本发明属于智能电网领域，特别涉及一种基于自动发电控制的柔性直流输电恢复电网的控制方法。
背景技术
近年来，各种气候灾害的频繁出现，以及多种新能源电源大规模接入电网,对电网的安全稳定运行提出了极高的要求。子网的局部故障,如果由于保护或自动装置出现了不正确的动作,就会导致电网出现大规模停电事故。如何确保电力系统在经历大停电事故后快速恢复正常运行,也是现今比较受到重点关注并迫切需要解决的问题。
大停电系统可以通过黑启动进行恢复，所谓黑启动是指整个系统因故障停电后,通过系统内具有自启动能力的发电机组或系统外电源辅助启动,带动其它无自启动能力的机组运行,从而逐渐扩大输电范围,最终完成整个系统的恢复。它可以分为电源恢复阶段、网络恢复阶段以及负荷恢复阶段等几个阶段。其中在负荷恢复阶段,要求负荷能够尽快而且尽可能多地恢复,以减少大停电所带来的损失。但是在系统恢复阶段初期只有部分发电机处于运行状态,系统容量很小,而小系统不断外扩,每一次系统的状态变化均会给系统带来很大的电压和频率冲击,在调节电压和频率的手段有限的情况下,只能通过降低负荷恢复速度的办法降低冲击作用。
电压源型柔性直流输电系统具有良好的有功和无功特性,可以看作无惯性的发电机,只要注入的有功控制得当,就可以为系统的频率提供良好的支持只要对末端交流电压进行控制,可有效解决启动线路过程中常见的过电压问题。目前，国内已基本上实现了柔性直流输电的理论研究，但对利用电压源型柔性直流输电系统作为电网的黑启动电源,并完成系统从大停电到正常运行的整个启动过程的仿真研究比较少。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于自动发电控制的柔性直流输电恢复电网的控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于自动发电控制的柔性直流输电系统电网恢复的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立电压源型柔性直流输电系统系统的换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过派克变换，得到d-q同步旋转坐标系下的数学模型；具体是根据电压源型柔性直流输电系统系统的拓扑结构和电压源换流器的电路结构，建立电压源型柔性直流输电系统系统在abc三相静止同步坐标系下的数学模型，通过派克变换，推导出在dq旋转坐标系下的数学模型，并得出在dq坐标系下的有功功率和无功功率的表达式。
步骤2、根据双闭环控制原理确定电压源型柔性直流输电系统在黑启动中的整流器和逆变器的控制策略；根据电压源型柔性直流输电系统控制方案选择的原则，在系统恢复开始阶段，电压源型柔性直流输电系统逆变侧连接无源系统，选用定交流电压控制，整流侧与无穷大电网连接,选用定直流电压控制,而系统恢复阶段结束后,待恢复系统已经完成了系统网架恢复以及实现了发电机的并网,电压源型柔性直流输电系统此时将作为无穷大电网以及待恢复的五节点系统的联络线,所以逆变侧和整流侧的控制策略仍不变。
步骤3、针对电压源型柔性直流输电系统参与黑启动控制发电出力的要求，确定自动发电控制策略，建立能接收控制信号的发电机调速器模型；以负荷参考控制为基础，建立具备二次调频功能的调速器模型，控制发电机出力。采用联络线功率频率偏差控制(tbc)方法确定自动发电控制策略,控制电压源型柔性直流输电系统注入可控的有功同时,控制调速器完成待恢复系统内发电机有功出力的合理分配。
步骤4、在上述模型搭建基础上，提出利用电压源型柔性直流输电系统和自动发电控制相配合进行电网恢复的控制策略,以完成对系统的恢复。将恢复过程大体分为网架恢复和负荷恢复两个阶段。第一阶段利用电压源型柔性直流输电系统作为该系统的黑启动电源,对系统内的网架结构逐步进行恢复。第二阶段将自动发电控制引入系统,此时电压源型柔性直流输电系统系统做为大电网和局部系统的联络线,实现发电机出力的合理分配,并控制电压源型柔性直流输电系统系统提供恒定的功率注入。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法从系统恢复的情况出发，依照电压源型柔性直流输电系统的控制策略选择原则，确定系统恢复中的电压源型柔性直流输电系统控制方法，能够适应黑启动过程的需要；2)本发明的方法参考负荷参考控制器完成自定义调速器模型搭建和自动发电控制的选择，能在负荷恢复阶段实现发电机出力的控制；3)自动发电控制配合电压源型柔性直流输电系统完成系统恢复的策略，在维持系统稳定的同时，可以显著突破黑启动过程的系统固有负荷恢复速度的限制，提高一次负荷恢复比例。
附图说明
图1是本发明自动发电控制辅助柔性直流输电系统参与电网恢复的控制策略的流程图。
图2是本发明基于自动发电控制的柔性直流输电系统参与黑启动的网络拓扑图。
图3是本发明柔性直流输电系统逆变侧系统的内环电流控制原理图。
图4是本发明柔性直流输电系统逆变侧系统的定交流电压控制原理图。
图5是本发明柔性直流输电系统整流侧系统控制原理图。
图6是本发明自定义发电机调速系统控制原理图。
图7是本发明基于联络线功率频率偏差控制的自动发电控制原理图。
图中编号代表的含义为：1为建立柔性直流输电系统在同步旋转坐标系下的数学模型，2为确定柔性直流输电系统整流器和逆变器的控制策略，3为确定自动发电控制系统和建立能接收控制信号的自定义发电机调速器，4为提出自动发电控制辅助柔性直流输电系统参与电网恢复的控制策略。
具体实施方式
本发明专利提出了利用自动发电控制(automaticgenerationcontrol，agc)辅助控制电压源型柔性直流输电系统进行电网恢复的控制策略,从而在保证系统稳定的同时,大大提高负荷恢复阶段的负荷恢复比例。
一种基于自动发电控制的柔性直流输电恢复电网的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、建立电压源型柔性直流输电系统的换流器在三相静止坐标系下的数学模型，之后通过派克变换，得到同步旋转坐标系下的数学模型；
根据电压源型柔性直流输电系统系统的拓扑结构和电压源换流器的电路结构，建立电压源型柔性直流输电系统系统在abc三相静止同步坐标系下的数学模型，通过派克变换，推导出在dq旋转坐标系下的数学模型，并得出在dq坐标系下的有功功率和无功功率的表达式，具体为：
将公共连接点pcc与换流器交流侧之间的联结变压器损耗和漏抗统一等效为电阻r和电抗l，并假设三相主电路参数完全相同；ia，ib，ic为abc三相线电流；ua，ub，uc为换流器交流侧abc三相相电压；udc(udc1或udc2)为直流侧电压；idc为直流线路中直流电流；rl为直流输电线路电阻；电压源型柔性直流输电系统系统一端换流器abc三相静止坐标系下的数学模型为：
由派克矢量变换矩阵及其逆变换矩阵将换流器三相静止坐标系下的数学模型变换得到dq同步旋转坐标系下的数学模型为：
在dq同步旋转坐标系下的有功功率ds和无功功率qs可表示为：
步骤2、根据双闭环控制原理确定电压源型柔性直流输电系统在电网恢复中的整流器和逆变器的控制模型；
根据电压源型柔性直流输电系统控制方案选择的原则，在系统恢复开始阶段，电压源型柔性直流输电系统逆变侧连接无源系统，选用定交流电压控制，整流侧与无穷大电网连接,选用定直流电压控制,而系统恢复阶段结束后,柔性直流输电系统作为无穷大电网以及待恢复系统的联络线,逆变侧和整流侧的控制策略不变；具体为：
采用双闭环控制，对于电流内环控制，实现dq轴解耦控制，得到换流器交流侧输出的基波电压量为
其中，
解耦项采用下式的比例微分环节补偿在等效电抗器上的压降：
在系统恢复开始阶段，电压源型柔性直流输电系统逆变侧连接无源系统，选用定交流电压控制，整流侧与无穷大电网连接,选用定直流电压控制；稳态情况下,三相电压平衡,并参考逆变器的控制方向，具体为：
以无源交流网络母线电压设定值的相位us为参考,有usd＝us，usq＝0，即
而系统恢复阶段结束后,电压源型柔性直流输电系统此时将作为无穷大电网以及待恢复系统的联络线。
步骤3、针对电压源型柔性直流输电系统参与电网恢复中控制发电出力的要求，确定自动发电控制系统结构，并建立能接收控制信号的发电机调速器模型；具体为：
对连接到系统的多台发电机作负荷功率分配时,在传统的调速器积分环节处增加一个静态反馈环来实现调速器的负荷增加时速度下降的特性，公式为：
其中，ωnl、ωfl、ω0分别为空载静态速度、满载静态速度和额定速度；
对于自动发电控制的控制，采用基于联络线功率偏差控制tbc，其中，联络线功率偏差控制的ace确定如式：
ace＝[σpti-(∑ioj-δioj)]+10b[f-(f0+δft)]
忽略了经济性功率的计算,默认系统不存在时间误差,将其简化为：
ace＝(pref-p)+10b(f0-f)
其中pref、p为通过联络线的控制通过值和实际通过值，f、f0为系统频率实际值和额定值，b为控制区的频率响应系数，为负值，；得到ace信号后,经历比例和积分环节处理,得到参考负荷的输入变化值,与初始参考负荷的输入值相加后,即为经历调频后的参考负荷输入值,从而真正实现将的控制反馈给发电机的出力变化。
步骤4、在上述模型搭建基础上，确定利用电压源型柔性直流输电系统和自动发电控制相配合进行电网恢复的控制模型，完成对系统的恢复。将恢复过程分为网架恢复和负荷恢复两个阶段，第一阶段利用电压源型柔性直流输电系统作为该系统的黑启动电源,对系统内的网架结构逐步进行恢复；第二阶段将自动发电控制引入系统，此时柔性直流输电系统系统做为大电网和局部系统的联络线,实现发电机出力的合理分配，并控制柔性直流输电系统系统提供恒定的功率注入。
本发明的方法从系统恢复的情况出发，依照电压源型柔性直流输电系统的控制策略选择原则，确定系统恢复中的电压源型柔性直流输电系统控制方法，能够适应黑启动过程的需要。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
1)本发明提出一种提出了基于自动发电控制的柔性直流输电系统进行电网恢复的控制策略，包括以下步骤：
步骤一、建立电压源型柔性直流输电系统系统的换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过派克变换，得到d-q同步旋转坐标系下的数学模型；
步骤二、根据双闭环控制原理确定电压源型柔性直流输电系统在系统恢复中的整流器和逆变器的控制策略；
步骤三、针对电压源型柔性直流输电系统参与黑启动控制发电出力的要求，建立自动发电控制系统和能接收控制信号的发电机调速器模型；
步骤四、在上述模型搭建基础上，提出利用电压源型柔性直流输电系统和自动发电控制相配合进行电网恢复的控制策略,以完成对系统的恢复。
2)步骤一中，根据电压源型柔性直流输电系统系统的拓扑结构和电压源换流器的电路结构，将公共连接点(pcc)与换流器交流侧之间的联结变压器损耗和漏抗统一等效为电阻r和电抗l，并假设三相主电路参数完全相同；ia，ib，ic为abc三相线电流；ua，ub，uc为换流器交流侧abc三相相电压；udc(udc1或udc2)为直流侧电压；idc为直流线路中直流电流；rl为直流输电线路电阻。电压源型柔性直流输电系统系统一端换流器abc三相静止坐标系下的数学模型为：
由派克矢量变换矩阵及其逆变换矩阵将换流器三相静止坐标系下的数学模型(式(1))变换得到dq同步旋转坐标系下的数学模型为：
在dq同步旋转坐标系下的有功功率ds和无功功率qs可表示为：
3)步骤二中，采用双闭环控制，对于电流内环控制，将式(2)改写为式(4),实现dq轴解耦控制，得到换流器交流侧输出的基波电压量为
其中，
解耦项采用式(5)的比例微分环节补偿在等效电抗器上的压降。
在系统恢复开始阶段，电压源型柔性直流输电系统逆变侧连接无源系统，选用定交流电压控制，整流侧与无穷大电网连接,选用定直流电压控制。稳态情况下,三相电压平衡,并参考逆变器的控制方向,可将式(2)改写为式(6)
以无源交流网络母线电压设定值的相位us为参考,有usd＝us，usq＝0，即
而系统恢复阶段结束后,待恢复系统已经完成了系统网架恢复以及实现了发电机的并网,电压源型柔性直流输电系统此时将作为无穷大电网以及待恢复系统的联络线,所以逆变侧和整流侧的控制策略仍不变。
4)步骤三中，以负荷参考控制为基础，建立具备二次调频功能的调速器模型，控制发电机出力。对连接到系统的多台发电机作负荷功率分配时,在传统的调速器积分环节处增加一个静态反馈环来实现调速器的负荷增加时速度下降的特性,增益依照式(8)计算。
其中，ωnl、ωfl、ω0分别为空载静态速度、满载静态速度和额定速度。在此基础上增加“负荷参考设定”输入环节,在系统负荷变化时调整发电机组出力的二次分配。
对于自动发电控制的控制，采用基于联络线功率偏差控制(tbc)，其中，联络线功率偏差控制的ace计算如式(9)
ace＝[∑pti-(∑ioj-δioj)]+10b[f-(f0+δft)](9)
忽略了经济性功率的计算,默认系统不存在时间误差,简化为
ace＝(pref-p)+10b(f0-f)(10)
其中pref、p为通过联络线的控制通过值和实际通过值，f、f0为系统频率实际值和额定值，b为控制区的频率响应系数，为负值，可以通过单机投切负荷实验的功率-频率曲线整定。得到ace信号后,经历比例和积分环节处理,得到参考负荷的输入变化值,与初始参考负荷的输入值相加后,即为经历调频后的参考负荷输入值,从而真正实现将的控制反馈给发电机的出力变化。
5)步骤四中，将恢复过程大体分为网架恢复和负荷恢复两个阶段。第一阶段先利用连有理想电源的电压源型柔性直流输电系统作为待恢复电网系统的黑启动电源,对系统内的网架结构逐步进行恢复,同时在系统最大出力范围内,恢复系统中的小部分负荷,同时发电机完成自启动并和同步并网，当发电机并入系统并稳定时,第一阶段完成。第二阶段为负荷恢复阶段,当系统完成网架恢复且处于稳态时,引入自动发电控制系统,以电压源型柔性直流输电系统作为大电网和待恢复系统的联络线,实现发电机出力的合理分配,并控制电压源型柔性直流输电系统系统提供恒定的功率注入,此时电压源型柔性直流输电系统系统采用定交流电压控制,承担负荷容量的变化,待调速器开始作用后,将系统的负荷容量变化分配到发电机处，使最大投入的负荷容量只受到电压源型柔性直流输电系统的最大容量约束,提高负荷恢复速率。
本发明所提出的基于自动发电控制的柔性直流输电参与黑启动的控制方法，从电网侧出发，综合考虑电压源型柔性直流输电系统在参与电网恢复中的控制策略，以及待恢复电网的发电机出力分配，以保证电网恢复的稳定，同时，提高负荷恢复阶段的负荷恢复率，为电压源型柔性直流输电系统参与电网恢复提供了一定的指导意义。