用于实现风场频率响应的HVDC惯性同步控制方法

摘要

本发明公开了一种用于实现风场频率响应的HVDC惯性同步控制方法，包括受端换流站以及送端换流站的控制：借鉴同步机的电网同步机制，将HVDC母线电压等价为同步机转子频率，HVDC的调制度等价于同步机气隙磁链，该控制思想下，HVDC受端站将体现为具有母线电容真实惯量大小的同步机，在确保同步稳定的同时，实现母线电压与电网交流频率实时联动，再通过送端换流站的协作可以建立从岸上电网频率到海上风场交流频率的镜像映射，使风场能够及时得知岸上电网频率信息，进而大大提高风场惯量响应品质。与此同时，本发明控制下HVDC受端站还体现为电压源电气特性，克服电流源并弱网存在的稳定性问题，交流频率无失真镜像，具有很强的弱网稳定运行能力。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统的控制，尤其是一种用于实现风场频率响应的HVDC惯性同步控制方法，应用于远距离海上风场并网的柔性直流输电系统，包括受端换流站与送端换流站的有功/无功控制策略。

背景技术

海上风场经柔性直流输电并网基本拓扑见图1，系统主要由风场部分与柔性直流输电(后文简称柔直)部分组成，柔性直流部分包括送端换流站(SEC)、受端换流站(REC)以及直流电缆等结构。

在传统控制方式下受端换流站工作在电流源矢量控制模式下，通过锁相环实现同步并网，其控制目标为稳定直流电压，控制回路包括直流电压外环，电流内环等结构，具有并网电流质量高，响应快速，有功无功解耦等优势。而送端换流站任务为控制其交流侧电压幅值与频率的稳定，以便于风机的接入。

然而，传统电流源矢量控制下的柔性直流会带来两方面的问题，一方面由于其解耦作用，风机无法感知到岸上电网的频率变化，无法为电网提供惯量，因此会降低电网调节能力；另一方面电流矢量控制下VSC-HVDC对电网体现为电流源电气特性，在电网较强时不会出现稳定问题。但随着风电在电网中占比增大，电网等效变弱，传统的矢量控制无法维持较理想的电流源特性，电流响应特性恶化，从而引发如谐波振荡等一系列交互稳定性问题。。

从避开电流源特性的角度来看，在换流站应用电压源控制是改善其弱网运行能力的一种解决方案。通过去除锁相环，改用类比同步发电机的转子方程完成自同步过程，不仅可以解决传统电流矢量控制在弱网下控制性能不佳的问题，其虚拟惯量还可以实现对电网频率变化的自主响应。但这种方式在应用于可再生能源，如海上风电场经柔性直流输电并网的场合时，风场的电流源特性会导致受端换流站无法从中提取惯量，虚拟惯量将从直流电容中抽取，会引起直流电压的剧烈波动。

经检索，公开号为CN105429183A、申请号：201610006597.X的中国发明专利申请，公开了一种永磁直驱型海上风电场并网系统拓扑结构及其控制方法，其中控制方法包括机侧整流器采用转速外环和电流内环的双闭环控制，风场网侧换流站采用电压外环和电流内环的双闭环控制，海上整流站采用定交流电压和定频率控制，岸上逆变站采用定直流电压和定无功功率的双闭环控制。

上述控制方案下的风场经柔性直流输电并网会带来两方面的问题，一方面由于柔性直流输电解耦作用，风机无法感知到岸上电网的频率变化，提供频率响应，这会降低系统惯量，危及电网频率稳定性；此外由于风电变流器以及柔性直流输电的隔离作用，风电机组对电网几乎不提供短路电流，因此风电高比例接入等价于使电网变弱，降低系统短路比。该控制方案按照电网为理想电压源设计，但在弱电网的条件下，传统的矢量控制无法维持较理想的电流源特性，电流响应特性恶化，从而引发如谐波振荡等一系列交互稳定性问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种用于实现风场频率响应的HVDC惯性同步控制方法，一方面能够提高风场经柔直并入弱电网的稳定性，另一方面还需要通过柔直系统将岸上电网频率变化信息传递至风场一侧，协助风场参与频率调节。

为实现以上目的，本发明提供了一种用于实现风场频率响应的HVDC惯性同步控制方法，包括受端换流站以及送端换流站的控制方式：该方法借鉴同步机的电网同步机制，将HVDC母线电压等价为同步机转子频率，HVDC的调制度等价于同步机气息磁链，该控制思想下，HVDC受端站将体现为具有母线电容真实惯量大小的同步机，在确保同步稳定的同时，实现母线电压与电网交流频率实时联动，再通过送端换流站的协作可以建立从岸上电网频率到海上风场交流频率的镜像映射，使风场能够及时得知岸上电网频率信息，进而大大提高风场惯量响应品质。

具体的，一种适用于海上风电场并网的柔性直流输电受端换流站惯性同步控制方法，所述方法以电容直流电压以及无功功率作为参考量，控制受端换流站输出交流电压的频率与幅值，从而调节其并网功率，并实现电压源控制并网；其中：在受端换流站中，所述方法在现有虚拟同步控制基础上，以HVDC电容的惯量取代虚拟惯量，将HVDC母线电压等价为同步机转子频率，HVDC的调制度等价于同步机气隙磁链，使HVDC受端站体现为具有母线电容真实惯量大小的同步机，在确保同步稳定的同时，实现母线电压与电网交流频率的实时联动，即直流电压幅值会跟随电网频率的变化，除此之外，该控制下HVDC受端站还体现为电压源电气特性，克服电流源并弱网存在的稳定性问题。

一种适用于海上风电场并网的柔性直流输电送端换流站频率镜像协调控制方法，所述方法在送端换流站中，以电容直流电压以及交流侧电压幅值作为参考量，控制送端换流站输出交流电压的频率与幅值，从而维持风场侧交流电网稳定，便于风场接入，其中：在现有定交流电压与频率控制方法基础上，添加从直流电压到交流侧频率的映射，通过与上述受端换流站惯性同步控制方法的协作，将岸上交流电网的频率快速准确地反映到风场侧交流频率上，辅助风场参与频率响应。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中，HVDC受端站将体现为具有母线电容真实惯量大小的同步机，在确保同步稳定的同时，实现母线电压与电网交流频率，以及母线电压与风场交流频率很好的实时联动，进而大大提高风场惯量响应品质。与此同时，惯性同步控制下HVDC受端站还体现为电压源电气特性，克服电流源并弱网存在的稳定性问题。因此，惯性同步控制下HVDC系统具有交流频率无失真镜像，电压源电气特性等特点，具有很强的弱网稳定运行能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是海上风场经柔性直流输电并网系统基本拓扑；

图2是本发明一实施例的受端换流站惯性同步控制原理图；

图3是本发明一实施例的送端换流站协调控制原理图；

图4是本发明一实施例的整体控制原理图；

图5是本发明一实施例对风功率波动的响应仿真波形图，其中(a)为风功率波动，(b)为直流电压控制效果；

图6是是本发明一实施例对电网频率波动的响应仿真波形图，其中(a)为直流电压，(b)为风场侧交流频率。

具体的实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为现有海上风场经柔性直流输电并网基本拓扑图，系统主要由风场部分与柔性直流输电(后文简称柔性直流)部分组成，柔性直流部分包括送端换流站(SEC)、受端换流站(REC)以及直流电缆等结构。传统的矢量控制无法维持较理想的电流源特性，电流响应特性恶化，从而引发如谐波振荡等一系列交互稳定性问题。

本发明针对现有海上风场经柔性直流输电并网系统，在受端换流站采用惯性同步控制并网的方式，在原有电压源控制的基础上，以直流电容惯量取代虚拟惯量，在简化控制环的同时，通过直流电容的惯量响应在电网频率变化时使直流电压幅值能及时准确跟随其变化，传递电网频率信息。而后在送端换流站的协同控制中再将直流电压幅值的变化再次转变为其交流侧频率的变化，实现从岸上电网频率到风场侧交流频率的镜像映射。

以下对具体实现技术细节进行说明：

1)受端换流站惯性同步控制

传统虚拟同步控制中，直流电压的控制一般包括直流电压外环、由虚拟转子方程构成的功率内环等复杂结构(比如：吕志鹏等，虚拟同步发电机及其在微电网中的应用[J].中国电机工程学报,2014,(16):2591-2603)。但经分析可知，直流电容电压与交流侧频率成负相关关系，即交流侧频率的上升会使并网功率变大，直流电压降低，为利用直流电容的自然惯性实现电压源控制同步并网，即本发明所述的惯性同步方法，可以定义一个耦合系数K，将交流侧频率与直流电容电压绑定在一起。具体实现方法为检测直流侧电压的偏差率，乘以K后直接作为输出频率的偏差率：

其中ω_rec为受端换流站输出交流频率，ω_nom为额定频率(一般取314rad/s)，△ωrec为输出交流频率与额定频率的偏差；U_dc为直流母线电压，U_{dc_nom}为直流电压额定值，ΔU_dc为直流母线电压与额定值的偏差。

正常情况下电网频率变化在±0.5Hz(±1％)，直流电压波动在±5％，因此一般取K＝0.2。

对于直流母线，无论是风功率还是电网频率的变化均会引起直流电容电压的自然响应：

$P_{WF}-P_{grid}={\mathrm{CU}}_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}---\left(2\right)$

其中P_WF为风功率，P_grid为岸上换流站并网功率，C为等效直流电容。

当风功率发生波动时，有：

${\mathrm{\Delta P}}_{WF}={\mathrm{CU}}_{dc}\frac{{\mathrm{d\Delta U}}_{dc}}{dt}+{\mathrm{\Delta P}}_{grid}---\left(3\right)$

ΔP_WF为风功率波动量；ΔP_grid为并网功率变化量；ΔU_dc为直流电压变化量。

设计无功环速度较慢，即短时间内调制比m不变，受端换流站对交流侧的馈能会受到影响：

${\mathrm{\Delta P}}_{grid}=\frac{{\mathrm{mU}}_{grid}\delta }{X}{\mathrm{\Delta U}}_{dc}---\left(4\right)$

其中：m为调制比，由无功功率控制环决定，δ为功角，在运行中由换流站输出频率与电网频率共同决定，U_grid为电网交流电压，X为并网电抗；

因此直流电压对于风功率变化的自然响应为：

${\mathrm{\Delta P}}_{WF}={\mathrm{CU}}_{dc}\frac{{\mathrm{d\Delta U}}_{dc}}{dt}+\frac{{\mathrm{mU}}_{grid}\delta }{X}{\mathrm{\Delta U}}_{dc}---\left(5\right)$

采用(1)式中的控制策略，将△U_dc替换为△ω_rec：

${\mathrm{\Delta P}}_{WF}=\frac{1}{K}({\mathrm{CU}}_{dc\_nom}^2-\frac{{\mathrm{d\Delta \omega }}_{rec}}{dt}+\frac{{\mathrm{mU}}_{grid}\delta }{X}{\mathrm{\Delta \omega }}_{rec})---\left(6\right)$

Δδ为功角变化量；Δω_g为电网频率变化量。

另一方面，设电网频率为ω_g，当电网频率波动时，忽略短时间内风功率的波动，即△P_WF＝0，有：

${\mathrm{\Delta P}}_{grid}=\frac{{\mathrm{mU}}_{dc\_nom}{U}_g}{X}\Delta \delta +\frac{{\mathrm{mU}}_g\delta }{X}{\mathrm{\Delta U}}_{dc}---\left(7\right)$

$\frac{d\Delta \delta }{dt}=({\mathrm{\Delta \omega }}_{rec}-{\mathrm{\Delta \omega }}_g)---\left(8\right)$

代入(3)中，有：

$\frac{{\mathrm{mU}}_{dc\_nom}{U}_g}{X}\int ({\mathrm{\Delta \omega }}_{rec}-{\mathrm{\Delta \omega }}_g)dt+\frac{{\mathrm{mU}}_g\delta }{X}{\mathrm{\Delta U}}_{dc}=-{\mathrm{CU}}_{dc}\frac{{\mathrm{d\Delta U}}_{dc}}{dt}---\left(9\right)$

因此交流电网的频率波动会引起直流电压的自然响应，本发明通过(1)式中控制策略利用这种自然响应并使其可控，来让直流电压幅值自动跟踪电网频率变化，将式(9)中△U_dc替换为△ω_rec，其闭环传递函数为：

Δω_rec＝G(s)Δω_g>

其中：

$G\left(s\right)=\frac{K\left(\frac{P_{grid}}{{\mathrm{CU}}_{dc\_nom}^2}\right)\frac{\omega }{\delta }}{s^2+\frac{P_{grid}}{{\mathrm{CU}}_{dc\_nom}^2}s+K\left(\frac{P_{grid}}{{\mathrm{CU}}_{dc\_nom}^2}\right)\frac{\omega }{\delta }}---\left(11\right)$

同理可得：

${\mathrm{\Delta U}}_{dc}=\frac{U_{dc\_nom}}{{\mathrm{K\omega }}_{nom}}G\left(s\right){\mathrm{\Delta \omega }}_g---\left(12\right)$

式中s为拉普拉斯算子，用于传递函数；

由(6)式可知在这种控制方式下受端换流站响应类似于一个小惯量的同步发电机，其惯量由电容大小决定，一般不会超过0.1s。同时由式(12)，在电网频率发生变化时受端换流站所控制的直流电压会随之变化。

除此之外，将无功功率Qrec与给定Qref的偏差经过一个PI调节器作为交流电压的给定，以实现换流站单位功率因数运行。

2)送端换流站控制

为将直流电压幅值所代表的岸上电网频率信息再次反映到其交流侧频率中，送端换流站频率控制策略与受端换流站相同，如图3所示，即：

$\frac{{\omega }_{\sec }-{\omega }_{nom}}{{\omega }_{nom}}=K\frac{U_{dc}-U_{dc\_nom}}{U_{dc\_nom}}---\left(13\right)$

与受端换流站不同的是，送端换流站交流侧连接的风场通过锁相环快速锁定其频率与相角，因此送端换流站频率的变化不会直接影响到风场输出的功率，只起到传递信息的作用。通过这种方式可以将直流电压变化再次转化为频率变化，并且由于转化比例相同，可以实现从岸上交流电网的频率到风场侧交流频率的镜像映射，即有ω_sec*＝KU_dc*＝ω_g*(星号代表偏差率)，如图4所示。

以上为送端换流站输出频率的控制，而输出交流电压则由风场侧交流电压U_WF与给定Uref的偏差经过一个PI调节器来确定。

为验证本发明所述控制方法的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真软件中根据表1所示参数搭建柔性直流换流站的开关模型，风场侧由电流源代替，电网由等效电压源与电感串联代替，不同强弱的电网其等效电感不同。

表1 仿真系统参数

工况一：电网频率保持50Hz不变，风功率如图5中(a)在0.75pu-0.95pu间波动，分别在短路比SCR＝2、20时观察直流电压的变化。

图5中(b)为直流母线电压，可以发现受端换流站的小惯量特点使其能迅速跟踪风功率波动，且在弱电网条件下也能维持直流电压稳定。

工况二：风功率取0.7pu，在t＝3s时电网频率从50Hz跳变至49.5Hz，分别在短路比SCR＝2、20时观察直流电压及风场侧交流频率的变化。

图6中(a)为直流电压，图6中(b)为风场侧交流频率，从电网频率发生变化到风场侧交流频率响应该变化的响应时间大约为120ms左右，超调不超过10％，并且电网变弱对其响应时间没有影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。