出了有无阻尼控制的海上风电经VSC-HVDC直流输出系统的在扰动后同步发电机转速振荡和功率振荡情况。由图4-图5可以看出，在系统发生扰动后，有阻尼控制的系统转速以及功率的振荡收敛的更快，说明阻尼控制器起到了抑制振荡的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。