一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法

1.本发明涉及的是一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，具体是一种针对传统变流器电压源型控制策略的改进方法，为柔性直流输电系统的受端换流器提供阻尼，实现抑制频率振荡，提高系统的抗干扰能力。


背景技术：

2.为了应对日益增长的电力需求和环境压力，电力系统正形成高比例新能源和高比例电力电子设备(即“双高”)的发展趋势。一方面，以风电、光伏为代表的新能源发电呈现爆发式增长；另一方面，随着电力电子器件如晶闸管和电压源变流器(vsc)的发展，其中变流器承担了关键组件的角色。伴随新能源的发展，柔性直流输电(vsc-hvdc)成为了大规模新能源并网的未来趋势。
3.新能源发电的波动特性会对电网频率的暂态稳定造成影响，比较明显的问题使由于缺少惯性而导致频率暂态稳定能力不足。大多数多端直流输电系统控制策略均基于电流矢量控制，即受端换流站相对于交流电网体现为一个电流源。这种控制策略往往采用锁相环(pll)来实现与电网相位的同步。但目前大部分研究表明，在接入弱电网时，锁相环具有较差的性能，并且产生失去稳定性的问题。
4.电压源型高压直流输电控制技术的提出解决了锁相环带来的问题，电压源型控制是提高换流站并网稳定性的一种有效方式。在电压源型控制下，受端换流站的阻抗呈感性，同时可以在虚拟同步控制的基础上，利用直流系统等效电容的自然响应，以电容惯量取代虚拟同步控制中的虚拟惯量，实现无锁相环的自同步，同时还能将电网频率变化反映到直流电压上。
5.基于电压源型变流器、全控型开关器件和pwm技术的柔性直流输电是一种新型直流输电技术。相比于传统高压直流输电技术，柔性直流输电具有响应速度快、功率控制灵活、无需外加换相电压、谐波水平低等优势，因此得到了广泛应用。随着柔性直流输送容量的增大，应当考虑使其参与系统频率调节，为电网的安全稳定运行做出贡献。当柔性直流输电系统受端变流器采用构网控制，可以为系统提供灵活的调频响应，构网型变流器具备一次调频能力和惯性特性，可将其应用到柔性直流输电系统，以改善系统电压和频率稳定性，但不能够使频率迅速稳定以及抗干扰能力较差。


技术实现要素：

6.本发明主要是针对以上技术存在的不足，提出了一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法。提高并网时频率波动问题以及在电网频率变化和辐照度改变时的抗干扰能力。为实现目的，本发明提供如下技术方案的步骤如下：
7.一种适用于光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，所述的柔性直流输电包含光伏侧电压源型变流器，电网侧电压源型变流器，直流输电网络，光伏发电系统，变压器，交流母线，电网，交流负载，带通滤波器等；其中光伏系统发出功率通过逆变器和整流器通过
直流电线路汇集到电缆，接着通过输电线路传输至电网及负载，确保受电端的电压正常并完成作业。
8.进一步地，光伏柔性直流输电系统由光伏发电系统、电网及交流负载构成，在柔性直流输电系统中，直流侧需要维持电压稳定，因此vsc-hvdc系统中必须存在换流器采用定电压控制。光伏发电系统送端为电压源型变流器，采用稳交流电压控制策略；交流负载为电压源型换流器供电，采用虚拟同步机控制策略；交流电网采用虚拟直流功率阻尼控制的电压源型换流器并入交流电网。
9.电压源型构网控制是提高并网稳定性的一种有效方式，主要针对并网侧受端换流器的控制。基于虚拟直流功率阻尼的电压源型控制策略是通过并网时受端换流站直流侧的电流i
dc
与直流侧电压参考值构成虚拟直流功率阻尼对电压源型进行一种改进。电压控制环采集电网侧受端换流器直流侧的电压u
dc
与电压参考值u
dc,ref
做差后与额定频率ω0和额定电压u
dcn
进行标幺化处理，然后加上直流侧的电流i
dc
与直流侧电压参考值构成的虚拟功率阻尼，经过耦合系数k后加上额定角频率ω0通过积分环节得到调制角频率ω
ref
。无功控制环通过无功功率qa与无功参考值q
a,ref
做差然后标幺化后加上交流测电压参考值u
ac,ref
与交流测电压u
ac
之差乘上调制比m1，然后经过积分环节后加上电网电压的额定值u
g,ref
后经过比例系数m2得到调制电压幅值u
ref
。电压幅值u
ref
与电压控制环得出的调制角频率ω
ref
经过电压合成得到电压u
abc,ref
送入pwm模块，产生驱动信号。
10.进一步地，所述的一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法是在并网侧受端换流器中直流电容惯性同步的基础上加入了虚拟阻尼，通过引用受端换流器直流侧的电流i
dc
与电压参考值u
dc,ref
和pcc电压进行标幺化处理后，通过带通滤波器加入环路。
11.进一步地，为了更好维持直流电压的稳定性，在并网侧受端换流器的无功环路控制中加入了调制比，使系统在电网电压波动的时候能够减少无功扰动，使系统更加稳定。
12.进一步地，光伏逆变器通过对电流及功率的控制，运用pwm调制技术对电流进行控制，对电流波形进行及追踪，光伏板的最大功率点通过定步长扰动观测mppt跟踪最大的光照强度来实现。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.(1)采用改进的直流惯性同步控制策略来实现直流输电系统和电网频率的同步，不需要借助锁相环来获得电网同步信号，并且能够稳定母线电压，在光伏柔性直流输电系统中提高系统的稳定性。
15.(2)通过直流侧的电流加入控制环路中为有功控制环路提供了虚拟阻尼，能够在迅速稳定并网时存在的频率振动，当发生电网频率变化、交流负载变化及辐照度改变时，该控制策略能够迅速抑制频率振动，减小振荡，使系统稳定运行。
附图说明
16.图1为光伏柔性直流输电并网系统结构图；
17.图2为电压控制环；
18.图3为无功控制环；
19.图4为受端换流站典型拓扑；
20.图5为直流电容惯性同步控制框图；
21.图6为光伏逆变器典型控制策略；
22.图7为增加阻尼控制前后并网受端换流器频率及功率响应对比。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
24.图1的光伏柔性直流输电系统由光伏发电系统、电网及交流负载构成，在柔性直流输电系统中，直流侧需要维持电压稳定，因此vsc-hvdc系统中必须存在换流器采用定电压控制。光伏发电系统送端为电压源型变流器，采用稳交流电压控制策略；交流负载为电压源型换流器供电，采用虚拟同步机控制策略；交流电网采用虚拟直流功率阻尼控制的电压源型换流器并入交流电网。
25.电压源型构网控制是提高并网稳定性的一种有效方式，基于虚拟直流功率阻尼的电压源型控制策略是通过对并网侧受端换流站的直流侧电流i
dc
与直流侧电压参考值构成虚拟直流功率阻尼对受端电压源型换流器控制环节进行一种改进。电压控制环如图2，采集受端换流器vsc3直流侧的电压u
dc
与电压参考值u
dc,ref
。u
dc
与u
dc,ref
做差后与额定频率ω0和额定电压u
dcn
进行标幺化处理，然后加上直流侧的电流i
dc
与直流侧电压参考值构成的虚拟功率阻尼，经过耦合系数k后加上额定角频率ω0通过积分环节得到调制角频率ω
ref
。无功控制环如图3通过无功功率qa与无功参考值q
a,ref
做差然后标幺化后加上交流测电压参考值u
ac,ref
与交流测电压u
ac
之差乘上调制比m1，然后经过积分环节后加上电网电压的额定值u
g,ref
后经过比例系数m2得到调制电压幅值u
ref
。电压幅值u
ref
与电压控制环得出的调制角频率ω
ref
经过电压合成得到电压u
abc,ref
送入pwm模块，产生驱动信号。
26.图2中带通滤波器的作用是在一定频率振荡时，该带通阻尼发挥其作用，在该频段之外或者无振荡时不起作用。为了维持直流电压的稳定性，在无功控制环路中加入了调制比，使系统在电网电压波动的时候能够减少无功扰动，使系统更加稳定。
27.受端换流站vsc3的主要作用是维持直流电压的稳定，并协调分配注入各个电网的功率。图4是受端换流站的典型拓扑。其中c为换流器直流侧等效电容，p
dc
为输入直流功率，u
dc
为直流电压，p
ac
为交流功率，关系如下：
[0028][0029]
图5是直流电容惯性同步控制框图，该控制策略不仅能够维持直流电压的稳定，而且对电网频率有支撑能力，将直流电压与交流侧的功率形成一定关系，直流功率与交流功率之间的偏差会直接反映在直流电压上。根据同步发电机的自同步原理，让受端换流站模拟同步发电机，可以将受端换流站的输出交流频率与直流电压联系起来，如下式：
[0030][0031]
本发明所提方案即在直流电容惯性同步控制的基础上加入了虚拟直流功率阻尼如图2。在柔性直流输电系统的受端换流器中加入阻尼，使系统能够在各种扰动下能够迅速达到稳定状态。
[0032][0033]
光伏逆变器通过对电流及功率的控制如图6，运用pwm调制技术对电流进行控制，对电流波形进行及时追踪，光伏板的最大功率点通过定步长扰动观测mppt跟踪最大的光照强度来实现。
[0034]
本文搭建了所提方法的仿真模型，为验证控制策略的有效性，在t＝2s时，负载侧的负荷从1mw增加到6mw，同时取消虚拟阻尼。对无阻尼电压源型控制策略和本文提出的改进电压源型控制策略进行了分析,对比了受端换流器vsc3频率及功率响应情况如图7。根据图7(a)的频率波形对比，在负载变化后，无阻尼时频率振荡一段时间后稳定且超调量为0.18％，在增加直流功率阻尼后频率能够迅速稳定且超调量为降为0.06％。通过图7(a)明显可以看出在无功率阻尼的电压源型控制，频率震荡次数较多，波动较大，需要一定时间才能够稳定。而加入虚拟直流功率阻尼时，频率波形能够迅速稳定并且能够在负载功率变化时也能够迅速稳定。图7(b)中显示了当加入了虚拟直流功率阻尼后，受端换流器vsc3输出的功率振荡得到很好的抑制且效果明显。
[0035]
如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，其特征在于，所述的柔性直流输电包含光伏侧电压源型变流器，电网侧电压源型变流器，直流输电网络，光伏发电系统，变压器，交流母线，电网，交流负载，带通滤波器等；其中光伏系统发出功率通过逆变器和整流器通过直流电线路汇集到电缆，接着通过输电线路传输至电网及负载，确保受电端的电压正常并完成作业。2.根据权利要求1所述的一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，其特征在于光伏柔性直流输电系统由光伏发电系统、电网及交流负载构成，在柔性直流输电系统中，直流侧需要维持电压稳定，因此vsc-hvdc系统中必须存在换流器采用定电压控制；光伏发电系统送端为电压源型变流器，采用稳交流电压控制策略；交流负载为电压源型换流器，采用虚拟同步机控制策略；交流电网采用虚拟直流功率阻尼控制的电压源型换流器并入交流电网。3.根据权利要求1所述的一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，其特征在于电压源型构网控制是提高并网稳定性的一种有效方式，主要针对并网侧受端换流器的控制；基于虚拟直流功率阻尼的电压源型控制策略是通过并网侧电压源型换流器直流侧的电流i
dc
与直流侧电压参考值构成虚拟直流功率阻尼，对电压源型构网控制进行一种改进；电压控制环采集电网侧受端换流器直流侧的电压u
dc
与并设置电压参考值u
dc,ref
，u
dc
与额定电压u
dcn
做差后与额定频率ω0与参考电压u
dcn
进行标幺化处理，然后加上直流侧的电流i
dc
与直流侧电压参考值构成的虚拟功率阻尼，经过耦合系数k后加上额定角频率ω0通过积分环节得到调制角频率ω
ref
；无功控制环通过无功功率q
a
与无功参考值q
a,ref
做差然后标幺化后加上交流测电压参考值u
ac,ref
与交流测电压u
ac
之差乘上调制比m1，然后经过积分环节后加上电网电压的额定值u
g,ref
后经过比例系数m2得到调制电压幅值u
ref
；电压幅值u
ref
与电压控制环得出的调制角频率ω
ref
经过电压合成得到电压u
abc,ref
送入pwm模块，产生驱动信号。4.根据权利要求1所述的一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，其特征在于该控制策略不需要借助锁相环(pll)，并网侧受端换流器可以通过该控制策略对系统进行自同步，直流侧具有直流等效电容与受端换流器两端的功率具有一定关系，根据同步发电机的自同步原理，让受端换流器模拟同步发电机，可以将输出的交流频率与直流电压联系起来；同时该策略也能够应用于电压源型换流器，能够稳定柔性直流输电系统的直流母线电压。5.根据权利要求1所述的一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，其特征在于光伏逆变器通过对电流及功率的控制，运用pwm调制技术对电流进行控制，对电流波形进行及时追踪，光伏板的最大功率点通过定步长扰动观测mppt跟踪最大的光照强度来实现。

技术总结
一种光伏柔性直流输电系统换流器的控制方法，通过对电压源型构网控制策略中引用虚拟直流功率阻尼，对电压源型控制方案进行改进。在受端换流器中加入直流等效电容，实现变流器的同步并网。所述柔性直流输电系统由光伏发电系统、交流负载与交流电网组成。光伏发电系统送端为电压源型变流器，采用稳交流电压控制策略；交流负载侧为电压源型换流器，采用虚拟同步机控制策略；交流电网采用虚拟直流功率阻尼控制的电压源型换流器并入交流电网。本专利提供的虚拟直流功率阻尼控制策略，对电压源型构网控制进行改进，完成并网自同步的同时稳定直流母线电压，当光伏并网时，能够改善频率振荡，降低超调量且具有较强的抗干扰能力。降低超调量且具有较强的抗干扰能力。


技术研发人员：颜湘武 孙邵彬
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/14