提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法

本发明涉及柔性直流输电系统并网，特别涉及一种能量主动支撑控制方法，尤指一种提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，保证了受端电网的频率稳定。

背景技术：

1、基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(modular multilevel converterbased high voltage direct current,mmc-hvdc)技术具有控制速度快、运行方式灵活、供电可靠性高等特点，已成为新能源集中送出、异步电网互联、弱电网以及孤岛供电等方面的重要技术手段，该类运行方式最为典型的便是我国正在运行的张北柔性直流示范工程。

2、现代电力系统中以电压源型变流器为代表的电力电子装备在电力系统中急剧渗透，逐渐取代传统机电能量转换装备。电力电子化电力系统中的并网装备不具有同步发电机的机械装备或旋转部件，相应地也无法支撑动态过程中的功率缺额。并网装备在物理结构上不具备体现同步发电机转子惯量的实体，使系统惯量降低，严重威胁其安全稳定运行。在已有的柔直系统虚拟惯量控制方法中，任意时刻上下桥臂投入的子模块数量总和恒为n，导致直流电压与子模块电容电压具有等比例变化关系，直流电压允许波动范围直接限制了子模块电容电压，使柔直系统的惯量支撑能力未得到充分开发。因此，有必要探索换流站的新型控制方法，使其主动支撑系统惯量、参与频率稳定调控，维持系统安全稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，解决了现有技术存在的换流站惯量支撑能力未得到充分开发的问题。本发明通过分析柔性直流系统惯量支撑的可用能量，定量地分析了利用其能量裕度提升受端电网惯量水平的可行性。类比同步机组的转子运动方程，提出了计及柔性直流系统内各储能元件能量裕度的换流站自同步控制策略，在实现无锁相环自同步的同时主动支撑受端电网惯量。在此基础上，考虑直流电压安全约束对电容能量裕度利用的影响，提出了柔性直流系统直流电压与子模块电容电压解耦控制策略及参数设计方法，通过自适应调节子模块投入数量与电容电压参考值，实现柔性直流系统内储能元件能量裕度的充分利用，有效提升了受端电网的惯量水平和频率稳定性。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，包括以下步骤：

4、步骤(1)柔直系统受端换流站自同步控制方法：

5、通过类比同步机的惯量响应方程和柔直系统中各物理量随功率变化的特征方程：

6、

7、式中：jv为柔性直流输电系统的有效转动惯量；ωmmc为受端换流站输出角频率；d为微分符号；n为换流站上下桥臂投入的子模块数量和；csm为单个子模块的电容值；usm为子模块电容电压平均值；leq为柔直系统等效电感；idc为直流电流；

8、通过计算得到柔性直流输电系统输出频率与子模块电容电压、直流输电线路电流的耦合关系：

9、

10、即建立换流站虚拟转速(电容电压和直流电流)与输出频率的耦合关系，使受端换流站具备了同步机的惯量响应特性；并通过参数设计，实现肉质系统自同步并网过程中不同类型能量的合理利用；

11、步骤(2)提升柔直系统惯量支撑能力的自适应调制方法：通过同时调整子模块电容电压参考值与子模块投入数量，将控制维度由传统的2维度增加至3维度，实现直流电压与子模块电容电压的独立调节。柔直系统主动支撑系统惯量的过程主要可分为三个阶段：

12、1)、能量吸收阶段：根据电网频率变化量对子模块电容电压参考值和子模块投入数量进行调整，充分利用柔直系统内电容和电感的能量存储能力快速提供惯量支撑。

13、2)、系统调整阶段：受端电网调频资源逐渐发挥作用，使频率逐渐恢复稳定，并利用多时间窗口的频率变化率对系统的状态进行判断。

14、3)、能量释放阶段：待电网频率稳定后，将电容电压参考值和子模块投入数量调节至扰动前，柔直系统恢复正常运行。

15、本发明的有益效果在于：在自同步控制方面，根据柔直系统中子模块电容电压和直流线路电流调整受端换流站的输出角频率，与现有的换流站传统矢量控制相比，实现了受端换流站与电网间的无锁相环自同步，且电容、电感中的能量如同步机动能般自主响应受端系统的频率变化。

16、在自适应调制方法中，根据受端电网频率自适应调节子模块电容电压参考值和子模块投入数量，实现了子模块电容电压和直流母线电压的解耦控制，与固定调制方法下换流站的惯量支撑能量相比，自适应解耦控制方法将电容电压的波动范围由0.95-1.05p.u.升至0.95-1.5p.u.，并调节直流电流以调节电感存储的能量，最大限度地利用了柔直系统的能量裕度，有效抑制了扰动初期电网频率的变化率及其偏差。

技术特征：

1.一种提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，其特征在于：步骤(2)所述的提升柔直系统惯量支撑能力的自适应调制方法是：通过同时调整子模块电容电压参考值与子模块投入数量，将控制维度由传统的2维度增加至3维度，实现直流电压与子模块电容电压的独立调节；柔直系统主动支撑系统惯量的过程分为三个阶段：

技术总结
本发明涉及一种提升柔直系统惯量主动支撑能力的自同步解耦控制方法，属于柔性直流输电系统并网技术领域。通过类比同步机组的转子运动方程，提出了计及柔性直流系统内各储能元件能量裕度的换流站自同步控制方法，在实现无锁相环自同步的同时主动支撑受端电网惯量。分析柔性直流系统惯量支撑的可用能量，定量地分析了利用能量裕度提升受端电网惯量水平的可行性。在此基础上，考虑直流电压安全约束对电容能量裕度利用的影响，提出了柔性直流系统直流电压与子模块电容电压解耦控制方法及参数设计方法，通过自适应调节子模块投入数量与电容电压参考值，实现柔性直流系统内储能元件能量裕度的充分利用，有效提升了受端电网的惯量水平和频率稳定性。

技术研发人员：江守其,李国庆,辛业春,李卓易,王威儒,王振浩,梁毅,张明理,韩震焘
受保护的技术使用者：东北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14