[發明專利]基于虛擬同步機的背靠背直流輸電系統及控制方法

有效

• 申請號: 201710547610.7
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN109217346B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 楊美娟;吳金龍;王先為;劉永慧;姚為正
• 申請（專利權）人: 許繼電氣股份有限公司;西安許繼電力電子技術有限公司;許繼集團有限公司;國家電網公司
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02J3/24;H02J3/38;H02J3/18
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 吳敏

本發明涉及基于虛擬同步機的背靠背直流輸電系統及控制方法，系統中包含兩個直流側直接連接的換流器，采集的實際直流電壓與設定的直流電壓指令的差值，經調節器調節，生成第一功率差值；將第二換流器的虛擬同步機控制模式中進行有功調節的第二機械功率取反，并與第一功率差值求和，作為第一換流器的虛擬同步機控制模式中進行有功調節的第一機械功率，第一、第二機械功率用于生成第一、第二換流器交流電的電角度，本發明基于虛擬同步機技術的背靠背直流輸電系統，能在發電機組裝機容量需求減少、電網等效旋轉慣量降低的情況下，有效提高系統的調頻能力，保證電力系統安全穩定運行。

技術領域

本發明屬于高壓輸電領域，具體涉及基于虛擬同步機的背靠背直流輸電系統及控制方法。

背景技術

隨著我國能源結構的調整以及電網建設規劃的推進，柔性直流輸電系統以其有功功率、無功功率獨立靈活可控，無需電網換相電壓，可向孤島地區供電等優勢得到廣泛應用，并朝著高壓大容量的方向發展。

目前，以全控型電力電子器件為基礎的電壓源型換流器高壓直流輸電系統(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)多采用常規的基于同步旋轉坐標系下PI雙環解耦的直接電流控制，此類控制中有功、無功類控制目標多為固定數值，并不能積極響應系統電壓及頻率的變化，無法發揮大容量VSC對交流系統的電壓、頻率支援作用。并且VSC表現為零慣量特性，隨著VSC-HVDC在電網中的滲透率不斷提高，電力系統內發電機組裝機容量需求相應減少，電網等效旋轉慣量降低，導致系統調頻能力明顯減弱，非常不利于電力系統安全穩定運行。另外，常規控制方式下VSC-HVDC需要通過控制模式的切換實現孤島與聯網模式下不間斷運行，這對VSC平滑無縫的模式切換策略提出了很高的要求，不僅增大了控制系統設計難度，而且難以避免切換過程中的電氣沖擊，不利于負荷安全穩定供電。

近年來，基于虛擬同步發電機的VSC控制技術在微電網、風力發電等系統中逐漸發展起來，其通過模擬傳統同步發電機的機械、電氣方程，以及調頻、調壓控制等，使VSC體現出同步發電機的運行特性，從而主動調節電力系統電壓和頻率，并適用于單機和多機并聯運行。這對VSC-HVDC系統解決上述問題而言極具借鑒價值。

《電力系統自動化》期刊第39卷第21期的一篇名稱為《虛擬同步發電機技術及展望》的論文介紹了虛擬同步發電機(VSG)及其運行控制策略，如圖1所示，該虛擬同步發電機包括主電路和控制系統，控制系統是實現虛擬同步發電機的核心，主要包括VSG本體模型和控制算法，控制算法主要從外特性上模擬同步發電機的有功調頻和無功調壓等特征，其中的有功-頻率控制通過檢測功率差ΔP來控制虛擬機械轉矩輸出而調節功率，如圖2所示。

但是，目前學術界對于虛擬同步機(Virtual Synchronous Machine，VSM)技術的研究僅著眼于單臺VSC或其調頻、調壓控制。應用于直流側不經直流線路而直接連接構成的背靠背VSC-HVDC系統時，如何確保背靠背系統的直流電壓穩定，同時實現雙端交流系統的頻率控制，并適應任意一端交流系統孤島工況，是該技術向VSC-HVDC系統推廣所面臨的首要問題，需要開展深入的研究。

發明內容

本發明的目的是提供基于虛擬同步機的背靠背直流輸電系統及控制方法，用于在發電機組裝機容量需求減少、電網等效旋轉慣量降低的情況下，有效提高系統的調頻能力，保證電力系統安全穩定運行。

為解決上述技術問題，本發明提出一種基于虛擬同步機的背靠背直流輸電系統控制方法，包括以下步驟：

所述直流輸電系統采用虛擬同步機控制，其中設置的第一換流器和第二換流器分別通過各自的有功調節、無功調節，生成各自的機械功率和參考電壓幅值，經過虛擬同步機本體算法，分別生成控制第一換流器和第二換流器的調制波；

其中，采集的實際直流電壓與設定的直流電壓指令的差值，經調節器調節，生成第一功率差值；將第二換流器的機械功率取反，并與所述第一功率差值求和，作為第一換流器的機械功率。