一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协调控制方法

摘要

本发明公开了一种改善交流系统暂态稳定性的VSC‑HVDC交流电压‑频率协调控制方法，其在VSC换流站暂态控制目标中增加了交流电压‑频率协调控制目标，该控制策略可在保证VSC‑HVDC设备安全运行的前提下，分别利用VSC‑HVDC的无功和有功快速调节能力参与交流系统的电压和频率暂态控制。基于此策略，本发明设计了能够严格实现控制目标优先级排序的VSC控制器结构，能有效改善VSC所联接的弱交流电网的电压和频率暂态稳定性。

权利要求

1.一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协调控制方法，包括如下步骤：(1)对于VSC-HVDC中弱交流系统侧的VSC，检测获取其网侧的交流系统频率f、三相交流电压的有效值us、交流有功功率Ps、交流无功功率Qs以及其直流侧的直流母线电压Udc；

(2)根据所述的交流有功功率Ps、交流系统频率f和直流母线电压Udc，采用基于带死区的有功-频率下垂特性加直流电压裕额控制特性的控制算法计算出该VSC阀侧d轴电流参考量ivdref；具体过程如下：A1.使预设的有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref1；

A2.使有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行比例调节得到有功功率误差量ΔPs1；使预设的死区频率上限参考量fref1减去交流系统频率f，进而对相减结果进行比例调节得到交流系统频率误差量Δfs1；使有功功率误差量ΔPs1与交流系统频率误差量Δfs1相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref2；

A3.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref1与ivdref2进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3；

A4.使有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行比例调节得到有功功率误差量ΔPs2；使预设的死区频率下限参考量fref2减去交流系统频率f，进而对相减结果进行比例调节得到交流系统频率误差量Δfs2；使有功功率误差量ΔPs2与交流系统频率误差量Δfs2相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref4；

A5.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3与ivdref4进行大小比较，取较大值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5；

A6.使预设的直流电压上限参考量Udcref1减去直流母线电压Udc，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref6；

A7.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5与ivdref6进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7；

A8.使预设的直流电压下限参考量Udcref2减去直流母线电压Udc，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref8；

A9.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7与ivdref8进行大小比较，取较大值经上下限为±ivdlim的电流限幅，得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref；ivdlim为VSC的d轴外环电流限幅阈值；

(3)根据所述的交流无功功率Qs和三相交流电压有效值us，采用基于带死区的无功-交流电压下垂特性的控制算法计算出该VSC阀侧q轴电流参考量ivqref；具体过程如下：B1.使预设的无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref1；

B2.使无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行比例调节得到无功功率误差量ΔQs1；使预设的死区电压上限参考量usref1减去三相交流电压有效值us，进而对相减结果进行比例调节得到交流电压误差量Δus1；使无功功率误差量ΔQs1与交流电压误差量Δus1相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref2；

B3.对VSC阀侧q轴电流参考量ivqref1与ivqref2进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧q轴电流参考量ivqref3；

B4.使无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行比例调节得到无功功率误差量ΔQs2；使预设的死区电压下限参考量usref2减去三相交流电压有效值us，进而对相减结果进行比例调节得到交流电压误差量Δus2；使无功功率误差量ΔQs2与交流电压误差量Δus2相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref4；

B5.对VSC阀侧q轴电流参考量ivqref3与ivqref4进行大小比较，取较大值经上下限为±ivqlim的电流限幅，得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref；ivqlim为VSC的q轴外环电流限幅阈值；

所述的d轴外环电流限幅阈值ivdlim和q轴外环电流限幅阈值ivqlim采用以下动态限幅逻辑：若Udcref2

(4)根据所述的d轴电流参考量ivdref和q轴电流参考量ivqref采用内环电流控制算法，计算生成得到该VSC的三相调制电压信号，进而利用三相调制电压信号通过调制技术生成一组开关信号以控制该VSC中的功率开关器件。

说明书

一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协

调控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协调控制方法。

背景技术

[0002] 电压源换流器型直流输电系统(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)采用可自关断的电力电子器件，不需要外加的换相电压即可实现换相，因此可用于联接弱交流电网。

[0003] 目前我国的电网结构中，地区局部电网主要通过交流线路与主网相连，当地区局部电网和主网的交流联络较弱、通道潮流较重时，系统易出现暂态稳定性和小扰动稳定性较差等问题。随着VSC-HVDC技术的逐渐成熟，用VSC-HVDC异步联接地区局部电网与主网成为一种新的选择，该连接方式的突出优势在于能够根除低频振荡问题，异步联网结构既能够避免地区局部电网机组参与主网的低频振荡模式，此外，即使地区局部电网内部出现低频振荡或功率强迫振荡等问题，故障也不会传导至主网。该技术优势特别适用于解决我国西南部小水电密集地区由交流同步联网方式引起的低频振荡问题。

[0004] 虽然VSC-HVDC异步联网方案可以解决地区电网引起的系统低频振荡问题，但地区电网较弱时，这种弱交流系统采用VSC-HVDC异步联网时也会遇到新的问题，如电压失稳、频率失稳等问题。包含大量小水电群的地区电网缺少大型电源，当小水电群电网通过VSC-HVDC异步联网时，小水电群电网属于典型的弱交流系统，其特点是：(1)VSC换流站短路比低；(2)电网机械惯量小；(3)交流网架结构薄弱。由于小水电群电网的网架结构薄弱，部分N-1交流故障将造成电网解列或电厂解列，从而引起小水电群电网的功率不平衡和VSC-HVDC短路比降低，进而可能导致电压或频率失稳。

[0005] 当VSC-HVDC用于上述小水电群电网异步联网场景时，需对VSC-HVDC的控制目标进行扩展，以提高小水电群电网电压和频率稳定性。

[0006] 目前VSC(电压源型换流器)广泛采用电流矢量控制技术，该技术使得VSC换流站具有d、q轴两个解耦的控制维度，可分别实现有功、无功的控制。目前已有文献对VSC-HVDC联接弱交流系统时的控制策略进行了研究。Zhang Lidong、Harnefors Lennart、Nee Hans-Peter在标题为Interconnection oftwo very weak AC systems by VSC-HVDC links using power-synchronization control(IEEE Transactions on Power Systems,2011,26(1):344-355)的文献中提出了一种功率同步控制策略，该策略使VSC能够自动控制输出交流电压的相位，无需外界交流系统提供交流电压参考相位，因此适用于VSC联于弱交流系统的场景。朱瑞可、王渝红、李兴源等在标题为用于VSC-HVDC互联系统的附加频率控制策略(电力系统自动化,2014,38(16):81-87)的文献中对VSC定有功功率控制器中引入了频率-有功功率和直流电压-有功功率斜率特性，对VSC定直流电压控制器中引入频率-直流电压斜率特性，该控制方法可提高VSC-HVDC所联接的两端交流系统的频率稳定性。

[0007] 但是，目前的VSC控制策略未考虑暂态过程中各个控制目标(1、VSC-HVDC直流电压保持稳定；2、VSC交流侧故障时能够控制其阀侧故障电流；3、VSC交流母线电压控制在安全范围；4、VSC交流侧系统频率控制在安全范围)可能发生冲突的情况，因此可能不利于VSC-HVDC所联接的交流系统的暂态稳定性。

发明内容

[0008] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协调控制方法，能够严格实现控制目标优先级排序的VSC控制器结构，有效改善弱交流电网的电压和频率暂态稳定性。

[0009] 一种改善交流系统暂态稳定性的VSC-HVDC交流电压-频率协调控制方法，包括如下步骤：

[0010] (1)对于VSC-HVDC中弱交流系统侧的VSC，检测获取其网侧的交流系统频率f、三相交流电压的有效值us、交流有功功率Ps、交流无功功率Qs以及其直流侧的直流母线电压Udc；

[0011] (2)根据所述的交流有功功率Ps、交流系统频率f和直流母线电压Udc，采用基于带死区的有功-频率下垂特性加直流电压裕额控制特性的控制算法计算出该VSC阀侧d轴电流参考量ivdref；

[0012] (3)根据所述的交流无功功率Qs和三相交流电压有效值us，采用基于带死区的无功-交流电压下垂特性的控制算法计算出该VSC阀侧q轴电流参考量ivqref；

[0013] (4)根据所述的d轴参考量ivdref和q轴参考量ivqref采用内环电流控制算法，计算生成得到该VSC的三相调制电压信号，进而利用三相调制电压信号通过调制技术生成一组开关信号以控制该VSC中的功率开关器件；

[0014] VSC-HVDC中另一交流系统侧的VSC采用常规的定直流电压和定无功功率(或定交流电压)的控制方式。

[0015] 所述的步骤(2)中采用基于带死区的有功-频率下垂特性加直流电压裕额控制特性的控制算法计算VSC阀侧d轴电流参考量ivdref的具体过程如下：

[0016] A1.使预设的有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref1；

[0017] A2.使有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行比例调节得到有功功率误差量ΔPs1；使预设的死区频率上限参考量fref1减去交流系统频率f，进而对相减结果进行比例调节得到交流系统频率误差量Δfs1；使有功功率误差量ΔPs1与交流系统频率误差量Δfs1相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref2；

[0018] A3.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref1与ivdref2进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3；

[0019] A4.使有功功率参考量Psref减去交流有功功率Ps，进而对相减结果进行比例调节得到有功功率误差量ΔPs2；使预设的死区频率下限参考量fref2减去交流系统频率f，进而对相减结果进行比例调节得到交流系统频率误差量Δfs2；使有功功率误差量ΔPs2与交流系统频率误差量Δfs2相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref4；

[0020] A5.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3与ivdref4进行大小比较，取较大值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5；

[0021] A6.使预设的直流电压上限参考量Udcref1减去直流母线电压Udc，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref6；

[0022] A7.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5与ivdref6进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7；

[0023] A8.使预设的直流电压下限参考量Udcref2减去直流母线电压Udc，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref8；

[0024] A9.对VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7与ivdref8进行大小比较，取较大值经上下限为±ivdlim的电流限幅，得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref；ivdlim为VSC的d轴外环电流限幅阈值。

[0025] 所述的步骤(3)中采用基于带死区的无功-交流电压下垂特性的控制算法计算VSC阀侧q轴电流参考量ivqref的具体过程如下：

[0026] B1.使预设的无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref1；

[0027] B2.使无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行比例调节得到无功功率误差量ΔQs1；使预设的死区电压上限参考量usref1减去三相交流电压有效值us，进而对相减结果进行比例调节得到交流电压误差量Δus1；使无功功率误差量ΔQs1与交流电压误差量Δus1相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref2；

[0028] B3.对VSC阀侧q轴电流参考量ivqref1与ivqref2进行大小比较，取较小值作为VSC阀侧q轴电流参考量ivqref3；

[0029] B4.使无功功率参考量Qsref减去交流无功功率Qs，进而对相减结果进行比例调节得到无功功率误差量ΔQs2；使预设的死区电压下限参考量usref2减去三相交流电压有效值us，进而对相减结果进行比例调节得到交流电压误差量Δus2；使无功功率误差量ΔQs2与交流电压误差量Δus2相加，进而对相加结果进行PI调节得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref4；

[0030] B5.对VSC阀侧q轴电流参考量ivqref3与ivqref4进行大小比较，取较大值经上下限为±ivqlim的电流限幅，得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref；ivqlim为VSC的q轴外环电流限幅阈值。

[0031] 所述的d轴外环电流限幅阈值ivdlim和q轴外环电流限幅阈值ivqlim采用以下动态限幅逻辑：

[0032] 若Udcref2

[0033] 本发明VSC交流电压-频率协调控制方法，在VSC换流站暂态控制目标中增加了交流电压-频率协调控制目标，该方法可在保证VSC-HVDC设备安全运行的前提下，分别利用VSC-HVDC的无功和有功快速调节能力参与交流系统的电压和频率暂态控制。

[0034] 弱交流电网在故障暂态过程中，电网的电压和频率会发生波动甚至失稳，但一般情况下交流电压波动较电网频率波动而言更为剧烈，更重要的是，交流电压的高低将直接影响VSC换流站的有功、无功输出(或吸收)能力。因此，在交流系统故障暂态过程中，本发明方法优先考虑将交流电压控制在安全范围内，若VSC仍有调节能力，则继续对交流系统频率进行控制。

[0035] 综上，本发明VSC交流电压-频率协调控制策略的四个暂态控制目标及其优先级顺序设定如下：

[0036] (a)VSC-HVDC直流电压保持稳定；

[0037] (b)交流侧故障时能够控制阀侧故障电流；

[0038] (c)VSC交流母线电压控制在安全范围；

[0039] (d)VSC交流侧频率控制在安全范围。

[0040] 其中，控制目标(a)、(b)是为了保护VSC-HVDC设备的安全，两者均为最高优先级；控制目标(c)、(d)是为了提高交流系统稳定性，目标(c)为第二优先级，目标(d)为第三优先级。本发明的控制方法能有效改善VSC所联接的弱交流电网的电压和频率暂态稳定性。

附图说明

[0041] 图1为VSC-HVDC中弱交流系统侧VSC的控制框图。

[0042] 图2(a)为小水电群电网侧VSC的d轴带死区的有功-频率下垂特性示意图。

[0043] 图2(b)为小水电群电网侧VSC的q轴控制特性示意图。

[0044] 图3为小水电群电网侧VSC的d轴直流电压裕额控制特性示意图。

[0045] 图4(a)为本发明VSC交流电压-频率d轴的协调控制框图。

[0046] 图4(b)为本发明VSC交流电压-频率q轴的协调控制框图。

[0047] 图5为A地区电网接入云南主网的VSC-HVDC联接示意图。

[0048] 图6(a)为本发明协调控制下，故障发生后A地区的交流电压波形图。

[0049] 图6(b)为本发明协调控制下，故障发生后A地区的频率偏差波形图。

[0050] 图6(c)为本发明协调控制下，故障发生后孤网和主网侧VSC的交流电压波形图。

[0051] 图6(d)为本发明协调控制下，故障发生后孤网和主网侧VSC的有功功率波形图。

[0052] 图6(e)为本发明协调控制下，故障发生后孤网和主网侧VSC的无功功率波形图。

[0053] 图6(f)为本发明协调控制下，故障发生后孤网和主网侧VSC的直流电压波形图。

具体实施方式

[0054] 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。

[0055] 为实现VSC交流电压-频率协调控制策略的四个暂态控制目标和优先级顺序，本实施方式重新设计了VSC-HVDC控制特性。

[0056] 如图1所示的VSC基本结构示意图中，Us为VSC网侧母线交流电压有效值，usj分别为VSC网侧母线三相交流电压，usd和usq分别为VSC网侧母线三相交流电压的d轴分量和q轴分量，isj分别为VSC网侧出口处三相交流电流，ivd和ivq分别为VSC阀侧三相交流电流的d轴分量和q轴分量，R和L分别为VSC交流侧等效电阻和电感，V为VSC阀侧交流电压有效值，vjref分别为VSC阀侧输出三相电压参考值，vdref和vqref分别为VSC阀侧输出三相交流电压参考值的d轴分量和q轴分量。ivdref、ivqref和 为控制信号，其中 是VSC控制系统所用到的坐标变换矩阵Tabc/dq和Tdq/abc的参考相位。

[0057] abc/dq变换模块表达式如下：

[0058]

[0059] dq/abc变换模块表达式如下：

[0060]

[0061] 图2是小水电群电网的交流故障情况时，小水电群电网侧VSC采用的d、q轴控制特性。考虑小水电群电网的交流故障情况，小水电群电网的网架结构薄弱，部分N-1交流故障将导致电网解列或电厂解列，从而导致小水电群电网的功率不平衡和VSC短路比降低。为提高小水电群电网暂态过程中的电压和频率稳定性，小水电群电网侧的VSC在交流电压过高时应从电网吸收更多的无功功率，在电网频率过高时应从电网吸收更多的有功功率，反之亦然。因此，小水电群电网侧VSC的d、q轴控制特性可分别设计为：带死区的有功-频率下垂特性和带死区的无功-交流电压下垂特性。

[0062] 图3是考虑主网交流故障情况时，小水电群电网侧VSC采用直流电压裕额控制特性。主网侧发生交流故障期间，需由小水电群电网侧VSC承担直流电压控制功能，故小水电群电网侧VSC可采用直流电压裕额控制特性：VSC-HVDC直流电压波动超过限定范围时，小水电群电网侧VSC转为定直流电压控制模式。综上，小水电群电网侧VSC的控制特性如下：d轴为带死区的有功-频率下垂特性加直流电压裕额控制特性，q轴为带死区的无功-交流电压下垂特性。

[0063] 如图4(a)所示，本发明VSC交流电压-频率协调控制策略中计算VSC阀侧d轴电流参考量ivdref的实现步骤：

[0064] (1)使Psref减去交流有功功率Ps，得到弱交流系统侧VSC网侧交流有功功率误差值，对交流有功功率误差值进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值ivdref1；

[0065] 其中：Psref为预设的弱交流系统侧VSC网侧交流有功功率参考量；

[0066] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将VSC网侧交流有功功率误差值输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0067] (2)使Psref减去交流有功功率Ps，得到弱交流系统侧VSC网侧交流有功功率误差值，使fref1减去弱交流系统侧VSC网侧交流系统频率f，得到交流系统频率误差值，将VSC网侧交流有功功率误差值和比例系数Kp1的乘积加上交流系统频率误差值和比例系数Kf1的乘积，得到Δivd2，对Δivd2进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值ivdref2。

[0068] Δivd2＝Kp1(Psref-Ps)+Kf1(fref1-f)

[0069] 其中：fref1为预设的带死区的有功-频率下垂特性曲线中的死区频率上限参考量；

[0070] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将Δivd2输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0071] (3)将VSC阀侧d轴电流参考量ivdref1与ivdref2进行大小比较，将较小值输出得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3；

[0072] (4)使Psref减去交流有功功率Ps，得到弱交流系统侧VSC网侧交流有功功率误差值，使fref2减去弱交流系统侧VSC网侧交流系统频率f，得到交流系统频率误差值，将VSC网侧交流有功功率误差值和比例系数Kp2的乘积加上交流系统频率误差值和比例系数Kf2的乘积，得到Δivd4，对Δivd4进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值ivdref4。

[0073] Δivd4＝Kp2(Psref-Ps)+Kf2(fref2-f)

[0074] 其中：fref2为预设的带死区的有功-频率下垂特性曲线中的死区频率下限参考量；

[0075] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将Δivd4输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0076] (5)将VSC阀侧d轴电流参考量ivdref3与ivdref4进行大小比较，将较大值输出得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5；

[0077] (6)使Udcref1减去直流电压Udc，得到VSC直流电压误差值，对直流电压误差值进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值ivdref6；

[0078] 其中：Udcref1为预设的直流电压裕额控制特性曲线的电压上限参考量；

[0079] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将VSC直流电压误差值输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0080] (7)将VSC阀侧d轴电流参考量ivdref5与ivdref6进行大小比较，将较小值输出得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7；

[0081] (8)使Udcref2减去直流电压Udc，得到VSC直流电压误差值，对直流电压误差值进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值ivdref8；

[0082] 其中：Udcref2为预设的直流电压裕额控制特性曲线的电压下限参考量；

[0083] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将VSC直流电压误差值输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0084] (9)将VSC阀侧d轴电流参考量ivdref7与ivdref8进行大小比较，将较大值经过幅值为正负ivdlim的电流限幅环节输出得到VSC阀侧d轴电流参考量ivdref；

[0085] 如图4(b)所示，计算VSC阀侧q轴电流参考量ivdref的实现步骤：

[0086] (1)使Qsref减去交流无功功率Qs，得到弱交流系统侧VSC网侧交流无功功率误差值，对交流无功功率误差值进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流q轴参考值ivqref1；

[0087] 其中：Qsref为预设的弱交流系统侧VSC网侧交流无功功率参考量；

[0088] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将VSC网侧交流无功功率误差值输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0089] (2)使Qsref减去交流无功功率Qs，得到弱交流系统侧VSC网侧交流无功功率误差值，使usref1减去三相交流电压有效值us，得到交流电压误差值，将VSC网侧交流无功功率误差值和比例系数KQ1的乘积加上交流电压误差值和比例系数Ku1的乘积，得到Δivq2，对Δivq2进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流q轴参考值ivqref2。

[0090] Δivq2＝KQ1(Qsref-Qs)+Ku1(uref1-us)

[0091] 其中：usref1为预设的带死区的无功-电压下垂特性曲线中的死区电压上限参考量；

[0092] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将Δivq2输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0093] (3)将VSC阀侧q轴电流参考量ivqref1与ivqref2进行大小比较，将较小值输出得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref3；

[0094] (4)使Qsref减去交流无功功率Qs，得到弱交流系统侧VSC网侧交流无功功率误差值，使usref2减去三相交流电压有效值us，得到交流电压误差值，将VSC网侧交流无功功率误差值和比例系数KQ2的乘积加上交流电压误差值和比例系数Ku2的乘积，得到Δivq4，对Δivq4进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流q轴参考值ivqref4。

[0095] Δivq4＝KQ2(Qsref-Qs)+Ku2(uref2-us)

[0096] 其中：usref2为预设的带死区的无功-电压下垂特性曲线中的死区电压下限参考量；

[0097] 上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：将Δivq4输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

[0098] (5)将VSC阀侧q轴电流参考量ivdref3与ivdref4进行大小比较，将较大值经过幅值为正负ivqlim的电流限幅环节输出得到VSC阀侧q轴电流参考量ivqref；

[0099] 最后，对VSC交流电压-频率协调控制器结构中d、q轴外环电流限幅环节(ivdlim,ivqlim)采用以下动态限幅逻辑：

[0100] 当Udcref2

[0101] 否则，ivdlim＝ivlim，

[0102] 其中：ivlim为预设的VSC最大通流能力。

[0103] 图5是云南小水电群密集地区的VSC-HVDC联网方案。云南省西北部某地区电网(后文称A地区)包含大量小水电机群，A地区与外区电网的交流联接薄弱，该网架结构容易引起弱阻尼低频振荡问题，导致A地区送电能力受阻。为消除A地区机群主导参与的区间振荡模式，以A地区为例设计了小水电群密集地区的VSC-HVDC联网方案。在PSS/E仿真平台下，算例包含11459条交流母线，1640台发电机，其中A地区含小水电机组(接入220kV及以下)71台。A地区侧VSC交流母线的短路容量为1827MVA，短路比为2.03。系统运行至1.0s时，A地区的TC-SSH 220kV线路发生三相金属性接地故障，故障持续0.12s后，线路跳开且故障清除，该N-1故障导致SSH电厂三台机(55MW×3台)被切除。A地区侧VSC采用本实施方式交流电压-频率协调控制策略，主网侧VSC为定直流电压和无功控制。A地区侧VSC的控制参数如下：fref1＝50.1Hz，fref2＝49.9Hz，usref1＝1.02pu，usref2＝0.98pu，Udcref1＝1.06pu，Udcref2＝0.94pu，ivlim＝1.10pu(VSC的过流能力为额定工况的1.1倍)。有功功率和无功功率以注入VSC为正方向。

[0104] 图6所示了VSC-HVDC采用本实施方式时，系统的暂态响应过程。故障期间(约1.00s至1.12s)：A地区的交流电压大幅跌落，A地区侧VSC进入无功-电压下垂控制模式，并且A地区侧VSC的dq轴外环电流动态限幅环节处于无功优先模式：A地区侧VSC发出大量无功(约950Mvar)以支撑其交流母线电压，由图6(a)可以看出，A地区侧VSC交流母线电压能够维持在较高值(约1.00pu)，而且A地区的整体电压下跌幅度也明显减轻；同时，A地区侧VSC的有功功率在dq轴外环电流动态限幅环节的作用下降至约100MW，如图6(d)所示，这有利于减轻A地区交流电压的下降，但也会导致A地区机组转速上升(电网频率上升)。故障清除后(约
1.12s至1.50s)：A地区交流电压立刻跃升，A地区侧VSC发出的无功降至正常水平；A地区电网频率开始下降但仍高于50.0Hz，A地区侧VSC转入有功-频率下垂控制模式，增加传输的有功以降低频率。故障清除一段时间后(约1.50s至4.00s)：由于SSH电厂被切除，A地区出现有功缺额，频率开始降至50.0Hz以下，A地区侧VSC减少传输的有功以控制频率。系统约在
4.00s进入新的稳态，A地区侧VSC通过有功-频率下垂控制和无功-电压下垂控制自动寻找到新的稳定运行点。此时VSC-HVDC传输有功功率降至约780MW，A地区的交流线路潮流减轻，从而有利于A地区交流电压保持在较高水平，因此A地区侧VSC发出更少的无功(250Mvar)便能将交流电压控制在安全范围。整个暂态过程中，主网侧VSC将VSC-HVDC直流电压控制在安全范围。故VSC-HVDC采用本实施方式交流电压-频率协调控制策略后，A地区交流故障过程的电网电压和频率波动满足运行要求；整个暂态过程中VSC交流电压-频率协调控制策略能够按照要求的优先级顺序实现四个暂态控制目标。