用于區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)的新型VSC虛擬同步技術(shù)

傳統(tǒng)基于鎖相環(huán)(phaselockloop，PLL)電網(wǎng)跟蹤型控制在電網(wǎng)短路比(shortcircuitratio，SCR)較低或PLL帶寬較高情況時(shí)，給電力系統(tǒng)引入負(fù)阻尼導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，提出了一種不依賴PLL的用于區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)的新型電壓源換流器(voltagesourceconverter，VSC)虛擬同步控制。首先，構(gòu)造VSC直流電壓與受端系統(tǒng)頻率間的下垂特性，當(dāng)受端電網(wǎng)受擾后，受端換流器可為系統(tǒng)提供慣量支撐。其次，測量送端電壓波動(dòng)與直流電流波動(dòng)可計(jì)算受端交流系統(tǒng)的頻率擾動(dòng)，通過模擬同步機(jī)的一次調(diào)頻特性，在受端電網(wǎng)受擾時(shí)，送端電網(wǎng)可不依賴通信為受端電網(wǎng)提供頻率支撐。與傳統(tǒng)控制相比，在系統(tǒng)受擾時(shí)，利用電容儲(chǔ)能及送端電網(wǎng)的調(diào)頻能力為其提供頻率支撐?；赑SCAD/EMTDC仿真算例驗(yàn)證了受端系統(tǒng)弱SCR場景、負(fù)荷變化場景下所提控制策略的有效性。關(guān)鍵詞:電壓源換流器；區(qū)域間互聯(lián)；虛擬同步控制；頻率支撐0引言converterbasedHVDC,VSCHVDC)技術(shù)在大規(guī)模新能源并網(wǎng)、區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)和無源網(wǎng)絡(luò)送電等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1]。相比于傳統(tǒng)直流輸題等優(yōu)良特性。在典型區(qū)域互聯(lián)的柔性直流輸電系統(tǒng)中，受端換流器 (receivingside-VSC,RS-VSC)通過直流電壓控制保證有功功率的傳輸，通過無功功率控制調(diào)整與受端電網(wǎng)交換的無功。該傳統(tǒng)控制策略[2-3]主要依賴于鎖相環(huán)(phaselockloop,PLL)跟蹤的矢量控制(vectorcontrol)。[4]然而，傳統(tǒng)的VSC-HVDC阻斷了送端和受端交流系統(tǒng)之間的聯(lián)系，使得受端電網(wǎng)的“有效慣量”水平不斷降低。在受端電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)后，[5]C的慣量支撐，導(dǎo)致受端電網(wǎng)的暫態(tài)期間頻率偏差斜率(rateofchange著電力電子裝備在電網(wǎng)中滲透率的不斷增大，受端電網(wǎng)的短路比(shortcircuitratio，SCR)逐漸降低，電網(wǎng)強(qiáng)度變?nèi)?。研究表明，在弱電網(wǎng)場景下，鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)過程會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；極端工況下，鎖[6-7]相環(huán)會(huì)為系統(tǒng)引入負(fù)阻尼，造成換流器的次同步振蕩現(xiàn)象。因此，在上[8]亟需研究適應(yīng)未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新型控制策略。[9]撐，學(xué)者們已做了大量有意義的工作?？傮w上說，新型策略分為兩[2-3,10-21]有功、無功參考值，使VSC具備慣量響應(yīng)、頻率調(diào)節(jié)和區(qū)域間阻尼[10-11][12]能力。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種新型VSC-HVDC異步聯(lián)網(wǎng)的頻率控制策略，[13]緊急功率支援協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[15-16]通過將傳統(tǒng)同步機(jī)的搖擺方程內(nèi)嵌至VSC控制系統(tǒng)，從而模擬同步機(jī)的優(yōu)良特性，這就是眾所周讓VSC具備電網(wǎng)響應(yīng)能力，有效提升了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，它們都需要PLL來獲取PCC點(diǎn)電壓相位，以實(shí)現(xiàn)VSC與電網(wǎng)之間的同滿足快速獲取電網(wǎng)同步信息和維持穩(wěn)定性方面通常是矛盾的。[17]為克服PLL的負(fù)面影響，文獻(xiàn)[18-19]提出了一種被稱為“功率同步控制”的新型VSC控制策略。該策略通過模擬同步機(jī)的有功無功傳時(shí)可以為弱交流電網(wǎng)提供電壓支撐。文獻(xiàn)[20]提出了一種無需同步器件的“同步換流器”。該控制框架在文獻(xiàn)[21]中被應(yīng)用于柔性直流輸電系現(xiàn)換流器的同步。文獻(xiàn)[22-23]提出了一種利用直流電容電壓的自然動(dòng)身的潛力，通過直流電容儲(chǔ)能為系統(tǒng)同時(shí)提供慣量和阻尼支撐。此策略被進(jìn)一步擴(kuò)充至多端直流輸電系統(tǒng)場景中[24]，實(shí)驗(yàn)證明所提策略能有效在利用VSC-HVDC進(jìn)行區(qū)域間互聯(lián)的虛擬同步控制的設(shè)計(jì)上，需要解決兩個(gè)核心問題：①如何實(shí)現(xiàn)VSC無需PLL的自同步過程；②如何協(xié)調(diào)配合送端換流器和受端換流器，使得VSC-HVDC能夠?yàn)槭芏穗娀诂F(xiàn)有研究基礎(chǔ)，本文提出了一種不依賴于PLL和遠(yuǎn)端通信的新型VSC區(qū)域間互聯(lián)的控制技術(shù)。在受端換流器控制中，構(gòu)造受端直流電壓與受端換流器頻率之間的下垂特性。區(qū)別于文獻(xiàn)[22]，當(dāng)系統(tǒng)受擾后，受端換流器控制策略利用直流電容僅為系統(tǒng)提供慣量支撐。為了避免直流電壓波動(dòng)過大，通過調(diào)用送端強(qiáng)電網(wǎng)的調(diào)頻能力，為受端弱電網(wǎng)提供更多的頻率支撐。為了消除通信的代價(jià)，送端換流器通過測量近端直流電壓和電流波動(dòng)，感知遠(yuǎn)端系統(tǒng)頻率偏差，實(shí)現(xiàn)無需通信的一次調(diào)為受端弱電網(wǎng)提供慣量和頻率支撐。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了基于區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)的VSC-HVDC算例，與傳統(tǒng)的基于PLL的策略進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所提策略的有效性。1同步發(fā)電機(jī)同步機(jī)制分析在給出所提虛擬同步控制之前，為了更好地模擬同步發(fā)電機(jī)的同步GdGGlS圖1單機(jī)無窮大系統(tǒng)Fig.1TheschematicdiagramofsingleSGconnectedtoaninfinitebussystem始相角為0，發(fā)電機(jī)輸出的功率P為：e同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：BGGP和P分別為原動(dòng)機(jī)的輸入功率和發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率。me發(fā)電機(jī)的功角曲線如圖2曲線描述。假設(shè)式(2)中發(fā)電機(jī)功角δ發(fā)G運(yùn)行點(diǎn)由A突變至B。由于輸入機(jī)械功率01m率，轉(zhuǎn)子開始減速，直至到達(dá)運(yùn)行點(diǎn)C，轉(zhuǎn)子速度減至同步速。此后，發(fā)電機(jī)功角開始沿著C—A—B方向減小，經(jīng)歷短暫振蕩后最終穩(wěn)定在圖2同步發(fā)電機(jī)功角特性Fig.2Thepower-anglecharacteristicofSG綜合以上分析可得：同步發(fā)電機(jī)存在固有的功角特性來實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)行，功角的偏差可反饋發(fā)電機(jī)電磁功率的增大或減小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)地升高或降低，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自同步。因此，本文設(shè)計(jì)受端換流器控制的核心思路是構(gòu)造式(2)所描述的動(dòng)態(tài)方程。圖3為采用VSC-HVDC連接兩個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的拓?fù)鋱D。其中，送端交流系統(tǒng)1通過送端換流器(sendingside-VSC,SS-VSC)轉(zhuǎn)換功率，受端交流系統(tǒng)2通過受端換流器(receivingside-VSC,RS-VSC)來接SC圖3區(qū)域間電網(wǎng)VSC互聯(lián)拓?fù)鋱DFig.3ThetopologyoftheVSCbasedHVDCtransmissionforinter-areaconnection2.1固定調(diào)制比控制RS-VSC接入交流電網(wǎng)示意圖如圖4所示。其中，交流系統(tǒng)用無窮大電壓源進(jìn)行模擬，其端電壓為V；為了簡化，線路阻抗用電抗X表SLC電壓用V表示；換流器電壓的幅值和相位角分別用V和δ表示；RS-PCCCC圖4單換流器連接交流電網(wǎng)示意圖Fig.4TheschematicdiagramofsingleconverterconnectedtoACsystem為了充分利用換流器自身的潛力為受端弱交流系統(tǒng)提供電壓支撐，RSVSC成為一個(gè)理想電壓源。根據(jù)兩電平換流器的基本知識(shí)，RS-VSC的直流電壓V和換流器交流線電壓有效值V之間有如下關(guān)系：式中：m為換流器abc三相電壓的調(diào)制比，本文不考慮三相不對(duì)abcDC2rCr程，直流電壓和換流器交流電壓的標(biāo)稱值VDC2n與VCn定義如下：n直流電壓和換流器交流電壓之間的關(guān)系式可表示為：基于式(5)，為了使RS-VSC為交流系統(tǒng)提供電壓支撐能力，RS-擬了同步機(jī)經(jīng)典模型中內(nèi)電勢恒定的特性。2.2慣量模擬傳統(tǒng)的并網(wǎng)型換流站依賴于PLL來獲取并網(wǎng)點(diǎn)相位以實(shí)現(xiàn)和電網(wǎng)同步，同時(shí)利用基于PLL的矢量控制達(dá)到有功和無功的有效解耦。然而，這種基于PLL的電網(wǎng)跟蹤型控制在電網(wǎng)較弱或PLL帶寬較高情況時(shí)，將為控制系統(tǒng)引入負(fù)阻尼，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。而且，由于VSC-HVDC解耦了交流系統(tǒng)之間的聯(lián)系，傳統(tǒng)的VSC控制無法為交流系統(tǒng)提供充同時(shí)能夠?yàn)槭芏讼到y(tǒng)提供充足慣量支撐的VSC控制。同步機(jī)的功角特性可用式(2)描述。從式(2)中可得出，同步機(jī)在該過程中，轉(zhuǎn)子的部分動(dòng)能被存儲(chǔ)或釋放用于系統(tǒng)短時(shí)的慣量支撐。上述同步機(jī)的暫態(tài)過程被稱作“慣量響應(yīng)”。受到同步機(jī)特性的啟發(fā)，V在受端電網(wǎng)擾動(dòng)下，RS-VSC直流電壓的動(dòng)態(tài)過程CC0可描述為：CBDC有名值和標(biāo)幺值；ΔP和ΔP分別為受端和送端換流器功率輸出的偏差RS量。從式(6)中可以清楚看到，受端電網(wǎng)任意的功率不平衡過程會(huì)反頻率和直流電壓按照一定的下垂關(guān)系進(jìn)行人為耦合：DCDC20f流器頻率。由式(7)可得，換流器頻率的控制法則如下：C將式(8)代入式(6)中可得，在該直流電壓-頻率下垂控制法則下，RS-VSC的直流電壓動(dòng)態(tài)過程可描述為：式(9)和式(2)在數(shù)學(xué)形式上具有高度的一致性。不同的是，同的動(dòng)能來提供慣量響應(yīng)，而RS-VSC利用直流電容器存儲(chǔ)的電能來提供慣量響應(yīng)，最終達(dá)到降低系統(tǒng)暫態(tài)期間頻率變化率的圖5RS-VSC慣量響應(yīng)模擬Fig.5TheschematicoftheinertiaemulationoftypicalSG因此，根據(jù)式(9)，在所提控制策略下，RSVSC的虛擬慣量常數(shù)H可推導(dǎo)為：C式(10)表明，直流電容器的電容C越大，下垂系數(shù)k越大，直撐就越多。同時(shí)，RS-VSC換流器電壓的相位δ的控制律可定義如下：C式中：ω為系統(tǒng)的基準(zhǔn)角頻率。綜上，式(5)、(8)和(11)分BRSVSC充分模擬同步機(jī)的優(yōu)良特性，利用直流電容電壓波動(dòng)耦合電網(wǎng)功率變化，實(shí)現(xiàn)了無需PLL即能實(shí)現(xiàn)自同步的控制機(jī)制。同時(shí)，該控制策略通過在暫態(tài)期間直流電容的充放電過程來為弱交流系在圖3的區(qū)域間電網(wǎng)VSC互聯(lián)拓?fù)鋱D中，受端交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)會(huì)引發(fā)受端直流電壓V的波動(dòng)。若只考慮直流輸電線路的電阻，受端直流電壓V和送端直流電壓V之間存在如下關(guān)系：DCDC1化，同時(shí)代入式(7)：根據(jù)式(14)，所提的RS-VSC控制策略下，不需要通信，送端通過測量直流電壓波動(dòng)與直流電流的波動(dòng)即可計(jì)算受端交流系統(tǒng)的頻率波動(dòng)。為了充分發(fā)揮送端源側(cè)系統(tǒng)的緊急救援能力，為受端系統(tǒng)提供更SSVSC過程。SS-VSC可根據(jù)式(14)中計(jì)算的受端系統(tǒng)頻率偏差來調(diào)整送端換流器有功SSVSC的有功功率參考值PS*可設(shè)置如下：fS0參考初始值。將式(15)代入式(9)，可得：式(16)表示，送端系統(tǒng)通過模擬一次調(diào)頻控制，為受端系統(tǒng)提供頻率和阻尼支撐，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上，送端系統(tǒng)根據(jù)所計(jì)算的受端系統(tǒng)頻率波動(dòng)來改變SS-VSC的功率參考值，進(jìn)而響應(yīng)受端電網(wǎng)的頻率波動(dòng)，提供有效的頻率支撐，該提的適用于區(qū)域間電網(wǎng)互聯(lián)的新型VSC虛擬同步技術(shù)的整體控制策略供是強(qiáng)圖6本文VSC-HVDC整體控制策略框圖Fig.6OverallcontrolschemeoftheproposedstrategyofVSC-HVDC4仿真分析4.1仿真平臺(tái)與算例件PSCAD/EMTDC中搭建如圖7所示的用于區(qū)域間互聯(lián)的VSC-HVDCVSC負(fù)責(zé)向受端弱交流系統(tǒng)傳輸電能。受端弱交流系統(tǒng)由1臺(tái)等效同步發(fā)電機(jī)以及若干本地負(fù)荷構(gòu)成。VSC-HVDC和同步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表圖7用于區(qū)域間互聯(lián)的VSC-HVDC測試系統(tǒng)Fig.7ThetestsystemofVSC-HVDCforinter-areaconnection表1VSC-HVDC相關(guān)參數(shù)Table1ParametersoftheVSC-HVDC表2同步發(fā)電機(jī)參數(shù)Table2ParametersoftheSG續(xù)表本算例將所提策略與傳統(tǒng)基于PLL的電網(wǎng)跟蹤型控制進(jìn)行對(duì)比，為了體現(xiàn)所提策略在受端弱電網(wǎng)條件下的優(yōu)越性，在t=1s時(shí)，調(diào)整線路L8所示。其中，在傳統(tǒng)基于PLL的控制中，鎖相環(huán)獲取PCC點(diǎn)電壓相寬27Hz)PLL控制和基于低帶寬(帶寬12Hz)PLL控制。由圖8(a)可知，受端系統(tǒng)短路比降低時(shí)，所提控制策略可以有效低帶寬控制參數(shù)下的PLL，高帶寬控制參數(shù)下的PLL會(huì)放大PCC點(diǎn)q軸電壓的測量誤差。由圖8(b)可知，在所提控制策略下，RS-VSC在受擾后，會(huì)自動(dòng)升高PCC點(diǎn)和受端同步發(fā)電機(jī)機(jī)端之間的相角差，這個(gè)過PLL制中，系最終表現(xiàn)為圖8(c)中的輸出功率振蕩現(xiàn)象。而在所提控制策略下，換流器輸出功率在系統(tǒng)短路比降低后經(jīng)歷短期的振蕩過程后又會(huì)恢復(fù)到一個(gè)新的平衡穩(wěn)定點(diǎn)。圖8(d)和(e)中對(duì)比可知，由于傳統(tǒng)基于PLL以上結(jié)果對(duì)比可知，在較弱電網(wǎng)場景下，傳統(tǒng)基于PLL的控制策略PLL負(fù)面過模擬傳統(tǒng)同步機(jī)的同步機(jī)理和慣量響應(yīng)過程，RS-VSC能夠?yàn)槿踅涣麟娋W(wǎng)提供充足的電壓支撐和頻率支撐，提高受端弱交流系統(tǒng)的圖8與傳統(tǒng)PLL控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比Fig.8DynamicresponsecomparedwithtypicalPLLbasedcontrol4.3算例2：受端電網(wǎng)負(fù)荷突增本算例研究在受端電網(wǎng)負(fù)荷突增場景下，所提控制策略的動(dòng)態(tài)過程。與受端交流系統(tǒng)連接的兩個(gè)負(fù)載使用恒功率模型，其中P+jQ為350MW+120Mvar，P+jQ為50MW+10Mvar。在t=5s時(shí)，負(fù)載L2L2P+jQ投入，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖9所示。圖9對(duì)比了無附加控制、L2L2僅慣量控制和所提控制策略(下文為了方便敘述，分別稱作為方案A、方案B和方案C)3種