远海风电经VSC-MTDC并网系统的电压频率协同支撑方法

远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑方法
技术领域
1.本发明属于新能源电力系统技术领域，特别涉及远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑方法。


背景技术：

2.随着大型海上风电场的快速发展，基于电压源型换流器的多端高压直流输电系统在技术和经济上都被认为是大规模风电并网最佳手段(a.alassi,s.o.ellabban,g.adam,and c.maciver,“hvdc transmission:technology review,market trends and future outlook,”renewable andsustainableenergyreviews,vol.112,pp.530
–
554,sep.2019)。由于传统同步发电机的减少和非同步电力电子设备的应用日益广泛，新型电力系统的惯量逐渐减少，正面临着电压和频率稳定性问题(a.korompili,q.wu,and h.zhao,“review of vsc hvdc connection for offshore wind power integration,”renewable andsustainable energy reviews,vol.59,pp.1405
–
1414,jun.2016)。然而，传统的故障穿越和调频控制方法存在控制冲突，分开单独控制往往会导致电压和频率顾此失彼(m.m.kabsha and z.h.rather,“advanced lvrt control scheme for offshore wind power plant,”ieee transactions on power delivery,vol.36,no.6,pp.3893
–
3902,2021)。因此，亟需一种用于远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压和频率协同支撑技术。然而，目前的协同方法仅考虑了低压分布式系统(a.charalambous,l.hadjidemetriou,e.kyriakides,and m.m.polycarpou,“a coordinated voltage
–
frequency support scheme for storage systems connected to distribution grids,”ieee transactions on power electronics,vol.36,no.7,pp.8464
–
8475,jul.2021)，并不适用于高压直流输电系统，且其仅应用于单个电源接入无穷大电网的场景，并未考虑实际电网中负荷对故障穿越和频率调节的影响。为了兼顾故障穿越和调频性能，同时考虑电力系统负荷的影响；
3.因此目前有人申请如下申请来解决以上问题；
4.申请号：cn202111453697.4，专利名称：“一种提高系统频率稳定性的光储协同低电压穿越方法”的技术对比：
[0005]“一种提高系统频率稳定性的光储协同低电压穿越方法”的技术方案中是利用储能提供无功功率进行低电压穿越，通过光伏提供有功功率确保系统频率稳定性，根据并网电压信号确定低电压穿越时间并判断是否继续并网，能够增强高渗透率分布式光伏发电系统在低电压穿越期间的频率稳定性。
[0006]
本文针对远海风电场通过柔直并网后系统的调压调频能力减弱等问题，提出了一种远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑技术，考虑在没有储能系统的情况下，新型电力系统的故障穿越和频率调节的协同控制的新方法，能够有效的兼顾电压和频率支撑性能，同时考虑风机转子、直流电压和换流站容量等因素，确保在故障期间系统能够安全运行。
[0007]
申请号：cn109494811b，专利名称：“一种风电场机组参与调频调压的功率控制方
法与系统”的技术对比：
[0008]“一种风电场机组参与调频调压的功率控制方法与系统”的技术方案中涉及一种一种风电场机组参与调频调压的功率控制方法与系统。采用有功-频率下垂控制进行一次调频，依托风电场自身条件，实现系统自适应调节。并且通过无功-调压下垂控制进行一次调压，实现对并网电压的调节。
[0009]
本文针对远海风电场通过柔直并网后系统的调压调频能力减弱等问题，提出了一种远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑技术，考虑了静态负荷特性对有功功率和无功功率的影响，设计了对不同风机和换流站的调压调频控制策略，控制参数能够根据电网电压和频率情况自适应调节，改进了传统的下垂控制，能够有效的兼顾电压和频率支撑性能。
[0010]
申请号：cn114614504a，专利名称：“考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法”的技术对比：
[0011]“考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法”的技术方案中公开了一种考虑频率支撑需求和低压穿越的储能容量量化评估方法。分析风机并网电压跌落到不同程度下的有功功率变化特性及系统频率动态特性；根据频率响应指标对控制参数进行配置；考虑低压穿越及系统频率限制，量化分析风电送出系统所需储能容量。
[0012]
本文针对远海风电场通过柔直并网后系统的调压调频能力减弱等问题，提出了一种远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑技术，考虑了静态负荷特性对有功功率和无功功率的影响，在没有储能系统的情况下，设计了对不同风机和换流站的调压调频控制策略，控制参数能够根据电网电压和频率情况自适应调节，同时改进了传统的下垂控制，能够有效的兼顾电压和频率支撑性能。
[0013]
本发明提出了一种远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压和频率协同支撑技术。


技术实现要素：

[0014]
为了解决以上问题，提出远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑方法，本发明针对新能源电力系统的发展趋势，考虑系统负荷对故障穿越和调频的影响，实现故障穿越和调频兼顾。
[0015]
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0016]
远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压频率协同支撑方法，具体步骤如下，其特征在于：
[0017]
1)一个自适应最大功率点跟踪策略被用于调节风机在故障穿越和调频期间的输出功率；
[0018]
考虑到陆上电网的动态响应，静态负荷特性可准确估计故障穿越和调频期间的有功/无功功率需求，静态负荷特性的多项式表达式为：
[0019][0020][0021]
其中p
l0
和q
l0
为节点负载吸收的初始的有功功率和无功功率，u
l
为节点电压的标幺值，省略了标幺值的特殊符号，δf
l
＝f
ac-f
ac,ref
，其中f
ac
和f
ac,ref
分别代表实时频率和参考
频率的标幺值，a、b、c分别表示恒阻抗负载、恒电流负载、恒功率负载占节点总负载的比例，满足a+b+c＝1，k
p
和kq为系统在额定频率下运行时，有功功率p
l
和无功功率q
l
对频率变化的导数，满足方程：
[0022][0023]
在故障期间系统的电压和频率会发生波动，节点负载的有功/无功功率需求会根据公式(1)和(2)发生变化；
[0024]
故障恢复期间负荷的有功/无功功率需求变化可由(1)、(2)的反函数求出：
[0025][0026][0027]
故障穿越和调频的有功/无功功率需求可由其与初始状态值相减得到：
[0028][0029][0030]
其中δu
l
＝u
ac,ref-u
l
，u
ac,ref
为节点负载的额定电压，sgn(x)是一个符号函数，当x大于0时它等于1，当x小于0时它等于-1，sgn(0)＝0。
[0031]
为了求解和简化非线性函数，将公式(6)和(7)在额定电压和额定频率下利用泰勒公式展开，泰勒公式中三阶以上的项值很小故将其省略，因此，故障穿越的有功功率需求和调频的无功功率需求为：
[0032][0033][0034]
海上风电场的故障穿越和调频离不开风机转子的控制，其中常规风机的最大功率点跟踪曲线为：
[0035][0036]
其中ωr为风机转子转速，k
op
为风机正常运行时最大功率点跟踪曲线的斜率；
[0037]
当风机工作在初速度ω
r0
时，功率增量δp为：
[0038][0039]
忽略(11)中δω的高阶项，简化转子转速与有功功率增量的关系为：
[0040][0041]
第i台风机的有功功率增量δpi对应于故障穿越和调频所需的功率，其数学表达
式为:
[0042]
δpi＝δp
lvrt,i
+δp
fr,i
ꢀꢀ
(13)
[0043][0044][0045]
其中和分别代表调频的下垂系数和惯性系数，m为参与故障穿越的风机的数量；
[0046]
为保证风机转子转速运行在安全范围内，结合表征转子转速动能因子，得转子转速调节量为：
[0047][0048]
其中δω
p,i
表示第i台风机的转子调速，ω
r,i
，ω
r0,i
表示第i台风机的转子实时转速和初始转速，ω
max
和ω
min
表示转子允许的最高转速和最低转速；
[0049]
因此，所提出的自适应最大功率点跟踪策略为：
[0050]
p
wt,ref,i
＝k
opt
×
(ω
r,i
+δω
p,i
)3ꢀꢀ
(17)
[0051]
其中p
wt,ref,i
表示第i台风机在新的最大功率点跟踪曲线下产生的参考功率；
[0052]
由公式(17)可知，所提出的自适应最大功率点跟踪策略通过确定一个合适的转子转速调节量δω
p,i
来实现，这个调节量取决于陆地系统电压和频率的情况；
[0053]
2)基于静态负荷特性的有功和无功量化策略被提出用于调节换流站在故障穿越和调频期间输出的有功和无功功率；
[0054]
第j台换流站故障穿越的有功功率p
lvrt,j
和无功功率q
lvrt,j
量化策略如下：
[0055]qlvrt,j
＝k
ac,j
×
(u
pcc,ref,j-u
pcc,j
)
ꢀꢀ
(18)
[0056][0057][0058]
其中表示故障穿越期间的无功功率下垂系数，u
pcc,ref,j
和u
pcc,j
分别为第j台换流站公共耦合点处电压的参考值和实时值，t0表示故障发生的时刻，δt表示积分时间，取0.01秒，n为陆地换流站数量，k
ac,j
为故障穿越期间的自适应下垂系数，p
0,j
为第j台换流站初始注入的有功功率，s
vsc,j
为第j台换流站的额定容量，s
total
是所有换流站额定容量求和；
[0059]
公式(20)在满足无功功率注入的基础上，有功功率的量化可以由静态负荷特性和调频所需的有功功率共同决定，同时，根据不同陆地换流站的额定容量可以自适应分配不同的功率输出；
[0060]
在调频期间，陆地换流站根据基于直流电容的虚拟同步发电机控制策略为陆上电网提供惯性支撑：
[0061][0062][0063]
其中，pm和pe分别为虚拟同步发电机的机械功率和电磁功率，h为惯性时间常数，p
in
和p
out
分别为直流系统的输入和输出功率，n为传输线中直流电容数量，c为直流电容容量，u
dc
为直流电压，s
vsc
为换流站的额定容量；
[0064]
当忽略功率损耗的情况时，公式(21)和(22)相等，因此将其联立并积分求解：
[0065]
δfj＝k
dc,j
×
(u
dc,j-u
dc,ref,j
)
ꢀꢀ
(23)
[0066][0067]
其中δfj为第j台换流站中实际频率与额定频率的偏差，u
dc,ref,j
和u
dc,j
为直流电压参考值与实时值。k
dc,j
为调频的自适应下垂系数；
[0068]
从公式(23)看出，对于换流站的有功功率-频率控制可以用有功功率-直流电压控制来代替。相比于固定值，所提方法的控制参数k
dc,j
可以根据直流电压自适应调整；
[0069]
第j台换流站调频的有功功率p
fr,j
和无功功率q
fr,j
量化策略如下：
[0070][0071][0072]
其中和分别为调频的有功功率下垂系数和惯性系数，q
0,j
为第j台换流站初始注入无功功率，通常为0，以满足最大有功功率输出；
[0073]
基于公式(23)-(25)，陆地换流站根据直流电压和电网频率动态调整有功功率，为陆上电网提供惯性响应，在调频过程中，公式(26)在满足有功功率注入的基础上，无功功率的量化由静态负荷特性和故障穿越所需的无功功率共同决定；
[0074]
同时，根据不同陆地换流站的额定容量可以自适应分配不同的功率输出；
[0075]
3)提出了考虑电压和频率偏移和变化率的自适应功率分配策略，用于调节不同换流站在故障穿越和调频期间的输出功率；
[0076]
当陆地电网发生故障时，电压和频率会同时下降，故障穿越和调频需要同时被执行，因此，第j台换流站注入参考的有功功率p
ref,j
和无功功率q
ref,j
表示为：
[0077]
p
ref,j
＝p
0,j
+p
fr,j
+p
lvrt,j
ꢀꢀ
(27)
[0078]qref,j
＝q
0,j
+q
fr,j
+q
lvrt,j
ꢀꢀ
(28)
[0079]
当注入的有功功率和无功功率不满足额定容量约束时，需要重新分配功率，因此，提出了一种考虑不同陆地换流站的电压和频率变化率以及它们的偏差的自适应功率分配策略：
[0080]
[0081][0082]
其中p
cor,ref,j
和q
cor,ref,j
为协调分配后的参考有功功率和无功功率，k
cor,j
为自适应分配系数，计算该系数是为了保证电压和频率扰动越大，分配的支持功率越大，k
cor,j
表示为：
[0083][0084][0085][0086][0087][0088]
其中δf
a,j
和δu
a,j
分别表示第j台换流站中频率和电压的偏离程度，δf
d,j
和δu
d,j
分别表示第j台换流站中频率和电压的变化率，δf
a,j
，δu
a,j
,，δf
d,j
，δu
d,j
的取值范围为0～1，大于1则会导致风电场的孤岛运行，f
max
和f
min
分别代表最大和最小允许频率偏差，u
max
和u
min
分别代表最大和最小允许电压偏差，rocof
max
和rocov
max
分别代表最大频率变化率和电压变化率。
[0089]
作为本发明进一步改进，步骤1)中转子控制应考虑以下两个关键问题：
[0090]
(1)如何根据故障情况合理释放动能；
[0091]
(2)转子转速是否能在安全范围内运行，为满足上述要求，提出了一种考虑转子转速和陆上系统电压、频率波动的新型自适应最大功率点跟踪策略来释放转子动能。
[0092]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0093]
本发明中采用的远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压和频率协同支撑技术，不仅考虑了系统负荷对故障穿越和调频的影响，还考虑了系统惯量、电压和频率变化率的影响，实现了对电压和频率精确的协同控制，在新型电力系统故障穿越和调压等方面具有很高的实用价值。
附图说明
[0094]
图1是本发明电压和频率的协同支撑方法全过程控制流程图；
[0095]
图2是本发明自适应最大功率点跟踪曲线工作原理图；
[0096]
图3是算例的拓扑结构图；
[0097]
图4是小信号稳定性分析图；
[0098]
图5是换流站1的实时电压仿真图；
[0099]
图6是换流站1的实时频率仿真图；
[0100]
图7是换流站1注入的无功功率仿真图；
[0101]
图8是换流站1注入的有功功率仿真图；
[0102]
图9是本发明提出的方法控制下有功功率-直流电压下垂控制系数仿真图；
[0103]
图10是本发明提出的方法控制下无功功率-交流电压下垂控制系数仿真图；
[0104]
图11是本发明提出的方法控制下不同风机转子转速仿真图；
[0105]
图12是本发明提出的方法控制下不同风机输出的有功功率仿真图；
[0106]
图13是本发明提出的方法控制下不同风机的转子调节量仿真图；
[0107]
图14是换流站1的直流电压仿真图。
具体实施方式
[0108]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0109]
本发明公开了一种远海风电经vsc-mtdc并网系统的电压和频率协同支撑技术，包括风机侧控制、换流站侧有功功率和无功功率量化和自适应功率分配三个部分，其全过程控制流程图如图1所示。其中wfvsc代表海上换流站，gsvsc代表陆地换流站，mppt代表最大功率点跟踪控制。
[0110]
自适应最大功率点跟踪控制曲线工作原理如图2所示。在正常运行时，风机工作在最大功率跟踪模式下，在特定风速下产生最大功率。当需要支持电压和频率时，本发明提出的控制策略将最大功率跟踪曲线由y1改为y2，转子调速为δω。转子的转速由于惯性的作用不会突变，所以工作点由a变为b，这时，风机将产生更多的电磁功率，从而导致转子转速降低，直到一个新的平衡点c。考虑到转子转速的限制，δω较小，可认为a点和c点产生的电磁功率近似相等，a
→b→
c过程中的功率增量为δp。当风机需要恢复或储能时，工作点运行流程为c
→d→
a。
[0111]
算例的拓扑结构如图3所示。系统包含两个海上风电场。每个风电场均包含5台风机模型(wt1～wt5,wt6～wt10)，6条线路共7个节点；陆上交流系统由4台同步发电机和10条线路组成，共有11个节点，其中有3个带有恒功率负荷。海上风力发电场经柔性直流输电系统与陆上交流电网相连。交流系统的额定电压为220kv，额定频率为50hz；多端柔直输电系统共包含4个换流站(vsc)，4条直流线路共4个直流节点。直流系统的额定电压为200kv，换
流站的额定交流电压为110kv。
[0112]
利用matlab中嵌入的模型线性化工具箱，采用小信号分析方法分析关键控制参数对系统稳定性的影响。设置输出端口，运行工具箱进行线性化后，即可得到零极点图。通过改变不同的控制参数，可获得多个零极点，并可绘制特征值的轨迹来判断系统的稳定性。通过改变vsc1的直流电压下垂控制参数的值从0到80，可以得到对应的零极点的根轨迹图如图4所示。可以发现，特征值会随着参数的变化而变化，但大多数临界特征值的阻尼比(dr)大于0.06。实验证明，当控制参数发生变化时，可保证系统的小信号稳定性。
[0113]
下面通过一个具体的例子来验证本发明的技术方案。基于图3算例结构，当在时间为5秒时在6号节点发生三相短路故障。故障造成了电压和频率同时跌落，断路器在200ms后切除了故障，在此期间需要采用合适的控制策略对电压和频率进行支撑。为了对比验证本发明的有效性和优越性，采用了五种不同的控制方法进行对比验证：风电不参与调频调压、风电只参与调压、风电只参与调频、传统无协调的调频调压和本发明提出的方法。仿真结果见图5-图14。
[0114]
由图5和图6可以看到换流站1实时电压和实时频率的情况，本发明可以通过有效地协调故障穿越和调频来实现更好的电压和频率调节性能。由图7和图8可以看到换流站1注入的无功功率和有功功率的情况，本发明提出的方法考虑到了负荷对故障穿越和调频的影响，因此输出相对较少的有功功率也能获得较好的频率响应。由图9和图10可以看到本发明提出方法中有功功率-直流电压下垂控制系数和无功功率-交流电压下垂控制系数的情况，这两个系数可以根据故障情况自适应调整，不同的换流站由于到故障位置的电气距离不同，其值也不同。图11是本发明提出的方法控制下不同风机转子转速仿真图，当故障发生时，风机将释放其转子动能用于电压和频率支持。图12是本发明提出的方法控制下不同风机输出的有功功率仿真图。当风机释放转子动能时，风机产生更多的功率用于支撑电压和频率。图13是本发明提出的方法控制下不同风机的转子调节量仿真图。最大功率点跟踪曲线可根据转子转速调节量自适应调整来支撑电压和频率。图14是换流站1的直流电压仿真图。本发明提出的方法由于考虑了电压对频率恢复的影响，因此具有更小的直流电压波动。
[0115]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。