CN103023069B - 一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法。所述方法在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器；监测逆变型新能源电源直流母线电压和电网电压正序分量；利用所述电网电压的正序分量来启动或关闭所述逆变型新能源电源的直流卸荷电路的控制信号，同时引入了直流电压比例积分PI控制器，实时平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。该控制方法用于克服现有不平衡控制策略存在的缺陷，从而提高逆变型新能源电源的故障穿越能力。

Description

一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源电源控制技术领域，尤其涉及逆变型新能源电源故障穿越的控制方法。

背景技术

对于目前广泛应用的永磁直驱风电机组或光伏电池系统等仅通过逆变器直接与电网相连的新能源电源（又称为逆变型新能源电源）来说，在电网故障下其能否持续不脱网且稳定运行，关键在于并网逆变器的控制策略能否保证流过该逆变器电流和直流母线电压不越限。特别是当电网发生不对称故障后，并网逆变器交流侧电流和直流侧电压将会大幅增大，当它们超过逆变电源本身配置电流和电压保护的门槛值，该逆变电源将被迫从电网中切除，不能满足电网的故障穿越要求。因此，逆变型新能源电源故障穿越控制策略的设计至关重要。

现有技术中故障穿越的控制策略主要针对三相对称故障，很少涉及深度不对称故障下逆变型新能源电源的故障穿越控制策略。尽管已有控制策略，例如目前应用广泛的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制策略，提出在电网电压轻度不平衡情况下，通过调整逆变电源交流侧正负序电流来抑制直流电压二倍频脉动，但仅考虑直流电压脉动问题将无法使逆变型新能源电源真正满足深度不对称故障穿越的要求。实质上，随着不对称故障严重程度的不断加深，即故障期间逆变电源与电网接口处的电压负序分量和正序分量之间的比值增大，流过逆变器的正负电流也均将增大，其很有可能超过逆变器的最大允许电流，进而为逆变型新能源电源带来故障隐患，影响了系统性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法，用于克服现有不平衡控制策略存在的缺陷，从而提高逆变型新能源电源的故障穿越能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法，所述方法包括：

在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器；

监测逆变型新能源电源直流母线电压和电网电压正序分量；

利用所述电网电压的正序分量来启动或关闭所述逆变型新能源电源的直流卸荷电路的控制信号，同时引入了直流电压比例积分PI控制器，实时平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。

所述在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器，具体包括：

根据逆变器直流电压外环控制回路提供的参考有功功率和可设置为任意值的参考无功功率，计算正负序电流参考值和

利用以下公式计算上述参考值三相静止坐标下对应的电流值为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_b=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_c=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\end{array}\right.;$

取上述计算得到的三相电流的幅值，并利用I_max＝max(I_am,I_bm,I_cm)计算通过逆变器的最大相电流，且当I_max大于逆变器的最大允许电流值I_lim时，在增加的正负序电流限制器中，所述逆变器的交流侧电流的正负序分量参考值将被重新设置为：

$i_j^{k*\′}=i_j^{k*}{I}_{\lim }/I_{\max }.$

所述直流卸荷电路的卸荷电阻值计算公式为：

$R=U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^2/(P_{\mathrm{dcN}}-P_{\mathrm{out}-\lim }^1)$

其中，逆变器能输出到电网的最大功率U_dc-lim为直流母线电压的最大限制值，I_ph-lim逆变器交流侧相电流的最大限制值；U_{dc_ref}为卸荷电路控制回路所设定的直流电压参考值，其值不大于直流电压的最大限制值。

所述方法还包括：根据计算所得的卸荷电阻值，更改所述逆变型新能源电源中直流卸荷电路中的电阻值，保证任何故障情况下所述直流卸荷电路均能平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器；监测逆变型新能源电源直流母线电压和电网电压正序分量；利用所述电网电压的正序分量来启动或关闭所述逆变型新能源电源的直流卸荷电路的控制信号，同时引入了直流电压比例积分PI控制器，实时平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。该控制方法用于克服现有不平衡控制策略存在的缺陷，从而提高逆变型新能源电源的故障穿越能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供逆变型新能源电源故障穿越的控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述增加正负序电流限制器之后的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制系统框图；

图3为本发明实施例所述直流卸荷电路的控制示意图；

图4为本发明实施例所述含逆变型新能源电源的电网电磁暂态模型；

图5为本发明实施例所述逆变电源与电网接口处电压正负序分量的波形示意图；

图6为本发明实施例所述故障全过程中直流母线电压波形图；

图7为本发明实施例所述故障发生初始阶段逆变电源输出电流波形图；

图8为本发明实施例所述故障切除初始阶段逆变电源输出电流波形图；

图9为本发明实施例所述故障全过程中逆变电源输出有功和无功功率波形示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供逆变型新能源电源故障穿越的控制方法流程示意图，所述方法包括：

步骤11：在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器

上述过程具体来说，如图2所示为本发明实施例所述增加正负序电流限制器之后的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制系统框图，首先根据逆变器直流电压外环控制回路提供的参考有功功率和可设置为任意值的参考无功功率，在如图2所示的正负序参考电流计算环节中计算正序电流d轴和q轴分量参考值与负序电流d轴和q轴分量参考值和

利用以下公式计算上述参考值三相静止坐标下对应的电流值为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_b=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_c=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\end{array}\right.;$

取上述计算得到的三相电流的幅值，并利用I_max＝max(I_am,I_bm,I_cm)计算通过逆变器的最大相电流，且当I_max大于逆变器的最大允许电流值I_lim时，如图2所示，在增加的正负序电流限制器中，所述逆变器的交流侧电流的正负序分量参考值将被重新设置为：

$i_j^{k*\′}=i_j^{k*}{I}_{\lim }/I_{\max }.$

上述增加正负序电流限制器的方法不仅可以非常有效地限制流过逆变器的电流，还可以保证直流母线电压的二倍频脉动量得到了有效的抑制，同时使逆变器的最大输出功率极限得到了充分利用。

步骤12：监测逆变型新能源电源直流母线电压和电网电压正序分量。

步骤13：利用电网电压的正序分量来启动或关闭所述逆变型新能源电源的直流卸荷电路的控制信号，引入了直流电压比例积分PI控制器，平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。

该步骤中，为了解决过压问题，利用逆变型新能源电源现有的针对对称故障所设置的直流卸荷电路将直流侧电容上积累的多余能量消耗掉，以保证故障期间直流母线电压处于正常范围值之内，从而使故障发生或切除后逆变电源均能在较短时间内达到稳定运行状态。

具体来说，如图3所示为本发明实施例所述直流卸荷电路的控制示意图，图3中：在电网故障下，当逆变电源与电网接口处电压的正序分量小于0.9倍的额定值时，直流卸荷电路的控制器被启动。此时，若直流母线电压大于卸荷电路控制回路所设定的直流电压参考值U_{dc_ref}，由电压控制器输出的占空比信号将大于零，该值的大小将决定卸荷电阻R实际所消耗的功率。电网故障切除后，由于逆变电源电网接口处电压恢复为额定值附近，此时卸荷控制回路的输出信号被置零，直流卸荷电路将主动退出运行。

另外，为保证任何故障情况下上述直流卸荷电路均能平衡逆变器两侧的不平衡功率，这里给出直流卸荷电路的计算公式，在已知直流电压和交流侧输出电流限制值的情况下，直流卸荷电路的选择综合考虑了以下两个极端情况因素：一是故障前逆变电源处于额定运行状态，即P_dc=P_dcN；二是直流卸荷电路控制回路中占空比的最大值为1，据此，卸荷电阻值的计算公式为：

$R=U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^2/(P_{\mathrm{dcN}}-P_{\mathrm{out}-\lim }^1)$

式中，逆变器能输出到电网的最大功率U_dc-lim为直流母线电压的最大限制值，I_ph-lim逆变器交流侧相电流的最大限制值；U_{dc_ref}卸荷电路控制回路所设定的直流电压参考值，其值不大于直流电压的最大限制值。

进而可以根据计算所得的卸荷电阻值，更改所述逆变型新能源电源中直流卸荷电路中的电阻值，保证任何故障情况下所述直流卸荷电路均能平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。

基于上述控制方法，下面对所述控制方法在故障发生及切除全过程中的工作原理进行说明：

故障发生初始阶段，逆变型新能源电源（简称逆变电源）与电网接口处某一相或某几相电压的迅速跌落，而此时逆变器交流侧电压还维持故障前电压值不变，所以逆变器交流侧电流将迅速增加。在此阶段由如图2所示改进的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路作用，逆变器交流侧电压将随交流电流的增加而减小，但是其减小的速率小于逆变器交流侧电流增加的速率。当交流侧电流增加到大于图2中正负序电流限制器的门槛值时，逆变器交流侧输出电流将受限，同时逆变电源输出到电网的功率也将被限制。

当逆变电源输出功率受限时，由于逆变器直流侧输入功率未发生变化，所以直流母线电压将升高，如图3所示的直流卸荷电路的电压控制器将输出一定值，且在电网电压正序分量跌落到0.9倍额定值的情况下，直流卸荷电路将投入运行，以限制直流母线电压升高。故障一段时间后，逆变电源将进入稳定运行状态；直到故障切除后，由于电网电压的恢复，逆变器交流侧电流将减小，同时直流卸荷电路将被迫从电网中切除，改进的基于矢量定向的正负序双d-q电流将调整直流母线电压和逆变器交流侧电流，使它们尽快达到稳定运行状态。

下面以具体实例对上述控制方法进行验证：

利用电力系统实时数字仿真器RTDS仿真平台搭建如图4所示的含逆变型新能源电源的电网电磁暂态模型，对逆变电源在故障发生和切除过程中暂态性能进行测试与分析。假设在如图4所示电网的母线B处发生AB两相接地故障，故障前逆变电源的输出额定有功功率，且处于单位功率因数运行状态；故障期间，逆变电源无功电流分量的参考值重设为1倍的额定值。

如图5所示为逆变电源与电网接口处电压正负序分量的波形示意图，图5中：故障发生后，电网电压的正序分量迅速从1.05pu跌落到0.59pu，而负序电压分量很快地从0pu上升到0.26pu，电网电压的不对称度达到了44%。

如图6所示为故障全过程中直流母线电压波形图，从图6可以看出，在故障发生初始阶段直流迅速上升，但是在直流卸荷电路控制系统的调节作用下，其很快恢复在正常运行范围之内，故障稳态期间直流电压的脉动范围较小，仅为其参考值的±3.24%倍。

同时，如图7所示为故障发生初始阶段逆变电源输出电流波形图，如图8所示为故障切除初始阶段逆变电源输出电流波形图，结合图7和8可知：在故障初始阶段逆变电源的输出电流迅速上升，在大约0.06s的时间范围内，通过改进型的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路调整后，该电流达到稳定值且含谐波量很小，其中B相电流达到最大，约为额定电流的2倍（逆变器最大电流限制值）。

如图9所示是故障全过程中逆变电源输出有功和无功功率波形示意图，由图9所示：故障初始阶段逆变电源输出有功功率将迅速减小，而无功功率迅速增加，约0.02s后它们分别被稳定为0.34pu和0.56pu。这说明故障期间逆变电源输出功率受限，其中逆变器直流侧多余的有功功率由卸荷电路吸收。

结合上述图4-图9可以看出：故障切除后，由于电网电压的恢复，逆变电源输出电流很快减小并恢复为正常值，输出有功功率先增加后迅速减小，无功功率先迅速减小后很快恢复为零，此阶段直流母线电压将随输出有功功率的增加而减小，随后很快被调整为故障前运行值。故障切除后约0.08s后，逆变电源系统对应的各电气量均能恢复到故障前运行值。

由此可见，上述算例充分证明，本发明实施例所提的不对称故障穿越控制策略能使逆变电源在故障发生和切除后较快地进入稳定运行状态，具有较强的不对称故障穿越能力。

综上所述，本发明实施例所提供的控制方法无需增加其他外围设备，成本低，可靠性高，可广泛应用于永磁直驱型风力发电机、光伏电池系统等逆变型新能源电源的不对称故障穿越控制中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种逆变型新能源电源故障穿越的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器；

监测逆变型新能源电源直流母线电压和电网电压正序分量；

利用所述电网电压的正序分量来启动或关闭所述逆变型新能源电源的直流卸荷电路的控制信号，同时引入了直流电压比例积分PI控制器，实时平衡逆变器交直流侧的不平衡功率；

其中，所述在逆变型新能源电源的基于矢量定向的正负序双d-q电流控制回路中增加正负序电流限制器，具体包括：

根据逆变器直流电压外环控制回路提供的参考有功功率和可设置为任意值的参考无功功率，计算正负序电流参考值和

利用以下公式计算上述参考值在三相静止坐标下对应的电流值为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_b=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\\ I_c=\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{p*}/i_d^{p*})+\sqrt{i_d^{p*2}+i_q^{p*2}}\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+\arctan i_q^{n*}/i_d^{n*})\end{array}\right.$

取上述计算得到的三相电流的幅值I_am,I_bm,I_cm，并利用I_max＝max(I_am,I_bm,I_cm)计算通过逆变器的最大相电流，且当I_max大于逆变器的最大允许电流值I_lim时，正负序电流限制器将重置逆变器的交流侧电流正负序分量的参考值为：

$i_j^{k*\′}=i_j^{k*}{I}_{\lim }/I_{\max }.$

2.根据权利要求1所述逆变型新能源电源故障穿越控制方法，其特征在于，所述直流卸荷电路的卸荷电阻值计算公式为：

$R=U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^2/(P_{\mathrm{dcN}}-P_{\mathrm{out}-\lim }^1)$

其中，逆变器能输出到电网的最大功率U_dc-lim为直流母线电压的最大限制值，I_ph-lim逆变器交流侧相电流的最大限制值；U_{dc_ref}为卸荷电路控制回路所设定的直流电压参考值，其值不大于直流电压的最大限制值；P_dcN为新能源电源送入到直流侧的额定有功功率。

3.根据权利要求2所述逆变型新能源电源故障穿越的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据计算所得的卸荷电阻值，更改所述逆变型新能源电源中直流卸荷电路中的电阻值，保证任何故障情况下所述直流卸荷电路均能平衡逆变器交直流侧的不平衡功率。