CN115864374A - 一种储能mmc-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能MMC‑同步机并联供电***的暂态稳定提升方法，该方法在故障期间采用广域测量***获得同步机的转子角频率并传送至MMC，据此计算同步机功角与MMC的并网点电压的实时相位差，并根据相位差调整MMC的注入有功、无功电流分量。本发明能够使得储能MMC工作在有利于并联***暂态稳定的区域，提升***的暂态稳定性；本发明不改变MMC原本的内、外环控制器结构，稳态运行期间的控制策略不受影响。在使用本发明方法后，相比传统的MMC故障穿越策略，储能MMC‑同步机并联供电***故障期间同步机功角摆开减小，临界切除时间增大，暂态功角失稳风险降低，提高了供电***的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力***输配电技术领域，具体涉及一种储能MMC-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法。
背景技术
随着电力电子器件的高速发展，基于电压源型换流器的柔性直流输电(voltagesource converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技术也得到广泛应用。相较基于半控型器件的传统直流***，VSC-HVDC具有控制灵活、不需要电网提供换相电压、可独立控制有功功率及无功功率、可以为无源网络提供同步交流电源支撑等优势，且具有向无源网络供电、可独立控制有功功率及无功功率、能灵活地实现潮流反转等优点，在新能源并网、交流大电网之间互联、海上风电接入、直流配电网等场景中应用广泛，发展前景巨大。其中模块化多电平换流器MMC凭借其谐波分量较少，不需要应用功率器件串联技术等优势，成为了大规模新能源基地并网中首选的电压源换流器。与此同时，MMC-HVDC作为重要的非同步机电源，在未来电力***中能够替代同步机电源向***中供电。
MMC-HVDC作为非同步机电源时，主要有跟网型和构网型两种典型控制策略。跟网型MMC通常采用电流矢量控制，外环控制器实现有功/无功量的解耦控制，有功控制环通常定有功功率，无功环可以采用定无功功率/交流电压控制策略，采用锁相环(phase lockedloop，PLL)跟踪并网点电压，实现与有源电网的同步。当MMC配备储能装置时，其既能采用跟网型控制也能采用构网型控制，并且能够在储能装置容量范围内具备有功、无功的吞吐能力，因此储能MMC在并网运行、向无源网络供电等应用场景中灵活性更强。
随着电能需求的增长、环保压力的增大，对清洁能源的需求不断上升，未来传统同步机电源的主导地位将被打破；随着同步机电源逐渐被非同步机电源取代，具备四象限运行能力的储能MMC具备更加广阔的应用前景。现有MMC故障穿越策略中，最常用的两种策略是：①故障期间MMC向***全部注入无功电流[S.De Rijcke,H.Ergun and D.Van Hertem,et al,"Grid Impact of Voltage Control and Reactive Power Support by WindTurbines Equipped With Direct-Drive Synchronous Machines,"IEEETrans.Sustain.Energy,vol.3,no.4,pp.890-898,Oct.2012]；②故障期间根据MMC的并网阻抗角调整MMC的注入有功、无功电流分量[MA S,GENG H and LIU L,et al.Grid-Synchronization Stability Improvement of Large Scale Wind Farm During SevereGrid Fault[J].IEEE Trans.Power Syst.2018,33(1):216-226]。
上述两种故障穿越策略主要用于提升MMC自身的并网暂态稳定性，然而，在储能MMC-同步机并联供电***中，其可能无法发挥储能MMC的有功吞吐能力，不利于提升***的暂态稳定。因此，需要另外研究储能MMC-同步机并联供电***暂态稳定提升策略，以实现未来储能MMC-同步机并联供电***稳定可靠地运行。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种储能MMC-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法，能够优化储能MMC在故障期间的电流注入策略，提升***的暂态稳定性，具有良好的鲁棒性；相比传统的MMC故障穿越策略更具优势，该控制方法实施简单，适用性强，在工程设计中有较高的实用价值。
一种储能MMC-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法，包括如下步骤：
(1)对于储能MMC-同步机并联供电***，当发生交流侧短路故障时采集同步机的转子角频率并传送给储能MMC；
(2)储能MMC根据所述转子角频率计算同步机功角与并网点电压相位之间的角度差；
(3)根据所述角度差确定故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值；
(4)储能MMC由正常工作模式切换至电流饱和模式，并使其在故障期间的注入电流跟踪上述指令值，从而提升***暂态稳定性。
进一步地，所述步骤(1)中利用广域测量***(Wide Area Measurement System，WAMS)采集同步机的转子角频率。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算同步机功角与并网点电压相位之间的角度差；
其中：θgs为故障期间同步机功角与并网点电压相位之间的角度差，tf为故障持续时间，θgs0为稳态下同步机功角与并网点电压相位之间的角度差，ω0为***额定角频率，ωg为同步机的转子角频率，ωs为并网点电压角频率，t表示时间。
进一步地，所述并网点电压角频率ωs通过储能MMC的锁相环检测得到。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下表达式确定故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值；
其中：Id *和Iq *分别为故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值，Imax为储能MMC的电流限幅值，
为电流注入角度参考值。
进一步地，所述电流注入角度参考值
其中θgs为故障期间同步机功角与并网点电压相位之间的角度差。
进一步地，所述步骤(4)中当储能MMC检测到并网点电压幅值跌落至电压阈值以下，则其由正常工作模式切换至电流饱和模式。
进一步地，所述步骤(4)中使储能MMC在故障期间的注入电流跟踪指令值，即将指令值作为储能MMC内环电流控制器的参考值，当并网点电压恢复至电压阈值以上，则将储能MMC切换回正常工作模式，完成故障穿越。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明为储能MMC-同步机并联供电***提供了一种可行的控制策略，能够利用同步机转速信息调整MMC的注入电流，保证供电***位于暂态稳定较强的区域，为未来工程的设计起到一定的指导作用。
2.本发明控制器的设计仅仅通过从WAMS***收集到的信息调整MMC故障期间的电流设定值，MMC原本的内、外环控制器结构无需改变，稳态运行期间的控制策略不受影响，因此能够适用于构网型MMC和传统的跟网型MMC，实施简单，具有良好的经济效益。
3.在考虑通信延时的情况下，采用本发明控制策略后，***的暂态稳定性几乎不受影响，从而说明本发明方法鲁棒性强，具有极高的工程价值。
4.当同步机功角在故障期间发生变化时，MMC的电流指令值也会动态调整，能够保证MMC时刻运行在暂态稳定最优区域。与常规的MMC故障穿越策略相比，当MMC采用本发明控制策略时，同步机故障期间功角摆开程度降低，临界清除时间(CCT)增大，***暂态稳定性提升，因此本发明在各种工况下适用性强，实际的工程意义重大。
附图说明
图1为本发明实施例中储能MMC-同步机并联供电***的拓扑结构示意图。
图2为本发明储能MMC故障穿越策略的控制原理框图。
图3为采用本发明控制策略下，线路2中点发生三相金属性接地短路故障，故障持续时间为250ms时，暂态过程中储能MMC的输出电流波形图。
图4为分别采用本发明控制策略和传统控制策略下，线路2中点发生三相金属性接地短路故障，故障持续时间为400ms时，暂态过程中同步机的功角波形对比示意图。
图5为分别采用本发明控制策略和传统控制策略下，线路2中点发生三相金属性接地短路故障，故障持续时间为400ms时，暂态过程中MMC的PCC电压幅值波形对比示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明储能MMC-同步机并联供电***暂态稳定提升方法，包括如下步骤：
(1)对于储能MMC-同步机并联供电***，故障期间采用广域测量***(WAMS)获得同步机的转子角频率并传送至MMC，从而实现MMC的有功、无功分量电流动态调节。
设定不采用暂态稳定提升策略时，储能MMC故障期间采用无功电流优先控制策略，具体地：当交流侧发生短路故障时，MMC检测到并网点电压幅值Us跌落至电压阈值Uth以下，则由正常工作模式切换至电流饱和模式，此时d、q轴电流设定值Id *、Iq *满足：
上式中，Imax为VSC的电流限幅值。采用暂态稳定提升策略时，储能MMC故障期间进入电流饱和模式时，电流注入角度参考值为
d、q轴电流设定值Id *、Iq *满足：/>
(2)对于储能MMC-同步机并联供电***，首先计算同步机功角与MMC的并网点电压相位之间的角度差。
根据故障情况下MMC并网点电压跌落程度，判断MMC是否进入电流饱和模式，若MMC进入电流饱和模式，则故障期间通过通信装置将同步机的转速信号ωg传递至WAMS的控制中心，并经由通信装置从控制中心传递给MMC。故障期间，MMC的PCC电压相位θs与同步机功角δg的差值θgs满足：
上式中，ω0为***额定角频率，ωs为MMC的锁相环检测出的PCC电压角频率，θgs0为稳态下MMC的PCC电压相位与同步机功角的差值，Δ表示偏差量，d表示微分，t为时间。因此，当故障持续时间tf已知，便可以获得θgs，其满足条件：
(3)对于储能MMC-同步机并联供电***，根据步骤(2)计算得到的角度差，确定MMC故障期间的注入电流有功、无功分量指令值。
获得MMC的PCC电压相位与同步机功角的差值θgs后，当***暂态稳定性最强时，同步机故障期间输出的电磁功率取得极大值，此时MMC的最优电流注入角
满足：
因此，令电流注入角度参考值为
从而计算MMC的d、q轴电流设定值Id *、Iq *：
(4)对于储能MMC-同步机并联供电***，根据步骤(3)的结果使MMC故障期间的注入电流跟踪其指令值，完成储能MMC-同步机并联供电***暂态稳定提升策略。
当MMC故障期间由于电压跌落进入电流饱和模式时，将步骤(3)中计算得到的Id *、Iq *结果作为储能MMC内环电流控制器的参考值，内环电流控制器设计方法与传统MMC的内环电流控制器基本相同；当故障清除后，MMC的PCC电压恢复至电压阈值Uth以上，此时MMC切换回正常工作模式，完成故障穿越。
本实施方式中所采用的储能MMC-同步机并联供电***如图1所示，同步机与储能MMC的并网点通过线路Z1相连，并且储能MMC的并网点与交流电网之间通过线路Z2相连，***主回路具体参数如表1所示，图1中XS和XG分别表示同步机和储能MMC的联结变压器漏抗。
表1
稳态运行状态下，储能MMC采用构网型控制并利用锁相环检测并网点电压频率。MMC作为逆变站运行，输出有功功率为200MW，无功功率为0；同步机输出复功率为(200+j39.2)MVA，其中j为虚数单位。稳态下，可以根据潮流计算获得MMC的PCC电压相位θs＝4.58°与同步机功角δg＝14.51°，上述相位均以交流电网电压相位为基准。因此，稳态下θgs0＝14.51-4.58＝9.93°；故障发生时，MMC的PCC电压相位θs与同步机功角δg均发生变化，因此θgs的瞬时值由WAMS***获得的信息进行计算，并根据步骤(2)、(3)的方法调整MMC的最优电流注入角
最终获得MMC的有功、无功电流指令值。本发明储能MMC的控制策略如图2所示，图2中模式0表示稳态运行模式，模式1表示电流饱和模式；故障期间储能MMC检测到电压跌落后，由模式0切换至模式1，其中idref、iqref分别为稳态或故障下MMC的内环d、q轴电流指令值；故障恢复后，储能MMC由模式1切换至模式0，恢复正常运行，s为拉普拉斯算子。
采用本发明控制策略时，当第10s时，图1所示线路2中点发生三相金属性接地短路故障，且故障持续时间为250ms时，暂态过程中储能MMC的输出电流波形如图3所示。
分别使用本发明控制方法和传统控制策略时，当第9s时，图1所示线路2中点发生三相金属性接地短路故障，故障持续时间为400ms时，暂态过程中同步机的功角波形如图4所示，其中传统控制策略是MMC故障期间采用无功电流优先注入控制策略并保持
不变。
分别使用本发明控制方法和传统控制策略时，当第9s时，图1所示线路2中点发生三相金属性接地短路故障，故障持续时间为400ms时，暂态过程中MMC的并网点电压波形如图5所示。
表2展示了分别使用本发明控制方法和传统控制策略时，***CCT的仿真结果，***的CCT定义为***发生临界功角失稳时故障的清除时间。表2的第二列展示了采用传统无功优先控制策略下，***的CCT仿真结果；第三列展示了采用本发明控制方法下，***的CCT仿真结果；第四列为考虑延时情况下，采用本发明控制方法下，***的CCT仿真结果。
表2
对于上述实例，从图3中可以看出，故障期间MMC的dq轴注入电流能够成功跟随指令值，说明电流内环不会发生失稳，并且dq轴注入电流不会保持恒定，这是由于本发明控制策略能够根据同步机的功角和PCC电压相位差值动态调整MMC的注入电流相位
因此，采用本发明控制策略后，MMC的注入电流能够始终位于有利于***暂态稳定的区域。
图4的仿真结果表明，相同故障持续时间下，当MMC采用传统控制策略时，故障清除后同步机功角δg会越过不稳定平衡点，***在第一摇摆周期内发生功角失稳。然而，当采用本发明控制策略时，故障清除后同步机功角δg能回到稳定平衡点，***经过一段暂态过程后最终恢复稳定运行。
图5的仿真结果表明，相同故障持续时间下，当MMC采用传统控制策略时，***由于功角失稳，电压产生非周期振荡，且无法恢复稳定运行状态。而当采用本发明控制策略时，由于***能够保持功角稳定，***电压经过一段暂态过程，最终振荡能够平息。图4和图5的仿真结果共同说明了本发明控制策略能够有效地提升储能MMC-同步机并联供电***的暂态稳定性。
表2的CCT仿真结果说明，当采用采用本发明控制策略时，相比传统控制策略CCT增大了39ms，说明了本发明控制策略相比传统控制策略在提升***暂态稳定性方面更具优势，并且在考虑60ms通信***延时的情况下，CCT的结果几乎不受影响，说明本发明控制策略在考虑延时条件下依然具备良好的鲁棒性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种储能MMC-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法，包括如下步骤：
(1)对于储能MMC-同步机并联供电***，当发生交流侧短路故障时采集同步机的转子角频率并传送给储能MMC；
(2)储能MMC根据所述转子角频率计算同步机功角与并网点电压相位之间的角度差；
(3)根据所述角度差确定故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值；
(4)储能MMC由正常工作模式切换至电流饱和模式，并使其在故障期间的注入电流跟踪上述指令值，从而提升***暂态稳定性。
2.根据权利要求1所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述步骤(1)中利用广域测量***WAMS采集同步机的转子角频率。
3.根据权利要求1所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算同步机功角与并网点电压相位之间的角度差；
其中：θgs为故障期间同步机功角与并网点电压相位之间的角度差，tf为故障持续时间，θgs0为稳态下同步机功角与并网点电压相位之间的角度差，ω0为***额定角频率，ωg为同步机的转子角频率，ωs为并网点电压角频率，t表示时间。
4.根据权利要求3所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述并网点电压角频率ωs通过储能MMC的锁相环检测得到。
5.根据权利要求1所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下表达式确定故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值；
其中：Id *和Iq *分别为故障期间储能MMC注入电流的有功分量指令值和无功分量指令值，Imax为储能MMC的电流限幅值，
为电流注入角度参考值。
6.根据权利要求5所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述电流注入角度参考值
其中θgs为故障期间同步机功角与并网点电压相位之间的角度差。
7.根据权利要求1所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述步骤(4)中当储能MMC检测到并网点电压幅值跌落至电压阈值以下，则其由正常工作模式切换至电流饱和模式。
8.根据权利要求1所述的暂态稳定提升方法，其特征在于：所述步骤(4)中使储能MMC在故障期间的注入电流跟踪指令值，即将指令值作为储能MMC内环电流控制器的参考值，当并网点电压恢复至电压阈值以上，则将储能MMC切换回正常工作模式，完成故障穿越。
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| CN202211468252.8A CN115864374A (zh) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | 一种储能mmc-同步机并联供电***的暂态稳定提升方法 |
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| CN (1) | CN115864374A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239776A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-12-15 | 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 | 一种目标区域电压暂降控制方法、装置、***及介质 |
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2022
- 2022-11-22 CN CN202211468252.8A patent/CN115864374A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117239776A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-12-15 | 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 | 一种目标区域电压暂降控制方法、装置、***及介质 |
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