一种多端柔性直流系统的制作方法

本发明涉及多端柔性直流系统控制和电力电子变换器领域，具体涉及一种多端柔性直流系统。

背景技术：

1、鉴于能源、环保和供电可靠性的压力，柔性直流输电技术是以电压源型换流器(voltage source converter，vsc)、可关断电力电子器件和脉冲调制技术(pwm)为基础的新型直流输电技术。而多端柔性直流输电系统(vsc-mtdc)是在两端直流输电系统的基础上发展而来的具有三个及三个以上换流站的直流输电系统。与传统的两端直流输电系统相比，mtdc(多端直流输电)通过协调控制各个换流站之间的功率，以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景，是当前电力系统研究的热点问题。

2、mtdc控制的目的是保持系统直流电压稳定以及功率平衡。其中，主要的控制方式有主从控制，也称单点直流电压控制法；电压裕度控制和下垂控制，二者均属于多点直流电压控制法。主从控制通过将一端设置为主变换器，用于控制直流电压，其余变换器称为从变换器，通常控制有功功率。当主变换器因特殊原因，例如故障等，退出运行时，一个从变换器需要在极短时间内转换为主变换器，因此该控制方式在通信上有极大的要求。目前，主从控制广泛应用于小型多端直流电网，比如南澳三端柔性直流工程和舟山五端柔性直流工程。但目前大型风电场、城市负荷及电网互联等场景对于多端系统的输电容量、输电距离有更高的要求，因此在这些场景下主从控制的表现不佳。同时，由于主从控制在通信上有较高的要求，在无通信系统或系统故障时也无法使用主从控制。

3、电压裕度控制与下垂控制因其对快速通信要求不高，所以与主从控制相比有更高的可靠性。电压裕度控制本质上是对主从控制的优化，主要体现在该控制方式在指定主变换器的同时，还指定了一个备用的定电压主变换器，二者定电压参考值不同。但是电压裕度控制在主、备用变换器切换时会导致系统振荡。下垂控制同时采用了直流电压和有功功率为控制信号，多个变换器共同稳定电压及平衡功率，且电压具有良好的动态性能。但当功率扰动较大时，直流电压会出现较大的偏移，从而导致稳态传输功率精度不足以及动态传输功率有较大的偏差。

4、上述三种控制方法利用电力电子变换器技术研制的相关装置已经用于工程实践，但在运行过程中，出现了两个方面的问题。第一是采用传统控制策略的电力电子变换器虽然具有结构简单、控制灵活、成本低廉和使用方便等优点，但也存在着过载能力差、响应速度快和几乎不存在惯性等缺点。传统电力系统中的的同步发电机和异步电动机在工作过程中依靠自身的转动惯量，为电力系统的频率稳定提供了良好的支撑作用，在大量新能源并网的电力系统中，也应该尽可能地采用这种控制方法。第二，潮流计算是电力系统分析的基础，现有的控制方法中侧重于直流电压的稳定和下垂控制的实现，忽视了潮流计算的问题。如何在多端柔性直流系统的控制中，在保证系统直流侧电压幅值为设定值、系统交流测稳态特性易于实现现有潮流计算中的节点类型等效的同时，增加系统的惯性，进而增强抵御扰动的能力，成为一个需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多端柔性直流系统，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种多端柔性直流系统，包括至少一个用于整流的第一电力电子变换器以及至少一个用于逆变的第二电力电子变换器，所述第一电力电子变换器设置于交流侧，所述第二电力电子变换器设置于直流侧，且所述第一电力电子变换器通过直流输电网将整流后的直流电输送给第二电力电子变换器，由第二电力电子变换器将直流电逆变为交流电，再输送至交流电网；

4、其中，所述第一电力电子变换器采用下垂控制和虚拟同步发电机技术，所述第二电力电子变换器采用下垂控制和虚拟同步发电机技术。

5、在一种可能的实施方式中，所述第一电力电子变换器与第二电力电子变换器的结构相同，且均包括直流侧、三相全桥逆变电路、lc滤波器、电压测量电路、电流测量电路、电力电子变换控制器、pwm信号发生器、驱动电路以及交流侧；

6、所述直流侧与三相全桥逆变电路的直流端连接，所述三相全桥逆变电路的交流端通过lc滤波器与直流侧连接，所述电压测量电路以及电流测量电路均设置于三相全桥逆变电路与交流侧之间，所述电压测量电路所测量的电压以及电流测量电路所测量的电流均作为电力电子变换控制器的输入数据，所述电力电子变换控制器输出控制信号至pwm信号发生器，所述pwm信号发生器根据电力电子变换控制器输出的控制信号对驱动电路进行控制，以使驱动电路控制三相全桥逆变电路的通断，从而实现交直流电能变换。

7、在一种可能的实施方式中，所述电压测量电路用于测量三相全桥逆变电路的交流端对应的三相电压ea、eb以及ec，所述电流测量电路用于测量三相全桥逆变电路的交流端对应的三相电流ia、ib以及ic；

8、其中，ea、eb以及ec分别表示三相全桥逆变电路的交流端对应的a相电压、b相电压以及c相电压；ia、ib以及ic分别表示三相全桥逆变电路的交流端对应的a相电流、b相电流以及c相电流。

9、在一种可能的实施方式中，所述电力电子变换控制器包括dq变换单元、功率及电压获取单元、调制波幅值获取单元、模拟同步发电机转子运动单元、dq反变换单元以及pwm调制波产生单元；

10、所述dq变换单元，用于接收电压测量电路传输的三相电压以及电流测量电路传输的三相电流，并将三相电压以及三相电流进行旋转，得到三相电压以及三相电流的dq分量；

11、所述功率及电压获取单元，用于根据dq变换单元获取的三相电压以及三相电流的dq分量，获取电力电子变换器的输出有功功率p、无功功率q和端电压幅值vt；

12、所述调制波幅值获取单元，用于以功率及电压获取单元获取的无功功率q和端电压幅值vt为基础，获取电力电子变换器的调制波幅值eq；

13、所述模拟同步发电机转子运动单元，用于根据有功功率p模拟同步发电机转子运动，以获取电力电子变换器的调制波对应的相位角δ；

14、所述dq反变换单元，用于根据电力电子变换器的调制波幅值eq以及调制波对应的相位角δ，进行dq反变换，获取调制波信号ua、ub以及uc；

15、所述pwm调制波产生单元，用于根据调制波信号ua、ub以及uc，脉宽调制算法，生成pwm控制信号。

16、在一种可能的实施方式中，根据dq变换单元获取的三相电压以及三相电流的dq分量，获取电力电子变换器的输出有功功率p、无功功率q和端电压幅值vt为：

17、

18、其中，tr表示时间常数，s表示拉普拉斯算子，ed表示经过dq变换得到的电压d分量，eq表示经过dq变换得到的电压q分量，id表示经过dq变换得到的电流d分量，iq表示经过dq变换得到的电流q分量。

19、在一种可能的实施方式中，以功率及电压获取单元获取的无功功率q和端电压幅值vt为基础，获取电力电子变换器的调制波幅值eq为：

20、eq＝∫ke[(vref-vt)+n(qref-q)]d(t)

21、其中，vref表示电力电子变换器端电压的设定值，ke表示无功电压环节放大增益，n表示无功电压环节下垂系数，d(t)表示时间微分。

22、在一种可能的实施方式中，当模拟同步发电机转子运动单元属于用于整流的第一电力电子变换器时，根据有功功率p模拟同步发电机转子运动，以获取电力电子变换器的调制波对应的相位角δ为：

23、

24、δ＝∫ω0ωd(t)

25、其中，ω表示电力电子变换器虚拟角频率，j表示虚拟的转动惯量，m表示有功下垂系数，s表示拉普拉斯算子，pref表示设定的电力电子变换器输出有功功率，d表示电力电子变换器虚拟的阻尼系数，ω0表示电力电子变换器所连电网的额定频率，vdcref表示直流侧母线的电压设定值，vdc表示直流侧母线的实测电压值，kp表示pi控制器的第一参数，ki表示pi控制器的第二参数。

26、在一种可能的实施方式中，当模拟同步发电机转子运动单元属于用于逆变的第二电力电子变换器时，根据有功功率p模拟同步发电机转子运动，以获取电力电子变换器的调制波对应的相位角δ为：

27、

28、δ＝∫ω0ωd(t)

29、其中，ω表示电力电子变换器虚拟角频率，j表示虚拟的转动惯量，m表示有功下垂系数，pref表示设定的电力电子变换器输出有功功率，d表示电力电子变换器虚拟的阻尼系数，ω0表示电力电子变换器所连电网的额定频率。

30、在一种可能的实施方式中，根据电力电子变换器的调制波幅值eq以及调制波对应的相位角δ，进行dq反变换，获取调制波信号ua、ub以及uc，包括：

31、将无功电压环节单元中的控制信号eq置于同步旋转坐标系的q轴，并令该坐标系d轴和0轴上电压为0，结合模拟同步发电机的有功频率环节中得到的相角δ，经dq反变换后得到调制波信号ua、ub以及uc。

32、本发明提供的一种多端柔性直流系统，在负责整流的电力电子变换器中对直流母线电压采用了pi控制策略，实现了直流母线电压为设定值的控制；在各电力电子变换器的交流侧，采用了无功-电压、频率-有功的下垂控制，在积分器的作用下，其稳态特性易于实现节点类型等效；同时采用了虚拟同步发电机技术，给系统提供了惯性。