CN105356783B - 一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法。采用加入电流限幅的方法，增强逆变器中的限流以不影响逆变器稳态性能，通过紧急降低逆变器输出频率调节虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定；设置限幅值，逆变器输出电流幅值超过限幅值时降低逆变器频率，使虚拟功角减小，从而使逆变器输出电流降低，重新回到非饱和功角曲线上运行，避免逆变器进入电流源模式运行而失去稳定。本发明避免其进入电流源失稳模式，且本发明方法不改变系统的稳态运行特性，其控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，如虚拟同步机等，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统暂态稳定性。

Description

一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对下垂控制逆变器的控制方法，尤其是涉及了一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法。

背景技术

近年来，风力、光伏等可再生能源得到了快速发展，国内建立了以逆变器为接口的大型风力、光伏电站，因此，逆变器的稳定性对电网的安全运行有重要意义。

下垂控制使得逆变器呈现出电压源的特性，在实际中得到广泛的应用，尤其是新能源接入微网或弱电网时，下垂控制可为系统提供电压和频率支撑。研究表明，由于逆变器内部的限流控制，在大干扰下逆变器会因电流的限幅而褪变成一个电流源，该特性使得逆变器的失稳过程更加复杂。

目前，逆变器的稳定性研究主要集中于微网中逆变器的小干扰稳定性的研究，而对其在大干扰下的暂态稳定问题研究相对较少(本发明研究的内容特指功角稳定或同步稳定)，其稳定机理尚不清晰。

发明内容

为了解决现有技术中若三环控制(下垂控制–电压外环–电流内环)逆变器的电流内环发生饱和，则逆变器的虚拟功角容易失稳且稳定裕度会降低的技术问题，本发明提出了一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法，过流时紧急降低逆变器输出频率调节虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定。

本发明的技术方案采用：

本发明针对逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用加入电流限幅的方法，增强逆变器中的限流以不影响逆变器稳态性能，通过紧急降低逆变器输出频率调节虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定。

如图3所示，在逆变器的控制过程中设置限幅值I_limit(如设置为等于内环电流限幅值)，在逆变器输出电流幅值I_mag超过限幅值I_limit时，马上降低逆变器频率，使虚拟功角减小，从而使逆变器输出电流降低，重新回到非饱和功角曲线上运行，避免逆变器进入电流源模式运行而失去稳定。

所述逆变器的输出角速度ω^*通过以下方式控制：

当I_mag<＝I_limit时，输出角速度ω^*采用正常下垂控制：

ω^*＝ω_refo＝ω_g-k_P(P_E-P_o)

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_refo是逆变器的角速度给定值，ω_g是无穷大电网的角速度，k_P是正常下垂控制时比例积分控制器的比例参数，P_E是逆变器输出有功功率的实际值，P_o是逆变器输出有功功率的给定值；

当I_mag>I_limit时，输出角速度ω^*采用以下紧急限流措施：

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_refo是逆变器的角速度给定值，K_plim是紧急限流措施下比例积分控制器的比例参数，K_ilim是紧急限流措施下比例积分控制器的积分参数，T_ls是滤波器的时间常数，s表示复数频率。

本发明加入了滤波环节是为了避免系统参考频率突变，抑制系统过渡过程中的震荡。由于采用了比例积分控制，紧急限流措施启动后，逆变器的输出频率将持续降低，直到输出电流幅值不超过I_limit。此外，紧急限流措施仅在逆变器过电流时启动，并不会影响逆变器的正常运行特性。

本发明的有益效果是：

本发明解决了逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳的技术问题，通过紧急降低逆变器的输出频率来调节逆变器的虚拟功角，从而控制逆变器的输出电流，避免其进入电流源失稳模式，并且方法并不改变系统的稳态运行特性。

本发明控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，如虚拟同步机等，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统暂态稳定性。

附图说明

图1为本发明的单逆变器并入无穷大电网的系统控制结构图。

图2为本发明中针对下垂控制逆变器提出的增强型限流控制策略框图。

图3为本发明的单逆变器并入无穷大电网的系统中各角度的定义示意图。

图4为本发明示例中逆变器输出电流不饱和时的稳态虚拟功角特性曲线。

图5为本发明示例中逆变器输出电流饱和时的稳态虚拟功角特性曲线。

图6为本发明示例中逆变器暂态过程中的矢量图。

图7为本发明示例中暂态下逆变器的非饱和虚拟功角曲线与饱和虚拟功角曲线。

图8本发明示例中逆变器功率指令发生阶跃后考虑暂态虚拟功角曲线偏移 的虚拟功角轨迹图。

图9为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器暂态虚拟功角曲线偏移量。

图10为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器输出频率曲线。

图11为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器暂态虚拟功角轨迹图。

图12为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器有功功率阶跃响应。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的原理如下：

可再生能源接入弱电网或微电网时，作为并网接口的逆变器经常采用“功率下垂–电压外环–电流内环”的三环控制器，且采用基于dq坐标变换的矢量控制。其中，电压外环设定电压q轴分量V_q的给定值为零，使逆变器的输出电压综合矢量定位在d轴上。典型结构如图1所示，部分变量的定义及物理意义如下表1所示。

表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明

在dq坐标下，图1中逆变器的状态方程为：

其中，L_Σ为线路电感，其余变量的定义及物理意义如附录表1所示。

无功功率—电压下垂控制方程如式(4)所示，将有功功率—频率下垂方程写为式(7)的形式，其中V为逆变器输出电压综合矢量的幅值。

V-V₀＝k_Q×(Q₀-Q_E) (4)

△ω＝ω^*-ω_g＝k_P×(P₀-P_E) (5)

令δ′为d轴与无穷大电网的电压矢量间的夹角，它可看成是逆变器的功角，也即虚拟功角。结合式(5)可得：

上述式(4)-(6)中变量的定义及物理意义如附录表1所示，相关的示意图如图3所示。根据图3可得虚拟功角曲线的偏移量α、β如式(7)和式(8)：

本文主要分析在大干扰下，虚拟功角δ′的运动变化。为此，对逆变器的电磁暂态过程与控制的暂态响应过程作简化：

假设1：不考虑系统中的谐波分量与负序、零序分量；

假设2：稳态下逆变器输出电压矢量定位在d轴，且以单位功率因素运行；

假设3：不计线路与滤波电感的电阻，不考虑滤波电感与线路的电磁暂态，

即并忽略LCL滤波器中的电容电流影响；

假设4：考虑逆变器的内环控制带宽足够大，从而可不计逆变器的控制中电流内环的暂态过程，即认为电流内环的给定值等于实际值；

假设5：不考虑Q-V下垂导致电压降低的情况，认为(即逆变器输出电压幅值为V₀)；

假设6：不失一般性，文中分析的大干扰来自有功功率指令P₀阶跃(对其他类型大干扰导致运行点偏移，分析过程和结论也适用)。

由上述假设可将式(3)简化为：

将综合矢量表示为如下的复数：

其中，j表示虚部。

联立式(9)与式(10)可得式(11)：

逆变器输出功率表达式为：

其中，Re()表示取括号内矢量的实部。

联立式(7)与式(12)得逆变器虚拟功角特性方程：

当逆变器处于稳态时，V_q＝0，由式(7)可得α＝0，此时可将式(13)写为：

P_E＝P_umsinδ′ (14)

其中，P_um表示输出电流不饱和时逆变器输出有功功率的最大值。

上述推导没有考虑逆变器输出电流的限幅控制，故由上式得到的是逆变器输出电流不饱和时的虚拟功角特性曲线(本发明中简称为“非饱和虚拟功角曲线”)，如图4所示，在[0,π]中存在A和B两个平衡点，其中A点是稳定平衡点，B点是不稳定平衡点。。

由于过电流会导致逆变器损坏，因此常在控制中对逆变器的输出电流幅值进行限制。常用的逆变器电流限幅方式有d,q轴电流比例限幅和d,q轴电流动态限幅。假定逆变器采用d轴电流优先的限幅方式(若采用其它的限幅方式，其分析过程和方法也类似)。

为分析d,q轴电流动态限幅方式下系统的大干扰稳定问题，记d轴电压外环的PI调节器输出为q轴为在d轴电流优先的限幅方式下，限幅环节的电流给定输出信号为：

由式(15)和(16)可以看出：当I_mag≤I_max时，限幅调节不起作用，逆变器电流可由式(7)得到；当I_mag>I_max时，有：d轴电流优先的限幅方式可以使I_d保持优先增大并达到I_max。当定位在d轴上时，稳态下逆变器的输出功率如式(17)，可见让d轴电流优先增大可以使逆变器达到最大功率的输出。

P_E＝V_dI_d (17)

当电流达到了最大值时(根据假设4可知，此时对应电流参考值达到上限)，此时逆变器将褪变成一个电流源。因此，考虑饱和后逆变器的输出功率为：

其中，是无穷大电网侧的功率因数角，θ′＝90°-θ，

由图4可看出，θ′即为与之间的夹角。电流饱和后逆变器的输出功率表达式(18)与未饱和时的表达式(12)呈对耦关系，因此，逆变器电流饱和后也存在同步稳定问题。

进一步，定义θ′为逆变器电流饱和下的功角，结合式(8)可得：

θ′＝δ′+β+90° (19)

将式(19)代入式(18)，可得逆变器电流饱和下的虚拟功角特性：

当电流饱和后，由于d轴电流优先的限幅方式的作用，d轴电流将逐渐增大到I_max，q轴电流将逐渐减小到0。此后，β＝0和成立，从而可将式(20)进一步写为：

其中，P_sm表示输出电流饱和时逆变器输出有功功率的最大值。

由式(20)或(21)可得逆变器电流饱和下的虚拟功角特性曲线(由于考虑了逆变器电流饱和，故本发明中称之为“饱和虚拟功角曲线”)，如图5所示，在[-π,π]中存在C和D两个平衡点，其中C点是稳定平衡点，D点是不稳定平衡点。

逆变器暂态过程中的矢量图如图6所示，当逆变器接受到功率增加指令时，频率变大，虚拟功角δ′变大。在理想的电压跟踪情况下，输出电压、电流矢量能跟踪上虚拟功角的变化，即α＝0，β＝0。但由于采用三环控制，电压的控制需要通过电流的控制实现，电压控制的带宽受到限制，会落后于dq坐标，产生一负q轴电压分量和一正q轴电流分量，因而α、β均大于零。

由于暂态过程中α、β均大于零，由非饱和虚拟功角曲线的特性方程式(13)和饱和虚拟功角曲线的特性方程式(20)这两个公式可以看出，非饱和虚拟功角曲线与饱和虚拟功角曲线均发生偏移，如图7中曲线1、2所示。可以看出，偏移后的两条曲线交点的纵坐标减小，即逆变器电流饱和时对应的输出功率减小，逆变器的稳定裕度降低。

图8给出了考虑暂态虚拟功角曲线偏移后，逆变器功率指令从P₀阶跃到P₁后虚拟功角的轨迹图，可以看到，虚拟功角不再沿着理想虚拟功角曲线移动，而是呈现明显的下移趋势，从而可能更早进入电流源失稳模式。偏移量α、β越大，则将越早进入电流源模式，进而越早出现虚拟功角失稳的问题。

本发明的具体实施例如下：

实施例以单逆变器并入无穷大系统(如图1所示)为例，以单机无穷大系统进行仿真，电流采用d轴电流优先的限幅方式，其限幅值为I_max＝1.05，仿真使用的其余参数见附录表2。逆变器以P0＝0.3启动，在t＝3s时，P0阶跃至1.0，以不含输出电流前馈的下垂控制策略作为对照组，测试所提出的控制方法的暂态性能。

表2实施例仿真验证中部分系统变量的参数值

当采用针对下垂控制逆变器电流内环饱和的增强型限流方法时，图9-图12给出了使用该控制方法的仿真波形，以及与对照组的比较。为了便于比较，增强控制中不含有输出电流前馈项，紧急限流启动值I_limit为1.05，等于内环电流限幅值1.05。

图9给出了暂态过程中虚拟功角曲线的偏移量α和β，可以看到，正常时增强型方法并不启动，因而在暂态过程中也出现了明显的虚拟功角偏移现象。

图10给出了暂态过程中逆变器输出频率的变化，在达到I_limit后，采用增强型限流控制方法的逆变器频率快速下降，并最终稳定于1。图9给出了暂态过程中虚拟功角的变化，可以看到，尽管增强型方法开始偏离理想虚拟功角曲线较远，但是通过紧急限流，虚拟功角被“拉回”，并最终稳定到给定值上。其输出功率如图12所示也最终达到给定值。

本发明具有突出显著的技术效果：分析了暂态过程中的虚拟功角曲线发生偏移从而导致逆变器暂态稳定裕度下降的现象，研究表明电压外环控制的传递函数中存在右半平面零点，会约束电压跟踪性能。在此基础上，提出了一种不影响逆变器稳态性能的增强型限流方法，通过紧急降低逆变器的输出频率，调节逆变器虚拟功角，从而控制逆变器的输出电流，避免其进入电流源失稳模式。该方法不改变系统的稳态运行特性。

根据逆变器失稳的机理，本发明方法也可应用于其他采用电压外环-电流内环(双环控制)的逆变器，如虚拟同步机等，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统暂态稳定性。

Claims (1)

1.一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法，其特征在于：针对逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用加入电流限幅的方法，增强逆变器中的限流以不影响逆变器稳态性能，通过紧急降低逆变器输出频率调节虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定；

在逆变器的控制过程中设置限幅值I_limit，在逆变器输出电流幅值I_mag超过限幅值I_limit时，马上降低逆变器频率，使虚拟功角减小，从而使逆变器输出电流降低，重新回到非饱和功角曲线上运行，避免逆变器进入电流源模式运行而失去稳定；

所述逆变器的输出角速度ω^*通过以下方式控制：

当I_mag<＝I_limit时，输出角速度ω^*采用正常下垂控制：

ω^*＝ω_refo＝ω_g-k_P(P_E-P_o)

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_refo是逆变器的角速度给定值，ω_g是无穷大电网的角速度，k_P是正常下垂控制时比例积分控制器的比例参数，P_E是逆变器输出有功功率的实际值，P_o是逆变器输出有功功率的给定值；

当I_mag>I_limit时，输出角速度ω^*采用以下紧急限流措施：

<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>*</mo> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>lim</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>lim</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>lim</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>lim</mi> <mi>i</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_refo是逆变器的角速度给定值，K_plim是紧急限流措施下比例积分控制器的比例参数，K_ilim是紧急限流措施下比例积分控制器的积分参数，T_ls是滤波器的时间常数，s表示复数频率。