[发明专利]基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法

说明书

本发明涉及基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法，系统中包含两个直流侧直接连接的换流器，采集的实际直流电压与设定的直流电压指令的差值，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的虚拟同步机控制模式中进行有功调节的第二机械功率取反，并与第一功率差值求和，作为第一换流器的虚拟同步机控制模式中进行有功调节的第一机械功率，第一、第二机械功率用于生成第一、第二换流器交流电的电角度，本发明基于虚拟同步机技术的背靠背直流输电系统，能在发电机组装机容量需求减少、电网等效旋转惯量降低的情况下，有效提高系统的调频能力，保证电力系统安全稳定运行。

技术领域

本发明属于高压输电领域，具体涉及基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法。

背景技术

随着我国能源结构的调整以及电网建设规划的推进，柔性直流输电系统以其有功功率、无功功率独立灵活可控，无需电网换相电压，可向孤岛地区供电等优势得到广泛应用，并朝着高压大容量的方向发展。

目前，以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)多采用常规的基于同步旋转坐标系下PI双环解耦的直接电流控制，此类控制中有功、无功类控制目标多为固定数值，并不能积极响应系统电压及频率的变化，无法发挥大容量VSC对交流系统的电压、频率支援作用。并且VSC表现为零惯量特性，随着VSC-HVDC在电网中的渗透率不断提高，电力系统内发电机组装机容量需求相应减少，电网等效旋转惯量降低，导致系统调频能力明显减弱，非常不利于电力系统安全稳定运行。另外，常规控制方式下VSC-HVDC需要通过控制模式的切换实现孤岛与联网模式下不间断运行，这对VSC平滑无缝的模式切换策略提出了很高的要求，不仅增大了控制系统设计难度，而且难以避免切换过程中的电气冲击，不利于负荷安全稳定供电。

近年来，基于虚拟同步发电机的VSC控制技术在微电网、风力发电等系统中逐渐发展起来，其通过模拟传统同步发电机的机械、电气方程，以及调频、调压控制等，使VSC体现出同步发电机的运行特性，从而主动调节电力系统电压和频率，并适用于单机和多机并联运行。这对VSC-HVDC系统解决上述问题而言极具借鉴价值。

《电力系统自动化》期刊第39卷第21期的一篇名称为《虚拟同步发电机技术及展望》的论文介绍了虚拟同步发电机(VSG)及其运行控制策略，如图1所示，该虚拟同步发电机包括主电路和控制系统，控制系统是实现虚拟同步发电机的核心，主要包括VSG本体模型和控制算法，控制算法主要从外特性上模拟同步发电机的有功调频和无功调压等特征，其中的有功-频率控制通过检测功率差ΔP来控制虚拟机械转矩输出而调节功率，如图2所示。

但是，目前学术界对于虚拟同步机(Virtual Synchronous Machine，VSM)技术的研究仅着眼于单台VSC或其调频、调压控制。应用于直流侧不经直流线路而直接连接构成的背靠背VSC-HVDC系统时，如何确保背靠背系统的直流电压稳定，同时实现双端交流系统的频率控制，并适应任意一端交流系统孤岛工况，是该技术向VSC-HVDC系统推广所面临的首要问题，需要开展深入的研究。

发明内容

本发明的目的是提供基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统及控制方法，用于在发电机组装机容量需求减少、电网等效旋转惯量降低的情况下，有效提高系统的调频能力，保证电力系统安全稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于虚拟同步机的背靠背直流输电系统控制方法，包括以下步骤：

所述直流输电系统采用虚拟同步机控制，其中设置的第一换流器和第二换流器分别通过各自的有功调节、无功调节，生成各自的机械功率和参考电压幅值，经过虚拟同步机本体算法，分别生成控制第一换流器和第二换流器的调制波；

其中，采集的实际直流电压与设定的直流电压指令的差值，经调节器调节，生成第一功率差值；将第二换流器的机械功率取反，并与所述第一功率差值求和，作为第一换流器的机械功率。