一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法，通过将STATCOM的锁相环输出相位，经过前馈控制，引入到直流电压控制环节的直流电压参考值上，消除了锁相环对于内电势相位运动的影响，使得STATCOM无需测量频率变化率就可以提供自然惯性响应。本发明专利技术可广泛应用于目前电网中实际运行的STATCOM，使其运行状态如同一台虚拟调相机，在提供无功补偿的同时提供惯量支撑，以改善大规模新能源接入后的系统频率特性。模新能源接入后的系统频率特性。模新能源接入后的系统频率特性。

【技术实现步骤摘要】
一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法


[0001]本专利技术属于并网电压源型变流器控制领域，尤其涉及一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法。

技术介绍

[0002]电网运行频率是全网功率是否平衡的标志，同时也是电能质量的基本指标之一。传统以同步发电机为主导的电力系统中，负荷发生变化时，同步发电机体现出固有的自然惯性响应，利用转子动能释放和频率变化率成正比的有功功率，抑制负荷扰动下电网频率的变化。目前风电、光伏等并网新能源大多经过电压源型变流器接入电网，并通过锁相环实现和电网同步，即采用跟网型技术。由于电力电子变流器的有功
‑
频率解耦特性，其不会主动响应系统频率的变化，高比例新能源并网将会导致电网转动惯量下降，调频能力不足，频率稳定问题突出，严重时甚至导致大范围的停电事故。
[0003]为了提高电力系统惯量水平，可以在电压源型变流器接口新能源中引入虚拟惯量。虚拟惯量的能量来源主要是风机转子动能、变流器直流侧电容和附加储能等。基于跟网型和基于构网型的控制技术的电压源型变流器，虚拟惯量具有不同的实现方式。基于跟网型的虚拟惯量通常需要测量电网频率变化率，受到测量环节的影响，不能像同步机一样提供自然惯性响应。基于构网型的虚拟惯量，在变流器控制环节引入同步机转子运动方程，可以像同步机一样提供自然惯性响应。但构网型技术改变了电压源型变流器原有矢量控制的结构，目前大规模推应用的是跟网型的技术。
[0004]静止同步补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)通常装设在输电网及风电场的并网点，用于无功功率电压控制以及动态电压支撑等。电网中所装设的STATCOM均采用基于跟网型的技术。目前，已经有了基于构网型的虚拟惯量模拟方法，以及基于构网型的自然惯性响应控制方法，但是基于跟网型的自然惯性响应方法还未见提出。基于跟网型的自然惯性响应方法可以使得目前电网中实际运行的STATCOM运行状态如同虚拟同步调相机，即提供无功功率补偿的同时提供自然惯性响应。

技术实现思路

[0005]为消除了锁相环动态对内电势相位运动的影响，实现STATCOM的自然惯性响应。本专利技术提供一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法。
[0006]本专利技术的一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法，将静止同步补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)锁相环输出相位θ
pll
，经过前馈控制传递函数K
p
(s)，得到附加直流电压分量ΔV
dcH
＝K
p
(s)Δθ
PLL
，将ΔV
dcH
引入到STATCOM的dq解耦控制中直流电压控制回路，叠加在直流电压参考值V
dcref
上。使STATCOM在电网负荷扰动时刻能够提供类似同步调相机的自然惯性响应，无需测量频率变化率就可以提供与STATCOM接入点频率变化率成正比的附加功率。
[0007]前馈控制传递函数K
p
(s)为：
[0008][0009]式中，K
dc
(s)是直流电压控制器的传递函数，X
f
是滤波电抗，E
c0
为STATCOM稳态运行时滤波器后电压(内电势)幅值初始值，V
t0
并为网点电压(滤波器前电压)初始值。
[0010]引入前馈控制后，STATCOM具有和同步调相机转子运动方程类似的线性化内电势相位运动方程。当直流电压控制器采用PI控制时，即：
[0011][0012]式中，τ＝k
p_dc
/k
i_dc
，k
p_dc
和k
i_dc
是PI控制器的比例和积分参数，s是复频率。
[0013]并网后，STATCOM内电势相位运动方程为：
[0014][0015][0016]式中，M是STATCOM提供的惯量，K＝X
g
/(X
g
+X
f
),K1＝X
f
/E
c0
，K2＝V
t0
/E
c0
,D＝k
p_dc
/k
i_dc
,X
g
是电网等效电抗，C是直流侧电容大小,V
dc0
为直流电压初始值，Δθ
c
是内电势相位增量，ΔP
t
是STATCOM的输出有功功率增量。D是STATCOM提供的阻尼。因此，STATCOM内电势相位运动方程类似于同步调相机转子运动方程，其转动惯量M大小主要取决于直流侧电容值，通过设置不同大小的电容，STATCOM可以获得不同大小的惯量。
[0017]本专利技术与现有技术相比的有益技术效果为：
[0018]1、本专利技术提出的STATCOM附加自然惯性响应控制方法，通过在直流电压控制回路引入前馈控制，无需测量频率变化率信号实现了自然惯性响应。惯性响应更快，效果更好，可以更有效减小频率下降速度和频率偏差，改善系统的频率响应特性。
[0019]2、可以应用在电网中实际运行的STATCOM中，使得基于PLL锁相的STATCOM运行状态如同虚拟同步调相机，为电网提供无功补偿和电压支撑的同时提供自然惯性响应。通过装设在新能源场站中或者电网中的负荷节点，可以提高系统惯量，避免对于新能源机组的改造，有效解决大规模新能源接入带来的低惯量问题。
附图说明
[0020]图1是接入风电场的STATCOM电路结构示意图。
[0021]图2是基于锁相环前馈的附加自然惯性响应控制方法。
[0022]图3是STATCOM内电势相位运动和幅值运动方程。
[0023]图4是接入风电场和STATCOM的IEEE标准四机两区域测试系统。
[0024]图5是加入附加惯性控制器后负荷扰动下STATCOM输出有功功率。
[0025]图6是加入附加惯性控制器后负荷扰动下STATCOM输出无功功率。
[0026]图7是在各个场景下系统惯性中心频率曲线。
[0027]图8是在各个场景下风电场并网点35kV母线电压有效值。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做进一步详细说明。
[0029]根据图1所示，采用直接电流控制的STATCOM主要包括直流侧电容、电压源型变流器和滤波电感等，通常接入风电场的并网点处。其在锁相环的坐标系下采用dq解耦控制，通过电压电流双闭环实现有功无功的独立控制。其中滤波器后电压E
c
定义为STATCOM的内电势，V
t
是并网点电压，无功控制采用恒定电压控制。
[0030]在稳态情况下，STATCOM只输出无功功率。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法，其特征在于，将静止同步补偿器STATCOM锁相环输出相位θ
pll
，经过前馈控制传递函数K
p
(s)，得到附加直流电压分量ΔV
dcH
＝K
p
(s)Δθ
PLL
，将ΔV
dcH
引入到STATCOM的dq解耦控制中直流电压控制回路，叠加在直流电压参考值V
dcref
上，完成附加惯性控制；前馈控制传递函数K
p
(s)为：式中，K
dc
(s)是直流电压控制器的传递函数，X
f
是滤波电抗，E
c0
为STATCOM稳态运行时滤波器后电压幅值初始值，V
t0
并为网点电压初始值。2.根据权利要求1所述的一种STATCOM实现虚拟同步调相机自然惯性响应的控制方法，其特征在于，引入前馈控制后，STATCOM具有和同步调相机转子运动方程类似的线性化内电势...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓茹，付瑞清，董翔宇，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：