一种计及直流电压稳定的VSC-MTDC系统自适应组合控制方法

本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及柔性直流输电系统调节频率的中的一种vsc-mtdc系统自适应组合控制方法。

背景技术：

多端直流输电由于其具有潮流快速反转、有功无功解耦控制等优点，为新能源的并网、跨区域电网互联提供了可行方案。但是今年来随着新能源渗透率快速增加，由于新能源的并网逆变器本身没有旋转惯性，使电网承受扰动的能力下降；当电网受到故障干扰，比如发电机或者负荷的突然增加或者减少，系统发生故障等，交流系统的频率都会出现波动，有的会超出频率的最大允许范围，这会使得系统的安全稳定运行受到威胁后容易出现频率偏移和振荡。因此，有必要针对柔直互联区域研究频率协调控制策略，使不同区域间具备功率相互支援的能力并增强系统的惯性。

国内外为了解决上述问题，所用方式概括为站间通讯、换流器下垂控制和虚拟同步机类的控制方式、虚拟惯性控制等。但是传统的主从式控制方法对站间通信的要求较高；虚拟同步机类的控制方法则结构复杂，参数整定的难度较大；传统的下垂控制结构简单但是调节过程中会导致直流电压偏差较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提出一种计及电压稳定的自适应组合控制控制策略，本发明将自适应惯性控制和自适应下垂控制相结合解决频率调节过程中频率波动和电压偏差问题，并且引入直流电压二次调节实现直流电压的无差控制。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种计及直流电压稳定的vsc-mtdc系统自适应组合控制方法，首先，建立直流电压与有功功率间耦合关系并引入直流电压的二次调节实现直流电压的无差控制；其次，采用随频率偏差变化的自适应虚拟惯性系数，当频率偏差较小时保持较大的虚拟惯性系数，当频率偏差接近限制值时减小惯性系数；当频率偏差达到限制值时，令惯性系数跟随频率偏差变化逐渐减小至0。最后，考虑直流电压变化和换流站功率调节裕度，引入基于直流电压偏差的影响因子实现自适应下垂控制；本发明利用以上两种组合控制减小调节期间频率和直流侧电压波动。

上述自适应控制方法，自适应组合控制的具体步骤如下：

a.将同步发电机的转子运动方程和直流电容的动态方程联立，得到表达式：

其中hvsc为虚拟惯性系数；n为该换流站所配置的直流电容数量；c为直流电容值；svsc为换流站的额定容量；f0为交流系统频率初始值；udc为直流电压实测值。

b.对上式进行积分，得到表达式：

其中udc0为直流电压实测值；f为交流系统频率实测值。

c.：在频率调节过程中，可以得到自适应虚拟惯性控制并且为了实现电压无差控制引入直流电压的二次调节：

其中

在频率响应阶段，由于频率变化的偏差量直接与直流电压偏差相关故可将虚拟惯性分为如下两个阶段：

其中，hmax为电容提供的虚拟惯量的最大值；δfmin为阈值，δfmax为频率偏差最大值，η1，η2为调节速度。

考虑到电容储能提供的功率仅仅是一个瞬时过程，在短时间内能提供较大的功率支撑，用以维持频率的暂时稳定，长期的功率支撑由多端直流输电系统的其他电网提供，因此有必要考虑下垂系数对直流电压和交流侧频率的影响。

a.系统在稳定运行阶段电压会有偏差因此要设置电压阈值udm，避免下垂系数频繁波动，当δudc＞udm＞0时，可将初始下垂系数设置为：

b.当δudc＜udm＜0时，可将初始下垂系数设置为：

c.在换流器容量变化范围内应避免电压波动较大影响直流系统稳定性因此:当δudc较小并且接近死区范围时，下垂系数k值应维持在较小水平,当δudc较大并且接近死区范围时，下垂系数k值应增大。根据上述两个初始值可引入基于直流电压偏差的影响因子按影响因子的λ次非线性变化。

d.根据上述分析可以得到自适应下下垂系数：

在上述方法中η1、η2、λ分别为自适应虚拟惯性调节系数和自适应下垂调节系数，它们决定了参数的变化速率。

考虑惯性响应和一次调频两个环节；在惯性环节考虑频率和电压偏差采用自适应虚拟惯性和自适应下垂控制结合的控制方法。在一次调频阶段为了减少频率的调整时间，减小虚拟惯性系数并逐渐变为0，然后建立直流电压与交流侧频率的关系并结合下垂控制得到u-f-p的耦合，减少直流电压在调节过程中的偏差，提高直流电压质量，减少波动较大的直流电压对设备造成的冲击，提高互联系统的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为五端柔性直流输电系统结构图；

图2为自适应下垂控制特性变化曲线；

图3虚拟惯性系数自适应变化曲线；

图4自适应虚拟惯性系数实现流程图；

图5为自适应虚拟惯性实现流程图；

图6为自适应下垂系数实现流程图。

附图或文中所用标号分别表示为：

hvdc：高压直流输电，vsc-mtdc：多端柔性直流输电，

uref：直流电压参考值，udc：直流电压实测值，

pref：直流侧有功功率参考值，p：直流侧有功功率实测值，

f：频率实测值，f0：频率初始值，

k：传统电压下垂系数，k^*：自适应频率下垂系数，

hvsc：虚拟惯性系数，hmax：最大虚拟惯性系数

c：直流电容值，n：直流侧电容数量，

svsc：换流站额定容量，pmin：有功功率最小值

u0：直流电压初始值，u＇：p-u下垂曲线在u轴的截距，

udm：直流电压滞环宽度，fdm：频率滞环宽度，

考虑频率变化后的有功功率参考值，δf：频率实测值与初始值的差值，

η1、η2：自适应虚拟惯性调节系数，λ：自适应下垂调节系数

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，五端柔性直流输电系统包括：

送端系统：强交流电网gs1与定功率控制换流站vsc1相连，其运行于整流状态，向受端系统输送功率。强交流电网gs2与定功率控制换流站vsc2相连，其运行于整流状态，向受端系统输送功率。

受端系统：弱交流电网gs3与自适应组合控制换流站vsc3相连，直流电网调控gs3频率。弱交流电网gs4与自适应组合控制换流站vsc4相连，直流电网调控gs4频率。强交流电网gs5与自适应下垂控制的换流站vsc5相连，直流电网调控gs5频率。

具体步骤如下：

第一步：将同步发电机的转子运动方程和直流电容的动态方程联立，得到表达式：

其中hvsc为虚拟惯性系数；n为该换流站所配置的直流电容数量；c为直流电容值；svsc为换流站的额定容量；f0为交流系统频率初始值；f为交流系统频率实测值；udc为直流电压实测值；udc0为直流电压初始参考值。

第二步：在频率调节过程中，可以得到自适应虚拟惯性控制并且为了实现电压无差控制引入直流电压的二次调节：

其中

第三步：在频率响应阶段(频率未达到偏差最大值期间)，根据频率变化的偏差量直接与直流电压偏差相关故可将虚拟惯性分为如下两个阶段：

其中，hmax为电容提供的虚拟惯量的最大值；δfmin为阈值，δfmax为频率偏差最大值，η1，η2为调节速度。

第四步：考虑下垂系数对直流电电压和频率的影响设立下垂控制初始值。

系统在稳定运行阶段电压会有偏差因此要设置电压阈值udm，避免下垂系数频繁波动，当δudc＞udm＞0时，可将初始下垂系数设置为：

当δudc＜udm＜0时，可将初始下垂系数设置为：

第五步：得到自适应下下垂系数。

在换流器容量变化范围内应避免电压波动较大影响直流系统稳定性因此:当δudc较小并且接近死区范围时，下垂系数k值应维持在较小水平,当δudc较大并且接近死区范围时，下垂系数k值应增大。根据上述两个初始值可引入基于直流电压偏差的影响因子按影响因子的λ次非线性变化。

第六步：综合上述自适应组合控制策略方案，得到自适应控制策略的完整表达式：

其中：

在上述方法中η1、η2、λ分别为自适应虚拟惯性调节系数和自适应下垂调节系数，它们决定了参数的变化速率。

本发明利用自适应虚拟惯性组合控制技术，首先建立直流电压参考值与交流侧频率间耦合关系，根据频率响应曲线得到自适应虚拟惯性控制策略，在增强系统惯性和稳定频率的同时减小频率调节时间；然后考虑下垂控制对直流电压的影响提出一种自适应下垂控制方法；最后，通过自适应虚拟惯性和自适应下垂的组合控制减小交流侧频率和直流侧电压波动。

图2为电力系统调频全过程图。

根据此图可以将频率调节分为三个部分分别为惯量作用阶段、一次调频阶段、二次调频阶段；依据频率变化可将虚拟惯性系数分为三个阶段。传统的虚拟惯性控制中虚拟惯性系数为常量，其参考电压表达式为：

图3为自适应虚拟惯性曲线图。

当直流系统出现功率缺额时，若采取虚拟出更大的惯性，容易导致直流电压偏差较大，并且响应时间会延长，因此将频率偏差较小时保持较大的虚拟惯性系数，当频率偏差接近最大值或最小值时减小自适应。在频率达到最大值或最小值时虚拟惯性系数逐渐减小至0。

图4为自适应下垂系数曲线图。

当δudc较小并且接近死区范围时，下垂系数k值应维持在较小水平,当δudc较大并且接近死区范围时，下垂系数k值应增大

图5和图6分别为自适应虚拟惯性实现流程图和自适应下垂系数实现流程图。