一种基于虚拟同步机的VSC-MTDC互联系统频率控制方法

本发明涉及多端柔性直流输电的，尤其涉及一种基于虚拟同步机的vsc-mtdc互联系统频率控制方法。

背景技术：

1、随着能源结构的不断调整，大容量电力电子器件在电网中的渗透率逐步提高，在电源、电网、负荷、储能四个领域都呈现出电力电子化趋势。在输电系统方面，基于电压源换流器的多端柔性直流输电系统(voltage source converter based multi-terminal highvoltage direct current,vsc-mtdc)是未来远距离输电技术的重要发展方向之一，逐渐成为风电场并网的最佳选择。

2、随着风电在发电结构中比重的迅速上升，不仅对传统电力系统带来冲击，同时也在电力电子领域引发较大的关注。一方面，基于电力电子技术的风电场站自身具备较强的调频能力，可以与其它电源共同参与系统频率调节。另一方面，系统转动惯量呈降低趋势，由故障引发的系统频率波动较大。而vsc-mtdc系统具备有功功率和无功功率的快速解耦能力，没有无功补偿和换相失败等问题。因此可以通过设计合适的控制策略，来提升交直流系统的稳定性。vsc-mtdc系统现有的控制策略主要包括以下三种：主从控制、裕度控制、直流电压下垂控制。其中直流电压下垂控制可以通过多个换流站协调分配不平衡功率，从而改善直流电压水平，是目前应用最多的站间协调控制策略。然而基于上述控制方式的直流系统对外仍然表现为弱阻尼和低惯性，难以为交流侧提供惯性支撑。当系统受到负荷扰动后，交流侧频率往往波动较大。文献[w.wang,y.li,y.cao,u.and c.rehtanz,"adaptivedroop control of vsc-mtdc system for frequency support and power sharing,"inieee transactions on power systems,vol.33,no.2,pp.1264-1274,march 2018,doi:10.1109/tpwrs.2017.2719002.]通过在换流站上层控制中附加交流频率控制，使直流系统可以对交流侧频率的变化做出快速响应，减小频率偏差，然而可能会导致直流电压产生较大的波动。文献[f.d.bianchi and j.l.domnguez-garca,"coordinated frequencycontrol using mt-hvdc grids with wind power plants,"in ieee transactions onsustainable energy,vol.7,no.1,pp.213-220,jan.2016,doi:10.1109/tste.2015.2488098.]根据多个交流电网的频率差值和频率变化率来协调各个换流站的有功功率输出，进而改善交流侧频率的动态响应。文献[miao z,fan l,osborn d,et al.windfarms with hvdc delivery in inertial response and primary frequency control[j].ieee transactions on energy conversion,25.]通过调整风电场输送到直流侧的功率来参与系统的一次调频，进而调整风力涡轮机的叶片角度，增加或减少从风中捕获的功率。然而，可能会出现风力涡轮机失速的风险和随后恢复转子速度的困难。

3、近年来，虚拟同步机技术(virtual synchronous machine，vsg)得到国内外学者的广泛关注。电力电子换流器可利用这一技术使其具有同步发电机的惯量和阻尼等特性，从外特性上模拟同步机有功调频和无功调压的过程，进而提高交流系统的稳定性。这对vsc-mtdc系统有效避免现有控制策略在交流频率波动、稳态响应方面的缺陷极具借鉴价值。文献[w.y.zhang,k.rouzbehi,a.luna,g.b.gharehpetian,and p.ro-driguez,“multi-terminal hvdc grids with inertia mimicry capability,”iet renewable powergeneration,vol.10,no.6,pp.752–760,jul.2016.]提出一种用于连接弱电网的vsc-mtdc系统的vsg控制策略，该控制策略在换流器上层控制中嵌入vsg核心算法，主动支撑系统的频率。文献[y.j.cao,w.y.wang,y.li,y.tan,c.chen,l.he,u.and c.rehtanz,“avirtual synchronous generator control strategy for vsc-mtdc systems,”ieeetransactions on energy conversion,vol.33,no.2,pp.750–761,jun.2018.]在vsc-mtdc系统使用vsg控制的基础上，还研究了交流频率的抑制方法以及频率调节储备的分配方法。文献[刘中原,王维庆,王海云,袁成玉,王亮,李永钦,丁文彬.基于vsg技术的vsc-hvdc输电系统受端换流器控制策略[j].电力建设,2019,40(02):100-108.]基于vsg技术提出一种vsc控制策略，采用模糊pi下垂控制来平衡交直流系统间的功率分配，提升了系统惯性，缓解了扰动下频率和电压的波动。综上，目前针对含vsg的vsc-mtdc系统的稳定性研究大多仅考虑交流侧的运行状态与受端换流器的功率特性，而忽略了直流系统自身的动态过程以及站间不平衡功率的协调分配。

4、

技术实现思路

1、针对常规下垂控制下直流侧难以响应交流侧频率变化以及站间功率分配不合理的技术问题，本发明提出一种基于虚拟同步机的vsc-mtdc互联系统频率控制方法，不仅可以有效抑制频率的波动，提高交流侧惯性水平和一次调频能力，并且各电网之间可以实现功率支援，提高了直流系统分配功率的能力。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于虚拟同步机的vsc-mtdc互联系统频率控制方法，其步骤如下：

3、步骤一：根据换流器与同步发电机的功率平衡关系，将直流电网看作原动机，换流器看作同步发电机，设计考虑虚拟调速器的虚拟同步机控制策略；

4、步骤二：设计考虑功率裕度的自适应下垂控制策略：首先根据下垂系数与换流站额定容量成反比的原则确定初始下垂系数，根据各换流站可用功率裕度修正下垂系数；

5、步骤三：将交流侧频率与直流侧电压进行耦合，建立交流频率与直流侧有功功率的关系，通过换流站快速调整输入和输出的功率来减小交流系统的频率扰动。

6、优选地，所述换流器与同步发电机的功率平衡关系为：

7、在交流系统中，同步发电机的功率平衡通过转子运动方程来表示：

8、

9、式中，h为同步发电机的惯性系数；ω为转子角频率，pm、pe分别为原动机输出的机械功率和电磁功率；

10、当同步发电机输出的机械功率pm和电磁功率pe不平衡时，转子转速将发生变化，转子的动能将补偿部分功率缺额，同时调速器会根据转子转速来调整原动机输入的功率；

11、在直流系统中，换流站直流侧的电容平衡方程为：

12、

13、式中，nm为换流站直流电容的个数；c为换流站直流侧电容；svsc为换流站额定容量；udc为换流站直流侧电压实测值；pin为换流站的输入功率；pout为换流站的输出功率；。

14、当直流系统中存在不平衡功率时，换流器直流侧电容c将会进行充放电动作，直流电压udc会随之变化，直至系统达到新的平衡状态。

15、优选地，所述考虑虚拟调速器的虚拟同步机控制策略产生的附加功率指令由两部分组成：

16、δpvsc＝δpvsg+δpvg；

17、式中：δpvsc为总附加功率；δpvsg为虚拟同步机vsg产生的附加功率；δpvg为虚拟调速器产生的附加功率。

18、附加功率δpvsg通过模拟同步发电机的转子方程得到，为：

19、

20、式中：j为转动惯量；d为阻尼系数；ωref为额定角频率；

21、虚拟调速器产生的附加功率为：δpvg＝km(ω-ωref)；

22、其中，km为有功-频率下垂系数。

23、优选地，所述有功-频率下垂系数km的计算方法为：

24、将转子运动方程与电容平衡方程进行对比，得到直流侧直流电压udc与交流侧频率的耦合关系：

25、

26、将上式两端进行不定积分，可得：

27、

28、式中，hvsc表示虚拟惯性常数，m为不定积分的积分常数；

29、将转子角频率ω＝ωref，udc＝udcref代入，求出积分常数：

30、

31、根据积分常数可得：

32、

33、根据同步发电机惯性时间常数的计算方法，虚拟惯性常数为：式中：udcn为换流站直流电容的额定电压；

34、换流站下垂控制中直流电压udc与有功功率的关系为：

35、udc＝udcref+k(ps-psref)；

36、式中：udc为直流电压，udcref为直流电压的参考值；k为电压下垂系数；ps为换流站的有功功率，psref为有功功率的参考值；

37、则可得电压源换流站有功功率与交流侧频率之间的耦合关系：

38、

39、则有功-频率下垂系数km的表达式为：

40、

41、则总附加功率为：

42、

43、对于一个给定的vsc-mtdc系统，虚拟调速器产生的附加功率δpvg与下垂系数km成反比，与换流站额定容量svsc成正比；即虚拟调速器能够根据交流侧频率自动调整换流站的输出功率，抑制交流侧频率偏差；

44、在交流系统发生负荷扰动后，换流站可模拟同步发电机功率特性，自动调整换流站有功功率指令值psref，补偿交流系统频率差值和抑制系统产生低频振荡；阻尼系数d与有功-频率下垂系数km都是功率偏差与频率偏差的比值。

45、优选地，所述各换流站的下垂系数的计算方法为：

46、

47、式中：k0为初始下垂系数，根据下垂系数与换流站额定容量成反比的原则确定；pmax为换流站的额定容量；α为功率影响因子；ps为换流站的有功功率。

48、优选地，所述初始下垂系数k0为，根据下垂系数与换流站额定容量成反比的原则确定；功率影响因子α取值范围为[0.5-1.5]。

49、优选地，所述步骤三的实现方法为：根据电压源换流站有功功率与交流侧频率之间的耦合关系：当交流侧频率发生波动时，换流站的有功功率ps会随之改变，进而通过调整换流站的输入功率和输出功率减小交流侧的频率扰动。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果：

51、利用vsc-mtdc系统的直流方程，将电网交流频率与直流电压进行耦合设计出考虑虚拟调速器的虚拟同步机控制模块，引入到p-f下垂控制中提出了具有惯性响应以及一次调频能力的vsg控制策略，使vsc-mtdc模拟同步发电机的惯量、阻尼和一次调频功能，提高低惯量系统的频率响应能力，改善低惯量系统的频率稳定性；其次，针对应用vsg控制策略在调频过程中会打破直流侧的功率平衡，进而改变换流站的输出功率，提出将vsg与考虑功率裕度的自适应下垂控制相结合，形成vsc-mtdc互联系统的多站协调控制策略，并针对重要参数给出了整定方法；最后基于pscad/emtdc构建三端vsc-mtdc系统进行仿真，仿真结果验证了所提控制策略的有效性。

52、本发明将vsg技术应用在换流器中，使其具备惯量和下垂特性，从外特性模拟同步机有功调频的过程；在此基础上提出了具备协调站间功率分配的自适应下垂控制(adaptive droop control,adc)策略，实现多站点控制。adc策略不仅可以根据各换流站实时功率裕度自适应修正下垂系数，并且继承了常规下垂无需通讯的优点，合理分配直流系统不平衡功率。同时提升了风电并网系统的功率互济能力，改善了风电并网系统的运行稳定性。最后对该策略进行仿真验证，仿真结果表明，该控制策略不仅可以有效抑制频率的波动，提高交流侧惯性水平和一次调频能力，并且各电网之间可以实现功率支援，提高了直流系统分配功率的能力。