[发明专利]一种VSC-HVDC系统虚拟同步机控制结构及其方法

说明书

本发明公开了一种VSC‑HVDC系统虚拟同步机控制结构及其方法，包括VSC虚拟同步机，VSC虚拟同步机通过并网开关KS接入电网；该控制结构的控制系统包括有功调节模块、无功调节模块、机械模块和电气模块。通过VSC模拟同步发电机的惯性和阻尼特性及调频、调压功能，提高交流电系统的稳定性，并且实现了联网与孤岛模式的无缝切换；该方法包括直流电压、有功功率两种有功类控制方法，能够面向VSC‑HVDC系统内所有的VSC应用，具有直流电压协调控制功能，增强了直流系统运行的可靠性。

技术领域

本发明属于高压输电技术领域，涉及一种VSC-HVDC系统虚拟同步机控制结构；本发明还涉及上述VSC-HVDC系统虚拟同步机的控制方法。

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。

但是，目前学术界对于虚拟同步机技术的研究仅着眼于单台VSC或其调频、调压控制。应用于VSC-HVDC系统时，如何应对VSC直流电压控制、有功功率控制等多种运行控制方式，并实现两台特别是多台VSC的直流电压协调控制，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

本发明的目的在于提供一种VSC-HVDC系统虚拟同步机控制结构；通过VSC模拟同步发电机的惯性和阻尼特性及调频、调压功能，提高交流电系统的稳定性，并且实现了联网与孤岛模式的无缝切换。

本发明还提供了上述VSC-HVDC系统虚拟同步机的控制方法，该方法包括直流电压、有功功率两种有功类控制方法，能够面向VSC-HVDC系统内所有的VSC应用，具有直流电压协调控制功能，增强了直流系统运行的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种VSC-HVDC系统虚拟同步机控制结构，包括VSC虚拟同步机，VSC虚拟同步机通过并网开关KS接入电网；该控制结构的控制系统包括有功调节模块、无功调节模块、机械模块和电气模块；其中有功调节模块通过直流电压控制器和f-P下垂控制器相结合或通过有功功率控制器、直流电压偏差控制器和f-P下垂控制器相结合，调节输出机械功率P_m，并通过机械模块根据P_m得到交流电的电角度θ；无功调节模块通过电压调节器和Q-U下垂控制结合输出VSC虚拟同步机的机端电势E_p，并通过电气模块，得到VSC虚拟同步机的输出三相电流i_{abc_ref}。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中VSC虚拟同步机为两个或多个，两个或多个互相连接的VSC虚拟同步机接入不同的电网。