一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法。所述方法包括以下步骤：建模MMC直流系统和所连接的交流系统之间的功率平衡方程；模拟同步发电机的转子运动方程，建立海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型；引入虚拟电容，附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，制定MMC惯性提升指令值；建立MMC直流电压与所连接交流系统频率变化之间的关联方程，将MMC惯性提升指令值与系统频率变化相结合，得到用于缓解交流频率波动的MMC辅助惯量支撑的功率指令大小，用于海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制。本发明专利技术有利于提高海上风电直流输电系统的惯性支持能力、保证系统的稳定运行。系统的稳定运行。系统的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法


[0001]本专利技术涉及电力系统频率支撑领域，具体是一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法。

技术介绍

[0002]在能源紧缺和环境污染等问题日益严峻的形势下，风能、光伏等可再生能源近年来得到了大力发展。海上风力发电具有清洁环保、资源稳定性强、年利用小时数高等特点，根据我国“十四五”电力发展规划研究显示，预计到2025年，全国海上风电装机规模将达到3000万千瓦。为了提高海上风电并网的经济性、安全性以及可控性，基于电压源换流器的高压直流输电技术(High Voltage Direct Current Based on Voltage Source Converter，VSC
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HVDC)凭借其优越的特性成为未来新能源并网、直流输电、孤岛供电的重要发展方向。模块化多电平换流器(Modular Multi
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level Converter，MMC)具有高度的模块化结构特点，能持续输出高电平，满足多个电压电平、功率电平的运行需求，不需要增加特殊的滤波装置，能够满足高压大功率柔性直流传输的需要，是海上风电直流并网的首选拓扑结构。但海上运行环境复杂且多变，外界随机扰动下海上风电经柔性直流输电送出系统的动态过程表现出复杂的响应特征。同时由于柔性直流的解耦作用，海上风电无法为交流系统提供频率支撑能力，在发生外界扰动时交流电网的稳定运行能力降低。因此，需要充分挖掘柔性直流输电的灵活控制能力，提高所连交流电网的频率稳定能力。
[0003]为了提高频率支持能力，已有研究通过模拟同步发电机的电磁和力学方程提出了虚拟惯性的概念，当系统功率波动时，其暂态响应可与同步发电机相似。然而，对于海上风电柔性直流并网系统，如何充分利用MMC换流器中子模块电容储存的能量，以充分利用MMC的灵活控制能力为交流电网提供频率支撑以增强系统的稳定性，改善交流频率的动态响应，是海上风电新能源直流并网系统主动支撑领域的一个技术难点。
[0004]现有增强海上风电并网系统惯量响应能力的控制方法基于受端交流电网频率，确定海上风电并网系统中VSC
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HVDC系统的网侧换流器的直流侧电压参考值，从而为系统的惯量响应提供功率支撑。但所提出的方法会改变直流电压的参考值，在扰动过程中会造成直流电压的进一步波动(增强海上风电并网系统惯量响应能力的控制方法和系统，CN202110312502.8)。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出了一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，首先考虑海上风电MMC换流器中子模块电容的充放电过程，建模MMC并网系统交直流侧的功率平衡方程，其次，通过模拟同步发电机的转子运动方程，建立了海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型；然后，引入较大的虚拟电容，并将其附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，进而得到基于虚拟电容的MMC惯性提升指令值；最后，将MMC惯性提升指令值与系统频率变化相结合，建立MMC直流电压与系统频率变化之间的关联方程，得到用于缓解交流
频率波动的MMC辅助惯量支撑的功率指令大小，用于海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制。
[0006]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0007]一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1、考虑海上风电MMC换流器中子模块电容的充放电过程，建模MMC直流系统和所连接的交流系统之间的功率平衡方程；
[0009]S2、模拟同步发电机的转子运动方程，建立海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型；
[0010]S3、引入虚拟电容，附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，制定MMC惯性提升指令值；
[0011]S4、建立MMC直流电压与所连接交流系统频率变化之间的关联方程，将MMC惯性提升指令值与系统频率变化相结合，得到用于缓解交流频率波动的MMC辅助惯量支撑的功率指令大小，用于海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制。
[0012]进一步地，步骤S1中，考虑海上风电MMC换流器中子模块电容的充放电过程，建模MMC直流系统和所连接交流系统的功率平衡方程，具体如下：
[0013]对于MMC直流系统，存储在子模块电容中的能量可用于支持所连接交流系统在面临干扰影响时的频率恢复；忽略MMC直流系统的损耗时，注入MMC直流系统的功率等于输出功率，而直流功率流入和交流功率流出之间的差异表现为MMC直流系统中存储能量的变化；因此将MMC直流系统和所连接的交流系统之间的功率平衡方程描述为：
[0014][0015]其中，C
eq
为子模块电容，U
dc
是MMC的直流侧电压，ΔP为交直流侧的功率平衡之差；从式(1)可以看出，由ΔP引起的瞬态功率不平衡会引起直流电压的剧烈变化。
[0016]进一步地，步骤S2中，模拟同步发电机的转子运动方程，建立海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型，具体如下：
[0017]当MMC直流系统桥臂SM电容中储存的能量用于支持交流电网频率恢复时，通过模拟同步发电机的转子运动方程，将直流电压的动态功率与频率变化关系描述为：
[0018][0019]其中，T
J
是惯性响应常数，Δf
ac
是频率变化量；当交流电网太弱而无法提供频率支持时，在瞬态功率不平衡过程中会出现频率动态响应差的问题；然而，这也意味着通过基于直流电压或频率波动调节瞬态功率失配，可以增强MMC直流系统的动态性能并达到预期效果。
[0020]进一步地，步骤S3中，通过引入虚拟电容，并将虚拟电容附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，进而得到基于虚拟电容的MMC惯性提升指令值P
inertia
，具体如下：
[0021]由于MMC等效储能随着电容的增大而增大，电容越大，频率变化较小；但MMC直流系统的等效并联电容通常不足以支撑波动恢复；因此，通过引入虚拟电容C
vir
，以灵活调整来提高交流频率支持能力；基于直流电压的虚拟电容方程推导得到惯性提升指令P
inertia
为：
[0022][0023]其中，U
dcref
是直流电压的参考命令，U
dcn
为额定直流电压。
[0024]进一步地，虚拟电容C
vir
根据大于MMC直流系统实际电容的原则选取。
[0025]进一步地，步骤S4中，建立MMC直流电压与系统频率变化之间的关联方程，将MMC惯性提升指令值与系统频率变化相结合，得到用于缓解交流频率波动的MMC辅助惯量支撑的功率指令大小，具体如下：
[0026]结合式(3)，得到引入虚拟电容C
vir
后MMC直流系统和所连接交流系统之间的能量平衡方程：
[0027][0028]其中，ΔP
dc
为附加直流功率信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、考虑海上风电MMC换流器中子模块电容的充放电过程，建模MMC直流系统和所连接的交流系统之间的功率平衡方程；S2、模拟同步发电机的转子运动方程，建立海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型；S3、引入虚拟电容，附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，制定MMC惯性提升指令值；S4、建立MMC直流电压与所连接交流系统频率变化之间的关联方程，将MMC惯性提升指令值与系统频率变化相结合，得到用于缓解交流频率波动的MMC辅助惯量支撑的功率指令大小，用于海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制。2.根据权利要求1所述的一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，其特征在于：步骤S1中，考虑海上风电MMC换流器中子模块电容的充放电过程，建模MMC直流系统和所连接交流系统的功率平衡方程，具体如下：对于MMC直流系统，存储在子模块电容中的能量可用于支持所连接交流系统在面临干扰影响时的频率恢复；忽略MMC直流系统的损耗时，注入MMC直流系统的功率等于输出功率，而直流功率流入和交流功率流出之间的差异表现为MMC直流系统中存储能量的变化；因此将MMC直流系统和所连接的交流系统之间的功率平衡方程描述为：其中，C
eq
为子模块电容，U
dc
是MMC的直流侧电压，ΔP为交直流侧的功率平衡之差；从式(1)可以看出，由ΔP引起的瞬态功率不平衡会引起直流电压的剧烈变化。3.根据权利要求2所述的一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，其特征在于：步骤S2中，模拟同步发电机的转子运动方程，建立海上风电MMC换流器的频率惯性分析模型，具体如下：当MMC直流系统桥臂SM电容中储存的能量用于支持交流电网频率恢复时，通过模拟同步发电机的转子运动方程，将直流电压的动态功率与频率变化关系描述为：其中，T
J
是惯性响应常数，Δf
ac
是频率变化量；当交流电网太弱而无法提供频率支持时，在瞬态功率不平衡过程中会出现频率动态响应差的问题；然而，这也意味着通过基于直流电压或频率波动调节瞬态功率失配，可以增强MMC直流系统的动态性能并达到预期效果。4.根据权利要求1所述的一种针对海上风电直流输电系统的快速频率支撑控制方法，其特征在于：步骤S3中，通过引入虚拟电容，并将虚拟电容附加在MMC直流系统的等效电容的储能中，进而得到基于虚拟电容的MMC惯性提升指令值P
inertia
，具体如下：由于MMC等效储能随着电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇军，刘子文，邓文扬，杨苹，肖晃庆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：