一種用于模塊化多電平柔性直流換流站的控制方法及系統與流程
本發明涉及柔性直流輸電技術領域，具體涉及一種用于模塊化多電平柔性直流換流站的虛擬同步電機控制方法及系統。
背景技術：
面對世界范圍內的化石能源危機、全球氣候變化和環境惡化等威脅，世界各國已經充分認識到，能源的開發和利用必須從傳統的化石能源向綠色可再生清潔能源過渡。風電和光伏發電等作為重要的可再生能源，已經成為能源供給的主要形式。分布式能源滲透率增加，傳統同步發電機裝機比例下降，電力系統的旋轉備用容量和轉動慣量相對減小，此外，由于分布式能源波動性和間歇性的共同作用，系統出現了網源協調等影響電網安全穩定運行的問題。
直流輸電技術在無功需求、系統穩定性、大規模接入清潔能源和大容量遠距離輸電等方面具有明顯的優勢，特別是在柔性直流輸電技術日趨成熟的今天，它在動態無功補償、潮流反轉和系統控制等方面具有顯著優點，使其成為可再生能源接入的最佳手段之一，也為未來輸電網絡的構建提供了一個全新的技術方案。
然而，傳統柔性直流輸電的控制方式以矢量控制技術為主，在該控制策略的基礎上柔性直流輸電系統可以實現動態電壓支撐，有功和無功獨立解耦，并為有功功率的輸送提供了穩定可靠的途徑。在傳統柔性直流輸電系統中，空間定向矢量解耦容易受到系統控制參數變化及不匹配等影響。此外，傳統矢量控制策略下的并網換流器在低頻段難以提供合適的阻尼，容易造成交流系統次同步諧振及并網換流站的大規模脫網，其嚴重威脅到電力系統電壓和頻率的穩定性，特別是在電力系統暫態故障期間，并網換流站不能提供足夠大的慣性，極易造成系統頻率失穩。
因此，需要一種既能提高可再生能源外送又能提高電力系統運行安全性、穩定性和可靠性的控制技術。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種用于模塊化多電平柔性直流換流站的控制方法及系統，其控制方法包括步驟：采樣獲得的三相交流信息分別經虛擬同步電機控制器和環流控制器后，得到感應電動勢和調壓電壓；根據感應電動勢和調壓電壓，獲得三相電壓參考值；通過pwm調制三相電壓參考值，輸出開關信號，實現對模塊化多電平換流站的控制。
采樣獲得的三相交流信息分別經虛擬同步電機控制器和環流控制器后，得到感應電動勢和調壓電壓，包括：虛擬同步電機控制器中機械運動單元轉子的運動方程如下所示：
式中：j為轉子轉動慣量、tm為機械轉矩、te為電磁轉矩、dp為阻尼系數、ω*為額定頻率、ω為電網實際頻率；
虛擬同步電機控制器中電磁單元定子繞組的電氣方程如下所示：
式中：uabc為定子繞組的輸出端電壓、iabc為定子繞組的輸出端電流、e為感應電動勢、rs為繞組損耗、ls為同步電抗。
感應電動勢的計算公式如下所示：
式中：e為感應電動勢、θ為電角度、mf為定子和轉子間互感、if為轉子繞組電流、
阻尼系數為有功功率和頻率變化的關系，其定義式如下所示：
其中，δp為有功功率設定值pset和有功功率p之差，δθ為電角度變化。
輸出有功功率的表達式如下所示：
其中，
其控制系統包括：控制模塊，采樣獲得的三相交流信息分別經虛擬同步電機控制器和環流控制器后，得到感應電動勢和調壓電壓；電壓合成器，用于接收感應電動勢和調壓指令后，輸出三相電壓參考值；調制模塊，通過pwm調制三相電壓參考值，輸出開關信號，實現對模塊化多電平換流站的控制。
虛擬同步電機控制器包括機械運動單元和電磁運動單元；
機械運動單元中轉子的運動方程如下所示：
式中：j為轉子轉動慣量、tm為機械轉矩、te為電磁轉矩、dp為阻尼系數、ω*為額定頻率、ω為電網實際頻率；
電磁單元中定子繞組的電氣方程如下所示：
式中：uabc為定子繞組的輸出端電壓、iabc為定子繞組的輸出端電流、e為感應電動勢、rs為繞組損耗、ls為同步電抗。
感應電動勢的計算公式如下所示：
式中：e為感應電動勢、θ為電角度、mf為定子和轉子間互感、if為轉子繞組電流、
阻尼系數為有功功率和頻率變化的關系，其定義式如下所示：
其中，δp為有功功率設定值pset和有功功率p之差，δθ為電角度變化。
輸出有功功率的表達式如下所示：
其中，
與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有以下有益效果：
1、本發明提出的控制方法將傳統同步發電機的搖擺方程和電磁方程引入控制器中，換流站在外特性和運行機理上模擬傳統同步發電機，進而使得換流站具備調壓調頻的功能，為交流系統提供了一定的電壓和頻率支撐，提高了系統的穩定性和可靠性。
2、本發明提出的控制方法能夠根據交流系統的頻率和電壓變化量，自動調整輸出有功功率和無功功率，從而有效降低了交流系統的頻率和電壓波動。
3、本發明為系統提供了慣性和阻尼，使整個柔性直流系統的控制性具有更好的魯棒性，在提高系統穩定運行能力的同時實現了分布式能源的大規模并網。
附圖說明
圖1為本發明的整體控制方法框圖；
圖2為本發明虛擬同步電機控制器的控制策略框圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步詳細說明。
本發明的目的是設計一種模塊化多電平換流站的控制方法，柔性直流換流站的控制系統由采樣模塊、控制模塊、電壓合成器以及調制模塊五部分組成。
采樣模塊為包括虛擬同步機控制器和環流控制器的控制模塊提供三相電壓和電流輸入信息，控制模塊的輸出電壓在電壓合成器中合成后作為調制模塊的輸入，從而達到對模塊化多電平換流站輸出電壓控制的目的。
本發明提出的控制方法將傳統同步發電機的搖擺方程和電磁方程引入控制器中，換流站在外特性和運行機理上模擬傳統同步發電機，使得換流站具備調壓調頻的功能，為交流系統提供一定的電壓和頻率支撐，提高系統的穩定性和可靠性。
本發明提出的模塊化多電平換流器虛擬同步電機控制方法：將柔性直流換流站的外特性與同步電機的數學模型、運動方程、電磁方程(暫態或穩態)和工作特性相等效。
在控制策略上，需要借鑒柔性直流換流器和傳統同步電機的控制方法。虛擬同步電機的控制算法需要用到電壓和功率等變量，所以要保證換流站輸出的穩定性和精確性，在控制結構上采用換流站的電壓電流雙環控制。對于傳統同步電機而言，原動機和調速器負責提供機械功率和調節輸出頻率，勵磁控制系統負責調節勵磁電壓。
在虛擬同步電機中，通過一些功能相似的單元取代，其中，勵磁調節器模擬同步電機中勵磁控制系統的控制功能，功率和頻率調節器模擬的是調速器的控制功能。控制系統采集換流閥的輸出電壓和電流，由功率和頻率調節器得到虛擬同步電機的機械功率指令，由勵磁調節器得到虛擬同步電機的勵磁電壓指令，通過虛擬同步電機控制算法計算之后，得到系統頻率和電壓的參考值，再通過雙環控制系統和調制系統后產生驅動信號來控制開關管的開通和關斷，從而完成整個閉環系統。
本發明提出的控制方法的核心是虛擬同步電機控制器的設計，而環流控制器以及pwm調制和傳統柔性直流換流器的矢量控制沒有本質差別，非本發明核心部分，不做詳細論述。
虛擬同步電機控制器要實現根據交流系統的頻率和電壓變化量自動調整輸出的有功功率和無功功率，為交流系統提供頻率和電壓支撐的功能任務，因此可以傳統同步發電機的控制方法著手處理。
如圖2所示，利用pi控制器，并結合式(3)和(6)，于是可以得到本發明提出的虛擬同步電機控制策略框圖，包括：有功調頻功能模塊以及無功調壓功能模塊，能夠實現換流器根據交流系統的需求調整輸出功率，并為系統提供頻率和電壓支撐。
以經典的二階同步發電機模型為主，為使換流器更好的模擬和實現同步電機的性能，應該同時考慮同步電機的機械運動和電磁運動關系。
同步發電機的機械運動由于轉動慣量和阻尼系數的存在，能夠使得換流站在功率和頻率的動態關系中存在慣性，并且阻尼功率振蕩，轉子運動方程如下：
式中j為轉子轉動慣量；tm和te分別為發電機機械轉矩和電磁轉矩；dp為阻尼系數；ω*和ω分別為額定(參考)角頻率和電網實際角頻率。
上式中求解得到的電網頻率，實現了換流器的有功調節能力，在虛擬同步機控制中模擬的是調速器。
同步發電機的電磁部分建模以定子繞組電氣方程為原型，即
式中uabc和iabc分別為定子三相輸出端電壓和電流；e為三相感應電動勢；rs和ls分別為定子電樞繞組損耗和同步電抗。該建模只著重考慮了定子的電壓電流關系特性，較為簡單，而未考慮其內在的電磁特性。
為使控制模型算法從機理上更好的模擬同步發電機，計及轉子和定子間的磁鏈關系，可推導得
式中θ為角頻率ω*積分得到的電角度；mf為定子和轉子間互感；if為轉子繞組電流；
同時，對于換流器的輸出有功功率p和無功功率q分別作內積推導功率的表達式，如下所示：
其中，
(1)式中阻尼系數實質上表征的是有功功率和頻率變化的關系，其定義式如下所示：
其中，δp為有功功率設定值pset和計算值p之差，δθ為電角度變化。阻尼系數的設定可以根據系統來設定，比如功率變化100％，頻率波動0.5％。
注意在穩態情況下，阻尼系數設定值的選定一般不應使得頻率變化超過0.5hz。另外由于提出的頻率控制沒有延時環節，所以轉動慣量的取值應設置的較小，一般依據等式j＝dptc來定，其中tc為時間常數，與系統有關，一般取值為幾毫秒到幾十毫秒。
控制方法的無功調壓控制功能除了采用基于式(7)以外，還需通過無功電壓下垂控制得到無功輸入參數，以使其能夠很好的跟蹤交流電網電壓。類似的，無功下垂系數反映的是無功功率和電壓的變化關系，其定義式如下所示：
其中，δv表示交流電壓設定值vset和測量值vg的差值，即表示交流電壓對參考值的偏移量，δq表示無功功率設定值qset和計算值q之差，即無功功率的變化量。
無功下垂系數依據系統需要值設定，而且無功功率可以依據式(7)計算得到，并作為負反饋和無功設定值、下垂控制的無功功率值一起作用，形成無功調壓部分，從而模擬勵磁調節器功能。
等式(3)為控制換流器輸出電壓的關系式，一般情況下勵磁繞組電流為直流電流，幾乎沒有變化，可以忽略等式后面一項。
值得注意的是：利用該設計方法可同時對逆變站和整流站進行控制，需要注意潮流方向的改變會導致公式符號的變化，并且利用此方法進行整流站虛擬同步機控制時，建議附加定直流電壓控制，以便為逆變站提供可靠直流電源。
基于同一發明構思，本發明還提供了一種降低分層接入直流換相失敗風險的系統，下面進行說明。
本發明提供的系統可以包括：
控制模塊，用于接收三相采樣信息后，輸出感應電動勢和調壓電壓；電壓合成器，用于接收感應電動勢和調壓指令后，輸出三相電壓參考值；調制模塊，三相電壓參考值經pwm調制模塊后，輸出開關信號，實現對模塊化多電平換流站的控制。
控制模塊包括：虛擬同步機控制器和環流控制器；虛擬同步機控制器和環流控制器接收三相采樣信息后，分別輸出感應電動勢和所述調壓電壓。虛擬同步電機控制器包括機械運動單元和電磁運動單元。
機械運動單元中轉子的運動方程如下所示：
式中：j為轉子轉動慣量、tm為機械轉矩、te為電磁轉矩、dp為阻尼系數、ω*為額定頻率、ω為電網實際頻率。
電磁單元中定子繞組的電氣方程如下所示：
式中：uabc為定子繞組的輸出端電壓、iabc為定子繞組的輸出端電流、e為感應電動勢、rs為繞組損耗、ls為同步電抗。
轉子和定子繞組間的磁鏈關系如下所示：
式中：e為感應電動勢、θ為電角度、mf為定子和轉子間互感、if為轉子繞組電流、
阻尼系數為有功功率和頻率變化的關系，其定義式如下所示：
其中，δp為有功功率設定值pset和有功功率p之差，δθ為電角度變化。
輸出有功功率的表達式如下所示：
其中，
本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。
本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。
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