一种用于风电柔直并网系统的协调惯量支撑方法及系统与流程

本发明涉及风电并网，并且更具体地，涉及一种用于风电柔直并网系统的协调惯量支撑方法及系统。

背景技术：

1、由于我国可再生能源与负荷中心点呈逆向分布特点，在大型可再生能源基地向负荷中心远距离直流输电应用广泛。大规模可再生能源经柔性直流接入受端电网，由于传统并网控制下的柔性直流输电电力电子装置无法提供旋转惯量，会导致受端电网的惯量支撑下降，对频率稳定造成不利影响。同时，直流输电使得风电场与受端电网频率解耦，使得送端风电和受端电网成为了独立的个体，送端风电及直流输电无法响应频率变化及进行惯量支撑和调频支撑，从而失去了在事故期间相互支援的能力，导致受端电网频率进一步降低。

2、柔性直流输电系统具有可以灵活调节有功无功的特性，可以类比新能源发电系统，在柔性直流输电系统中引入下垂控制和虚拟惯量控制，主动调节直流系统输送的直流功率，从而使得直流系统能够参与受端电网的惯量调节，从而改善受端电网的频率特性。

3、为实现风电场经柔性直流输电对受端电网频率变化的协同主动频率支撑，同时避免风电场利用通信感知受端电网频率扰动引起的控制时延问题，现有研究通过耦合风电场侧换流母线电压频率调节跟随网侧换流站直流电压调节变化，实现风电-柔直系统的无通信协调频率支撑控制。相关研究定性讨论了不同gsvsc直流电压-频率下垂系数和风机附加有功-频率下垂控制系数对并网系统无通信协调惯量支撑效果、直流电压和风机转速动态响应过程的影响。分析表明由于直流电压调节量正比于下垂系数，虽然较小的下垂系数取值能够保证极端情况下的直流电压调节不越限，但也限制了gsvsc利用电容储能提供惯量支撑的作用；同时，较小的风机附加调频下垂系数也会限制风电场发挥惯量支撑的作用，较大的下垂系数则会引起风机转速恢复导致的频率二次跌落，但并未进一步研究提升协同惯量支撑的关键控制参数设计方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种用于风电柔直并网系统的协调惯量支撑方法，包括：

2、构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型；

3、根据所述无通信惯性响应模型，确定所述风电柔直系统的下垂系数控制律及调速系数控制律；

4、基于所述下垂系数控制律及调速系数控制律，控制风电柔直并网系统的惯量支撑。

5、可选的，构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型，包括：

6、根据风电柔直并网系统的控制策略和等效电路，建立双馈风电场经柔性直流输电接入受端电网并网的运行原理图；

7、根据所述运行原理图，建立gsvsc附加下垂控制后频率响应的第一传递函数及当前转速双馈风机变比例调速频率响应的第二传递函数；

8、根据所述第一传递函数及第二传递函数，构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型。

9、可选的，第一传递函数如下：

10、

11、其中，gi1(s)为柔直电流内环传递函数，icd和icdref分别为柔直内环电流的d轴分量实际值与参考值，lg和rg分别为gsvsc交流侧等效连接阻抗，gp1(s)为柔直频率响应开环传递函数，ku为直流电压-频率下垂系数，δpg(s)为柔直输出功率增量，δf(s)为系统频率变化量，δudc(s)为直流线路电压变化量，usd为网侧换流母线电压d轴分量，gpg(s)为柔直系统频率响应闭环传递函数，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压，kp1、ki1、kp2和ki2分别为gsvsc功率外环和电流内环pi控制的比例和积分控制参数。

12、可选的，第二传递函数如下：

13、

14、其中，gi2(s)为风机电流内环传递函数，irq和irqref分别为风机转子q轴分量电流的实际值与参考值，lσ＝lr－lm2/ls、ls、lr、lm分别为双馈风机定、转子绕组的自感和互感，rr为转子绕组电阻，gp2(s)为风机输出功率传递函数，δpwe和δpweref分别为风机参与调频的有功增量及其参考值，uf为风电场端电压幅值，gpw(s)为风机频率响应闭环传递函数，δfg为wfvsc逆变电压频率变化量，kw为调速系数，ωr0和ωrref分别为转子稳态转速和转速参考值，hw为风机转子惯性时间常数，kp3和ki3为转速pi控制的比例和积分参数，kp4、ki4、kp5和ki5分别为双馈风机转子侧变流器功率外环和电流内环pi控制的比例和积分参数。

15、可选的，无通信惯性响应模型，如下：

16、

17、其中，gpf(s)为风电柔直并网系统惯性响应闭环传递函数，δpg(s)为柔直输出功率增量，δf(s)为系统频率变化量，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压，ku为直流电压-频率下垂系数，kf为惯性协调系数，gp1(s)为柔直频率响应开环传递函数，gpg(s)为柔直系统频率响应闭环传递函数，gpwwf(s)为风电场频率响应闭环传递函数，kwi为风机i的调速系数，gp2(s)为风机的输出功率传递函数。

18、可选的，风电柔直系统的下垂系数控制律，如下：

19、

20、其中，ku为直流电压-频率下垂系数，α为调节权重，t为流形收敛时间，δf和分别为系统频率变化量及其变化率，δudc和为直流线路电压变化量及其变化率，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压。

21、可选的，风电柔直系统的调速系数控制律，如下：

22、

23、其中，kwi为风机i的调速系数，m为风机台数，hdi和hwi分别为风机i自身固有的惯性时间常数和阻尼fg变化的虚拟惯性时间常数，ωri0为风机i转子稳态转速，β和β1分别为风电场惯量和直流线路电压的调节权重，t为流形收敛时间，pwmi和pwei分别为风机i的机械功率和参与调频的有功功率，δfg和分别为wfvsc逆变电压频率变化量及其变化率，δudc和为直流线路电压变化量及其变化率，δωrk为风机k的转子转速变化量。

24、再一方面，本发明还移除了一种用于风电柔直并网系统的协调惯量支撑系统，包括：

25、构建模型单元，用于构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型；

26、计算单元，用于根据所述无通信惯性响应模型，确定所述风电柔直系统的下垂系数控制律及调速系数控制律；

27、协同单元，用于基于所述下垂系数控制律及调速系数控制律，控制风电柔直并网系统的惯量支撑。

28、可选的，构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型，包括：

29、根据风电柔直并网系统的控制策略和等效电路，建立双馈风电场经柔性直流输电接入受端电网并网的运行原理图；

30、根据所述运行原理图，建立gsvsc附加下垂控制后频率响应的第一传递函数及当前转速双馈风机变比例调速频率响应的第二传递函数；

31、根据所述第一传递函数及第二传递函数，构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型。

32、可选的，第一传递函数如下：

33、

34、其中，gi1(s)为柔直电流内环传递函数，icd和icdref分别为柔直内环电流的d轴分量实际值与参考值，lg和rg分别为gsvsc交流侧等效连接阻抗，gp1(s)为柔直频率响应开环传递函数，ku为直流电压-频率下垂系数，δpg(s)为柔直输出功率增量，δf(s)为系统频率变化量，δudc(s)为直流线路电压变化量，usd为网侧换流母线电压d轴分量，gpg(s)为柔直系统频率响应闭环传递函数，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压，kp1、ki1、kp2和ki2分别为gsvsc功率外环和电流内环pi控制的比例和积分控制参数。

35、可选的，第二传递函数如下：

36、

37、其中，gi2(s)为风机电流内环传递函数，irq和irqref分别为风机转子q轴分量电流的实际值与参考值，lσ＝lr－lm2/ls、ls、lr、lm分别为双馈风机定、转子绕组的自感和互感，rr为转子绕组电阻，gp2(s)为风机输出功率传递函数，δpwe和δpweref分别为风机参与调频的有功增量及其参考值，uf为风电场端电压幅值，gpw(s)为风机频率响应闭环传递函数，δfg为wfvsc逆变电压频率变化量，kw为调速系数，ωr0和ωrref分别为转子稳态转速和转速参考值，hw为风机转子惯性时间常数，kp3和ki3为转速pi控制的比例和积分参数，kp4、ki4、kp5和ki5分别为双馈风机转子侧变流器功率外环和电流内环pi控制的比例和积分参数。

38、可选的，无通信惯性响应模型，如下：

39、

40、其中，gpf(s)为风电柔直并网系统惯性响应闭环传递函数，δpg(s)为柔直输出功率增量，δf(s)为系统频率变化量，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压，ku为直流电压-频率下垂系数，kf为惯性协调系数，gp1(s)为柔直频率响应开环传递函数，gpg(s)为柔直系统频率响应闭环传递函数，gpwwf(s)为风电场频率响应闭环传递函数，kwi为风机i的调速系数，gp2(s)为风机的输出功率传递函数。

41、可选的，风电柔直系统的下垂系数控制律，如下：

42、

43、其中，ku为直流电压-频率下垂系数，α为调节权重，t为流形收敛时间，δf和分别为系统频率变化量及其变化率，δudc和为直流线路电压变化量及其变化率，c为直流线路等效电容，udc0为系统稳态运行时直流电压。

44、可选的，风电柔直系统的调速系数控制律，如下：

45、

46、其中，kwi为风机i的调速系数，m为风机台数，hdi和hwi分别为风机i自身固有的惯性时间常数和阻尼fg变化的虚拟惯性时间常数，ωri0为风机i转子稳态转速，β和β1分别为风电场惯量和直流线路电压的调节权重，t为流形收敛时间，pwmi和pwei分别为风机i的机械功率和参与调频的有功功率，δfg和分别为wfvsc逆变电压频率变化量及其变化率，δudc和为直流线路电压变化量及其变化率，δωrk为风机k的转子转速变化量。

47、再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；

48、处理器，用于执行一个或多个程序；

49、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。

50、再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

52、本发明提供了一种用于风电柔直并网系统的协调惯量支撑方法，包括：构建风电柔直系统的无通信惯性响应模型；根据所述无通信惯性响应模型，确定所述风电柔直系统的下垂系数控制律及调速系数控制律；基于所述下垂系数控制律及调速系数控制律，控制风电柔直并网系统的惯量支撑。本发明能够充分利用频率恢复阶段的发电机调频能力，在避免产生频率二次扰动情况下优化直流电压和风机转速的恢复动态特性。