一种VSG控制方法、装置、设备及介质

技术领域

本申请涉及多端直流输电控制技术领域，尤其涉及一种VSG控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

随着大功率电力电子器件的快速发展，基于电压源型换流器的多端直流输电(themulti-terminal VSC-HVDC，VSC-MTDC)以其高可控性、易于组网、可向无源网络供电等优点，成为海上风电并网的有效方式。现有的柔性直流输电系统主要以矢量控制技术为主，其动态响应速度快，能独立控制有功功率和无功功率。沿海新能源集群及大规模海上风电通过电力电子变换装置差异化接入电网后，传统功率闭环控制使柔性直流换流站对系统表现为零惯量的低阻尼电源，无法像同步机一样响应系统频率变化。随着分布式能源出力占比的逐渐增加，同步电网的等效转动惯量和一次调频能力不断降低，严重威胁电力系统运行的稳定性。

VSC-MTDC系统主要采用并联接线方式，有效控制直流母线电压在允许的区间内是系统安全稳定运行的关键。现有技术中均可协调控制交流系统频率和直流系统电压，但下垂控制存在无法精确控制功率的固有缺陷。

发明内容

本申请实施例提供了一种VSG控制方法、装置、设备及介质，使得能够根据有功指令参考值向交流系统精准地输送有功功率，为电网提供惯性支撑的同时主动参与电网频率调节。并能根据电压的偏差值快速调节有功电流，使得减少直流电压波动。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种VSG控制方法，所述方法包括：

将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机；

建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型：

P

式中，P

引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间。

可选的，所述将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机，包括：

将换流器电势等效成虚拟同步发电机的内电势，换流电抗器的电感值等效为虚拟同步发电机的同步电感，换流电抗器内阻等效为虚拟同步发电机的同步电阻，将换流器的直流端等效成虚拟同步发电机的原动机。

可选的，还包括：通过将VSG控制系统输出的无功指令和无功输出值进行比较，计算虚拟同步发电机的机端参考电压，将所述机端参考电压和测得的虚拟同步发电机端电压进行比较，将比较结果输入PI控制器得到虚拟同步发电机的虚拟电势幅值，从而完成无功功率调节；

所述虚拟同步发电机的机端参考电压的计算公式为：

U

式中，E

可选的，所述引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间，包括：

当直流电压大于预置上限电压或者所述直流电压小于预置下限电压时，则所述高/低压控制器产生偏置电流叠加至VSG控制系统输出的有功电流，其叠加后的有功电流为：

式中，u

本申请第二方面提供一种VSG控制装置，所述装置包括：

等效单元，用于将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机；

建立单元，用于建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型：

P

式中，P

调节单元，用于引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间。

可选的，所述等效单元还用于将换流器电势等效成虚拟同步发电机的内电势，换流电抗器的电感值等效为虚拟同步发电机的同步电感，换流电抗器内阻等效为虚拟同步发电机的同步电阻，将换流器的直流端等效成虚拟同步发电机的原动机。

可选的，无功功率调节单元，用于通过将VSG控制系统输出的无功指令和无功输出值进行比较，计算虚拟同步发电机的机端参考电压，将所述机端参考电压和测得的虚拟同步发电机端电压进行比较，将比较结果输入PI控制器得到虚拟同步发电机的虚拟电势幅值，从而完成无功功率调节；

所述虚拟同步发电机的机端参考电压的计算公式为：

U

式中，E

可选的，所述调节单元还用于引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间，包括：

当直流电压大于预置上限电压或者所述直流电压小于预置下限电压时，则所述高/低压控制器产生偏置电流叠加至VSG控制系统输出的有功电流，其叠加后的有功电流为：

式中，u

本申请第三方面提供一种VSG控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的VSG控制方法的步骤。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述的方法。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中，提供了一种VSG控制方法，将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机；建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型：引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间。

本申请通过将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机，使得变流器可以表现出虚拟同步发电机的惯性和阻尼作用；通过建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型，使得在正常运行状态下，换流站根据有功功率指令参考值向交流系统精准地输送有功功率，为电网提供惯性支撑的同时主动参与电网频率调节。通过引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，主站因故障退出运行时，系统监测到电压偏差便可快速响应，使得直流电压波动减小。

附图说明

图1为本申请一种VSG控制方法的一个实施例的方法流程；

图2为本申请一种VSG控制装置的一个实施例的装置结构图；

图3为本申请实施例中多端直流输电系统的受端换流站与虚拟同步发电机的等效电路图；

图4为本申请实施例中VSG控制系统功率控制过程的等效电路图；

图5为本申请实施例中VSG控制系统的等效电路图；

图6为本申请实施例中加入直流电压控制的VSG控制系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请一种VSG控制方法的一个实施例的方法流程图，如图1所示，图1中包括：

101、将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机；

需要说明的是，可以将图3中的PCC点设置为参考点，将虚拟同步发电机(virtualsynchronous generator，VSG)交流侧母线电压和虚拟同步发电机机端电压设为E∠δ

式中：L

在abc三相坐标系下，当忽略换流器电抗器损耗，交流网络和换流站之间传输的有功功率P和无功功率Q分别为：

式中，U

由上式可知，通过改变相角差δ可调整注入网络的有功功率，改变PCC处相电压有效值U

结合图3可进一步说明换流站与同步发电机的对应关系，换流器电势e

需要说明的是，虚拟同步发电机包括VSG本体模型与控制系统，本体模型主要是从机理上模拟同步发电机的电磁关系与机械运动，而控制系统则主要从外特性上模拟同步发电机的有功调频与无功调压等特征。

102、建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型；

需要说明的是，本申请考虑转子惯性和阻尼因素的同步电机二阶模型，其机械方程和电磁方程可分别表示为：

式中，J为同步发电机的转动惯量，kg·m2；D为同步发电机的阻尼系数；ω为极对数为1时的机械角速度，即电气角速度，rad/s；ω

上式中，J和D两个系数的引入使得变流器对外表现出同步发电机的惯性和阻尼作用。

则VSG的机械功率P

P

式中，k

由上式可知VSG的有功-频率控制在为系统提供惯性和阻尼的同时，也能根据接入点频率的偏差(f

在一种具体的实施方式中，同步发电机通过调节励磁来调节无功输出，类似地，虚拟同步发电机可以通过调节虚拟电势来调节机端电压和无功功率。

如图4所示，虚拟同步发电机的机端参考电压U

U

式中：E

具体的，本申请为实现电压的闭环控制，通过将VSG控制系统输出的无功指令和无功输出值进行比较，计算虚拟同步发电机的机端参考电压，将所述机端参考电压和测得的虚拟同步发电机端电压进行比较，将比较结果输入PI控制器得到虚拟同步发电机的虚拟电势幅值，从而完成无功功率调节。

103、引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间。

需要说明的是，当直流电压大于预置上限电压或者直流电压小于预置下限电压时，则高/低压控制器产生偏置电流叠加至VSG控制系统输出的有功电流，其叠加后的有功电流为：

式中，u

VSG控制系统的等效电路图如图5所示，本申请结合直流电压控制的VSG控制系统的示意图如图6所示，图6中包括高压控制器和低压控制器，分别用于当直流电压大于预置上限电压时产生偏置电流Δi

由高压控制器和低压控制器调节得到偏执电流的计算公式为：

其中，k

由于受端换流站输出的有功电流的上、下限值对应着最大的逆变功率和整流功率，两者大小相等，方向相反，其关系为：

i

式中：P

另外，由于当预置上限电压和预置下限电压过于接近受端换流站的直流电压稳态值u

式中：Δu为电压裕量，可取典型值Δu＝0.05pu。

本申请通过将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机，使得变流器可以表现出虚拟同步发电机的惯性和阻尼作用；通过建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型，使得在正常运行状态下，换流站根据有功功率指令参考值向交流系统精准地输送有功功率，为电网提供惯性支撑的同时主动参与电网频率调节。通过引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，主站因故障退出运行时，系统监测到电压偏差便可快速响应，使得直流电压波动减小。

在一种具体的实施方式中，当本申请的VSG控制系统正常运行时，定直流电压控制模式下的换流站作为平衡节点平衡系统的功率波动，维持多端直流系统的稳定运行。直流电压u

由此可见，在多端直流输电系统正常时，受端换流器运行在传统VSG控制模式下，参与电网调频控制；而当直流电压异常时，高、低压协调控制器发挥作用，在参与系统一次调频的同时实现直流系统潮流再平衡。

以上是本申请的方法的实施例，本申请还包括一种VSG控制装置的实施例，如图2所示，图2中包括：

等效单元201，用于将多端直流输电系统的受端换流站等效成虚拟同步发电机；

建立单元202，用于建立VSG控制系统的机械功率和有功功率指令以及接入点的频率偏差的计算模型：

P

式中，P

调节单元203，用于引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间。

在一种具体跌实施方式中，等效单元201还用于将换流器电势等效成虚拟同步发电机的内电势，换流电抗器的电感值等效为虚拟同步发电机的同步电感，换流电抗器内阻等效为虚拟同步发电机的同步电阻，将换流器的直流端等效成虚拟同步发电机的原动机。

在一种具体跌实施方式中，还包括无功功率调节单元，用于通过将VSG控制系统输出的无功指令和无功输出值进行比较，计算虚拟同步发电机的机端参考电压，将机端参考电压和测得的虚拟同步发电机端电压进行比较，将比较结果输入PI控制器得到虚拟同步发电机的虚拟电势幅值，从而完成无功功率调节；

虚拟同步发电机的机端参考电压的计算公式为：

U

式中，E

在一种具体跌实施方式中，调节单元203还用于引入高/低压控制器用于调节VSG控制系统输出的有功电流，使得输入至交流网络的有功电流值保持在预置区间，包括：

当直流电压大于预置上限电压或者直流电压小于预置下限电压时，则高/低压控制器产生偏置电流叠加至VSG控制系统输出的有功电流，其叠加后的有功电流为：

式中，u

本申请还提供了一种VSG控制设备的实施例，设备包括处理器以及存储器：存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行本申请一种VSG控制方法的实施例。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行本申请一种VSG控制方法的实施例。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：RandomAccess Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。