[发明专利]一种提高电力系统惯性水平的风电场-柔性直流输电系统的协同控制方法

说明书

技术领域

本发明属于海上风力发电技术领域，具体涉及一种提高电力系统惯性水平的风电场-柔性直流输电系统的协同控制方法。

背景技术

VSC-HVDC（柔性直流输电系统）是远距离大规模海上风电并网的典型结构。与传统直流输电系统并网相比，VSC-HVDC可独立调节输出的有功和无功功率，为诸如海上风电的无源和孤岛系统提供电压支撑能力。

点对点柔性直流输电系统由两端换流站经海底直流电缆相连接。其中WFVSC（风场侧换流站）主要收集由DFIG（双馈式感应风力发电机）发出的能量，而GSVSC（网侧换流站）为了传递风能到电网侧，具体拓扑如图1所示。其中，海上风电场由多台DFIG并机组成，DFIG内部包括有RSC（转子侧换流器）和GSC（网侧换流器），DFIG将风能转换为交流电能注入海上交流母线上，经VSC-HVDC功率调节后将电能传送至岸上交流系统。

用于海上风电场接入的VSC-HVDC包含两端换流器控制。对于GSVSC，其控制策略采用电网电压定向坐标系。坐标系的d轴与电网电压同向。整个控制器由两级控制构成。外环控制器分别控制直流电压和与岸上电网交换的无功功率。内环电流控制以跟踪外环控制器产生的电流参考值，产生所需交流电压。具体控制如图2所示。WFVSC运行在给定的电压幅值和频率下运行，类似无穷大电源一样，控制策略如图3所示；WFVSC参考频率在稳态下保持恒定。海上交流电压幅值将由外环电压控制和内环电流控制构成。这种控制不仅能快速的跟踪实际电流，更能在风场侧发生交流故障时限制故障电流。

在传统控制方式下，由于直流输电有效解耦了海上和岸上两端交流电网。这一特性将导致海上风电场很难为电力系统提供惯性支撑。不断增加的风力机容量，将导致电力系统的有效惯量不断减少，使电力系统成为一个低惯量系统。低惯量系统旋转动能小，在负荷变化和系统故障下，会导致频率的大范围偏移，严重影响电力系统的稳定性。

DFIG能独立控制其发出的有功、无功功率。当风速低于额定风速时，DFIG发出有功由最大功率跟踪（MPPT）所控；当风速高于额定风速时，其发出功率由桨矩角控制限制为额定功率，其控制策略如图4所示。

由于异步电机特性，储存在DFIG中的转子动能将有效地与电网解耦。在电网扰动下，相比传统的FSIG（定速感应电机），DFIG独特的变速运行能力使其能有效利用储存在转子中的动能为电网提供频率支撑。引入DFIG频率特性的一种直接方法是人为耦合系统转速和DFIG转子转速。Morren等人在标题为Wind turbine emulating inertia and supporting primary frequency control（Power Systems,IEEE transaction on,2006.21(1):p.433-434）的文献中提出用电网频率的偏差来修改DFIG的有功参考值，但这种方法都只用于交流电网，对风能通过VSC-HVDC送出系统很难使用。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种提高电力系统惯性水平的风电场-柔性直流输电系统的协同控制方法，能够在电网扰动下，通过直流电容和DFIG转子动能来提高电力系统惯性水平，减小陆上交流电网的频率变化。

一种提高电力系统惯性水平的风电场-柔性直流输电系统的协同控制方法，包括如下步骤：

（1）通过锁相环检测岸上交流系统的频率f，根据频率f通过直流电压滑差控制算法，计算得到GSVSC的直流电压参考值V_ref；

（2）根据直流电压参考值V_ref，采用定直流电压和定无功功率的控制策略对GSVSC进行控制；

（3）检测WFVSC的直流母线电压V_DC，根据直流母线电压V_DC通过变频控制算法，计算得到WFVSC的频率参考值f_ref；

（4）根据频率参考值f_ref，采用定交流电压和定频率的控制策略对WFVSC进行控制；

（5）检测风场侧交流系统的频率f_WF，根据频率f_WF通过变功率控制算法，计算DFIG的有功功率参考值P_ref；

（6）根据有功功率参考值P_ref，采用定有功功率和定无功功率的控制策略对DFIG的RSC进行控制。

所述的步骤（1）中的直流电压滑差控制算法基于以下算式：