基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法与流程

本发明属于高压输电领域，具体涉及基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法。

背景技术：

随着我国能源结构的调整以及电网建设规划的推进，柔性直流输电系统以其有功功率、无功功率独立灵活可控，无需电网换相电压，可向孤岛地区供电等优势得到广泛应用，并朝着高压大容量的方向发展。

目前，以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电系统(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)多采用常规的基于同步旋转坐标系下pi双环解耦的直接电流控制，此类控制中有功、无功类控制目标多为固定数值，并不能积极响应系统电压及频率的变化，无法发挥大容量vsc对交流系统的电压、频率支援作用。并且vsc表现为零惯量特性，随着vsc-hvdc在电网中的渗透率不断提高，电力系统内发电机组装机容量需求相应减少，电网等效旋转惯量降低，导致系统调频能力明显减弱，非常不利于电力系统安全稳定运行。另外，常规控制方式下vsc-hvdc需要通过控制模式的切换实现孤岛与联网模式下不间断运行，这对vsc平滑无缝的模式切换策略提出了很高的要求，不仅增大了控制系统设计难度，而且难以避免切换过程中的电气冲击，不利于负荷安全稳定供电。

近年来，基于虚拟同步发电机的vsc控制技术在微电网、风力发电等系统中逐渐发展起来，其通过模拟传统同步发电机的机械、电气方程，以及调频、调压控制等，使vsc体现出同步发电机的运行特性，从而主动调节电力系统电压和频率，并适用于单机和多机并联运行。这对vsc-hvdc系统解决上述问题而言极具借鉴价值。

《电力系统自动化》期刊第39卷第21期的一篇名称为《虚拟同步发电机技术及展望》的论文介绍了虚拟同步发电机(vsg)及其运行控制策略，如图1所示，该虚拟同步发电机包括主电路和控制系统，控制系统是实现虚拟同步发电机的核心，主要包括vsg本体模型和控制算法，控制算法主要从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压等特征，其中的有功-频率控制通过检测功率差δp来控制虚拟机械转矩输出而调节功率，如图2所示。

但是，目前学术界对于虚拟同步机(virtualsynchronousmachine，vsm)技术的研究仅着眼于单台vsc或其调频、调压控制。应用于直流侧不经直流线路而直接连接构成的背靠背vsc-hvdc系统时，如何确保背靠背系统的直流电压稳定，同时实现双端交流系统的频率控制，并适应任意一端交流系统孤岛工况，是该技术向vsc-hvdc系统推广所面临的首要问题，需要开展深入的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法，用于在发电机组装机容量需求减少、电网等效旋转惯量降低的情况下，有效提高系统的调频能力，保证电力系统安全稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下步骤：

所述直流输电系统采用虚拟同步机控制，其中设置的第一换流器和第二换流器分别通过各自的有功调节、无功调节，生成各自的机械功率和参考电压幅值，经过虚拟同步机本体算法，分别生成控制第一换流器和第二换流器的调制波；

其中，采集的实际直流电压与设定的直流电压指令的差值，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的机械功率取反，并与所述第一功率差值求和，作为第一换流器的机械功率。

通过将设定的功率指令、根据第二换流器的频率控制器获得的第二有功调节功率差值、以及根据第一换流器的频率控制器获得的第一有功调节功率差值进行求和，得到所述第二换流器的机械功率。

将设定的第二频率指令，与第二换流器检测的第二实际频率作差，乘以第二有功调节系数，得到所述第二有功调节功率差值；将设定的第一频率指令，与第一换流器检测的第一实际频率作差，乘以第一有功调节系数，得到所述第一有功调节功率差值。

所述第一换流器的无功调节包括以下子步骤：

将设定的第一无功指令、与第一换流器检测的第一实际无功功率作差，乘以第一无功调节系数，得到第一换流器参考电压第一调节差值；将设定的第一电压指令、与第一换流器检测的实际交流电压作差，经过调节器调节，得到第一换流器参考电压第二调节差值；

将所述第一换流器参考电压第一调节差值、第一换流器参考电压第二调节差值、与设定的第一电压指令求和，生成第一换流器的参考电压幅值。

所述第二换流器的无功调节包括以下子步骤：

将设定的第二无功指令、与第二换流器检测的第二实际无功功率作差，乘以第二无功调节系数，得到第二换流器参考电压第一调节差值；将设定的第二电压指令、与第二换流器检测的实际交流电压作差，经过调节器调节，得到第二换流器参考电压第二调节差值；

将第二换流器参考电压第一调节差值、第二换流器参考电压第二调节差值、与设定的第二电压指令求和，生成第二换流器的参考电压幅值。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统，包括两个直流侧直接连接的第一换流器和第二换流器，还包括第一有功调节模块、第二有功调节模块、虚拟同步机本体算法模块；

第二有功调节模块：用于生成第二换流器的机械功率；

第一有功调节模块：用于将采集的实际直流电压与设定的直流电压指令的差值，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的机械功率取反，并与所述第一功率差值求和，作为第一换流器的机械功率；

虚拟同步机本体算法模块：用于根据第一有功调节模块、第二有功调节模块的输出，分别生成第一换流器和第二换流器的交流电流指令及相角。

所述第二有功调节模块还用于通过将设定的功率指令、根据第二换流器的频率控制器获得的第二有功调节功率差值、以及根据第一换流器的频率控制器获得的第一有功调节功率差值进行求和，得到所述第二换流器的机械功率。

将设定的第二频率指令，与第二换流器检测的第二实际频率作差，乘以第二有功调节系数，得到所述第二有功调节功率差值；将设定的第一频率指令，与第一换流器检测的第一实际频率作差，乘以第一有功调节系数，得到所述第一有功调节功率差值。

还包括第一无功调节模块：用于将设定的第一无功指令、与第一换流器检测的第一实际无功功率作差，乘以第一无功调节系数，得到第一换流器参考电压第一调节差值；将设定的第一电压指令、与第一换流器检测的实际交流电压作差，经过调节器调节，得到第一换流器参考电压第二调节差值；将所述第一换流器参考电压第一调节差值、第一换流器参考电压第二调节差值、与设定的第一电压指令求和，生成第一换流器的参考电压幅值。

还包括第二无功调节模块：用于将设定的第二无功指令、与第二换流器检测的第二实际无功功率作差，乘以第二无功调节系数，得到第二换流器参考电压第一调节差值；将设定的第二电压指令、与第二换流器检测的实际交流电压作差，经过调节器调节，得到第二换流器参考电压第二调节差值；将所述第二换流器参考电压第一调节差值、第二换流器参考电压第二调节差值、与设定的第二电压指令求和，生成第二换流器的参考电压幅值。

本发明的有益效果是：采集的实际直流电压与设定的直流电压指令的差值，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的虚拟同步机控制模式中进行有功调节的第二机械功率取反，并与所述第一功率差值求和，作为第一换流器的虚拟同步机控制模式中进行有功调节的第一机械功率；第一、第二机械功率用于生成第一、第二换流器交流电的电角度，本发明基于虚拟同步机技术的背靠背直流输电系统，能在发电机组装机容量需求减少、电网等效旋转惯量降低的情况下，有效提高系统的调频能力，保证电力系统安全稳定运行。

本发明在第一换流器进行直流电压控制、第二换流器进行有功功率控制及双端交流系统频率控制的同时，两个换流站还分别进行无功调节，能有效提高交流系统的电压、频率稳定性，并保障直流系统运行可靠性，同时，无需控制模式调整即能实现联网/孤岛工况的无缝切换，具有很好的技术先进性。

附图说明

图1是现有技术中的虚拟同步发电机的电路原理示意图；

图2是现有技术中虚拟同步发电机的有功-频率控制示意图；

图3是背靠背vsc-hvdc系统虚拟同步机控制方案示意图；

图4是虚拟同步机本体算法模块细节图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统的实施例：

如图3所示的vsc-hvdc，该系统含有两个换流器vsc1和vsc2，其中，vsc1为第一换流器，其有功调节部分进行直流电压控制，vsc2为第二换流器，其有功调节部分进行有功功率控制。vsc1和vsc2的控制系统均包含虚拟同步机控制和电流控制及调制两部分。其中，虚拟同步机控制部分由第一有功调节模块、第一无功调节模块、第二有功调节模块、第二无功调节模块以及虚拟同步机本体算法模块构成，虚拟同步机本体算法的具体过程如图4所示。vsci(其中i为1或2)将虚拟同步机本体算法模块输出的电流指令iabci和交流电角度θi作为后级部分的输入，并对其进行闭环控制，从而生成vsci的调制波，上述iabci及θi中的i为1或2，iabc1为第一换流器vsc1输出的交流电流指令，iabc2为第二换流器vsc2输出的交流电流指令，θ1为第一换流器vsc1输出的相角，θ2为第二换流器vsc2输出的相角。

vsc1的第一有功调节模块中包含直流电压闭环控制，用以维持系统直流电压稳定，其采取的控制算法为：将直流电压实际值udcref与设定的指令值udcref做差，经过比例积分调节器调节，得到有功功率调节量△p1，作为第一功率差值，第一功率差值与vsc2进行有功调节的机械功率pm2的取反值相加，而得到vsc1进行有功调节的第一机械功率pm1。

vsc1的第一无功调节模块中，将设定的第一无功指令qref1、与第一换流器检测的第一实际无功功率q1作差，乘以第一无功调节系数kq1，得到vsc1参考电压第一调节差值；将设定的第一电压指令uacref1、与第一换流器检测的实际交流电压uac1作差，经过调节器avr调节，得到vsc1参考电压第二调节差值；将vsc1参考电压第一调节差值、vsc1参考电压第二调节差值、与设定的第一电压指令e1求和，生成第一换流器的参考电压幅值ep1。

vsc2的第二有功调节模块则包含有设定功功率指令pref及调频控制环节，用以控制直流系统有功潮流，同时进行双端交流系统的频率支援控制，其采取的控制算法为：将第一频率指令值fref1与vsc1的频率实际测量值f1做差，并经过比例控制器调节，得到进行有功调节的第一有功调节功率差值△pf1，同时，将vsc2的第二频率指令值fref2与频率实际测量值f2做差，同样经过比例控制器，得到进行有功调节的第二有功调节功率差值△pf2，△pf1、△pf2与设定的有功功率指令pref相加，作为vsc2进行有功调节的第二机械功率pm2。

vsc2的第二无功调节模块中，将设定的第二无功指令qref2、与第二换流器检测的第二实际无功功率q2作差，乘以第二无功调节系数kq2，得到vsc2参考电压第一调节差值；将设定的第二电压指令uacref2、与第二换流器检测的实际交流电压uac2作差，经过调节器avr调节，得到vsc2参考电压第二调节差值；将vsc2参考电压第一调节差值、vsc2参考电压第二调节差值、与设定的第二电压指令e2求和，生成第二换流器的参考电压幅值ep2。

由于vsc1和vsc2采用背靠背接线方式，因此二者之间进行频率测量值和机械功率指令的交互传输具有及时性和便利性。

在背靠背vsc-hvdc系统双端联网运行时，vsc2调节有功功率指令pref来改变与本端交流系统的有功潮流传输，为了维持系统直流电压稳定，vsc1需要同步调整功率，在本发明专利的控制方案下，需要调整的有功功率指令已作为前馈项加入到机械功率指令pm1当中，因此直流电压闭环控制部分仅需输出很小的△p1补偿暂态调节过程中的波动功率即可，基于此方案，系统的直流电压稳定性能得到很好的保障，从而保障了系统运行可靠性。

此外，若任意一端交流系统发生暂态功率扰动并引起交流系统频率波动，则vsc2会根据双端系统频率波动情况及时的调整第二机械功率pm2，也即调节vsc-hvdc系统的有功潮流，从而分担系统的功率扰动以抑制双端交流系统频率的波动，提高双端交流系统频率稳定性。

而在背靠背vsc-hvdc系统任意一端交流系统故障进入孤岛工况时，各端换流站虚拟同步机本体算法中旋转惯量的作用会快速调节vsc-hvdc的有功输出从而抑制系统频率的快速变化。与此同时，vsc2有功调节模块中的频率控制和各站无功调节模块中的交流电压控制会通过改变机械功率和交流电压幅值来降低孤岛端交流系统频率和电压幅值的波动量，从而保证了孤岛工况下交流系统的稳定性，实现平滑无缝的联网/孤岛工况切换。同样的，vsc1仍会在pm2的前馈作用下快速的稳定系统的直流电压，从而保障系统的运行可靠性。

结合以上分析可知，本发明提出的背靠背vsc-hvdc系统虚拟同步机控制方案，能够有效提高交流系统的电压、频率稳定性，并保障直流系统运行可靠性，同时，无需控制模式调整即能实现联网/孤岛工况的无缝切换，具有很好的技术先进性。

本发明还提出了一种基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下步骤：直流输电系统采用虚拟同步机控制，其中，第一换流器和第二换流器分别通过各自的有功调节、无功调节，生成各自的机械功率和参考电压幅值，经过虚拟同步机本体算法，分别生成控制第换一流器和第二换流器的调制波；其中，采集的实际直流电压与设定的直流电压指令作差，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的机械功率取反，并与第一功率差值求和，作为第一换流器的机械功率。

上述背靠背直流输电系统控制方法，实际上是采用本发明的基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统的实施例中采用的控制方法，由于对该控制方法在上述实施例中的介绍已经足够清楚完整，故不再对背靠背换流器的控制方法的实施例详细进行描述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明专利的权利申请要求保护范围之内。