一种海上风电场参与调频的无通讯控制方法及系统

本发明属于电力系统控制领域，更具体地，涉及一种海上风电场参与调频的无通讯控制方法及系统。

背景技术：

近年来，基于多端柔性直流(voltagesourceconverter-basedmulti-terminaldirectcurrent，vsc-mtdc)输电系统并网的海上风电场逐渐受到国内外学者的广泛关注，由于柔性直流输电系统将海上风电场和陆上风电场解耦，在陆上交流系统发生频率变化时海上风电场不能直接响应提供支撑功率，随着海上风电场容量的不断增加，陆上交流系统迫切需要海上风电场提供辅助频率支撑，从而在发生负荷扰动的时候能够实现快速频率响应，避免发展成为严重的故障。

在现有控制方法中，一般采用特定的通信线路将陆上交流系统的频率传递至海上风电场，工程造价较高，与此同时，由于海上风电场距陆上换流站距离较远，即使采用专用的通信线路也不可避免的会有通讯延迟的现象出现；而海上风电场对陆上交流系统的惯性支撑需要在数秒内完成，过长的通讯延迟将会直接影响到海上风电场参与系统频率调节的效果。因此需要提出海上风电场无通讯参与陆上频率调节的控制策略。

然而，现有研究中对于海上风电场无通讯参与陆上频率调节的相关控制策略中，都是将陆上交流系统的频率变化转换成直流电压的变化后，海上风电场通过响应海上直流电压的变化改变功率参与调频，这种无通讯调频控制策略存在一定缺陷：当海上风电场响应海上直流电压的变化改变功率后，将会导致海上直流电压发生变化，影响海上风电场频率响应过程。因此，在频率调节动态过程中，海上换流站的直流电压并不能准确反映陆上交流系统频率变化，从而影响海上风电场频率调节效果。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种海上风电场参与调频的无通讯控制方法及系统，目的是使经多端柔性直流并网的海上风电场能够无通讯参与系统调频控制，解决通讯延迟对海上风电场参与调频效果的影响，同时减少现有无通讯控制方法在频率调节动态过程中，海上直流电压的变化对调频效果的影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种海上风电场参与调频的无通讯控制方法，包括：

s1：当陆上交流系统的频率变化量超过频率变化阈值时，通过下垂控制将所述频率变化量转化成陆上换流站直流电压变化量，并通过直流线路将所述直流电压变化量传递给海上换流站以改变海上换流站直流电压；

s2：采集海上换流站直流电压、直流电流信号，结合所述直流线路的电阻值和电抗值，对陆上直流电压进行估计；

s3：基于s2中陆上直流电压估计值，分别计算海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；

s4：对所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率进行分配，以调节陆上交流系统的频率。

进一步地，步骤s1中，所述下垂控制中频率-电压下垂控制系数为：

式中，kdf,i表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数，kdf,i_0表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数初始值，α1和α2为固定常数，udc,i表示第i个陆上换流站的直流电压测量值，udc,min表示陆上换流站直流电压的最小限制值，fv,i表示第i个陆上换流站的交流系统频率测量值，dfv,i(t)/dt表示第i个陆上换流站的频率下降率，t1表示陆上换流站频率跌落超过频率变化阈值的初始时刻，δts表示积分的持续时间。

进一步地，所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率分别为：

δpwdr_j＝-kwdr_j×(udc,est,ref-udc,est)

其中，δpwdr_j和δpwin_j分别为第j个风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；kwdr_j和kwin_j分别为第j个风电场实际的下垂响应系数和惯性响应系数；udc,est,ref和udc,est分别为陆上直流电压的参考值和估计值。

进一步地，步骤s2中，所述对陆上直流电压进行估计，包括：采用基尔霍夫定律对陆上直流电压进行估计。

另一方面，本发明还提供了一种海上风电场参与调频的无通讯控制系统，包括：

传递模块，用于当陆上交流系统的频率变化量超过频率变化阈值时，通过下垂控制将所述频率变化量转化成陆上换流站直流电压变化量，并通过直流线路将所述直流电压变化量传递给海上换流站以改变海上换流站直流电压；

估计模块，用于采集海上换流站直流电压、直流电流信号，结合所述直流线路的电阻值和电抗值，对陆上直流电压进行估计；

计算模块，用于基于所述估计模块得到的陆上直流电压估计值，分别计算海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；

分配模块，用于对所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率进行分配，以调节陆上交流系统的频率。

进一步地，所述下垂控制中频率-电压下垂控制系数为：

式中，kdf,i表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数，kdf,i_0表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数初始值，α1和α2为固定常数，udc,i表示第i个陆上换流站的直流电压测量值，udc,min表示陆上换流站直流电压的最小限制值，fv,i表示第i个陆上换流站的交流系统频率测量值，dfv,i(t)/dt表示第i个陆上换流站的频率下降率，t1表示陆上换流站频率跌落超过频率变化阈值的初始时刻，δts表示积分的持续时间。

进一步地，所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率分别为：

δpwdr_j＝-kwdr_j×(udc,est,ref-udc,est)

其中，δpwdr_j和δpwin_j分别为第j个风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；kwdr_j和kwin_j分别为第j个风电场实际的下垂响应系数和惯性响应系数；udc,est,ref和udc,est分别为陆上直流电压的参考值和估计值。

进一步地，所述对陆上直流电压进行估计，包括：采用基尔霍夫定律对陆上直流电压进行估计。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明通过采集海上换流站直流电压、直流电流信号，结合直流线路的电阻值和电抗值，对陆上直流电压进行估计；并基于陆上直流电压估计值，分别计算海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；分配增发功率，从而调节陆上交流系统的频率。由于陆上直流电压和陆上交流系统频率通过下垂控制耦合，海上换流站估计出陆上直流电压后，相当于间接估计出了陆上交流系统频率变化情况，从而，一方面，实现海上风电场无通讯响应陆上交流系统频率变化并提供频率支撑，降低通讯成本，同时减少通讯延时对海上风电场频率支撑的影响；另一方面，减少现有无通讯控制方法在频率调节动态过程中，海上直流电压的变化对调频效果的影响。

附图说明

图1是实施例提供的海上风电场参与调频的无通讯控制方法流程图；

图2是实施例提供的海上风电场经vsc-mtdc并网系统的无通讯调频控制方法控制框图；

图3(a)为实施例提供的200mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法对应换流站的频率随时间变化的曲线图；

图3(b)为实施例提供的300mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法对应换流站的频率随时间变化的曲线图；

图3(c)为实施例提供的400mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法对应换流站的频率随时间变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，本发明提供了一种海上风电场参与调频的无通讯控制方法，包括：

s1：当陆上交流系统的频率变化量超过频率变化阈值时，通过下垂控制将所述频率变化量转化成陆上换流站直流电压变化量，并通过直流线路将所述直流电压变化量传递给海上换流站以改变海上换流站直流电压；

优选地，为了防止直流电压变化超过限制值，加入电压防饱和控制过程。具体的，陆上换流站通过采集本地频率变化，并对频率变化率进行短时积分，改变频率-电压下垂控制的系数。具体地计算过程如下：

式中，kdf,i表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数，kdf,i_0表示第i个陆上换流站的频率-电压下垂控制系数初始值，α1和α2为固定常数，udc,i表示第i个陆上换流站的直流电压测量值，udc,min表示陆上换流站直流电压的最小限制值，fv,i表示第i个陆上换流站的交流系统频率测量值，dfv,i(t)/dt表示第i个陆上换流站的频率下降率，t1表示陆上换流站频率跌落超过频率变化阈值的初始时刻，δts表示短时积分的持续时间。

pvi,ref＝pvi,0+kdu·[udci,ref-udc,i+kdf,i·(fvi,ref-fvi)]

式中，pvi,ref表示第i个陆上换流站电压-功率下垂控制的注入功率参考值，pvi,0表示第i个陆上换流站下垂控制的注入功率初始值，kdu表示电压-功率下垂控制的下垂系数，对于不同的陆上换流站该下垂系数取值相同，udci,ref表示第i个陆上换流站电压-功率下垂控制的电压参考值，fvi,ref表示第i个陆上换流站的频率参考值。

s2：采集海上换流站直流电压、直流电流信号，结合所述直流线路的电阻值和电抗值，对陆上直流电压进行估计；

具体的，如图2所示，以四端口经柔性直流并网海上风电场为例，海上风电场1发出的功率经过海上换流站vsc4，直流线路4-2和直流线路4-1，以及陆上换流站vsc2和vsc1注入到陆上交流系统，在陆上交流系统频率变化超过阈值后海上风电场1提供频率支撑，陆上换流站vsc2和vsc1的作用是将频率支撑增发的功率进行合理分配。海上换流站vsc4采用无通讯直流电压估计器，对陆上直流电压进行估计，因此海上换流站vsc4需要测量本地直流电压、电流信号，且已知直流线路4-2和直流线路4-1的电阻、电抗参数，陆上直流电压估计值udc,est及其参考值udc,est,ref计算方法如下：

式中，udc4、idc41和idc42表示海上换流站vsc4的直流电压测量值，以及直流线路4-2和直流线路4-1电流的测量值；rdc41、rdc42分别表示直流线路4-2和直流线路4-1的电阻值，ldc41、ldc42分别表示直流线路4-2和直流线路4-1的电抗值，电阻和电抗值和具体直流工程有关，直流工程投运后，相关参数也随之确定；β1和β2分别表示陆上换流站vsc1和vsc1在进行陆上直流电压估计时的参与比例。陆上直流电压估计的参考值udc,est,ref是由海上风电场进行频率支撑前估计值的平均值求得，其中t2表示海上风电场参与频率支撑前的任意时刻，上式中取积分时长为0.01s，实际应用中可根据需求进行调整。

s3：基于s2中陆上直流电压估计值，分别计算海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；

具体的，所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率分别为：

δpwdr_j＝-kwdr_j×(udc,est,ref-udc,est)

其中，δpwdr_j和δpwin_j分别为第j个风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；kwdr_j和kwin_j分别为第j个风电场实际的下垂响应系数和惯性响应系数；udc,est,ref和udc,est分别为陆上直流电压的参考值和估计值。

s4：对所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率进行分配，以调节陆上交流系统的频率。

具体的，陆上换流站采用自适应控制策略，对风电场调频增发功率进行合理分配，让更多的调频功率从距离扰动节点更近的换流站注入交流系统。

另一方面，本发明还提供了一种海上风电场参与调频的无通讯控制系统，包括：

传递模块，用于当陆上交流系统的频率变化量超过频率变化阈值时，通过下垂控制将所述频率变化量转化成陆上换流站直流电压变化量，并通过直流线路将所述直流电压变化量传递给海上换流站以改变海上换流站直流电压；

估计模块，用于采集海上换流站直流电压、直流电流信号，结合所述直流线路的电阻值和电抗值，对陆上直流电压进行估计；

计算模块，用于基于所述估计模块得到的陆上直流电压估计值，分别计算海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率；

分配模块，用于对所述海上风电场进行下垂响应和惯性响应产生的增发功率进行分配，以调节陆上交流系统的频率。

上述海上风电场参与调频的无通讯控制系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将海上风电场参与调频的无通讯控制系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述海上风电场参与调频的无通讯控制系统的全部或部分功能。

为了验证本发明的实用性，本实施例在不同负荷扰动下进行仿真实验，仿真结果如图3(a)～图3(c)所述，其中，图3(a)为实施例提供的200mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法的换流站vsc1测量的频率fvsc1随时间变化的曲线图；图3(b)为实施例提供的300mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法的换流站vsc1测量的频率fvsc1随时间变化的曲线图；图3(c)为实施例提供的400mw负荷突增扰动情况下采用本发明、现有无通讯、有通讯的控制方法的换流站vsc1测量的频率fvsc1随时间变化的曲线图。从图3(a)～图3(c)可知，在采用本发明提出的vsc-mtdc并网的海上风电场参与调频的无通讯控制方法，能够在实现海上风电场无通讯参与系统频率调节，降低通讯延迟对海上风电场调频效果的影响。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明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。

上述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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。