一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，同时提供了一种用于执行上述方法的系统。所述方法及系统包括受端换流站、送端换流站的控制：在受端换流站利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，解决了并入弱电网的谐振问题；并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性，以协调多受端换流站间的功率分配。此外，受端换流站直流侧电压还能自主响应电网频率变化，一方面可以自动调节直流系统潮流，从其他电网调用功率实现一次调频功能；另一方面还可以使直流母线电压与电网频率偏差挂钩，将电网频率变化信息配合送端换流站传递至风场侧，以辅助风场实现惯量响应。

A multi terminal flexible and direct control method and system of wind field which can support the frequency of power grid actively

【技术实现步骤摘要】
一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统
本专利技术涉及多端柔性直流输电系统的控制
，具体地，涉及一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，用于实现对电网主动频率响应的含风电场接入，应用于远距离海上风场并网的多端柔性直流输电系统，包括受端换流站与送端换流站的有功/无功控制策略。
技术介绍
海上风场并网的多端柔性直流输电系统基本拓扑见图1，该系统主要由送端系统(风电场群)、送端换流站、直流架空线、直流断路器、限流电抗器、受端换流站及受端系统(交流电网)组成，风电场的风功率由送端换流站汇总注入直流系统中，再通过两个受端换流站间的协调分配输出到两个不同交流电网。该系统中，受端换流站主要负责直流母线电压的建立与维持，并协调分配注入各个电网的功率。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。风电的波动特性会对电网频率的暂态稳定产生不利影响，最为突出的是惯量缺失导致的频率暂态稳定能力恶化。利用风电机组中转子及叶片中的储能来为电网提供短时间的惯量支撑，但在传统VSC-MTDC的控制模式下，风电场侧交流频率与电网频率解耦，风电场无法感知到电网频率变化，因此需要将电网频率信息传递至风电场侧；另外，还可以利用柔性直流输电功率控制灵活，控制速度快的优点，通过对潮流的快速控制，实现对交流电网的频率支撑，从而在一定程度上解决惯量缺失问题。经对现有技术的文献检索发现：F,DBianchiandJLDominguez-Garcia.CoordinatedFrequencyControlUsingMT-HVDCGridsWithWindPowerPlants[J].IEEETransactionsonSustainableEnergy，2016，7(1)：213-220.，采用主从控制，根据各交流电网的频率偏差，计算出风电场需要提供的额外支撑功率，并分配到各风场，利用风机叶片及转子惯量实现短时间的频率支撑，但这种方案需要大量的远距离通讯，其实时性和可靠性都存在一定问题。NRChaudhuri，RMajumder，andBChaudhuri.SystemFrequencySupportThroughMulti-TerminalDC(MTDC)Grids[J].IEEETransactionsonPowerSystems，2013，28(1)：347-356.，采用P-Udc-f双下垂控制，在传统的P-Udc下垂的基础上添加了P-f下垂，在电网频率变化时自动调节潮流，从其他电网调用有功功率，提供频率支撑。但以上的多端直流输电系统控制策略均基于电流矢量控制，即受端换流站相对于交流电网体现为一个电流源。这种控制策略往往采用锁相环(phase-lockedloop，PLL)来实现与电网相位的同步，而近来许多研究表明，在接入弱电网时，锁相环的性能会有较大恶化，并引发一系列交互稳定性问题，如谐波振荡等。也有一些学者从阻抗角度指出，这是由于电流源型控制其输出阻抗在一定频带下呈容性，因此在电网变弱(等效电网阻抗增大)时出现谐振现象。电压源型控制是提高换流站并弱电网稳定性的一种有效方式。在电压源型控制下，受端换流站的阻抗呈感性，不会产生与电网的交互谐振现象，具有较好的弱网运行能力。经对现有技术的文献检索发现，吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，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，2014，34(16)：2591-2603.，提出的虚拟同步控制，通过去除锁相环，改用类比同步发电机的转子运动方程完成自同步过程。但虚拟同步控制需要一个稳定的输入功率源来模拟同步发电机的机械转矩，不适用于波动风功率接入的场合。杨仁炘，张琛，蔡旭.具有频率实时镜像和自主电网同步能力的风场－柔直系统控制方法[J].中国电机工程学报，2017，37(02)：496-506.，在虚拟同步控制的基础上，利用直流系统等效电容的自然响应，以电容惯量取代虚拟同步控制中的虚拟惯量，实现了无锁相环的自同步，同时还能将电网频率变化反映到直流母线电压上，并通过送端换流站的协作，辅助风场实现对电网频率变化的惯量响应。但以上研究均针对点对点风场-柔直并网，换流站的工作模式往往为恒功率或者恒电压控制，在应用于风电-多端柔直并网系统中时，各受端换流站间只能采用主从控制来协调，这种控制方式对通讯可靠性的依赖较大，并且风电功率波动需要由主站全部承担，不适用于风电送出的场合。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是针对风电场经多端柔性直流输电并网的场景，提出一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法及系统，该方法及系统一方面实现了无锁相环的自主电网同步，受端换流站对交流侧体现为电压源，与常规控制方法相比大幅提高了受端换流站的弱网运行能力，另一方面受端换流站对直流侧体现为下垂特性，多受端换流站间可以不通过通讯手段自动分配潮流，并且在任一电网频率变化后能调节潮流为其提供一次调频，此外，直流汇集点电压能自动响应电网频率变化，通过送端换流站的协调控制可以将电网频率变化信息传递至风电机组，辅助风机实现惯量响应。本专利技术是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，用于海上风电场并网的多端柔性直流输电，包括：在受端换流站，以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。优选地，所述多端柔直系统控制方法，具体为：定义下垂系数D与耦合系数K，得到式(1)：式中，ωrec为受端换流站输出交流电压的频率，ωnom为受端换流站输出交流电压的额定频率，Udc为直流母线电压，Udc_nom为直流母线电压额定值，Udc_ref为直流母线电压给定值，Pac为交流侧输出功率，Pref为交流侧输出功率额定值；通过式(1)得到受端换流站输出交流电压的频率，再将受端换流站输出无功功率的实际值与额定值比较，通过一个比例积分调节器后，作为受端换流站输出交流电压的幅值；直流母线等效电容电压幅值与其两侧有功功率相关，即：式中，Pdc为受端换流站直流侧功率，C为受端换流站直流侧等效电容；同时，受端换流站交流输出功率为：式中，Urec为受端换流站输出交流电压的幅值，Ug为电网电压的幅值，ωrec为受端换流站输出交流电压的频率，ωg为电网频率，δ为功角，X为并网阻抗及电网阻抗之和，m为调制比；在式(1)所示控制下，受端换流站具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：当受端换流站输出交流电压的频率未与电网频率同步，则功角变小，受端换流站交流输出功率下降，由于此时受端换流站直流侧功率不变，根据式(2)，直流母线电压上升，此时式(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，包括：/n在受端换流站，以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：/n利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，包括：
在受端换流站，以直流母线电压及有功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的频率，以无功功率作为参考量控制受端换流站输出交流电压的幅值，从而实现组网型控制并网；其中：
利用直流母线等效电容固有动态特性实现无锁相环自主电网同步控制，使受端换流站对交流电网体现为电压源，并在直流侧附加虚拟电阻，使直流侧体现为下垂特性。


2.根据权利要求1所述的一种能主动支撑电网频率的风场多端柔直控制方法，其特征在于，具体为：
定义下垂系数D与耦合系数K，得到式(1)：



式中，ωrec为受端换流站输出交流电压的频率，ωnom为受端换流站输出交流电压的额定频率，Udc为直流母线电压，Udc_nom为直流母线电压额定值，Udc_ref为直流母线电压给定值，Pac为交流侧输出功率，Pref为交流侧输出功率额定值；
通过式(1)得到受端换流站输出交流电压的频率，再将受端换流站输出无功功率的实际值与额定值比较，通过一个比例积分调节器后，作为受端换流站输出交流电压的幅值；
直流母线等效电容电压幅值与其两侧有功功率相关，即：



式中，Pdc为受端换流站直流侧功率，C为受端换流站直流侧等效电容；
同时，受端换流站交流输出功率为：



式中，Urec为受端换流站输出交流电压的幅值，Ug为电网电压的幅值，ωrec为受端换流站输出交流电压的频率，ωg为电网频率，δ为功角，X为并网阻抗及电网阻抗之和，m为调制比；
在式(1)所示控制下，受端换流站具有与同步发电机类似的自同步特性，即建立起如下式所示的对应关系：



当受端换流站输出交流电压的频率未与电网频率同步，则功角变小，受端换流站交流输出功率下降，由于此时受端换流站直流侧功率不变，根据式(2)，直流母线电压上升，此时式(1)中所建立的联系使得受端换流站输出交流电压的频率上升，直到与电网频率相同为止；即最终有：



对于直流系统中的n个受端换流站，结合式(1)与式(5)可得：



即对于第i个受端换流站，有：



稳态下各电网的Δωg均为0，因此受端换流站的功率分配Paci–Prefi与其下垂系数Di成反比，通过修改Prefi与Di即能够调节稳态下的功率分配；
将每个受端换流站的运行特性方程累加，有：



根据能量守恒原则，稳态下当直流系统中没有其他的功率来源时，式(8)中即为注入直流系统的总风电功率PWF，式(8)中是一个常数，设其和为Pref，整理式(8)，可得：



在电网频率变化过程中，设注入直流系统的风电功率不变，即PWF-Pref不变，将式(9)线性化后，直流母线电压变化量与电网频率变化量的关系为：



即当风功率一定时，直流母线电压变化量与电网频率变化量的加权和成正比，权重系数即为每个受端换流站的耦合系数与下垂系数之比，即Km/Dm；因此直流母线电压能够反映多端直流输电系统相连的各交流电网的频率信息；
再将式(9)代入式(7)中，对于第i个受端换流器，有：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，杨仁炘，施刚，张建文，迟永宁，李琰，刘宏志，
申请(专利权)人：上海交通大学，中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31