一種基于頻率電壓斜率控制的vsc換流站控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，具體包括以下幾個步驟：1)直流側電壓偏差積分得到交流測頻率的調整量；2)利用1)中頻率調整量對直流側電壓偏差進行修正，構成頻率電壓斜率控制；3)對1)中的頻率調整量加上頻率給定值構成新的頻率給定值；4)對3)中的新的頻率給定值積分得到相角，用于生成調制波形。本發明提出的控制方法，用直流端口電壓值表征直流線路上的功率變化，能自動滿足交流側電網的功率需求，使交流測電網共用整個系統的一次調頻功能，由于換流站被控制成為了頻率源，能支持交流子系統并網運行或離網運行。與現有控制方法相比，本發明提高了交流子電網的交互能力，增強了整個交直流互聯電網的穩定性。
【專利說明】
-種基于頻率電壓斜率控制的vsc換流站控制方法
技術領域：
[0001] 本發明屬于逆變并網技術領域，具體設及一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流 站控制方法。
【背景技術】：
[0002] 近年來，風能、太陽能等新能源技術得到了快速發展，但由于其間歇性、隨機性等 特點，使得電網接納超大規模可再生能源的傳統技術受到越來越多的限制，研究表明多端 柔性直流電網技術是解決運一問題的有效技術手段。
[0003] 為了使聯接多個不同步交流系統的多端直流系統可W穩定運行，其基本的控制要 求是控制整個網絡的直流電壓維持穩定、直流功率保持平衡，W及防止換流閥、架空線和電 纜等設備上的電流越限。因此為了滿足控制要求，通常將電壓控制與功率控制配合使用，前 主要有W下Ξ種電壓控制方式：電壓裕度控制，電壓下垂控制和帶電壓裕度的電壓下垂控 審IJ。雖然上述Ξ種控制方式可W實現直流電壓、功率的協調控制，但缺乏與交流電網的互 動，不能向交流電網提供一次調頻功能，為此有學者提出了直流電壓和功率、交流頻率和功 率雙下垂相結合的控制方式，運種控制方式在穩定直流電壓的同時還可W向交流電網提供 一次調頻功能，但運種控制方式需要檢測交流電網頻率，當交流側轉孤島運行時要進行模 式切換，且交流側負載發生突變時會引起較大的功率波動，缺乏動態均流手段。
[0004] 傳統的換流站控制策略注重對傳輸功率的控制。運樣換流站對于交流系統來說就 是一個指定功率的電源(逆變側），或者負載(整流側），運對于交流系統自身的功率平衡及 整個大電網的功率平衡是不利的。傳統的小電網互聯形成更大的電網是為了使各小電網能 夠共用整個大電網的轉動慣量和調頻功能，各小電網可W相互支撐互為備用，從而使整個 系統的運行更加穩定。如果將換流站控制成了指定功率的電源或者是負載，則大大削弱了 系統互聯的優勢。
【發明內容】
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[0005] 本發明的目的是為了克服上述現有控制策略存在的缺陷，提供了一種基于頻率電 壓斜率控制的VSC換流站控制方法，運種控制方法可自動感知交流系統功率需求，根據交流 功率需求通過直流電網自動傳遞所需功率，同時還能維持直流系統電壓的穩定 (Automatically meet power demand-AMPD。）
[0006] 為達到上述目的，本發明是通過W下技術方案來實現的：
[0007] -種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，包括W下步驟：
[000引1)VSC換流站的直流側電壓參考指令Udc_ref與實際值Udc的差值為A Udc;
[0009] 2)將步驟1)得到的直流電壓誤差Δ Ud。積分得到變流器交流側頻率給定值的頻率 調整量Δ ω ;
[0010] 3)將2)得到的頻率調整量Δ ω經比例環節Κ與AUd。作差，構成負反饋；
[0011] 4)將2)得到的頻率調整量Δ ω再加上頻率給定指令ω rsf得到新的交流側的頻率 值ω ;
[0012] 5)將步驟4)中得到的新的交流頻率給定值積分得到相位角θ，將其作為調制波的 相位信號用于生成PWM調制信號，進而驅動換流站開關網絡。
[0013] 本發明進一步的改進在于，步驟2)和步驟3)中，因積分作用，直流電壓參考指令 Udc_ref與實際值Udc的差值就等于A ωΚ，具體公式如下：
[0014] Udc_ref-Udc= Δ ωκ (1)
[001引式中：s為積分算子。
[0016] 本發明進一步的改進在于，步驟4)中，頻率調整量Δ ω加上頻率額定值coref得到 換流站交流側新的頻率給定指令ω，具體公式如下：
[0017] ω = ωref+ Δ ω (2)
[0018] 本發明進一步的改進在于，步驟5)中，將新的交流側頻率給定值ω積分得到相位 角，作為調制波的相位信號用生成PWM調制信號，具體公式如下：
[0019]
〇)
[0020] 相對于現有技術，本發明具有W下有益效果：
[0021] 運種控制方法不僅可W自動平衡直流電壓、交流頻率和傳輸功率，向交流電網提 供一次調頻功能，還可W向交流電網提供虛擬轉動慣量，避免換流站在交流負載突變時承 擔過大的動態功率波動。此控制方式將換流站控制成頻率源，支持交流系統并網運行和其 孤島運行，在交流系統由并網轉向孤島運行時，無需切換控制方式，實現無縫過渡;此外，當 某一個交流系統出現有功功率缺額時，能源管理系統無需向換流站發送調節指令，其他交 流系統就可W通過直流電網自動向其提供功率支撐，且各交流系統所承擔的功率值由各自 的一次調頻能力決定。運樣使每個交流系統共用整個交直流混聯系統中所有發電機的一次 調頻服務和轉動慣量，增強了各交流系統的實時相互支撐的能力，極大地提高了整個系統 的穩定性。
【附圖說明】：
[0022] 圖1為傳統VSC變流站運行特性(虛線)和控制特性(實線）曲線；
[0023] 圖2為新型直流側電壓與交流側頻率控制特性曲線；
[0024] 圖3為本發明直流電壓與交流頻率控制器的原理圖；
[0025] 圖4為仿真時使用的集總電路模型；
[0026] 圖5為電壓頻率控制策略實例驗證結果一C站交流側負荷突變后Ξ站的有功功率、 直流側電壓、交流側頻率變化波形;其中，5 (a)為換流站有功功率變化波形，5 (b)為換流站 交流側頻率變化波形，5 (C)為換流站直流側電壓變化波形。
【具體實施方式】：
[0027] 下面結合具體的實施方式對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋 而不是限定。
[0028] 實際換流站的運行特性曲線如圖1中虛線所示，在整流側看來，傳輸的功率與直流 電壓正相關;在逆變側看來，傳輸的功率與直流電壓下垂。為了使系統在運行點附近穩定運 行，往往使控制特性曲線與外特性曲線能夠在運行點附近相交，因此下垂控制特性往往設 計成如圖1中實線所示，在整流側看來，是有功與電壓的下垂，在逆變側看來，是有功與電壓 的正相關。
[0029] 對于交流輸電系統，有功功率與系統的頻率和節點間的相角差相關。因此，需要將 逆變器控制成有功功率與頻率的下垂，考慮到直流側的直流電壓與逆變器轉換功率的關 系，將逆變器控制成直流電壓和交流頻率的正相關關系。
[0030] 基于W上分析，本發明提出一種變流器直流電壓與交流頻率正相關的控制方法， 如圖2所示。運種控制方式不同于傳統的跟蹤功率指令的控制方式，運種控制方式的主要特 點是協調控制直流電壓和交流頻率W滿足負荷或新能源對換流站傳遞功率的需求。此外， 為了使換流站能夠自動靈敏的感知交流系統的功率波動，且能夠支持交流電網的孤島運 行，將變流器控制成頻率源。在頻率控制中引入虛擬轉動慣量，可W使變流器在交流系統發 生功率階躍時，實現與傳統同步發電機動態功率均分效果。其直流電壓一交流頻率控制環 如圖3所示。
[0031] 如圖3所示為本發明為本發明直流電壓與交流頻率控制器的原理圖，圖中Vdc為變 流器直流電壓，Udc_ref為直流電壓參考值，ω ref為變流器交流側的頻率給定，ω為變流器生 成的交流側頻率，Θ控制器計算生成的相角;J是虛擬慣量的系數，但不等同于傳統同步發電 機的慣量意義，J參數的合理設計可W平滑交流系統的頻率波動，同時可W起到動態過程中 的功率均分設計原則應該是滿足動態均流的前提下，充分利用大系統中所有發電機的轉動 慣量;Κ是交流頻率與直流電壓的斜率系數。
[0032] -種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，包括W下步驟：
[00削 1 )采集變流器直流側電壓Udc與參考電壓Udc_ref作差，得到電壓偏差Δ Udc ;
[0034] 2)將步驟1)得到的直流電壓偏差Δ山。除W虛擬轉動慣量J后積分得到變流器交流 側的頻率調整量A ω ;
[0035] 3)將步驟2)得到的頻率調整量Δ ω乘W下垂系數Κ反饋至電壓偏差信號中斜率系 數Κ的存在，可W使每個交流系統共用整個系統所有發電機的調頻功能。
[0036] 4)將步驟2)得到的交流側的頻率偏差Δ ω再加上頻率給定coref得到新的交流側 的頻率值ω，運樣就將換流站控制成了頻率源，交流側頻率的微小變化會引起交流系統的 一起調頻，達到功率平衡。
[0037] 5)將步驟4)得到的新的頻率值ω積分得到變流器交流側電壓的相位角Θ，將其作 為調制波的相位信號用生成PWM調制信號，進而驅動換流站開關網絡。
[003引實施例；
[0039] 圖4為仿真時所用的模型，A，B，C為Ξ個等效的換流站，換流站交流側分別連接在 Ξ個不同步的交流電網上，換流站直流側直接連接形成一個節點0;如圖5 (a)所示，t = 20 s 時電網ACl的交流側負荷突然增加90MW，A站和B站通過直流電網向C站輸送的功率會增加 (穩態時A站和B站向C傳送功率），圖5(b)和圖5(c)中可W看出，C站交流側電網AC3負荷的增 加使Ξ個換流站的頻率和換流站端口直流電壓都有所下降，交流電網AC1和AC2自動向AC3 傳輸更多的功率，W維持整個交直流混聯系統的功率平衡。Ξ側交流子電網共同承擔AC3所 增加的功率，承擔的能力由Ξ站交流側電網中發電機的容量和一次調頻能力共同決定。
[0040] 總上所述，實施例驗證了本發明所提出的頻率電壓斜率控制方法的有效性。
【主權項】
1. 一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 1. VSC換流站的直流側電壓參考指令Udc+ref與實際值Udc的差值為Δ Udc ; 2) 將步驟1)得到的直流電壓誤差AUd。積分得到變流器交流側頻率給定值的頻率調整 量Α ω ; 3) 將2)得到的頻率調整量Δ ω經比例環節Κ與Δ Ud。作差，構成負反饋； 4) 將2)得到的頻率調整量△ ω再加上頻率給定指令ω 得到新的交流側的頻率值ω ; 5) 將步驟4)中得到的新的交流頻率給定值積分得到相位角Θ，將其作為調制波的相位 信號用于生成PWM調制信號，進而驅動換流站開關網絡。2. 根據權利要求1所述的一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，其特征在 于，步驟2)和步驟3)中，因積分作用，直流電壓參考指令Udc+ref與實際值Udc的差值就等于△ ωΚ，具體公式如下： Udc-ref-Udc- Δ CO Κ (1) 式中：S為積分算子。3. 根據權利要求1所述的一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，其特征在 于，步驟4)中，頻率調整量△ ω加上頻率額定值ω 得到換流站交流側新的頻率給定指令 ω，具體公式如下： C0 - CO ref + A CO ( 2 ) 〇4. 根據權利要求1所述的一種基于頻率電壓斜率控制的VSC換流站控制方法，其特征在 于，步驟5)中，將新的交流側頻率給定值ω積分得到相位角，作為調制波的相位信號用生成 PWM調制信號，具體公式如下： θ=-ο ⑴ 'V
【文檔編號】H02J5/00GK105870963SQ201610202052
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】王躍, 王浩, 段國朝, 王文媞, 李明烜, 徐寧, 徐寧一
【申請人】西安交通大學