CN108092302B - 负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，建立在负荷虚拟同步机统一拓扑及其基本控制策略基础上。负荷虚拟同步机统一拓扑适用于储能型直流负荷和非储能型直流负荷。负荷虚拟同步机基本控制策略不仅模拟同步电机的转子惯性、励磁惯性及定子电气特性，同时具备主动参与电网调压调频需求响应的功能。在负荷虚拟同步机基本控制策略上加设电网电压正序分量提取、低电压穿越检测、改变功率设定值、负序电流抑制、故障期间电流环输入限幅5个环节，实现在电网故障的短时间内不脱网运行并最大限度的向电网提供无功支撑以及惯性支撑，同时不影响直流负荷供电质量。

Description

负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法

技术领域

本发明涉及多功能变流器控制技术领域，涉及负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，具体涉及为储能型、非储能型直流负荷提供友好并网接口并使其具备低电压穿越的能力。

背景技术

随着分布式发电技术的迅猛发展，以及大量整流型负荷的分散接入，电力系统中电力电子设备所占比重越来越大，导致系统整体阻尼与惯量水平的下降，给系统的稳定可靠运行带来不可忽视的影响。传统电力系统中的电源(同步发电机)和负荷(同步电动机)都能自主地参与系统的运行和管理，并在系统频率/电压、有功/无功异常情况下做出响应。这主要得益于源、网、荷具有同步的频率，在电源、电网或负荷出现扰动时，依靠三者之间的同步机制实现耦合，以抵御外部扰动对系统的干扰。相应地，如果使分布式电源和负荷分别模拟同步发电机和同步电动机的特性，自然可以实现“源-网-荷”自治运行和主动管理。基于这种思路，有学者提出虚拟同步发电机的概念，使基于逆变器并网的分布式发电系统模仿传统同步发电机的输出特性，为电力系统提供虚拟惯性与阻尼。相应的，通过合理的拓扑结构与控制策略，使负荷侧并网接口表现出同步电动机的特性，这便是负荷虚拟同步机。目前，关于虚拟同步机的研究较多，涉及建模分析、参数整定等理论研究，以及在光伏电站、交直流微电网以及高压直流输电等具体场景中的应用研究。相比之下，关于负荷虚拟同步机的研究较少，大多围绕在电动汽车充电桩这类储能型负荷的应用场景。目前负荷虚拟同步机尚未有适用于多种负荷的统一拓扑结构，并且缺乏一种适用于电网各种短路故障的低电压穿越控制方法。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，为各类直流负荷(包括整流型负荷)提供一种友好并网接口，能够为电网提供惯性与阻尼支撑，主动参与系统调压调频，并具备低电压穿越的能力，在电网故障期间尽可能多的向电网提供无功支撑以及惯性支撑，为达此目的，本发明提供负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，所述控制方法建立在负荷虚拟同步机统一拓扑及其基本控制策略的基础上，其特征在于：所述负荷虚拟同步机统一拓扑由并网点至直流负荷，依次经过的主要电路环节有LC滤波电路、三相全桥双向DC/AC变流器，直流母线电容和双向DC/DC变流电路，所述双向DC/AC变流器控制策略包括功率下垂控制环节，模拟同步电机的转子阻尼与惯性的有功功率控制环，模拟同步电机的励磁惯性的无功功率控制环，瞬时虚拟内电势计算环节，模拟同步电机的定子电气特性的虚拟阻抗控制环，基于PI控制器的单电流环和SVPWM调制生成驱动信号，所述双向DC/DC变流器控制策略包括基于PI控制器的直流母线电压控制环，基于PI控制器的电感电流控制环，所述控制方法包括如下环节：

1)电网电压正序分量提取；

2)低电压穿越检测；

3)改变功率设定值；

4)负序电流抑制；

5)故障期间电流环输入限幅。

作为本发明进一步改进，所述负荷虚拟同步机统一拓扑中直流负荷为储能型负荷或非储能型负荷。

作为本发明进一步改进，所述环节1)电网电压正序分量提取，是将并网点电压u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T经Clarke变换及正序Park变换，从三相静止abc坐标系转换至正序旋转dq坐标系

采用滑动Goertzel算法提取

中的直流分量即电网电压正序分量u_dq+＝[u_d+,u_q+]^T。

作为本发明进一步改进，所述环节2)低电压穿越检测，取电网电压正序分量幅值U_{g_mag+}作为低电压穿越检测的比较量。令U_{g_mag+}<0.9p.u.时负荷虚拟同步机进入低电压穿越模式，U_{g_mag+}>0.9p.u.时切出低电压穿越模式。U_{g_mag+}的计算公式为

作为本发明进一步改进，所述环节3)改变功率设定值，令低电压穿越模式下无功功率设定值为

I_max为开关器件最大连续电流；当0.5p.u.<U_{g_mag+}<0.9p.u.时，低电压穿越模式下有功功率设定值为

若

令

P_n为负荷额定有功功率；当U_{g_mag+}<0.5p.u.时，低电压穿越模式下有功功率设定值为

作为本发明进一步改进，所述环节4)负序电流抑制，是将负荷虚拟同步机基本控制策略中的单电流环改进为正负序解耦控制的双电流环，其中正序电流环参考值

与基本控制策略中的电流环参考值相等，负序电流环参考值

均等于0。

作为本发明进一步改进，所述环节5)故障期间电流环输入限幅，考虑到低电压穿越阶段输出无功功率更为重要，因此将电流环限幅环节设计如下：

本发明提供一种负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，建立在负荷虚拟同步机统一拓扑及其基本控制策略基础上。负荷虚拟同步机统一拓扑为各类直流负荷提供友好并网接口，负荷虚拟同步机基本控制策略克服传统直流负荷电力电子并网接口惯性小、欠阻尼的缺点。负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法使直流负荷在电网故障期间不脱网运行，在尽可能多向电网提供无功支撑以及惯性支撑同时，保证直流负荷的供电质量不受影响。

附图说明

图1为本发明负荷虚拟同步机的统一拓扑结构；

图2为本发明负荷虚拟同步机基本控制策略中双向DC/AC变流器的控制框图；

图3为本发明负荷虚拟同步机基本控制策略中双向DC/DC变流器的控制框图；

图4为本发明所参照的光伏并网逆变器低电压穿越的要求图；

图5为本发明正负序解耦控制的双电流环的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，为各类直流负荷(包括整流型负荷)提供一种友好并网接口，能够为电网提供惯性与阻尼支撑，主动参与系统调压调频，并具备低电压穿越的能力，在电网故障期间尽可能多的向电网提供无功支撑以及惯性支撑。

本发明如图1所示给出了适应于储能型负荷和非储能型负荷的负荷虚拟同步机统一拓扑。其中Q₁～Q₆组成三相全桥双向DC/AC变流器，L1和C1构成LC型滤波器，Ls表示电网等效电感，PCC表示并网点(Point of Common Coupling)，直流母线电容Cdc用于减轻直流母线电压Udc的纹波。直流负载可分为两类，一类是储能型负载，如电动汽车；一类是非储能型负载，如照明类负载。对于非储能型负荷中的敏感负荷，在具备主动参与电网调频调压、电网故障时不脱网运行的功能上不影响用户体验，需配备一定容量的储能。直流负荷部分的主电路本质上是双向DC/DC变流器，用以稳定负荷端直流电压。

本发明如图2所示给出了负荷虚拟同步机基本控制策略中双向DC/AC变流器的控制框图。其中模拟了同步电动机转子运动特性，由同步电机二阶数学模型转化而来。其中，P_m表示有功功率参考值，W；P_e表示从电网吸收的有功功率，W；δ为负荷虚拟同步机的功角，rad；ω_n和ω_g分别表示额定角频率和电网角频率，rad/s；J为转动惯量，kg·m²；D是阻尼系数，N·m·s/rad。此外还模拟了同步电机励磁调节惯性，其主要由一个积分环节构成，确保无功功率无差控制。其中，Q_m表示无功功率参考值，Var；Q_e表示电网吸收的无功功率，Var；U_n为额定电压有效值，V；E表示虚拟内电势，V；K为无功功率积分系数，使无功功率具备合适的响应速度。负荷虚拟同步机吸收的功率P_e和Q_e可通过瞬时功率理论计算。为降低瞬时功率中二倍工频脉动量的影响，取其半工频周期的平均值：

其中，T_line表示工频周期，s；u_a、u_b、u_c为并网点电压，V；i_a、i_b、i_c为电感电流，A。

本发明如图2所示，负荷虚拟同步机基本控制策略中包含下垂控制环节，这使负荷虚拟同步机能够自动响应电网频率、电压的变化，调整有功、无功功率参考值，参与电网调压调频。变低频、低压切负荷为降负荷，同时起到降低机组备用容量，减少瞬时有功功率缺额和无功补偿设备的投资的作用。其中ω_g表示电网角频率，rad/s；U_g为电网电压有效值，V；P_set表示负荷额定有功功率，W；Q_set表示负荷额定无功功率，Var；K_f为频率调节系数，W/rad；K_v为电压调节系数，Var/V。下垂环节中加入饱和限幅环节，以防负荷虚拟同步机功率超过开关器件自身允许容量。

本发明如图2所示，dq同步旋转坐标系下负荷虚拟同步机虚拟内电势

可由δ和E计算得到。

与dq同步旋转坐标系下并网点电压u_dq＝[u_d,u_q]^T比较后经虚拟阻抗控制得到电流环参考值

虚拟阻抗控制可表示为：

其中，r_v为虚拟电阻，Ω；L_v为虚拟电感，H。虚拟阻抗的引入增大了负荷虚拟同步机的输出阻抗，有利于抑制多机并联可能存在的环流问题。由于负荷虚拟同步机基本控制策略中的有功和无功控制中存在积分环节，可实现并网功率与设定值相同，所以式虚拟阻抗参数选择并不依赖于精确的电路参数。u_dq由下式计算得到：

u_dq＝[u_d,u_q]^T＝C_3s/2r[u_a,u_b,u_c]^T；

其中C_3s/2r具体为：

其中θ为并网点电压相位，deg。考虑到SOGI-PLL具有良好的抗谐波干扰能力，本发明对并网点电压a相u_a进行SOGI-PLL获取电网电压相位θ。

本发明如图2所示，基于PI控制器的dq坐标系解耦控制单电流环的引入用于加快负荷虚拟同步机基本控制策略的响应速度。通过上述拓扑结构与基本控制策略，不仅使直流负荷并网接口在运行特性上与同步电机等效，同时具备主动参与电网调频调压的能力。

本发明如图3所示给出了负荷虚拟同步机基本控制策略中双向DC/DC变流器的控制框图。双向DC/DC变流器以控制负荷端直流电压U_dc稳定为目标，采用目前较为成熟且广泛使用的电压电流双闭环PI控制策略。其中

U_dc分别表示直流侧负载端电压额定值与实际值；

IL分别表示直流侧电感电流参考值与实际值。通过合理选取PI控制器参数可实现负载端电压稳定控制。

本发明参照GB/T 19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》中对光伏并网逆变器低电压穿越的要求(如图4所示)对负荷虚拟同步机的低电压穿越功能进行设计。与基本控制策略相比，具备低电压穿越能力的负荷虚拟同步机需增加以下环节：(1)电网电压正序分量提取；(2)低电压穿越检测；(3)改变功率设定值；(4)负序电流抑制；(5)故障期间电流环输入限幅。

(1)电网电压正序分量提取：

将并网点电压u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T经Clarke变换C_3s/2s及正序Park变换C_2s/2r+，从三相静止abc坐标系转换至正序旋转dq坐标系：

其中C_3s/2s具体为：

C_2s/2r+具体为：

本发明采用SGT算法提取出

中的无谐波畸变的正序分量。SGT滤波器具有响应速度快，动态响应时间容易调节，无超调，易于DSP实现等优势。SGT滤波器完整的数学模型为：

式中，N为一个采样周期内的采样点数，

k为谐波次数，取k＝0即可保留输入信号中的直流分量，从而提取出的

正序分量u_dq+＝[u_d+,u_q+]^T。因此SGT滤波器可简化为：

用u_dq+代替基本控制策略虚拟阻抗控制中的u_dq，即可消除电网不平衡故障或电压谐波对电流环参考值的影响。同理亦可得到并网点电压负序分量u_dq-＝[u_d-,u_q-]^T。

(2)低电压穿越检测：

本发明取电网电压正序分量幅值U_{g_mag+}作为低电压穿越检测的比较量。参照图4，令U_{g_mag+}<0.9p.u.时进入低电压穿越模式，U_{g_mag+}>0.9p.u.时切出低电压穿越模式。U_{g_mag+}的计算公式为：

(3)改变功率设定值：

为使负荷虚拟同步机在故障期间利用自身开关器件电流额定容量，向电网提供尽可能多的无功支撑，令低电压穿越模式下无功功率设定值为：

其中I_{n_mag}为负荷虚拟同步机额定电流幅值，一般取为开关器件最大(连续)电流I_max的一半。

本发明令电网故障导致并网点电压正序分量0.5p.u.<U_{g_mag+}<0.9p.u.时，在确保LVSM输出一定无功功率的基础上，充分利用开关器件最大(连续)电流允许(此处取0.8I_max)，使负荷虚拟同步机持续吸收有功功率

若

令

以避免故障期间

突增可能导致的直流侧电压Udc泵升。电网故障期间负荷虚拟同步机持续吸收一定的有功功率，能够起到电气制动(发生故障时迅速投入电阻以消耗发电机发出的有功功率从而增大发电机输出电磁功率)的效果，有助于提高系统暂态稳定性。

当并网点电压过低时，若负荷虚拟同步机持续吸收有功功率，其与系统之间的功角差将大幅度拉大，故障切除后会出现功角失稳的状况。因此当电网故障导致并网点电压正序分量U_{g_mag+}<0.5p.u.时，令

此外，还需同时闭锁基本控制策略中下垂控制部分。

(4)负序电流抑制控制：

负序电流抑制控制是为了在电网不对称故障时保证负荷虚拟同步机交流测电流对称。将基本控制策略中的单电流环改为正负序解耦控制的双电流环，具体控制框图如图5所示。图5中

为正序电流环dq坐标系参考值，其值与基本控制策略中单电流环参考值相等；

为负序电流环dq坐标系参考值，为抑制负序电流，其值均为0。i_d+、i_q+为电感电流正序分量dq坐标系瞬时值，i_d-、i_q-为电感电流负序分量dq坐标系瞬时值，可通过下式获得：

i_dq+＝[i_d+,i_q+]^T＝C_2s/2r+C_3s/2s[i_a,i_b,i_c]^T；

i_dq-＝[i_d-,i_q-]^T＝C_2s/2r-C_3s/2s[i_a,i_b,i_c]^T；

其中C_2s/2r-＝C_2s/2r+ ^T。

图5中C_2r+/2s表示正序iPark变换，C_2r-/2s表示负序iPark变换，且有如下关系：

C_2r+/2s＝C_2s/2r+ ^T；

C_2r-/2s＝C_2s/2r- ^T；

通过正、负序iPark变换，分别将调制电压正序参考值u_{mod_d+}、u_{mod_q+}以及调制电压负序参考值u_{mod_d-}、u_{mod_q-}从同步旋转dq坐标系转换至两相静止αβ坐标系。在αβ坐标系下可将正负序调制电压直接通过加法合成。

(5)故障期间电流环输入限幅：

考虑到负荷虚拟同步机具备一定的惯性，功率给定值改变后需要一定的响应时间(约几百毫秒)，为避免在功率响应阶段输出电流超过开关器件最大允许电流，需要在正负序解耦控制的双电流环输入处增加限幅环节。本发明将电流幅值限制在0.8I_max。同时考虑到低电压穿越阶段输出无功功率更为重要，因此将电流环限幅环节设计如下：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，所述控制方法建立在负荷虚拟同步机统一拓扑及其基本控制策略的基础上，其特征在于：所述负荷虚拟同步机统一拓扑由并网点至直流负荷，依次经过的电路环节有LC滤波电路、三相全桥双向DC/AC变流器，直流母线电容和双向DC/DC变流电路；所述基本控制策略包括对双向DC/AC变流器的控制以及对双向DC/DC变流器的控制，其中双向DC/AC变流器的控制策略包括功率下垂控制环节，模拟同步电机的转子阻尼与惯性的有功功率控制环，模拟同步电机的励磁惯性的无功功率控制环，瞬时虚拟内电势计算环节，模拟同步电机的定子电气特性的虚拟阻抗控制环，基于PI控制器的单电流环和SVPWM调制生成驱动信号，双向DC/DC变流器的控制策略包括基于PI控制器的直流母线电压控制环，基于PI控制器的电感电流控制环；建立在负荷虚拟同步机统一拓扑及其基本控制策略的基础上，所述低电压穿越控制方法包括如下环节：

1)电网电压正序分量提取；

所述环节1)电网电压正序分量提取，是将并网点电压u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T经Clarke变换及正序Park变换，从三相静止abc坐标系转换至正序旋转dq坐标系

采用滑动Goertzel算法提取

中的直流分量即电网电压正序分量u_dq+＝[u_d+,u_q+]^T；

2)低电压穿越检测；

所述环节2)低电压穿越检测，取电网电压正序分量幅值U_{g_mag+}作为低电压穿越检测的比较量，令U_{g_mag+}<0.9p.u.时负荷虚拟同步机进入低电压穿越模式，U_{g_mag+}>0.9p.u.时切出低电压穿越模式，U_{g_mag+}的计算公式为

3)改变功率设定值；

所述环节3)改变功率设定值，令低电压穿越模式下无功功率设定值为

I_max为开关器件最大连续电流；当0.5p.u.<U_{g_mag+}<0.9p.u.时，低电压穿越模式下有功功率设定值为

若

令

P_n为负荷额定有功功率；当U_{g_mag+}<0.5p.u.时，低电压穿越模式下有功功率设定值为

4)负序电流抑制；

所述环节4)负序电流抑制，是将负荷虚拟同步机基本控制策略中的单电流环改进为正负序解耦控制的双电流环，其中正序电流环参考值

与基本控制策略中的电流环参考值相等，负序电流环参考值

均等于0；

5)故障期间电流环输入限幅；

所述环节5)故障期间电流环输入限幅，考虑到低电压穿越阶段输出无功功率更为重要，因此将电流环限幅环节设计如下：

2.根据权利要求1所述的负荷虚拟同步机低电压穿越控制方法，其特征在于：所述负荷虚拟同步机统一拓扑中直流负荷为储能型负荷或非储能型负荷。

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