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VSC-HVDC输电系统惯性仿真控制策略
朱洁蓓，坎贝尔D.布斯，格雷恩P.亚当，安德鲁J.罗斯科，克里斯G.布莱特
摘要：人们担心，由于可再生能源提供的能量增加，未来电力系统的惯性水平可能会降低，因为可再生能源通常很少或根本没有惯性电压源转换器（SC），用于高压直流输电（HVDC）应用中，通常是故意按顺序控制消除暂态耦合，防止互联系统间不稳定的传播。然而，这可能会在瞬变过程中否定急需的支持，否则可从旋转设备提供的系统惯性中获得。
提出了一种新型的VSC-HVDC控制系统INEC（Nertia仿真控制），使aVSC-HVDC系统能够提供仿真同步发电机（G）惯性的支持。这样做的能量来自于高压直流连接的电容，这可以通过安装附加电容来增加。本文指出，所提出的INEC系统允许具有固定电容的VSC-HVDC系统模拟大范围的惯性常数（通过指定允许的直流电压变化量，所提出的INEC方案已通过公式证明，它的性能评估包括故障和负载变化的瞬态。
关键词：索引项-频率响应，高压直流变换器，高压直流输电控制，惯性仿真，合成惯性，电压源变换器
一、 导言
现在，我们集中精力发展可再生能源，以解决世界能源需求和减少碳排放。2009年欧盟可再生能源指令的目标是，到2030年可再生能源发电量占总发电量的32%以上，到2050年达到100%的目标[1]。为了促进可再生发电连接，英国传输系统运营商建议，在2014之后，应该增加馈电损耗限制（即，在单个事件中，可以在不引起不必要的系统干扰的情况下丢失的量）从1320兆瓦增加到1800兆瓦。这将满足更大容量的机组和装置，而不会显著影响交流系统的稳定性[2]。
随着这样一个增加的功率输入损耗限制，如果一个大型电厂跳闸，在频率响应控制系统能够缓解这种情况之前，系统频率有更大的风险下降到不可接受的水平。大系统惯性有助于稳定频率，为控制系统提供充分的动作机会。
目前，许多可再生能源发电机都是通过电力电子设备连接的，特别是光伏等直流电源。电力电子技术有效地将发电机与系统分离，防止可再生能源惯性中的动能减缓系统瞬变。有证据表明，在超过10年的时间内，美国东部互联网络的系统惯性降低[5]，这被认为是由于可再生能源的连接日益增加。不可避免地，减小的惯性会带来更大的不稳定性风险，需要缓解，例如控制系统的变化、更大的旋转储备量、以及更频繁地启动为支持系统而安装的发电。
为了解决这一问题，人们提出了几种风力发电机的惯性仿真控制策略[3]、[4]、[6]、[8]。这些策略使得风力发电机能够在交流电网扰动期间贡献惯性。作者[3]研究了双馈感应发电机（DFIG）的动态特性，以提供惯性响应。然而，作者指出，如果从转子中吸取过多的能量，DFIG涡轮可能会失速。参考文献[4]提出了一种能够提供频率支持/控制能力的全额定、变流器接口、永磁同步发电机（PMSG）风力发电机的控制方案。这是通过根据电网频率的变化率来控制逆变器的输出功率来实现的。这种方案的缺点是在机器转子减速后很难恢复转子速度。
高压直流输电系统被认为是连接遥远的海上风电场的解决方案[7]。然而，现有的HVDC换流器也会将直流系统终端之外的动能解耦。文[6]中作者提出了一种通过线路换向器（LCC）HVDC连接的风电场协调控制策略。该策略允许此类风电场参与惯性响应和一次频率控制。该控制策略利用电网频率的时间导数来调节通过LCC-HVDC从风电场输出的功率。这反过来调整风力涡轮机的叶片角度，以增加或减少从风中捕获的功率。然而，这一缺点被认为与与[3]、[4]、[8]相关的问题相似，即风机失速的风险和随后恢复转子速度的困难。
图1。VSC-HVDC输电系统单线图，与常规控制系统。
提出了一种惯性仿真控制策略，该策略利用VSC-HVDC系统直流环节电容器中存储的能量来仿真惯性。这支持交流电网在扰动期间和随后的扰动，对高压直流系统终端以外连接的系统影响最小。这可以通过修改HVDC控制系统来实现。所提出的策略能够模拟大范围的惯性时间常数使用相对较小的恒定电容连接到直流电路。此外，拟议的战略不依赖于测量，不同于[3]、[4]和[6]中报告的方法。因此，它对由测量，进而可能导致控制系统不稳定。此外，INEC仅利用直流链路电容器中的静电能和直流电路中相对较小的电容，将一个交流电力系统与另一个交流电力系统的频率干扰隔离开来。通过点对点VSC-HVDC系统连接两个交流网络的仿真，验证了所提出的INEC策略。该模型包括一个相对较弱的电力系统，该系统使用DFIG与海上风电场进行直流连接。
二、同步电机惯性
在电力系统中，发电量和需求量之间的差异会导致系统频率的变化，这些变化首先会被机械惯性抵消，然后被原动机的调速器作用抵消。参考文献[9]为大型电力系统定义了一个虚拟的“惯性中心”，该系统中的所有电机都有一个平均角速度，并且[9]推导了以下方程：
（一）
式（1）表明，对于发电和负荷之间的某种功率不平衡，电力系统的总惯性决定了网络角速度的平均变化（即加速或减速）。较高的总惯性会降低角速度的变化率，从而提高电力系统的整体稳定性。
三、 VSC-HVDC系统与控制
图1示出了一个点对点VSC-HVDC系统，换流站调节直流电压和无功功率，控制有功和无功功率。通过接口电抗器、交流侧滤波器和耦合变压器连接到海上弱电网。VSC-HVDC系统通过允许有功和无功功率的独立控制提供了一定程度的控制自由度。如图1所示，可以直接使用功率设定点或通过调节直流电压间接地控制有功功率。无功功率可以直接使用无功功率设定值来控制，也可以通过调节公共耦合点（PCC）的交流电压大小来控制。控制方式的选择取决于具体应用的性质。但是，必须至少分配一个VSC站来控制直流电压。如图1所示，VSC-HVDC的内部电流控制回路和各种外部控制器的细节在下面的小节中描述。
A、 内电流控制器
图2示出了用三相电压连接到交流电网的三相VSC的示意图在PCC。表示在转换器端子处产生的三相电压。变换器的交流侧动态可以用以下方程式表示：
（二）
图2。三相VSC等效模型。
在（2）中，表示流经接口电抗器和耦合变压器的三相电流，L和R是相电抗器和变压器的等效组合电感和电阻。
同步的参考方法通常用于促进VSC-HVDC控制[10]，[11]。销售点
（三）
（四）
锁相环（PLL）块用于将高压直流换流器与PCC处的电网电压同步，并将电网电压矢量与d轴对齐（当PCC处的电网电压保持恒定和平衡时，). 在同步d-q坐标系中，（4）中VSC站的动力学可以表示为
（五）
（六）
为了跟踪参考电流，内部电流控制采用带反馈的比例积分（PI）控制器来调节电流矢量和。因此，VSC电压矢量参考和VSC的计算如下：
（七）
（八）
电压矢量被转换成三相电压值，用于脉冲宽度调制（PWM）以产生所需的转换器三相电压。
VSC-HVDC注入交流系统的有功和无功功率在dq轴上表示为
（九）
（十）
在（9）和（10）中，实现了有功功率和无功功率的解耦控制。在稳态时，有功功率和无功功率分别与和成正比。
B、 外部控制器
外部控制器示于图1中的级联控制系统的左侧。为了确保稳定性，它们的动作必须慢于前一节中介绍的内部电流控制回路[10]。
有源功率控制器产生-轴电流基准对于根据有功功率基准的内部电流控制器
（十一）
以类似的方式，无功功率控制器计算
根据
（十二）
假设VSC是无损的，交流侧和直流侧的有功功率通过以下方式获得：
（十三）
其中指直流侧电压和电流。
图2中直流电容器的充放电可以用
（十四）
（13）和（14）的组合给出-轴电流参考，表示直流电压控制器的输出：
（十五）
为了控制PCC处的交流电压振幅，电容器上的电压降和变压器阻抗的大小近似为
（十六）
在哪里和。
在电抗器和变压器中，因此电压幅值降只取决于无功潮流。因此，根据PCC电压幅值设定值与实际电压幅值之间的误差，在交流电压幅值控制器中计算无功分量轴电流.
利用PI控制器，s域的有功功率、无功功率、直流电压和交流电压控制器方程如下：
（十七）
VSC-HVDC转换器通常不具备任何过载能力[10]。严重的网络干扰（如交流系统故障）会使变流器开关产生过电流。因此，外部控制器和内部电流控制方案都必须包括电流限制，以防止过电流。
（十八）
（十九）
（二十）
四、 VSC-HVDC惯性仿真控制
该方法利用直流电容器中的储能提供惯性响应，既能保证电网的频率稳定性，又有助于电网的一次频率控制。通过使用转换器控制直流链路电压，INEC的能量仅由直流链路电容器提供。INEC算法包含以下四个步骤：
1） 机器惯性时间常数与电容时间常数；
2） 电容器直流电压和仿真惯性时间常数；
3） 高压直流输电线路设计回路；
4） 频率变化与直流电压变化。
A、 机器惯性时间常数与电容时间常数
惯性常数H决定SG角速度对输入功率的任何变化的响应，可表示为
（21个）
式中，表示存储在机器旋转质量中的动能（MVA sec），表示惯性矩（kg m），是发电机额定值（MVA）。
电容器用于电压稳定和滤波。直流电容器的尺寸由电容器时间常数表征
（22个）
式中，表示电容器中存储的静电能，表示VSC额定功率能力，C是单个直流电容器的电容，以及是安装在直流链路上的电容器总数（在图1的例子中，三电平中点箝位VSC总共有两个电容器，因此).
在某种程度上，储存在直流电容器中的静电能与储存在
SGs，作为角速度和直流电压VSC-HVDC电容器的平方分别为（21）和（22）。
B、 电容器直流电压与仿真惯性时间常数机器角运动方程见（23）：
（23个）
式中，H是惯性时间常数（单位：秒），是标称频率（单位：赫兹），是机械功率（单位：pu），是电功率（单位：pu），是机器在速度变化期间惯性吸收或释放的动能（单位：pu）。
为了将直流电容器的可用功率等同于电机的可用功率，电容器动力学（以直流电压和输出功率计）如（24）所示：
（24个）
在（24）中，表示电容器的总数（在这种情况下为两个），表示VSC的额定功率容量（瓦），是pu中两个电容器的VSC功率输入，是以pu为单位的VSC功率输出，以及是在pu中通过两个电容器存储或释放的动态静电功率。
式（24）表明，直流电压的任何变化都会改变电容器中的储能。根据第三节中讨论的直流电压控制器，通过改变直流电压对该能量进行充电或放电。由于直流电缆的低电阻，整流器和逆变器之间的直流电压差可以忽略不计。因此，在本分析中，假设整流器和逆变器的直流电压相同。
另一项任务是在（23）中用电容功率分配一个特定的模拟“惯性”概念
（25个）
（26个）
（27个）
（28个）
完整的线性方程可以用（29）表示：
（29个）
图3。提出了VSC-HVDC惯性仿真控制系统。
方程式（29）也可以用另一种格式编写，如（32）所示，该格式可用于评估直流电压的影响
30
31
32
等式（32）表示模拟特定惯性时间常数VSC-HVDC线路的直流电压水平随交流电网频率的变化而变化，但这种变化是非线性的。价值很大的需要相应的较大直流电压变化，这必须在VSC-HVDC系统的设计中考虑。
C、 VSC-HVDC惯性仿真控制回路
如前所述，VSC-HVDC的直流电压必须随交流电网频率而变化。方程式（27）转换为（33）以便于直流电压控制：
33
利用锁相环估计的有效交流电网频率，通过基于（33）的增益和平方根运算计算直流参考电压。其他变量，包括初始积分状态因子，VSC额定功率能力和规定的惯性时间常数都包含在INEC循环中。
直流电压基准应限制在上限和下限内，例如%标称直流电压，但具体数字取决于绝缘要求、额定电流和脉宽调制功能。
与文[3]、[4]和[6]中提出的惯性仿真控制不同，文[33]中的INEC实现避免了频率微分项的处理随之而来的测量噪声威胁稳定性的风险，尤其是在阶跃瞬态下[13]。
INEC策略在多端直流输电（MTDC）系统中具有潜在的应用前景。在（33）中，是MTDC网络中存在的电容器总数。采用INEC控制策略，直流电压控制器的变换器终端能够对其所连接的交流电网做出惯性贡献。对于通过HVDC链路耦合的电力系统，INEC实现的可能性取决于变换器控制，该控制改变直流电压以使来自直流链路电容的能量可用于交流系统。在连接两个交流系统的HVDC链路中，不建议链路的两个终端都使用INEC，因为如果两个终端都试图同时指示直流电压，则有可能导致直流电压稳定性和直流链路功率流控制恶化。
D、 频率变化与直流电压变化
从前面的讨论中可以清楚地看出，如果VSC-HVDC的直流电压允许大幅度变化，它有可能模拟大范围的惯性时间常数。在图4中绘制了从0 s到4 s的惯性常数范围以及特定频率变化的相关直流电压合成变化。所能
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