一种用于模块化多电平柔性直流换流站的控制方法及系统与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种用于模块化多电平柔性直流换流站的虚拟同步电机控制方法及系统。

背景技术：

面对世界范围内的化石能源危机、全球气候变化和环境恶化等威胁，世界各国已经充分认识到，能源的开发和利用必须从传统的化石能源向绿色可再生清洁能源过渡。风电和光伏发电等作为重要的可再生能源，已经成为能源供给的主要形式。分布式能源渗透率增加，传统同步发电机装机比例下降，电力系统的旋转备用容量和转动惯量相对减小，此外，由于分布式能源波动性和间歇性的共同作用，系统出现了网源协调等影响电网安全稳定运行的问题。

直流输电技术在无功需求、系统稳定性、大规模接入清洁能源和大容量远距离输电等方面具有明显的优势，特别是在柔性直流输电技术日趋成熟的今天，它在动态无功补偿、潮流反转和系统控制等方面具有显著优点，使其成为可再生能源接入的最佳手段之一，也为未来输电网络的构建提供了一个全新的技术方案。

然而，传统柔性直流输电的控制方式以矢量控制技术为主，在该控制策略的基础上柔性直流输电系统可以实现动态电压支撑，有功和无功独立解耦，并为有功功率的输送提供了稳定可靠的途径。在传统柔性直流输电系统中，空间定向矢量解耦容易受到系统控制参数变化及不匹配等影响。此外，传统矢量控制策略下的并网换流器在低频段难以提供合适的阻尼，容易造成交流系统次同步谐振及并网换流站的大规模脱网，其严重威胁到电力系统电压和频率的稳定性，特别是在电力系统暂态故障期间，并网换流站不能提供足够大的惯性，极易造成系统频率失稳。

因此，需要一种既能提高可再生能源外送又能提高电力系统运行安全性、稳定性和可靠性的控制技术。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于模块化多电平柔性直流换流站的控制方法及系统，其控制方法包括步骤：采样获得的三相交流信息分别经虚拟同步电机控制器和环流控制器后，得到感应电动势和调压电压；根据感应电动势和调压电压，获得三相电压参考值；通过pwm调制三相电压参考值，输出开关信号，实现对模块化多电平换流站的控制。

采样获得的三相交流信息分别经虚拟同步电机控制器和环流控制器后，得到感应电动势和调压电压，包括：虚拟同步电机控制器中机械运动单元转子的运动方程如下所示：

式中：j为转子转动惯量、tm为机械转矩、te为电磁转矩、dp为阻尼系数、ω*为额定频率、ω为电网实际频率；

虚拟同步电机控制器中电磁单元定子绕组的电气方程如下所示：

式中：uabc为定子绕组的输出端电压、iabc为定子绕组的输出端电流、e为感应电动势、rs为绕组损耗、ls为同步电抗。

感应电动势的计算公式如下所示：

式中：e为感应电动势、θ为电角度、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流、为额定频率ω*与电网实际频率ω的差值；

和为三相的相位关系，其定义如下所示：

阻尼系数为有功功率和频率变化的关系，其定义式如下所示：

其中，δp为有功功率设定值pset和有功功率p之差，δθ为电角度变化。

输出有功功率的表达式如下所示：

其中，为iabc和两者的内积、为额定频率^ω*与电网实际频率ω的差值、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流。

其控制系统包括：控制模块，采样获得的三相交流信息分别经虚拟同步电机控制器和环流控制器后，得到感应电动势和调压电压；电压合成器，用于接收感应电动势和调压指令后，输出三相电压参考值；调制模块，通过pwm调制三相电压参考值，输出开关信号，实现对模块化多电平换流站的控制。

虚拟同步电机控制器包括机械运动单元和电磁运动单元；

机械运动单元中转子的运动方程如下所示：

式中：j为转子转动惯量、tm为机械转矩、te为电磁转矩、dp为阻尼系数、ω*为额定频率、ω为电网实际频率；

电磁单元中定子绕组的电气方程如下所示：

式中：uabc为定子绕组的输出端电压、iabc为定子绕组的输出端电流、e为感应电动势、rs为绕组损耗、ls为同步电抗。

感应电动势的计算公式如下所示：

式中：e为感应电动势、θ为电角度、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流、为额定频率ω*与电网实际频率ω的差值；

和为三相的相位关系，其定义如下所示：

阻尼系数为有功功率和频率变化的关系，其定义式如下所示：

其中，δp为有功功率设定值pset和有功功率p之差，δθ为电角度变化。

输出有功功率的表达式如下所示：

其中，为iabc和两者的内积、为额定频率ω*与电网实际频率ω的差值、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提出的控制方法将传统同步发电机的摇摆方程和电磁方程引入控制器中，换流站在外特性和运行机理上模拟传统同步发电机，进而使得换流站具备调压调频的功能，为交流系统提供了一定的电压和频率支撑，提高了系统的稳定性和可靠性。

2、本发明提出的控制方法能够根据交流系统的频率和电压变化量，自动调整输出有功功率和无功功率，从而有效降低了交流系统的频率和电压波动。

3、本发明为系统提供了惯性和阻尼，使整个柔性直流系统的控制性具有更好的鲁棒性，在提高系统稳定运行能力的同时实现了分布式能源的大规模并网。

附图说明

图1为本发明的整体控制方法框图；

图2为本发明虚拟同步电机控制器的控制策略框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明的目的是设计一种模块化多电平换流站的控制方法，柔性直流换流站的控制系统由采样模块、控制模块、电压合成器以及调制模块五部分组成。

采样模块为包括虚拟同步机控制器和环流控制器的控制模块提供三相电压和电流输入信息，控制模块的输出电压在电压合成器中合成后作为调制模块的输入，从而达到对模块化多电平换流站输出电压控制的目的。

本发明提出的控制方法将传统同步发电机的摇摆方程和电磁方程引入控制器中，换流站在外特性和运行机理上模拟传统同步发电机，使得换流站具备调压调频的功能，为交流系统提供一定的电压和频率支撑，提高系统的稳定性和可靠性。

本发明提出的模块化多电平换流器虚拟同步电机控制方法：将柔性直流换流站的外特性与同步电机的数学模型、运动方程、电磁方程(暂态或稳态)和工作特性相等效。

在控制策略上，需要借鉴柔性直流换流器和传统同步电机的控制方法。虚拟同步电机的控制算法需要用到电压和功率等变量，所以要保证换流站输出的稳定性和精确性，在控制结构上采用换流站的电压电流双环控制。对于传统同步电机而言，原动机和调速器负责提供机械功率和调节输出频率，励磁控制系统负责调节励磁电压。

在虚拟同步电机中，通过一些功能相似的单元取代，其中，励磁调节器模拟同步电机中励磁控制系统的控制功能，功率和频率调节器模拟的是调速器的控制功能。控制系统采集换流阀的输出电压和电流，由功率和频率调节器得到虚拟同步电机的机械功率指令，由励磁调节器得到虚拟同步电机的励磁电压指令，通过虚拟同步电机控制算法计算之后，得到系统频率和电压的参考值，再通过双环控制系统和调制系统后产生驱动信号来控制开关管的开通和关断，从而完成整个闭环系统。

本发明提出的控制方法的核心是虚拟同步电机控制器的设计，而环流控制器以及pwm调制和传统柔性直流换流器的矢量控制没有本质差别，非本发明核心部分，不做详细论述。

虚拟同步电机控制器要实现根据交流系统的频率和电压变化量自动调整输出的有功功率和无功功率，为交流系统提供频率和电压支撑的功能任务，因此可以传统同步发电机的控制方法着手处理。

如图2所示，利用pi控制器，并结合式(3)和(6)，于是可以得到本发明提出的虚拟同步电机控制策略框图，包括：有功调频功能模块以及无功调压功能模块，能够实现换流器根据交流系统的需求调整输出功率，并为系统提供频率和电压支撑。

以经典的二阶同步发电机模型为主，为使换流器更好的模拟和实现同步电机的性能，应该同时考虑同步电机的机械运动和电磁运动关系。

同步发电机的机械运动由于转动惯量和阻尼系数的存在，能够使得换流站在功率和频率的动态关系中存在惯性，并且阻尼功率振荡，转子运动方程如下：

式中j为转子转动惯量；tm和te分别为发电机机械转矩和电磁转矩；dp为阻尼系数；ω*和ω分别为额定(参考)角频率和电网实际角频率。

上式中求解得到的电网频率，实现了换流器的有功调节能力，在虚拟同步机控制中模拟的是调速器。

同步发电机的电磁部分建模以定子绕组电气方程为原型，即

式中uabc和iabc分别为定子三相输出端电压和电流；e为三相感应电动势；rs和ls分别为定子电枢绕组损耗和同步电抗。该建模只着重考虑了定子的电压电流关系特性，较为简单，而未考虑其内在的电磁特性。

为使控制模型算法从机理上更好的模拟同步发电机，计及转子和定子间的磁链关系，可推导得

式中θ为角频率ω*积分得到的电角度；mf为定子和转子间互感；if为转子绕组电流；

和为abc三相的相位关系，其定义如下所示：

同时，对于换流器的输出有功功率p和无功功率q分别作内积推导功率的表达式，如下所示：

其中，为iabc和两者的内积，为iabc和两者的内积。

(1)式中阻尼系数实质上表征的是有功功率和频率变化的关系，其定义式如下所示：

其中，δp为有功功率设定值pset和计算值p之差，δθ为电角度变化。阻尼系数的设定可以根据系统来设定，比如功率变化100％，频率波动0.5％。

注意在稳态情况下，阻尼系数设定值的选定一般不应使得频率变化超过0.5hz。另外由于提出的频率控制没有延时环节，所以转动惯量的取值应设置的较小，一般依据等式j＝dptc来定，其中tc为时间常数，与系统有关，一般取值为几毫秒到几十毫秒。

控制方法的无功调压控制功能除了采用基于式(7)以外，还需通过无功电压下垂控制得到无功输入参数，以使其能够很好的跟踪交流电网电压。类似的，无功下垂系数反映的是无功功率和电压的变化关系，其定义式如下所示：

其中，δv表示交流电压设定值vset和测量值vg的差值，即表示交流电压对参考值的偏移量，δq表示无功功率设定值qset和计算值q之差，即无功功率的变化量。

无功下垂系数依据系统需要值设定，而且无功功率可以依据式(7)计算得到，并作为负反馈和无功设定值、下垂控制的无功功率值一起作用，形成无功调压部分，从而模拟励磁调节器功能。

等式(3)为控制换流器输出电压的关系式，一般情况下励磁绕组电流为直流电流，几乎没有变化，可以忽略等式后面一项。

值得注意的是：利用该设计方法可同时对逆变站和整流站进行控制，需要注意潮流方向的改变会导致公式符号的变化，并且利用此方法进行整流站虚拟同步机控制时，建议附加定直流电压控制，以便为逆变站提供可靠直流电源。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种降低分层接入直流换相失败风险的系统，下面进行说明。

本发明提供的系统可以包括：

控制模块，用于接收三相采样信息后，输出感应电动势和调压电压；电压合成器，用于接收感应电动势和调压指令后，输出三相电压参考值；调制模块，三相电压参考值经pwm调制模块后，输出开关信号，实现对模块化多电平换流站的控制。

控制模块包括：虚拟同步机控制器和环流控制器；虚拟同步机控制器和环流控制器接收三相采样信息后，分别输出感应电动势和所述调压电压。虚拟同步电机控制器包括机械运动单元和电磁运动单元。

机械运动单元中转子的运动方程如下所示：

式中：j为转子转动惯量、tm为机械转矩、te为电磁转矩、dp为阻尼系数、ω*为额定频率、ω为电网实际频率。

电磁单元中定子绕组的电气方程如下所示：

式中：uabc为定子绕组的输出端电压、iabc为定子绕组的输出端电流、e为感应电动势、rs为绕组损耗、ls为同步电抗。

转子和定子绕组间的磁链关系如下所示：

式中：e为感应电动势、θ为电角度、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流、为所述额定频率ω*与电网实际频率ω的差值；

和为三相的相位关系，其定义如下所示：

阻尼系数为有功功率和频率变化的关系，其定义式如下所示：

其中，δp为有功功率设定值pset和有功功率p之差，δθ为电角度变化。

输出有功功率的表达式如下所示：

其中，为iabc和两者的内积、为额定频率ω*与电网实际频率ω的差值、mf为定子和转子间互感、if为转子绕组电流。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。