本发明涉及大电网稳定控制技术领域，具体涉及一种应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统及方法。
背景技术
近年来，为了增加能源供应、优化能源结构和降低环境污染，越来越多的风能、太阳能等可再生能源被应用于我国电力系统。可再生能源的利用是智能电网建设的一个非常重要的方向。在各种类型的可再生能源中，风能已经得到较为成熟的技术开发，在电力系统中得到了一定程度的应用。目前，高压直流(hvdc，high-voltagedirectcurrent)输电技术被认为是一种有效的方式，用于将大规模风电场与主干网相连接。特别是在远距离输电和异步联网方面，hvdc技术在电能传输效率和功率控制灵活度方面均具有比较明显的优势。多端柔性直流输电系统则是在hvdc技术的基础上，进一步形成多个直流换流站组成的直流输电网络。柔性直流输电可实现有功与无功的解耦控制，为城市负荷中心提供必要的无功支撑，提升受端电网电压稳定性，同时其灵活的功率调控能力可促进新能源消纳，是未来智能电网的发展基石。
然而，随着柔性直流输电系统和新能源的并网规模不断增加，电力电子器件的比重将不断增加，由于直流电网将新能源和大电网解耦，同时直流电网内不存在惯性元件，交直流互联电网的有效惯性随之降低，大电网的频率稳定性受到较大威胁。此外，新能源的随机出力特性进一步加剧了系统频率波动的程度。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提出一种应用于多端柔性的直流输电系统的虚拟同步控制器及方法，以解决与多端柔性直流输电系统并网后出现的交流电网频率波动加剧、系统阻尼减缩、稳定性下降的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统，该直流输电系统包括换流站，该虚拟同步控制器包括以下模块：
参数偏差获取模块，用于采集换流站的检测参数，并生成换流站交流侧母线的频率偏差、换流站交流侧母线的频率变化率、换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量、换流站交流侧母线的电压幅值偏差量、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量和换流站直流侧母线的电压偏差，将生成的换流站交流侧母线的频率偏差和换流站交流侧母线的频率变化率发送给参数自适应调节模块，将换流站交流侧母线的电压幅值偏差量发送给无功功率控制模块，将换流站直流侧母线的电压偏差发送给虚拟调速器控制模块；
参数自适应调节模块，用于根据所述换流站交流侧母线的频率偏差和所述换流站交流侧母线的频率变化率判断出换流站一侧的交流电网的振荡状态，并生成出一虚拟调速器增益和一虚拟惯性时间常数；
虚拟调速器控制模块，用于根据所述换流站交流侧母线的频率偏差、所述换流站直流侧母线的电压偏差和所述参数自适应调节模块生成的虚拟调速器增益，生成换流站输出功率参考值的调整量；
虚拟同步机控制模块，用于根据所述虚拟调速器控制模块生成的换流站输出功率参考值的调整量、所述换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量和所述参数自适应调节模块生成的虚拟惯性时间常数，并通过虚拟同步算法得到换流站交流侧母线的一电压相角信号；
无功功率控制模块，用于根据所述换流站交流侧母线的电压幅值偏差量和所述换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量，生成一调制比信号。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δω＝ω-ω0(1)
生成换流站交流侧母线的频率偏差；公式(1)中的δω为换流站交流侧母线的频率偏差；公式(1)中的ω为换流站交流母线的实测频率；公式(1)中的ω0为换流站一侧的交流电网的额定频率。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式
生成换流站交流侧母线的频率变化率；公式(2)中的dω/dt为换流站交流侧母线的实测频率的变化率；公式(2)中的ωt1和ωt2均为相邻采样间隔的频率测量值；公式(2)中的t1和t2均为相邻采样的时间。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δp＝p0-p(3)
生成换流站有功功率输出偏差量；公式(3)中的δp为换流站有功功率输出偏差量；公式(3)中的p0为换流站无功功率的初始值；公式(3)中的p为换流站有功功率的量测值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δ|vac|＝|vac0|-|vac|(4)
生成换流站交流侧母线的电压幅值偏差量；公式(4)中的δ|vac|为换流站交流侧母线的电压幅值偏差量；公式(4)中的vac为换流站交流侧母线的电压幅值的测量值；公式(4)中的vac0为换流站交流侧母线的电压额定值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δq＝q0-q(5)
生成换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量；公式(5)中的δq为换流站交流侧母线的无功功率输出偏差；公式(5)中的q0为换流站交流侧母线的无功功率的初始值；公式(5)中的q为换流站交流侧母线的无功功率输出的量测值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δvdc＝vdc-vdc0(6)
生成换流站直流侧母线的电压偏差；公式(6)中的δvdc为换流站直流侧母线的电压偏差；公式(6)中vdc为换流站直流母线的电压幅值的测量值；公式(6)中vdc0为换流站直流侧母线的直流电压额定值。
一种如上所述的应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一：参数偏差获取模块采集换流站的检测参数，并生成换流站交流侧母线的频率偏差、换流站交流侧母线的频率变化率、换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量、换流站交流侧母线的电压幅值偏差量、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量和换流站直流侧母线的电压偏差；
步骤二：参数偏差获取模块将生成的换流站交流侧母线的频率偏差和换流站交流侧母线的频率变化率发送给参数自适应调节模块，将换流站交流侧母线的电压幅值偏差量发送给无功功率控制模块，将换流站直流侧母线的电压偏差发送给虚拟调速器控制模块；
步骤三：参数自适应调节模块根据换流站交流侧母线的频率偏差和换流站交流侧母线的频率变化率判断出换流站一侧的交流电网的振荡状态，并根据不同的振荡状态生成虚拟调速器增益和虚拟惯性时间常数；
步骤四：虚拟调速器控制模块接收所述换流站交流侧母线的频率偏差和虚拟调速器增益，生成换流站直流侧母线的直流电压调整量；
虚拟调速器控制模块根据换流站直流侧母线的直流电压调整量、换流站直流侧母线的电压偏差并通过下垂控制算法生成换流站输出功率参考值的调整量；
步骤五：虚拟同步机控制模块接收到换流站输出功率参考值的调整量、所述换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量和所述参数自适应调节模块生成的虚拟惯性时间常数后，通过虚拟同步算法产生换流站交流侧母线的电压相角信号；
步骤六：无功功率控制模块根据换流站交流侧母线的电压幅值偏差量、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量，生成换流站所需的调制比信号；
步骤七：换流站接收虚拟同步机控制模块生成的电压相角信号和无功功率控制模块生成的调制比信号，生成合适的pwm信号。
进一步的，步骤三所述的参数自适应调节模块将交流电网的振荡状态分为四种情况，具体如下：
(a)当换流站交流侧母线的频率偏差大于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率大于0，则此时交流电网的系统频率正在加速偏离额定频率；
(b)当换流站交流侧母线的频率偏差大于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率小于0，则此时交流电网的系统频率正在减速回到额定频率；
(c)当换流站交流侧母线的频率偏差小于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率大于0，则此时交流电网的系统频率正在加速偏离额定频率；
(d)当换流站交流侧母线的频率偏差小于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率小于0，则此时交流电网的系统频率正在减速回到额定频率。
进一步的，于步骤三中，所述参数自适应调节模块接收换流站交流侧母线的频率偏差和换流站交流侧母线的频率变化率后，根据sigmoid函数生成虚拟惯性时间常数和虚拟调速器增益。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的自适应虚拟同步控制系统中，传统的虚拟调速器控制模块和虚拟同步机控制模块有机结合，通过控制算法模拟同步发电机的惯性特性，使直流换流站具备自动频率响应能力，在系统频率突变时直流电网内的多个换流站将自动调整的功率分配，向频率发生剧烈波动的交流电网提供快速功率支援，提高系统的频率稳定性。虚拟调速器控制模块保证了换流站在参与调频过程中直流电压的稳定性，同时使虚拟同步控制器具备分布式控制效果，无需通信系统即可完成多个换流站的协调控制。
2、本发明的自适应参数调节方法中，首先通过锁相环采集换流站交流母线电压的频率，然后通过自适应调节模块处理计算，判断系统的振荡状态，并针对相应的振荡状态，根据改进型sigmoid函数生成虚拟惯性系数和虚拟调速器增益，再将参数送入虚拟同步机控制模块和虚拟调速器控制模块进一步进行计算，最终得到合适的pwm调制信号。自适应调节模块设计简单，能够有效改善动态性能，减缓交流侧频率的剧烈波动。
3、本发明通过参数偏差获取模块获得实测数据，实时调整直流换流站的出力，模拟同步发电机的动态响应特性，从而提高了交直流互联电网的惯性水平，提高频率稳定性，减少功率波动、频率波动等扰动，提高了交直流互联电网的整体稳定性。
附图说明
图1为本发明一种优选实施例的自适应虚拟同步控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种优选实施例的改进型sigmoid函数的曲线图；
图3为本发明一种优选实施例的系统振荡模式区分的示意图；
图4为本发明一种优选实施例的应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统的方法的工作原理图；
图5为本发明涉及的直流输电系统的结构及连接示意图；
图6为本发明的应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统的方法的工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例
如图1、图5所示，一种应用于直流输电系统(图5简要地显示了该直流输电系统的电路结构，因为直流输电系统的部分电路结构为现有技术，所以不展开描述)的自适应虚拟同步控制系统，该直流输电系统包括换流站(该换流站于图5中标记为vsc)，该虚拟同步控制器包括以下模块：
参数偏差获取模块，用于采集换流站的检测参数，并生成换流站交流侧母线的频率偏差δω、换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt、换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量δp、换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量δq和换流站直流侧母线的电压偏差δvdc，将生成的换流站交流侧母线的频率偏差δω和换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt发送给参数自适应调节模块，将换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|发送给无功功率控制模块，将换流站直流侧母线的电压偏差δvdc发送给虚拟调速器控制模块；
参数自适应调节模块，用于根据所述换流站交流侧母线的频率偏差δω和所述换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt判断出换流站一侧的交流电网的振荡状态，并生成出一虚拟调速器增益kω和一虚拟惯性时间常数hv；
虚拟调速器控制模块，用于根据所述换流站交流侧母线的频率偏差δω、所述换流站直流侧母线的电压偏差δvdc和所述参数自适应调节模块生成的虚拟调速器增益kω，生成换流站输出功率参考值的调整量dp；
虚拟同步机控制模块，用于根据所述虚拟调速器控制模块生成的换流站输出功率参考值的调整量dp、所述换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量δp和所述参数自适应调节模块生成的虚拟惯性时间常数hv，并通过虚拟同步算法得到换流站交流侧母线的一电压相角信号δ；
无功功率控制模块，用于根据所述换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|和所述换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量δq，生成一调制比信号m。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δω＝ω-ω0(1)
生成换流站交流侧母线的频率偏差δω；公式(1)中的δω为换流站交流侧母线的频率偏差；公式(1)中的ω为换流站交流母线的实测频率；公式(1)中的ω0为换流站一侧的交流电网的额定频率。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式
生成换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt；公式(2)中的dω/dt为换流站交流侧母线的实测频率的变化率；公式(2)中的ωt1和ωt2均为相邻采样间隔的频率测量值；公式(2)中的t1和t2均为相邻采样的时间。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δp＝p0-p(3)
生成换流站有功功率输出偏差量；公式(3)中的δp为换流站有功功率输出偏差量；公式(3)中的p0为换流站无功功率的初始值；公式(3)中的p为换流站有功功率的量测值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δ|vac|＝|vac0|-|vac|(4)
生成换流站交流侧母线的电压幅值偏差量；公式(4)中的δ|vac|为换流站交流侧母线的电压幅值偏差量；公式(4)中的vac为换流站交流侧母线的电压幅值的测量值；公式(4)中的vac0为换流站交流侧母线的电压额定值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δq＝q0-q(5)
生成换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量；公式(5)中的δq为换流站交流侧母线的无功功率输出偏差；公式(5)中的q0为换流站交流侧母线的无功功率的初始值；公式(5)中的q为换流站交流侧母线的无功功率输出的量测值。
进一步的，所述参数偏差获取模块通过公式δvdc＝vdc-vdc0(6)
生成换流站直流侧母线的电压偏差；公式(6)中的δvdc为换流站直流侧母线的电压偏差；公式(6)中vdc为换流站直流母线的电压幅值的测量值；公式(6)中vdc0为换流站直流侧母线的直流电压额定值。
如图4、图6所示，一种如上所述的应用于直流输电系统的自适应虚拟同步控制系统的控制方法包括以下步骤：
步骤一：参数偏差获取模块采集换流站的检测参数，并生成换流站交流侧母线的频率偏差δω、换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt、换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量δp、换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量δq和换流站直流侧母线的电压偏差δvdc；
步骤二：参数偏差获取模块将生成的换流站交流侧母线的频率偏差δω和换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt发送给参数自适应调节模块，将换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|发送给无功功率控制模块，将换流站直流侧母线的电压偏差δvdc发送给虚拟调速器控制模块；
步骤三：参数自适应调节模块根据换流站交流侧母线的频率偏差δω和换流站交流侧母线的换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt判断出换流站一侧的交流电网的振荡状态，并根据不同的振荡状态生成虚拟调速器增益kω和虚拟惯性时间常数hv；
步骤四：虚拟调速器控制模块接收所述换流站交流侧母线的频率偏差δω和虚拟调速器增益kω，生成换流站直流侧母线的直流电压调整量dvdc0；
虚拟调速器控制模块根据换流站直流侧母线的直流电压调整量dvdc0、换流站直流侧母线的电压偏差δvdc并通过下垂控制算法生成换流站输出功率参考值的调整量dp；
步骤五：虚拟同步机控制模块接收到换流站输出功率参考值的调整量dp、所述换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量δp和所述参数自适应调节模块生成的虚拟惯性时间常数hv后，通过虚拟同步算法产生换流站交流侧母线的电压相角信号δ；
步骤六：无功功率控制模块根据换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量δq，生成换流站所需的调制比信号m；
步骤七：换流站接收虚拟同步机控制模块生成的电压相角信号δ和无功功率控制模块生成的调制比信号m，生成合适的pwm信号。
进一步的，步骤三所述的参数自适应调节模块将交流电网的振荡状态分为四种情况，具体如下：
(a)当换流站交流侧母线的频率偏差δω大于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt大于0，则此时交流电网的系统频率正在加速偏离额定频率；
(b)当换流站交流侧母线的频率偏差δω大于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt小于0，则此时交流电网的系统频率正在减速回到额定频率；
(c)当换流站交流侧母线的频率偏差δω小于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt大于0，则此时交流电网的系统频率正在加速偏离额定频率；
(d)当换流站交流侧母线的频率偏差δω小于0时，且换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt小于0，则此时交流电网的系统频率正在减速回到额定频率。
如图3所示，横轴为时间，左纵轴为电角的频率偏差δω，右纵轴为电角的频率变化率，a、b、c、d四个方块代表频率振荡状态。(注：此图中的频率偏差δω和换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt应根据实际系统量测得到。)
进一步的，于步骤三中，所述参数自适应调节模块接收换流站交流侧母线的频率偏差δω和换流站交流侧母线的频率变化率dω/dt后，根据sigmoid函数生成虚拟惯性时间常数hv和虚拟调速器增益kω。
进一步的，所述参数自适应调节模块可通过符号函数sgn(.)计算振荡类型，即当sgn(δω)*sgn(dω/dt)＝1(7)
时，系统频率加速偏离额定值，当sgn(δω)*sgn(dω/dt)＝-1(8)
时，系统频率减速回到额定值；公式(7)与公式(8)中的δω为换流站交流侧母线的频率偏差；公式(7)与公式(8)中的dω/dt为频率变化率；
所述符号函数sgn(.)计算方法为：
公式(9)中，x为需要计算的变量；
根据下式评估交流电网的系统某种振荡状态的程度：
公式(10)中，z为中间变量，z值越大，说明系统在某种振荡状态越强；公式(10)的ω为换流站交流侧母线的实测频率；公式(10)的dω/dt为实测的换流站交流侧母线的频率变化率；kz为缩放因子(由于频率变化的标幺值较小，因此需要通过缩放因子进行信号放大，一般取值为300)；
判断出系统振荡状态后，根据改进型sigmoid函数计算合适的虚拟调速器增益kω和虚拟惯性时间常数hv；改进型sigmoid函数为
公式(11)中，s(z)代表改进型sigmoid函数，z为振荡状态因子；
最终的虚拟调速器增益kω和虚拟惯性时间常数hv的可由下式计算：
hv＝hv0[1+1.5s(z)](12)
kω＝kω0[1+2s(z)](13)
于公式(12)与公式(13)中，s(z)代表改进型sigmoid函数，kω0和kω分别为虚拟同步机控制模块增益的初始值和计算值，hv和hv0分别为虚拟惯性时间常数的初始值和计算值。
如图2所示，图2中的z为振荡状态因子，表征了换流站并网点频率振荡的状态，hv为虚拟惯性时间常数。(注：图2中的改进型sigmoid曲线应根据实际系统计算得到)
进一步的，虚拟调速器控制模块接收换流站交流侧母线的频率偏差δω和虚拟调速器增益kω，生成换流站直流电压参考值的调整量dvdc0，进而得到换流站输出功率参考值的调整量dp，并将换流站输出功率参考值的调整量dp发送至虚拟同步机控制模块；直流电压参考值的调整量dvdc0的具体计算方法为：
dvdc0＝kωδω(14)
公式(14)中，dvdc0为换流站直流电压参考值的调整量，kω为虚拟调速器增益，ω为频率量测值，ω0为额定频率值，标幺值下为1；
根据直流电压参考值的调整量dvdc0、换流站直流侧母线的电压偏差δvdc和下垂控制算法，计算换流站输出功率参考值的调整量dp：
dp＝kv(δvdc-dvdc0)(15)
公式(15)中，dp为换流站输出功率参考值的调整量，kv为下垂系数，δvdc为换流站直流侧母线的电压偏差，vdc0为换流站直流电压的初始参考值。
进一步的，虚拟同步机控制模块接收到换流站输出功率参考值的调整量dp、换流站交流侧母线的有功功率输出偏差量δp和来自参数自适应调节模块生成的虚拟惯性时间常数hv后，通过虚拟同步机算法产生换流站交流侧母线电压的相角信号δ；
于公式(16)和公式(17)中，d为虚拟阻尼系数，ωv为虚拟电角频率增量，ωv0为虚拟电角频率初值，s代表积分计算；
无功功率控制模块根据换流站交流侧母线的电压幅值偏差量δ|vac|、换流站交流侧母线的无功功率输出偏差量δq，计算换流站所需的调制比信号：
于公式(18)和公式(19)中，dqref为换流站无功功率调整量，kqp和kqi分别为pi控制器的比例系数和积分系数，km为积分环节系数，m和m0分别为调制比的初始值和计算值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。