基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法和系统，在虚拟同步控制二阶模型的基础上借鉴三阶发电机模型，考虑调速器和励磁绕组的暂态过程，使得柔性直流系统具备改善系统电压和频率稳定性

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法和系统


[0001]本申请涉及柔性直流输电
，具体涉及一种基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法和系统
。

技术介绍

[0002]随着越来越多的高电压等级
、
大容量的柔性直流工程相继投运
。
相比传统高压直流工程，柔性直流工程具有响应速度快
、
灵活的有功功率和无功功率解耦控制
、
谐波水平低
、
不存在换相失败问题
、
输电损耗低
、
易实现潮流反转
、
可独立向无源系统供电等优势，因而得到了广泛应用
。
[0003]柔性直流系统的核心器件是模块化多电平换流器，其响应特性远超传统电力系统的核心设备
——
同步发电机
。
随着柔性直流系统和可再生能源的不断接入，电力系统呈现出高比例电力电子化趋势，系统惯性降低
、
频率稳定性下降
、
多频段振荡等问题层出不穷
。
例如，渝鄂
、
张北
、
如东
、
白苏等工程拓扑结构复杂，送受端存在联网
、
孤岛运行等多种运行方式，交流系统强弱程度存在较大差异，宽频振荡和暂态过电压问题突出，系统存在巨大的运行压力和风险
。
[0004]为了解决上述问题，许多学者提出采用构网型换流器控制技术使得柔直具备一次调频能力和惯性特性<br/>。
构网型控制是与传统换流器采用的跟网型控制相对应的，该控制无需借助锁相环便可实现同步
。
典型的构网型柔直控制技术有下垂控制
、VF
控制等
。
下垂控制模拟同步发电机
P
‑
f、Q
‑
U
下垂特性，响应速度快，但却不具备惯性和阻尼特性，容易引起电压和频率振荡
。VF
控制模拟无穷大电源，是无源控制的一种，但其不能模拟同步发电机的有功
‑
频率及虚拟惯量
、
无功
‑
电压及虚拟励磁调节特性，使用范围较为局限
。
因此，研究可模拟同步发电机对外支撑特性的构网型柔直控制策略极具价值
。
[0005]现有柔性直流系统大多使用电流源特性的跟网型控制工作模式，依赖锁相环测量并网点的相位信息实现与电网同步
。
在
dq
坐标系下，跟网型控制可以分解为内环电流控制器和外环功率控制器
。
典型锁相环控制如图2所示，基于锁相环的跟网型柔性直流换流器双环控制如图3所示
。
[0006]现有技术方案基于锁相环的跟网型柔性直流系统双环控制只能并网运行，不能单独运行，在系统强度弱
、
惯量低情况下并网稳定性较低，并且不能主动支撑电网电压和系统惯量
。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本申请提供一种基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法，包括：
[0008]根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，建立应用于柔性直流换流器的三阶虚拟同步机控制模型；
[0009]应用所述三阶虚拟同步机控制模型，在虚拟同步机的一次调频过程中，通过引入
虚拟调速器，响应系统频率变化；通过下垂控制获得同步发电机转子运动方程；
[0010]通过模拟所述同步发电机转子运动方程，将换流器有功功率参考值视为同步发电机机械功率，根据机械功率变化调节所述同步发电机的转速，进而改变相位角；
[0011]基于所述三阶虚拟同步机控制模型，模拟同步发电机励磁调压系统，将网侧交流电压测量值与参考值的偏差作为同步发电机励磁调压系统的输入，通过改变虚拟内电势幅值，调节柔直换流器与同步发电机励磁调压系统的无功交换；
[0012]根据所述相位角
、
虚拟内电势幅值和换流器一次特性，计算对应的电流参考值；
[0013]将所述电流参考值与实侧值的偏差作为输入，叠加解耦电压和交叉补偿后，得到柔直换流器的电压参考值；根据虚拟内电势的相位角获得三相静止坐标敏魔下的电压参考波；根据所述电压参考波生成触发脉冲，分别对柔直换流器的各子桥臂子模块进行控制
。
[0014]进一步的，根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，建立应用于柔性直流换流器的三阶虚拟同步机控制模型，包括：
[0015]根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，计及虚拟调速器
、
转子运动方程
、
阻尼因子
D、
转子电压平衡方程以及励磁绕组暂态过程的影响，忽略定子
d、q
绕组暂态过程，简化得到改进型虚拟同步控制模型，具体为，
[0016][0017]其中，
θ
为内电势虚拟相位角；
ω
为控制器虚拟角速度；
J
为虚拟惯量；
P
m
为虚拟机械功率；
P
e
为柔直系统实际输出有功功率；
D
为阻尼系数；
ω0为系统角速度；
T
d
'0为励磁绕组时间常数；
E'
q
为暂态电势；
E
qe
为强制空载电动势；
i
d
为
d
轴电流分量，取为换流器输出
d
轴电流参考值
I
dref
；
x
d
为同步电抗；
x'
d
为
d
轴暂态电抗
。
[0018]进一步的，通过下垂控制获得同步发电机转子运动方程，包括：
[0019]当系统频率实测值与参考值偏差量超过死区环节后，乘以下垂系数，产生附加功率，通过下垂控制进行转子运动方程，
[0020][0021]其中，
Δ
P
ref
为附加参考功率；
K
p
为下垂系数；
f
*
为参考频率；
f
为实测频率；
f
deadzone
为设定频率死区
。
[0022]进一步的，在根据机械功率变化调节所述同步发电机的转速，进而改变相位角，包括：
[0023]在相角的生成过程中引入转子惯量积分环节与阻尼分量，使得功率和频率在动态过程中近似同步发电机，
[0024][0025]其中，
Δ
P
ref
为虚拟调速控制环节给出的附加参考功率
。
[0026]进一步的，将网侧交流电压测量值与参考值的偏差作为同步发电机励磁调压系统的输入，通过改变虚拟内电势幅值，调节柔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于虚拟同步机的构网型柔性直流系统控制方法，其特征在于，包括：根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，建立应用于柔性直流换流器的三阶虚拟同步机控制模型；应用所述三阶虚拟同步机控制模型，在虚拟同步机的一次调频过程中，通过引入虚拟调速器，响应系统频率变化；通过下垂控制获得同步发电机转子运动方程；通过模拟所述同步发电机转子运动方程，将换流器有功功率参考值视为同步发电机机械功率，根据机械功率变化调节所述同步发电机的转速，进而改变相位角；基于所述三阶虚拟同步机控制模型，模拟同步发电机励磁调压系统，将网侧交流电压测量值与参考值的偏差作为同步发电机励磁调压系统的输入，通过改变虚拟内电势幅值，调节柔直换流器与同步发电机励磁调压系统的无功交换；根据所述相位角
、
虚拟内电势幅值和换流器一次特性，计算对应的电流参考值；将所述电流参考值与实侧值的偏差作为输入，叠加解耦电压和交叉补偿后，得到柔直换流器的电压参考值；根据虚拟内电势的相位角获得三相静止坐标敏魔下的电压参考波；根据所述电压参考波生成触发脉冲，分别对柔直换流器的各子桥臂子模块进行控制
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，建立应用于柔性直流换流器的三阶虚拟同步机控制模型，包括：根据虚拟同步机的二阶转子模型和三阶发电机模型，计及虚拟调速器
、
转子运动方程
、
阻尼因子
D、
转子电压平衡方程以及励磁绕组暂态过程的影响，忽略定子
d、q
绕组暂态过程，简化得到改进型虚拟同步控制模型，具体为，其中，
θ
为内电势虚拟相位角；
ω
为控制器虚拟角速度；
J
为虚拟惯量；
P
m
为虚拟机械功率；
P
e
为柔直系统实际输出有功功率；
D
为阻尼系数；
ω0为系统角速度；
T
d
'0为励磁绕组时间常数；
E'
q
为暂态电势；
E
qe
为强制空载电动势；
i
d
为
d
轴电流分量，取为换流器输出
d
轴电流参考值
I
dref
；
x
d
为同步电抗；
x'
d
为
d
轴暂态电抗
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下垂控制获得同步发电机转子运动方程，包括：当系统频率实测值与参考值偏差量超过死区环节后，乘以下垂系数，产生附加功率，通过下垂控制进行转子运动方程，其中，
Δ
P
ref
为附加参考功率；
K
p
为下垂系数；
f
*
为参考频率；
f
为实测频率；
f
deadzone
为设定频率死区
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据机械功率变化调节所述同步发电机
的转速，进而改变相位角，包括：在相角的生成过程中引入转子惯量积分环节与阻尼分量，使得功率和频率在动态过程中近似同步发电机，其中，
Δ
P
ref
为虚拟调速控制环节给出的附加参考功率
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将网侧交流电压测量值与参考值的偏差作为同步发电机励磁调压系统的输入，通过改变虚拟内电势幅值，调节柔直换流器与同步发电机励磁调压系统的无功交换，包括：将网侧交流电压测量值与参考值的偏差作为同步发电机励磁调压系统的输入，经由
PID
限幅控制
、
超前滞后环节
、
转子电压平衡方程以及一阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏志达，杨泽栋，穆世霞，戴汉阳，吴国旸，刘涛，李霞，王毅，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：