一种基于VSG控制的直流电网直流电压协调控制方法与流程

本发明涉及直流电网输电控制，尤其涉及一种基于vsg控制的直流电网直流电压协调控制方法。

背景技术：

柔性直流输电的控制方式以矢量控制技术为主，矢量控制技术一般采用功率定值控制，换流站并网功率不能自动响应交流系统电压和频率变化，因而无法自主参与系统调压调频。此外，柔性直流换流站对外表现零惯量和零阻尼特性，在电力系统负荷发生较大波动期间，并网换流站不能提供足够大的惯性和阻尼，极易造成系统频率大幅跌落并最终导致频率失稳，这严重威胁到了电力系统的稳定运行。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于vsg(virtualsynchronousgenerator，虚拟同步电机)控制的直流电网直流电压协调控制方法，该方法在系统稳态时能自主响应受端电网负荷变化，参与系统二次调频；在直流电压站故障退出运行后，能够由vsg控制模式自动切换到直流电压控制模式，稳定直流电压，建立新的潮流平衡。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于vsg控制的直流电网直流电压协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

对同步发电机机械运动部分的转子经典2阶摇摆方程进行拉普拉斯变换，得到转子方程频域模型；

根据所述转子方程频域模型构建vsg算法模块，用于计算输入功率电流及频率调控；

根据输入功率电流与低压控制器的输出电流，通过第一比较器得到有功功率电流与低压控制器的输出电流之间的电流较小值，并作为所述第一比较器的输出；

根据所述第一比较器的输出与高压控制器的输出电流，通过第二比较器得到所述第一比较器的输出与高压控制器的输出电流之间的电流较大值，并将所述电流较大值作为所述高压控制器的输出，即作为换流站的有功电流输出。

优选地，所述转子方程频域模型的频率与功率之间的等式关系如下：

其中，ω转子机械角速度，ω0为额定角速度，tj＝jω/d＝m/d，tj为惯性时间系数，j为转动惯量，d为阻尼系数，pm0是等效输入功率，p。是通过检测系统的交流电网电压和电流通过派克变换后计算得到的检测功率。

优选地，所述vsg算法模块的等效输入功率为直接输入功率与调整功率之和。

优选地，所述调整功率通过角频率偏差积分得到，具体公式如下：

其中，pm为直接输入功率，δp为调整功率，kp/s为角频率偏差积分系数。

优选地，所述vsg算法模块的输入为直接输入功率、检测功率负值及调整功率。

优选地，其特征在于，所述高压控制器及低压控制器为常规比例积分控制器。

优选地，所述低压控制器的输入为直流电压低压参考值和直流电压值。

优选地，所述高压控制器的输入为直流高压低压参考值和直流电压值。

实施本发明专利具有如下有益效果：本系统通过利用同步发电机机械运动部分的转子经典2阶摇摆方程，经过拉普拉斯变换后得转子方程频域数学模型，计算得到频率与功率的对应关系并由此构建vgs算法，vgs算法模块与高、低压控制器以及第一、第二比较器一起构成直流电压协调控制方法；vgs算法可对频率偏差进行调整，实现系统的二次调频；当系统发生故障时，通过第一比较器、第二比较器对输出的有功电流进行调节控制，稳定直流电压，建立新的潮流平衡，即可实现换流站并网有功功率的自动调整；控制算法固有惯性环节，能够为电网提供一定惯性和阻尼，增强了系统的稳定运行能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种vsg算法结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于vsg的直流电网直流电压协调控制方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例做进一步详细的说明。

利用功率或者转矩的不平衡量来调节系统频率，同步发电机机械运动部分的转子经典2阶摇摆方程如下：

其中，j为转动惯量，单位是kg.m²，ω转子机械角速度，1对极时机械角速度等于电气角速度，pm0、pe分别为原动机输出机械功率和转子产生电磁功率，d为阻尼系数，单位是n.m.s/rad，ωs为电网角速度，θ为转子电角度/角位移，一般认为ωs＝ω0，ω0为参考角频率/额定角速度。

将上述摇摆方程(1)进行拉普拉斯变换，得转子方程频域数学模型如下：

jω(sω)＝pm0-pe-d(ω-ω0)(2)

针对上式(2)，在左函数增加一个频域零项-jω(sω0)，等式仍然成立，整理后可以得到：

令tj＝jω/d＝m/d，为惯性时间系数，近似处理时可以认为tj＝jω0/d，则有

式(4)即为vsg调频算法的核心部分。pm0等效为输入功率，pe为通过检测到的交流电网电压和电流通过派克变换后计算得到。其中，等效输入指令值pm0由两部分构成，即直接输入指令值和指令调整值。因此，将式(4)中的频率偏差通过积分环节形成功率调整量，然后反馈到虚拟同步发电机输入功率，即有

式中，pm为直接输入功率，δp为指令调整功率，kp/s为角频率偏差积分系数。通过上述方法即可得到控制方法的参考相位θ，并用于控制方法的坐标变换。

利用桥臂中点电压参考幅值e和测量的交流电网电压uabc过pi控制产生三相电流iabc，iabc通过派克变换选取d轴分量作为vs6的有功电流分量参考值结合公式(4)、(5)可以得到图1所示的直流电网中vsg调频算法的控制框结构示意图。

鉴于有功功率和直流电压、有功电流之间的对应关系，从控制有功电流分量入手，对虚拟同步电机算法产生的电流分量进行控制。设计如图2所示的基于虚拟同步电机直流电网的直流电压协调控制方法的结构示意图，对第二比较器输出的有功电流进行调制控制，即可实现换流站并网有功的自动调整。

系统包含高压控制器、低压控制器、虚拟同步电机算法模块、第一比较器及第二比较器，其中，虚拟同步电机算法模块输出及低压控制器的输出连接第一比较器的输入，第一比较器的输出及高压控制器的输出连接第二比较器，第二比较器的输出为系统有功电流输出。高、低压控制器为常规比例积分控制器。换流器允许输出的最大、最小有功电流分别为id_max_ref、id_min_ref，正常情况下，运行条件满足。

udcl_ref为直流电压低压参考值，udch_ref为直流电压高压参考值。换流器有功电流输出逻辑满足条件

当定直流电压站正常运行时，低压控制器输出电流由于积分累积效应达到输出上限值id_max_ref，高压控制器则达到输出下限值id_min_ref，系统自动选择vsg算法产生的有功电流作为参考电流输出。当送端定直流电压站退出运行后，直流系统吸收的有功功率将大于注入系统的有功功率，导致直流电压udc跌落。此时，低压控制器的输出将由上限值逐渐降低，而高压控制器的输出仍然保持下限值不变，某一时刻低压控制器输出电流将小于即系统会自动触发低压控制器，自动选择有功电流作为参考电流输出，通过降低有功电流的分量调节系统的功率平衡，并最终将系统直流电压稳定在低压控制器的直流电压参考值。同理，当受端定直流电压站退出运行后，直流系统注入功率将大于吸收功率，从而导致直流电压升高。此时，低压控制器保持上限输出不变，而高压控制器的输出将由下限值逐渐上升，从而系统触发高压控制器，将被自动选为有功电流输出，从而通过增加有功电流输出来促使有功功率再次达到平衡，最终系统直流电压将稳定在高压控制器直流电压参考值。

综上所述，当定直流电压站正常运行时，受端换流站将运行在虚拟同步电机控制模式，受端换流站具备同步电机的有功调频功能，能参与系统二次调频任务；当定直流电压站因故障退出运行后，直流电压协调控制器将根据直流电压变化情况自动触发高压控制器或者低压控制器，接过直流电压控制功能，通过控制有功电流输出再次建立功率平衡，稳定直流电压。当系统直流电压稳定后，有功电流输出将不再由vsg算法决定，而是由定直流电压控制器输出的有功电流决定。因此，各种工况下协调控制器的输出结果可以表示为如下

实施本发明专利具有如下有益效果：本系统通过利用同步发电机机械运动部分的转子经典2阶摇摆方程，经过拉普拉斯变换后得转子方程频域数学模型，计算得到频率与功率的对应关系并由此构建vgs算法，vgs算法模块与高、低压控制器以及第一、第二比较器一起构成协调控制方法；vgs算法可对频率偏差进行调整，实现系统的二次调频；当系统发生故障时，通过第一、第二比较器对输出的有功电流进行调节控制，稳定直流电压，建立新的潮流平衡，即可实现换流站并网有功的自动调整；控制算法固有惯性环节，能够为电网提供一定惯性和阻尼，增强了系统的稳定运行能力。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。