一种VSC‑HVDC系统虚拟同步机控制结构及其方法与流程
本发明属于高压输电技术领域，涉及一种vsc-hvdc系统虚拟同步机控制结构；本发明还涉及上述vsc-hvdc系统虚拟同步机的控制方法。
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。
但是，目前学术界对于虚拟同步机技术的研究仅着眼于单台vsc或其调频、调压控制。应用于vsc-hvdc系统时，如何应对vsc直流电压控制、有功功率控制等多种运行控制方式，并实现两台特别是多台vsc的直流电压协调控制，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：
本发明的目的在于提供一种vsc-hvdc系统虚拟同步机控制结构；通过vsc模拟同步发电机的惯性和阻尼特性及调频、调压功能，提高交流电系统的稳定性，并且实现了联网与孤岛模式的无缝切换。
本发明还提供了上述vsc-hvdc系统虚拟同步机的控制方法，该方法包括直流电压、有功功率两种有功类控制方法，能够面向vsc-hvdc系统内所有的vsc应用，具有直流电压协调控制功能，增强了直流系统运行的可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种vsc-hvdc系统虚拟同步机控制结构，包括vsc虚拟同步机，vsc虚拟同步机通过并网开关ks接入电网；该控制结构的控制系统包括有功调节模块、无功调节模块、机械模块和电气模块；其中有功调节模块通过直流电压控制器和f-p下垂控制器相结合或通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和f-p下垂控制器相结合，调节输出机械功率pm，并通过机械模块根据pm得到交流电的电角度θ；无功调节模块通过电压调节器和q-u下垂控制结合输出vsc虚拟同步机的机端电势ep，并通过电气模块，得到vsc虚拟同步机的输出三相电流iabc_ref。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中vsc虚拟同步机为两个或多个，两个或多个互相连接的vsc虚拟同步机接入不同的电网。
其中vsc虚拟同步机通过电流闭环控制得到vsc的调制波对vsc进行控制。
本发明的另一技术方案是：一种vsc-hvdc系统虚拟同步机的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，通过直流电压控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，或通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，对vsc虚拟同步机的机械功率pm进行调节；
步骤2，根据vsc虚拟同步机的机械功率pm得到交流电的电角度θ；
步骤3，采用avr控制器和q-u下垂控制器相结合的无功类控制，对vsc虚拟同步机的机端电势ep进行调节，并且得到vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref；
步骤4，根据vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref，以电角度θ为参考角度进行旋转坐标变化，得到d、q轴电流指令
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中步骤1中直流电压控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制的具体过程是：pm＝hpi_v(s)(udc_ref-udc)+kf(ω0-ω)；其中hpi_v(s)为直流电压控制器传递函数，kf为f-p下垂控制器的下垂系数，udc_ref为参考电压；udc为测量电压，ω为测量角速度，ω0为参考角速度。
其中步骤1中通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制的具体方法是：pm＝max{hpi_h(s)(udc-uh),min(pref,hpi_l(s)(udc-ul))}+kf(ω0-ω)，其中kf为f-p下垂控制器的下垂系数，ω为测量角速度，ω0为参考角速度，udc为测量电压，uh为直流电压高限值，ul为直流电压低限值，hpi_h(s)，hpi_l(s)。
其中步骤3中ep＝e0+δeu+δeq，其中e0为空载电势，δeu为avr控制器输出电势，δeq为q-u下垂控制器输出电势。
其中δeu和δeq分别表示为
其中vsc虚拟控制机屏蔽掉avr控制器、q-u下垂控制器或f-p下垂控制器。
本发明的有益效果是：通过vsc虚拟同步机模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，通过调频、调压的功能，提高交流电系统的稳定性；并且实现联网与孤岛模式的无缝切换；该控制结构和控制方法包括直流电压和有功功率两种有功类控制方式，能够面向vsc-hvdc系统内所有的vsc应用，同时具有直流电压协调控制功能，增强了直流电系统运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明双端vsc-hvdc系统结构示意图；
图2为本发明vsc-hvdc系统虚拟同步机控制系统示意图；
图3为本发明的中vsc虚拟同步机电流内环的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种vsc-hvdc系统虚拟同步机控制结构，如图1所示，该控制结构为双端vsc-hvdc系统，包括两个vsc虚拟同步机，其中vsc1为送端，vsc1经过并网开关ks1接入电网s1；vsc2为受端，vsc2经过并网开关接入电网s2；两个vsc虚拟同步机均接入小容量负荷，其中两个并网开关表示连接了两个vsc虚拟同步机和电网的所有开关组合。
如图2所示，vsc虚拟同步机包括虚拟同步机算法和电流闭环结构，虚拟同步算法输出三相电流iabc_ref指令，并且以电角度θ为参考角度进行旋转坐标变换，得到d、q轴的电流指令，然后经过电流闭环控制得到vsc虚拟同步机的调制波，从而对vsc虚拟同步机进行控制。
如图3所示，vsc虚拟同步机的虚拟同步机算法通过有功调节模块、机械模块、无功调节模块和电气模块实现；其中有功调节模块为直流电压控制器和f-p下垂控制器结合的模块，或者有功调节模块为有功功率控制器、直流电压偏差控制器和f-p下垂控制器相结合的模块；有功功率模块通过多个调节器，调节输出机械功率pm，机械模块进一步计算出交流电的电角度θ；无功调节模块为电压调节器和q-u下垂控制器结合的模块，无功调节模块输出vsc虚拟同步机的机端电势ep，电气模块进一步计算并输出vsc虚拟同步机的输出三相电流iabc_ref。
本发明还公开了一种vsc-hvdc系统虚拟同步机的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，确定vsc虚拟同步机的机械方程和电磁方程，分别表示为
步骤2，通过直流电压控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，或通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，对vsc虚拟同步机的机械功率pm进行调节。
步骤3，根据vsc虚拟同步机的机械功率pm得到交流电的电角度θ。
步骤4，采用avr控制器和q-u下垂控制器相结合的无功类控制，对vsc虚拟同步机的机端电势ep进行调节，并且得到vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref；其中ep＝e0+δeu+δeq，e0为空载电势，δeu为avr控制器输出电势，δeq为q-u下垂控制器输出电势。其中δeu和δeq分别表示为
步骤5，根据vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref，以电角度θ为参考角度进行旋转坐标变化，得到d、q轴电流指令
本发明中vsc虚拟同步机的机械方程和电磁方程分别表示为：
本发明vsc-hvdc系统虚拟同步机的控制方法的具体实施例包括：
实施例1
有功类控制为功功率控制器、直流电压偏差控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的方式，该方法控制方法具体为：
步骤1，确定vsc虚拟同步机的机械方程和电磁方程，分别表示为
步骤2，通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，对vsc虚拟同步机的机械功率pm进行调节，其中
pm＝max{hpi_h(s)(udc-uh),min(pref,hpi_l(s)(udc-ul))}+kf(ω0-ω)，其中kf为f-p下垂控制器的下垂系数，ω为角速度，ω0为参考角速度，udc为测量电压，uh为直流电压高限值，ul为直流电压低限值，hpi_h(s)，hpi_l(s)。
步骤3，根据vsc虚拟同步机的机械功率pm得到交流电的电角度θ。
步骤4，采用avr控制器和q-u下垂控制器相结合的无功类控制，对vsc虚拟同步机的机端电势ep进行调节，并且得到vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref；其中ep＝e0+δeu+δeq，e0为空载电势，δeu为avr控制器输出电势，δeq为q-u下垂控制器输出电势。其中δeu和δeq分别表示为
步骤5，根据vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref，以电角度θ为参考角度进行旋转坐标变化，得到d、q轴电流指令
实施例2
有功类调节为直流电压控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的方式，该控制方法具体为：
步骤1，确定vsc虚拟同步机的机械方程和电磁方程，分别表示为
步骤2，通过直流电压控制器和vsc虚拟同步机f-p下垂控制器相结合的有功类控制，对vsc虚拟同步机的机械功率pm进行调节，其中pm＝hpi_v(s)(udc_ref-udc)+kf(ω0-ω)；其中hpi_v(s)为直流电压控制器传递函数，kf为f-p下垂控制器的下垂系数，udc_ref为参考电压；udc为测量电压，ω为测量角速度，ω0为参考角速度。
步骤3，根据vsc虚拟同步机的机械功率pm得到交流电的电角度θ。
步骤4，采用avr控制器和q-u下垂控制器相结合的无功类控制，对vsc虚拟同步机的机端电势ep进行调节，并且得到vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref；其中ep＝e0+δeu+δeq，e0为空载电势，δeu为avr控制器输出电势，δeq为q-u下垂控制器输出电势。其中δeu和δeq分别表示为
步骤5，根据vsc虚拟同步机的输出电流指令iabc_ref，以电角度θ为参考角度进行旋转坐标变化，得到d、q轴电流指令
本发明以双端vsc-hvdc系统为例说明本发明的使用过程和效果。
双端vsc-hvdc系统在正常联网的工作情况工况下，vsc1和vsc2的角速度ω与电网角速度ω0近似相等，则电网s1和s2之间的有功潮流传输由vsc2有功指令pref决定，vsc1则起到稳定直流母线电压的作用。同时，vsc1和vsc2通过q-u下垂控制环节实现与各自交流系统间的无功交换。
当vsc2有功指令突然增大/降低时，pm和pe之间出现正/负差值，经过虚拟惯量环节，ω值缓慢增大/减小，vsc2向电网输出的有功变化缓慢，从而有效的抑制了系统频率快速波动。随着vsc2输出有功功率的增大/减小，vsc-hvdc系统直流电压有所降低/升高，vsc1在直流电压控制器的作用下逐渐增大/减小向vsc2系统输送的有功功率以稳定直流电压。而当电网s2突然投入/切除/大量有功负荷时，交流系统频率首先降低/升高，vsc输出电压角速度ω的滞后反应使其在负荷投入/切除之初即承担了部分增加/降低的负荷功率，同样抑制了频率的快速变化。因此可以看出，采用虚拟同步机控制技术时，vsc能有效降低交流系统频率变化速率，提高系统频率稳定性。
上述功率调整过程后期，ω的变化使得vsc的f-p下垂控制发挥作用，最终系统输出的pe值与pref指令存在δpref的差值，以此实现vsc对交流系统频率的调节控制。对于强电网而言，稳态工况下ω偏离很小，vsc的有功潮流可以得到保证。若电网较弱，特别是孤岛工况下，vsc系统则通过较大的有功误差来降低系统频率稳态偏离，同样有助于交流系统频率稳定性。
同样的，在vsc虚拟同步机无功功率指令或系统无功负荷变化时，交流系统电压会出现偏离，vsc的q-u下垂控制环和avr调节器会通过调整vsc机端电势来减小交流系统电压稳态偏离，从而实现对交流系统电压的调节作用。
当vsc2接入的交流系统变为一个孤岛网络时，此前s2与该网络交换的功率突然中断，从而引起交流系统电压幅值和频率的偏移。vsc2在f-p下垂控制、q-u下垂控制和avr调节器的作用下会逐渐调整其输出的有功、无功功率以降低电压和频率的偏移，最终为孤岛网络建立一个稳定的交流系统，确保负荷供电连续性。
当vsc1接入的交流系统变为一个孤岛网络时，面对交流系统电压的变化，f-p下垂控制、q-u下垂控制和avr调节器同样会主动作用，调整vsc1功率输出至与负荷匹配，从而稳定交流系统电压。与此同时，vsc1失去直流电压控制能力，直流电压发生偏移，当达到vsc2的直流电压高、低限值时，vsc2进入直流电压偏差控制模式，从而稳定直流电压在高限值或低限值处，使得vsc-hvdc系统继续可靠运行。
当需要vsc-hvdc系统再次并网运行时，基于一定的操作后，vsc与电网进行准同期合闸，负荷功率由vsc逐渐向电网转移以减小交流系统电压波动。对于vsc2的并网而言，最终其输出功率恢复至指令功率水平，vsc1则始终通过直流电压控制来响应vsc2并网过程的功率变化，确保直流系统稳定；而对于vsc1而言，当其并入电网后，负荷功率逐渐由电网接管，其直流电压控制环再次发挥作用，使得vsc2退出直流电压偏差控制并恢复功率控制，最终vsc-hvdc系统进行并网运行稳态。
在整个联网与孤岛模式互相切换过程中，vsc无需控制模式切换即可实现交流系统和直流系统的稳定运行，从而避免了常规方式中控制系统设计难度大，模式切换有冲击等问题，为负荷提供了良好的运行环境。同时vsc-hvdc系统具有直流电压协调控制功能，在直流电压控制站孤岛等工况下，其余站可以有效接管直流电压控制，维持直流系统稳定可靠运行。
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