构网型变流器暂态稳定提升控制方法和构网型变流器系统与流程

1.本技术属于电子控制技术领域，尤其涉及一种构网型变流器暂态稳定提升控制方法和构网型变流器系统。


背景技术：

2.随着可再生能源在电力系统中的比重不断提高，以电网电压同步的跟网型变流器在弱电网电压波动下出现了大量暂态同步不稳定问题。
3.构网型变流器通过有功环模拟同步机的惯量和阻尼特性和无功环模拟同步机的励磁环节，以实现电网频率和电压支撑，从而提升并网系统的暂态同步稳定性。然而，与同步机不同的是，构网型控制中有功环和无功环时间尺度相近，使得有功和无功功率的耦合会影响控制性能，甚至导致系统无法维持同步运行。
4.另外，变流器中会设计电流限幅方案，以防止变流器故障穿越过程中超过其过流能力，比如内部电压电流环之间设置电流饱和限幅环节。但是，电流限幅方案可能造成变流器工作模式变化，会增加变流器失去同步的风险。
5.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中提到的技术问题，本技术实施例提供了一种构网型变流器暂态稳定提升控制方法和构网型变流器系统，以在故障冲击下保证变流器输出电流限幅以及提升其暂态稳定能力。
7.所述方法应用于构网型变流器，所述控制方法包括：
8.建立构网型变流器的能量函数模型；
9.确定所述能量函数模型的吸引域，基于所述吸引域获取所述构网型变流器在功率耦合和电流限幅影响下的的暂态稳定裕度指标；
10.为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，通过所述虚拟阻抗控制使得所述构网型变流器在故障情况下输出的电流被限幅；
11.为所述构网型变流器配置功率解耦控制，通过消除虚拟阻抗和功率耦合的负面影响提升所述构网型变流器的暂态稳定性。
12.一示例中，所述能量函数模型通过以下公式表示：
[0013][0014]
其中，v(δ,ω,e)表示所述能量函数模型；ω0为电网额定频率；ug表示电网相电压幅值；bg表示电网电纳；δ和ω分别表示变流器输出功角和频率；p0为变流器有功功率额定值；j为虚拟惯量；d
p
为阻尼系数；q0为变流器无功功率额定值；e0和e分别为变流器电压额定值和实际值；dq为电压下垂系数；α为常数。
[0015]
一示例中，所述确定所述能量函数模型的吸引域的步骤，包括：
[0016]
确定所述能量函数模型的阻尼分布，从所述阻尼区域的正阻尼区域内找到封闭等势面范围作为吸引域的估计。
[0017]
一示例中，所述为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，包括：
[0018]
获取交流电网阻抗lg和虚拟阻抗lv；
[0019]
基于所述电网阻抗lg和所述虚拟阻抗lv在所述构网型变流器中采用虚拟阻抗控制，其中电网阻抗等效增加值为lv+lg。
[0020]
其中，所述为所述构网型变流器配置功率解耦控制，包括：
[0021]
所述构网型变流器的有功环反馈的有功功率乘以额外的补偿系数实现功率解耦，使得所述有功环的微分方程不受到所述构网型变流器的无功环输出影响，使得所述有功环的二阶微分方程通过以下算式表示：
[0022][0023]
p0为所述构网型变流器有功功率额定值；j为虚拟惯量；d
p
为阻尼系数；ug表示电网相电压幅值；e0为电压额定值；ω0为电网额定频率；电网电纳bg＝1.5/lgω0。
[0024]
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种构网型变流器系统，所述系统用于控制构网型变流器，执行如上所述的方法的步骤。
[0025]
其中，所述系统包括有功环模拟同步机和无功环模拟同步机；所述系统还包括用于将直流逆变成交流的变流器；
[0026]
所述有功环模拟同步机通过有功功率或者直流电压进行同步，所述有功环模拟同步机和所述无功环模拟同步机分别输出电压的θ和幅值e指令信号。
[0027]
所述系统还包括电压电流双闭环控制装置，用于通过脉宽调制信号调节变流器输出内电势，以控制并网点电压v
pcc
跟随构网型控制的输出相位θ和幅值e。
[0028]
本发明建立构网型变流器的能量函数模型；然后确定所述能量函数模型的吸引域，基于所述吸引域获取所述构网型变流器在功率耦合和电流限幅影响下的的暂态稳定裕度指标；为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，通过所述虚拟阻抗控制使得所述构网型变流器在故障情况下输出的电流被限幅；为所述构网型变流器配置功率解耦控制，通过消除虚拟阻抗和功率耦合的负面影响提升所述构网型变流器的暂态稳定性，进而能够有效解决构网型变流器在弱电网电压波动下出现的大量暂态同步不稳定的问题现象。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1是本技术提供的构网型变流器暂态稳定提升控制方法的流程示意图；
[0031]
图2是本技术实施例提供的三相构网型变流器并网系统的结构示意图；
[0032]
图3是本技术实施例提供的构网型变流器的典型降阶模型；
[0033]
图4是本技术实施例提供的功率耦合和电流限幅影响下系统的势能和阻尼分布示意图；
[0034]
图5是本技术实施例提供的基于虚拟阻抗和功率解耦的构网型暂态稳定提升控制示意图；
[0035]
图6是本技术实施例提供的构网型变流器暂态稳定提升控制方法的流程示意图；
[0036]
图7是本技术实施例提供的故障冲击下现有构网型控制与本发明所提构网型暂态稳定提升控制的对比仿真结果图。
具体实施方式
[0037]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0038]
还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0039]
可理解的是，现有技术中，对于构网型变流器，在设计过程中多以无功环为一阶代数方程为实例，转化构网型控制为二阶微分方程和一阶代数约束方程，从而通过能量函数、相位图以及分岔分析等非线性分析方法评估了构网型变流器的暂态同步稳定性。同时，为了避免变流器过流的发生，现有技术从虚拟阻抗、相量限幅、电压补偿等通过调节无功环输出电压的方法间接实现电流限幅的方案。然而，由于无功环动态被忽略，导致现有技术的这些方案都无法充分解析功率耦合对构网型变流器暂态行为的影响，同时电流限幅方案在暂态同步过程中发挥的作用也未被考虑。
[0040]
实施例一
[0041]
本发明实施例提供一种构网型变流器暂态稳定提升控制方法，所述方法应用于构网型变流器，如图1所示，所述控制方法包括：
[0042]
步骤s10：建立构网型变流器的能量函数模型。
[0043]
在具体应用中，本步骤会阐述基于构网型变流器的三阶微分方程建立构网型变流器的能量函数模型。
[0044]
图2展示了典型的三相构网型变流器并网系统。如图2(a)所示，构网型控制包括有功环和无功环。如图2(b)所示，电压和电流环之间设置电流限幅模块。
[0045]
如图2(a)所示，有功环模拟同步发电机的摇摆方程，其二阶微分方程可写为：
[0046][0047]
式中：δ和ω分别表示变流器输出功角和频率；p0和p分别为变流器有功功率额定值与实际值；j为虚拟惯量；d
p
为阻尼系数。
[0048]
无功环通常采用下垂控制，通过提供有限的无功功率来支撑电网电压。它的一阶微分方程为：
[0049][0050]
式中：q0和q分别为变流器无功功率额定值与实际值；e0和e分别为变流器电压额定值和实际值；k为电压积分系数；dq为电压下垂系数。
[0051]
同时，如图2(b)所示，为了避免大扰动故障下变流器输出电流超过电流限幅阈值i
max
，目前普遍会在电压和电流环之间设置电流限幅模块，其数学公式可表示为：
[0052][0053]
式中，i
d*
和i
d**
分别表示限幅前后变流器d轴坐标系下输出电流；i
q*
和i
q**
分别表示限幅前后变流器q轴坐标系下输出电流。
[0054]
考虑变流器在电压运行模式，图2所示的变流器可降阶如图3(a)所示。在此基础上，变流器的有功功率p和无功功率q可计算为：
[0055][0056]
式中，ug表示电网相电压幅值；电网电纳bg＝1.5/lgω0，其中lg表示电网阻抗。
[0057]
考虑变流器进入电流限幅运行模式，变流器可简化如图3(b)所示。在此基础上，变流器的有功功率p和无功功率q可计算为：
[0058][0059]
其中，相角
[0060]
现有的技术方案考虑无功环输出为参数变量建立能量函数模型，导致无法完全分析功率耦合的影响。本发明在此做出改进，提出了包含功角、频率以及输出电压三个状态变量的改进能量函数v(δ,ω,e)模型，即：
[0061][0062]
其中，α为常数。
[0063]
基于式(1)，(2)和(4)，电压运行模式下能量函数v(δ,ω,e)的微分，即系统阻尼，可推导为：
[0064]
[0065]
因此，基于式(1)和(5)，能量函数v(δ,ω)在电流运行模式下的阻尼可推导为：
[0066][0067]
基于式(7)和式(8)可知，能量函数v(δ,ω)在电压运行模式下阻尼保持为正，但是由于微分方程的改变，在电流限幅运行模式下的阻尼无法保证为正。
[0068]
步骤s20：确定所述能量函数模型的吸引域，基于所述吸引域获取所述构网型变流器在功率耦合和电流限幅影响下的的暂态稳定裕度指标。
[0069]
在具体应用中，本实施例可通过lyapunov直接法求解出构网型变流器能量函数模型的吸引域，并在此基础上获取功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器的暂态稳定裕度指标。
[0070]
可理解的是，lyapunov直接法实际上是能量函数模型中正阻尼区域内找到封闭等势面范围作为吸引域的估计，从而可得到在吸引域内部的系统状态将会稳定于吸引域内平衡点的结论。因此首先需要确定能量函数模型的阻尼分布。
[0071]
假设电流限幅阈值为80a，系统的负阻尼区域如图4阴影区域所示。灰色阴影是70％电压跌落故障下以及故障后的负阻尼区域。由于变流器输出电压不会骤升，即变流器在故障过程中不会触发电流限幅，因此只需要考虑故障后的负阻尼区域。基于lyapunov直接法，系统临界能量需要从uep修正为正阻尼区域中的mpp，如图4所示。
[0072]
同时，系统状态越过mpp至少需要获取大于mpp到sep势能差的暂态能量。该势能差可视为暂态稳定裕度，可作为变流器暂态稳定性的评价指标。因此，功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器暂态稳定裕度η的计算公式可写为：
[0073]
η＝v
mpp-v
sep (9)
[0074]
通过暂态同步稳定性分析发现，功率耦合和电流限幅分别通过改变系统势能和阻尼分布削弱变流器的暂态同步稳定性。
[0075]
步骤s30：为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，通过所述虚拟阻抗控制使得所述构网型变流器在故障情况下输出的电流被限幅；为所述构网型变流器配置功率解耦控制，通过消除虚拟阻抗和功率耦合的负面影响提升所述构网型变流器的暂态稳定性。
[0076]
在具体应用中，参考图6，本实施例以抑制功率耦合和电流限幅影响为目标，阐述一种虚拟阻抗和功率解耦结合的构网型变流器暂态稳定提升控制方案，使得在构网型变流器输出电流限幅的基础上提升变流器暂态稳定性。
[0077]
如图5所示，本实施例提出基于虚拟阻抗和功率解耦结合的暂态稳定提升控制方案，以同时抑制功率耦合和电流限幅引入的负面影响。
[0078]
在构网型变流器中采用虚拟阻抗控制，电网阻抗等效增加为lv+lg，。结果如图5所示，构网型变流器输出功率减小lv/(lv+lg)倍。也就是说，变流器采用虚拟阻抗控制可以抑制变流器电流限幅影响，然而构网型变流器输出功率减小，功率耦合的负面影响增加。
[0079]
因此，在图5的有功环中，反馈的有功功率乘以一个额外的补偿系数(lv+lg)e0/lge实现功率解耦控制。从而，有功环的微分方程可重写为：
[0080][0081]
采用虚拟阻抗和功率解耦结合的提升控制方案后，系统阻尼可重写为：
[0082][0083]
可以发现，功率解耦消除了变流器的暂态同步稳定性对于无功环电压支撑的依赖性，也就是消除了虚拟阻抗和功率耦合对变流器的暂态同步稳定性的负面影响。从而，构网型变流器的暂态稳定裕度η增加为：
[0084]
η＝v
uep-v
sep
》v
mpp-v
sep (12)
[0085]
在暂态稳定分析的基础上，本发明提出了构网型变流器的暂态稳定提升控制方案。该方案使用虚拟阻抗限制变流器的功率输出，实现电压支撑并且保证故障穿越过程中不过流，同时还采用功率解耦以消除虚拟阻抗和功率耦合对变流器暂态稳定性的负面影响。
[0086]
实施例二
[0087]
本发明还提供一种构网型变流器系统，所述系统用于控制构网型变流器，执行如上所述的构网型变流器暂态稳定提升控制方法的步骤；所述系统包括有功环模拟同步机和无功环模拟同步机。
[0088]
在本实施例中，所述系统还包括用于将直流逆变成交流的变流器；
[0089]
所述有功环模拟同步机通过有功功率或者直流电压进行同步，所述有功环模拟同步机和所述无功环模拟同步机分别输出电压的θ和幅值e指令信号。
[0090]
所述系统还包括电压电流双闭环控制装置，用于通过脉宽调制信号调节变流器输出内电势，以控制并网点电压v
pcc
跟随构网型控制的输出相位θ和幅值e。
[0091]
进一步地，本实施例利用simulink仿真平台验证实施例一提供的控制方法的有效性。具体地，为了验证功率耦合和电流限幅影响下构网型变流器提升方案的有效性，本发明基于matlab/simulink仿真平台搭建如图2所示的构网型变流器并网系统。系统的主要参数列于表1。
[0092]
表1仿真参数
[0093][0094]
图7(a)给出了持续0.2s的70％三相电压跌落故障下80a电流限幅变流器的仿真波形图。从图7(a)可以看出，变流器在故障后触发了电流限幅控制，变流器输出电流被限制在80a内。然而，此时变流器暂态不稳定并且无法支撑电网电压。
[0095]
为了提升图7(a)中变流器的暂态稳定性，变流器采用图4所示的暂态稳定提升控制方案。在相同电压跌落故障冲击下，变流器仿真波形图如图7(b)所示。相比于图7(a)，采用提升控制方案后图7(b)中的变流器暂态同步稳定以及输出电流被限制，显示了提升方案可以有效提升变流器的暂态同步稳定性，并且变流器的电流限幅也得到了保证。虚拟阻抗的设置使得变流器的电流限幅区域减小，使得变流器相同故障下没有进入电流限幅模式。另外，功率解耦使得暂态过程中输出电压由状态变量映射为其额定值的参数变量，使得故障后的暂态能量需要增加才可以失去暂态同步稳定。从而让原本暂态不稳定的变流器恢复同步。因此，由图中看出，本发明所提出基于虚拟阻抗和功率解耦的构网型变流器暂态稳定提升控制方案可以提升有限过流能力的变流器的暂态稳定性。
[0096]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0097]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种构网型变流器暂态稳定提升控制方法，其特征在于，所述方法应用于构网型变流器，所述控制方法包括：建立构网型变流器的能量函数模型；确定所述能量函数模型的吸引域，基于所述吸引域获取所述构网型变流器在功率耦合和电流限幅影响下的的暂态稳定裕度指标；为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，通过所述虚拟阻抗控制使得所述构网型变流器在故障情况下输出的电流被限幅；为所述构网型变流器配置功率解耦控制，通过消除虚拟阻抗和功率耦合的负面影响提升所述构网型变流器的暂态稳定性。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量函数模型通过以下公式表示：其中，v(δ,ω,e)表示所述能量函数模型；ω0为电网额定频率；u
g
表示电网相电压幅值；b
g
表示电网电纳；δ和ω分别表示变流器输出功角和频率；p0为变流器有功功率额定值；j为虚拟惯量；d
p
为阻尼系数；q0为变流器无功功率额定值；e0和e分别为变流器电压额定值和实际值；d
q
为电压下垂系数；α为常数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述能量函数模型的吸引域的步骤，包括：确定所述能量函数模型的阻尼分布，从所述阻尼区域的正阻尼区域内找到封闭等势面范围作为吸引域的估计。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，包括：获取交流电网阻抗l
g
和虚拟阻抗l
v
；基于所述电网阻抗l
g
和所述虚拟阻抗l
v
在所述构网型变流器中采用虚拟阻抗控制，其中电网阻抗等效增加值为l
v
+l
g
。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述为所述构网型变流器配置功率解耦控制，包括：所述构网型变流器的有功环反馈的有功功率乘以额外的补偿系数实现功率解耦，使得所述有功环的微分方程不受到所述构网型变流器的无功环输出影响，使得所述有功环的二阶微分方程通过以下算式表示：其中，p0为所述构网型变流器有功功率额定值；j为虚拟惯量；d
p
为阻尼系数；u
g
表示电网相电压幅值；e0为电压额定值；ω0为电网额定频率；电网电纳b
g
＝1.5/l
g
ω0。6.一种构网型变流器系统，其特征在于，所述系统用于控制构网型变流器，执行如权利要求1-5所述的方法的步骤。7.如权利要求6所述的构网型变流器系统，其特征在于，所述系统包括有功环模拟同步机和无功环模拟同步机；所述系统还包括用于将直流逆变成交流的变流器；
其中，所述有功环模拟同步机通过有功功率或者直流电压进行同步，所述有功环模拟同步机和所述无功环模拟同步机分别输出电压的θ和幅值e指令信号。8.如权利要求7所述的构网型变流器系统，其特征在于，所述系统还包括电压电流双闭环控制装置，用于通过脉宽调制信号调节变流器输出内电势，以控制并网点电压v
pcc
跟随构网型控制的输出相位θ和幅值e。

技术总结
本申请提供一种构网型变流器暂态稳定提升控制方法和构网型变流器系统，所述方法应用于构网型变流器，所述控制方法包括：建立构网型变流器的能量函数模型；确定所述能量函数模型的吸引域，基于所述吸引域获取所述构网型变流器在功率耦合和电流限幅影响下的的暂态稳定裕度指标；为所述构网型变流器配置虚拟阻抗控制，通过所述虚拟阻抗控制使得所述构网型变流器在故障情况下输出的电流被限幅；为所述构网型变流器配置功率解耦控制，通过消除虚拟阻抗和功率耦合的负面影响提升所述构网型变流器的暂态稳定性，进而能够有效解决构网型变流器在弱电网电压波动下出现的大量暂态同步不稳定的问题现象。稳定的问题现象。稳定的问题现象。


技术研发人员：黄萌 付熙坤 凌扬坚 田震 查晓明
受保护的技术使用者：国电南瑞科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/18