一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略的制作方法

本发明属于逆变器控制领域，具体涉及一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略。

背景技术：

1、随着大量新能源馈入电网，由同步发电机主导的传统电网正在演变为以电压源换流器作为接口的分布式发电系统，电压源的完全可控性使分布式发电系统能灵活运行。但是，在含大量电力电子元件的高比例新能源系统中，系统转动惯量大幅减少，在发生负荷扰动时，由于缺少惯量支撑，会导致较大的频率偏差以及频率变化率，严重削弱系统的稳定性。

2、传统p-f以及q-v下垂控制仅模拟了同步发电机的频率调节以及电压调节特性，同步发电机的惯量特性无法体现，为了解决这个问题，加入低通滤波器后的下垂控制可以模拟发电机的惯性响应，在负荷发生扰动后，可以同时模拟同步发电机调速器的一次调频特性以及发电机自身的惯性响应特性，从而降低频率偏差以及频率变化率。

3、目前关于下垂控制技术的研究主要针对多变流器之间的功率均分以及下垂控制的参数设计，负荷扰动下，不同滤波器参数对应的惯量不同，对电网频率的支撑能力不同，对于滤波器参数对频率特性的影响研究较少。下垂控制由于模拟了传统发电机的一次调频特性，在负荷扰动时，系统频率受到下垂曲线的限制，进而削弱了vsc(voltage sourceconverter电压源换流器)主动支撑电网的能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，旨在提高负荷扰动下换流器对电网的支撑能力，明确控制参数对频率稳定性的影响，设计控制参数提高系统的稳定性。技术方案如下：

2、一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，包括以下步骤：

3、步骤1：采集换流器与同步发电机耦合系统中pcc点的电压与换流器的输出电流，通过功率计算模块得到换流器实际输出的有功功率值，作为有功-频率控制环节的反馈；

4、步骤2：在负荷扰动情况下，将电压源换流器实际输出的有功功率引入含有低通滤波器的下垂控制环节，从而改善电压源换流器在负荷扰动时的功率支撑能力；

5、步骤3：在加入步骤1和步骤2所述的控制策略后，建立耦合系统数学模型，在负荷扰动情况下得到同步发电机频率变化量与负荷扰动量之间的传递函数g(s)；

6、步骤4：根据传递函数g(s)在不同下垂控制系数以及滤波器参数下的范数，得到不同参数以及所述控制策略对频率稳定性的影响，进而实现在负荷扰动情况下，电压源换流器主动支撑电网频率。

7、进一步的，所述步骤3具体为：

8、采用带低通滤波器的下垂控制换流器与同步发电机模型中的有功-频率环节对应的耦合系统数学模型为：

9、

10、其中，m为下垂控制系数，ωp为低通滤波器截止频率，δp1为电压源换流器实际输出的有功功率变化量，kf和tf分别为下垂控制器的比例系数以及时间常数，δω1为电压源换流器输出的角频率变化量；s为拉普拉斯算子；

11、同步发电机采用一阶惯性环节模型模拟发电机输出机械转矩对负荷的响应，其响应特性表示为：

12、

13、其中，kp2和t2分别为同步发电机调速器的比例增益以及时间常数，为发电机实际的角频率标幺值，tj为发电机的惯量，为发电机输出的机械功率标幺值；为发电机额定角频率的标幺值；为发电机输出电磁功率的标幺值；

14、以sbase为基准功率，式(2)中对应的有名值方程为：

15、

16、其中，δω2为发电机实际角频率变化量；ωn为额定角频率；sbase为基准功率；δp2为发电机输出电磁功率变化量；

17、耦合系统中，功率传输基于相位差，电压源换流器和同步发电机输出的有功功率分别表示为：

18、

19、其中，p1和p2分别为电压源换流器和同步发电机输出的有功功率，v1和v2分别表示电压源换流器以及同步发电机的端电压，vpcc为连接负荷母线的电压，x1和x2为传输线路电抗，θ1和θ2分别为电压源换流器和同步发电机输出电压相位，θpcc为负荷母线相位，δ1为电压源换流器输出电压相对pcc电压的相角差，δ2为同步发电机输出电压相对pcc电压的相角差；

20、根据电压源换流器以及同步发电机的控制得到电压源换流器以及同步自身功角与频率的关系表示为：

21、

22、其中，ω1和ω2分别为电压源换流器输出的角频率及发电机实际角频率；ωpcc为pcc点角频率；

23、在负荷发生扰动时，电压源换流器以及同步发电机的功率满足：

24、δp1+δp2＝δpload (6)

25、其中，δpload为负荷扰动功率；

26、将所有等式线性化得到所述传递函数g(s)：

27、

28、式中的系数表示为：

29、

30、

31、其中，k1表示电压源换流器输出功率扰动量与功角扰动量之间的转换系数，k2表示发电机输出功率扰动量与功角扰动量之间的转换系数，且e1和e2分别为电压源换流器输出电压幅值及同步发电机输出电压幅值。

32、更进一步的，所述步骤4中的范数包括无穷范数h∞和2范数h2，分别表示为：

33、

34、其中，表示g(jω)的最大奇异值；ω为输入信号频率；trace(g)表示g的迹。

35、本发明与现有技术相比的有益技术效果为：

36、本发明利用下垂控制器中的滤波环节来为电网提供惯量，基于范数设计了滤波器参数以及下垂系数，从而优化了系统的暂态频率特性；为了改善下垂曲线，将负荷扰动分量引入控制环节，修正了有功-频率环参考频率的输出，从而实现在负荷扰动时，vsc主动为电网提供频率支撑。

技术特征：

1.一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，其特征在于，所述步骤3具体为：

3.根据权利要求1所述的考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，其特征在于，所述步骤4中的范数包括无穷范数h∞和2范数h2，分别表示为：

技术总结
本发明公开了一种考虑负荷波动的电网频率主动支撑策略，利用下垂控制器中的滤波环节来为电网提供惯量，基于范数设计了滤波器参数以及下垂系数，从而优化了系统的暂态频率特性，为了改善下垂曲线，将负荷扰动分量引入控制环节，修正了有功‑频率环参考频率的输出，改善了负荷扰动时VSC的暂态功率支撑能力，从而实现在负荷扰动时，VSC主动为电网提供频率支撑，提高了系统的暂态频率稳定性能，本发明所提控制策策略简单，便于在实际工程中实现。

技术研发人员：但扬清,武佳卉,王蕾,许恩超,王岑峰,丁一凡,林玲,陈晴悦
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12