一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法，该方法在岸上换流站退出运行时，通过合理地配置所在受端电网内换流站的控制器，并通过风电场附加虚拟惯量控制实现异步电网暂态频率偏移下降和风电场附加桨距角控制最终消除异步电网稳态频率偏差，从而提高相邻异步电网的频率特性，减小换流站故障对岸上其他异步电网运行的安全稳定影响。使用本发明专利技术方法分析大容量海上风电场接入多端柔性直流输电系统时岸上换流站退出运行情景，所设计的频率控制策略对岸上交流系统频率稳定提升得到了验证。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统
，具体涉及一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法。
技术介绍
面对化石能源的急剧消耗与环境治理的日益严峻，以风电为代表的新能源是实现能源与环境可持续发展的关键举措。随着土地资源、风电资源限制，以及海上风电开发与应用取得重要进展，海上风电已成为风电发展的重要方向。根据欧洲风能协会(EuropeanWindEnergyAssociation)预测，欧洲海上风电场装机规模在2020年与2030年将分别达到40GW与150GW。在中国，国家能源局发布了《全国海上风电开发建设方案(2014-2016)》，涵盖总装机达10.53GW的44个海上风电项目开发建设方案，标志着我国海上风电开发进一步提速。基于电压源型换流器的多端柔性直流输电系统(VoltageSourceConverterbasedMulti-TerminalDirectCurrent，VSC-MTDC)，具有海底输电、黑启动、连接弱交流电网的能力，同时可实现多电源供电，多落点受电，输电方式灵活可控，是大规模海上风电接入陆上交流系统的有效并网方式。VSC-MTDC系统规划应用于大西洋风电(AtlanticWindConnection)与欧洲离岸风场超级电网(EuropeanOffshoreSupergrid)的千万千瓦级海上风电并网工程。随着低惯量的新能源电场在电网中规模逐步扩大，以及采用VSC-HVDC系统实现交流电网分区的逐步普及，交流系统的惯性水平正在不断降低，电力系统将面临低惯量带来的频率稳定问题。为此，合理设计海上风电与VSC-HVDC系统，提升交流系统频率稳定性是未来研究方向。目前文献都仅关注交流系统内部发生有功功率波动的情况下，通过换流站的频率控制提升交流系统的频率稳定性能，而鲜有文献提及换流站发生故障退出运行对交直流系统安全稳定性能的影响。在换流站的传输功率较大并且交流系统惯量较小时，换流站发生故障退出运行同样会对交流系统产生严重影响，特别是在换流站退出运行时剩余直流功率无法被同步电网内部换流站自消纳情景，如何进行海上风电和VSC-MTDC系统的频率控制以有效减小换流站退出运行对交流系统的影响有待解决。
技术实现思路
基于上述，本专利技术提供了一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法，能够对VSC-MTDC系统岸上换流站退出运行时直流功率无法在受端同步电网自消纳情景下，有效提高故障后交流系统的频率特性。一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法，包括如下步骤：(1)当系统中有换流站x退出运行情况下，判断换流站x所在受端电网S能否自消纳转移功率；(2)若受端电网S无法自消纳转移功率，则重新配置受端电网S中其他健全换流站的控制模式；(3)计算系统中相邻异步电网的综合频率偏移量；(4)根据所述的综合频率偏移量利用附加的虚拟惯量控制器和桨距角控制器分别调节海上风电场控制器中风力发电机的转子侧有功功率参考值和桨距角参考值，以调节海上风电场的有功功率输出。所述的步骤(1)中判断换流站x所在受端电网S能否自消纳转移功率的具体过程为：首先，通过以下公式计算受端电网S的自消纳功率总量其中：y表示受端电网S中任一健全的换流站，Sy为换流站y的额定容量，Qy为换流站y的输出无功功率，为换流站x退出运行前换流站y注入受端电网S的有功功率；若转移功率大于该自消纳功率总量则判定受端电网S无法自消纳转移功率，所述的转移功率即为换流站x退出运行前的有功功率。所述的步骤(2)中重新配置受端电网S中其他健全换流站的控制模式，即对于受端电网S中任一健全的换流站y，将其控制模式改为满发定功率控制模式，将其定功率参考值设为：其中：Sy为换流站y的额定容量，Qy为换流站y故障前的输出无功功率，为换流站y的定功率参考值。所述的相邻异步电网为系统中由海上风电场送电且与受端电网S异步相连的所有交流电网集合。所述的步骤(3)中通过以下公式计算相邻异步电网的综合频率偏移量：其中：M表示相邻异步电网，j表示相邻异步电网M中的任一发电机，Δω为相邻异步电网M的综合频率偏移量，Δωj为发电机j的转速偏差标幺值，Hj为发电机j的惯性时间常数。所述步骤(4)中利用附加的虚拟惯量控制器调节海上风电场控制器中风力发电机的转子侧有功功率参考值，具体实现为：所述的虚拟惯量控制器由通信延时器、微分调节器、滞回比较器、乘法器以及比例调节器组成；其中，通信延时器的输入为综合频率偏移量，通信延时器的输出接微分调节器的输入，微分调节器的输出接滞回比较器的输入并作为乘法器的一输入，滞回比较器的输出作为乘法器的另一输入，乘法器的输出接比例调节器的输入，比例调节器的输出为转子侧有功功率的附加控制量；进而使海上风电场控制器中风力发电机的转子侧有功功率参考值减去该附加控制量即得到新的转子侧有功功率参考值。所述步骤(4)中利用附加的桨距角控制器调节海上风电场控制器中风力发电机的桨距角参考值，具体实现为：所述的桨距角控制器由通信延时器、调差系数模拟器、比例调节器、PI调节器、加法器、速率限制器以及限幅器组成；其中，通信延时器的输入为综合频率偏移量，通信延时器的输出接调差系数模拟器的输入，调差系数模拟器的输出接比例调节器的输入以及PI调节器的输入，比例调节器的输出以及PI调节器的输出分别作为加法器的两个输入，加法器的输出接速率限制器的输入，速率限制器的输出接限幅器的输入，限幅器的输出为桨距角的附加控制量；进而使海上风电场控制器中风力发电机的桨距角参考值减去该附加控制量即得到新的桨距角参考值。所述通信延时器的传递函数为其中，s为拉普拉斯算子，Td为预设的延时量。所述的滞回比较器当其输入的绝对值大于等于阈值CH，则持续输出高电平1；当其输入的绝对值小于等于阈值CL且持续超过一定时间，则持续输出低电平0。所述的调差系数模拟器使输入乘以1/R后输出；其中，R为预设的调差系数。所述的速率限制器使当前时刻输入与前一时刻输入的变化率限制在固定上下限范围内后输出。本专利技术提供了换流站退出运行时直流功率无法自消纳情景下海上风电与多端柔性直流输电系统的频率控制方法，可以在岸上换流站退出运行时，通过合理地配置所在受端电网内换流站的控制器，并通过风电场附加虚拟惯量控制实现异步电网暂态频率偏移下降和风电场附加桨距角控制最终消除异步电网稳态频率偏差，从而提高相邻异步电网的频率特性，减小换流站故障对岸上其他异步电网运行的安全稳定影响。使用本专利技术方法分析大容量海上风电场接入多端柔性直流输电系统时岸上换流站退出运行情景，所设计的频率控制策略对岸上交流系统频率稳定提升得到了验证。附图说明图1为海上风电场接入多端柔性直流输电系统的示意图。图2为本专利技术频率控制方法的步骤流程示意图。图3为下垂控制切换为满发定功率控制模式的示意图。图4为本专利技术海上风电场附加虚拟惯量控制器的原理示意图。图5为本专利技术海上风电场附加桨距角控制器的原理示意图。图6(a)为原始情景与本专利技术方法下39节点系统频率响应特性对比示意图。图6(b)为原始情景与本专利技术方法下海上风电场风力机桨距角对比示意图。图6(c)为原始情景与本专利技术方法下海上风电场功率参考值对比示意图。图6(d)为原始情景与本专利技术方法下海上风电场功率输出特性对比示意图。图6(e)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法，包括如下步骤：(1)当系统中有换流站x退出运行情况下，判断换流站x所在受端电网S能否自消纳转移功率；(2)若受端电网S无法自消纳转移功率，则重新配置受端电网S中其他健全换流站的控制模式；(3)计算系统中相邻异步电网的综合频率偏移量；(4)根据所述的综合频率偏移量利用附加的虚拟惯量控制器和桨距角控制器分别调节海上风电场控制器中风力发电机的转子侧有功功率参考值和桨距角参考值，以调节海上风电场的有功功率输出。

【技术特征摘要】
1.一种海上风电接入多端柔性直流输电系统的频率控制方法，包括如下步骤：(1)当系统中有换流站x退出运行情况下，判断换流站x所在受端电网S能否自消纳转移功率；(2)若受端电网S无法自消纳转移功率，则重新配置受端电网S中其他健全换流站的控制模式；(3)计算系统中相邻异步电网的综合频率偏移量；(4)根据所述的综合频率偏移量利用附加的虚拟惯量控制器和桨距角控制器分别调节海上风电场控制器中风力发电机的转子侧有功功率参考值和桨距角参考值，以调节海上风电场的有功功率输出。2.根据权利要求1所述的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中判断换流站x所在受端电网S能否自消纳转移功率的具体过程为：首先，通过以下公式计算受端电网S的自消纳功率总量PdcSr=Σy∈S(Sy2-Qy2-Pdcypre)]]>其中：y表示受端电网S中任一健全的换流站，Sy为换流站y的额定容量，Qy为换流站y的输出无功功率，为换流站x退出运行前换流站y注入受端电网S的有功功率；若转移功率大于该自消纳功率总量则判定受端电网S无法自消纳转移功率，所述的转移功率即为换流站x退出运行前的有功功率。3.根据权利要求1所述的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中重新配置受端电网S中其他健全换流站的控制模式，即对于受端电网S中任一健全的换流站y，将其控制模式改为满发定功率控制模式，将其定功率参考值设为：Pyr=Sy2-Qy2,y∈S]]>其中：Sy为换流站y的额定容量，Qy为换流站y故障前的输出无功功率，为换流站y的定功率参考值。4.根据权利要求1所述的频率控制方法，其特征在于：所述的相邻异步电网为系统中由海上风电场送电且与受端电网S异步相连的所有交流电网集合。5.根据权利要求1所述的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中通过以下公式计算相邻异步电网的综合频率偏移量：Δω=Σj∈MHjΔωjΣj∈MHj]]>其中：M表示相邻异步电网，j表示相邻异步电网M中的任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政，董桓锋，刑法财，杨勇，徐谦，孙黎滢，徐晨博，杨升峰，张利军，黄锦华，
申请(专利权)人：浙江大学，国网浙江省电力公司经济技术研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33