CN108429251A - 一种电网故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网故障穿越控制方法，包括建立虚拟同步发电机模型，并实时检测虚拟同步发电机的定子电流幅值；根据虚拟同步发电机的定子电流幅值，对虚拟同步发电机模型中的定子电阻进行调整以使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大。本发明根据虚拟同步发电机的定子电流幅值的变化，动态调整虚拟同步发电机模型中的定子电阻，使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大，以有效抑制定子短路电流。

Description

一种电网故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网故障穿越控制方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量占系统总装机容量比重越来越大，但间歇式能源出力的大幅度、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性。并且，不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。

针对上述问题，可在风电、光伏电站增加大容量集中式储能平抑其出力波动，而储能结合虚拟同步发电机技术更是近年来的一个研究热点。虚拟同步发电机技术将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制算法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。

现有虚拟同步发电机模型的控制框图如图1所示，虚拟同步发电机机械转矩T_m与电磁转矩T_e、角速度变化量Δω和阻尼系数K_d的乘积做差后进行转子运动方程中的积分计算得到角速度变化量Δω，Δω与额定角速度ω₀进行叠加得到虚拟同步发电机角速度ω，角速度ω经过积分后得到转子相角θ。虚拟同步发电机三相电势幅值E_abc和转子相角θ经过计算得到虚拟同步发电机三相内电势e_abc，三相内电势e_abc与虚拟同步发电机的定子电阻R和定子电流i_abc的乘积、机端电压u_abc做差后，再进行积分得到定子电流i_abc，该虚拟同步发电机模型的数学表达式为：

其中，H为虚拟同步发电机惯性时间常数即空载时，额定转矩下电机从静止到额定转速的时间，L为虚拟同步发电机的定子电感。

传统同步发电机具备较大的短路容量，在电网发生短路故障时，可承受短时的短路电流，并通过强励磁进行无功支撑。虚拟同步发电机受电力电子器件容量限制，短路容量小，电网故障时容易发生过流脱网，另外，由于故障时机械转矩和电磁转矩不平衡，转子频率失稳，因此，需要对虚拟同步发电机进行限流控制和频率稳定控制处理。

清华大学电机系的陈天一在电网技术第40卷第7期中提出了一种基于模式平滑切换的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，该控制方法采用模式平滑切换的方式，故障期间切换到常规逆变器电网故障穿越控制模式抑制短路电流。华中科技大学电气与电子工程学院的尚磊在中国电机工程学报第37卷第2期中提出了一种电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制，采用虚拟电阻技术和相量电流限制技术限制故障时的短路电流，即在调制波上叠加了虚拟电阻控制量，并根据短路电流限制其内电势和机端电压的压差对向量电流进行限制，但是由于其采用的虚拟电阻技术属于常规逆变器控制中的虚拟阻抗技术，虚拟阻抗为固定值，而向量电流限制技术采用压差。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网故障穿越控制方法，用于解决虚拟同步发电机定子短路电流限制不佳导致其电网故障穿越失败的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电网故障穿越控制方法，包括以下方案：

方案一：步骤如下：

建立虚拟同步发电机模型，并实时检测虚拟同步发电机的定子电流幅值；

根据虚拟同步发电机的定子电流幅值，对虚拟同步发电机模型中的定子电阻进行调整以使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大。

方案二：在方案一的基础上，还包括：根据虚拟同步发电机的实时定子电流幅值，对dq旋转坐标系下电流环指令矢量的幅值进行限制。

方案三：在方案一或二的基础上，还包括实时检测电网电压幅值，当电网电压幅值小于电压设定值时，当前虚拟同步发电机的角速度为原来电网电压幅值不小于电压设定值时的虚拟同步发电机的角速度。

方案四：在方案一或二的基础上，对虚拟同步发电机模型中的定子电阻进行调整的方法为：若虚拟同步发电机的定子电流幅值大于第一电流设定值，在原来定子电阻上叠加一个随定子电流幅值增大而增大的修正定子电阻。

方案五：在方案二的基础上，对dq旋转坐标系下电流环指令矢量的幅值进行限制的方法为：若虚拟同步发电机的定子电流幅值大于第二电流设定值，对dq旋转坐标系下的q轴电流指令和d轴电流指令的范围大小进行限定。

方案六：在方案四的基础上，所述修正定子电阻的表达式为：

ΔR＝k*(I_mag-1)

其中，ΔR为修正定子电阻，k为虚拟定子电阻动态调整系数，I_{_mag}为虚拟同步发电机的定子电流幅值。

方案七：在方案五的基础上，限定后的q轴电流指令的范围为[-1.1pu，1.1pu]，限定后的d轴电流指令的范围为

本发明的有益效果是：

本发明根据虚拟同步发电机的定子电流幅值的变化，动态调整虚拟同步发电机模型中的定子电阻，使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大，以有效抑制定子短路电流。

进一步的，考虑电网故障穿越时的动态无功支撑能力，根据虚拟同步发电机的定子电流幅值，直接对电流环指令矢量的幅值进行限制，控制虚拟同步发电机自动运行在单电流环控制模式，进一步抑制了定子短路电流。

进一步的，通过在虚拟同步发电机原来定子电阻上叠加一个修正定子电阻，对定子电气方程中的虚拟阻抗进行动态的线性调整，定子电流越大，增加的虚拟电阻阻值越大，限流作用越强。

附图说明

图1是现有技术中虚拟同步发电机模型的控制框图；

图2是本发明中虚拟同步发电机总体控制框图；

图3是本发明中虚拟同步发电机模型的控制框图；

图4是虚拟同步发电机第一重限流控制框图；

图5是虚拟同步发电机第二重限流控制框图；

图6是虚拟同步发电机转子运动方程优化框图；

图7是三相对称零电压穿越的电压仿真图；

图8是三相对称零电压穿越的电流仿真图；

图9是单相不对称零电压穿越电压仿真图；

图10是单相不对称零电压穿越电流仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图2所示，本发明电网故障穿越控制系统包括依次连接的虚拟同步发电机模型(VSG模型)、矢量限幅模块、电流控制模块和PWM模块。其中虚拟同步发电机模型的输入端连接Q-U控制模块和P-f控制模块，虚拟同步发电机模型的控制框图如图3所示。

具体的，VSG模型的机械转矩T_m由P-f控制模块计算得到，内电势幅值E由Q-U控制模块计算得到，P-f控制模块描述如下：

T_m＝[P_ref-k_f(f-f₀)P_N]/ω

其中，f为机端电压频率，f₀为机端电压额定频率，P_N为VSG额定功率，P_ref为有功功率指令，k_f为频率系数，ω为虚拟同步发电机角速度。

Q-U控制模块描述如下：

E＝E₀+k_q(Q_ref-Q)-k_u(U_N-U)

其中，E₀为空载内电势，k_q为无功调节系数，Q_ref为无功功率指令，Q为VSG无功功率，k_u为调压系数，U_N为额定机端电压，U为机端电压。

上述电网故障穿越控制系统用于实现电网故障穿越控制方法的原理如下：

1)虚拟阻抗动态调整

如图4所示，实时检测虚拟同步发电机定子电流i_{_mag}的幅值I_{_mag}(标幺值)，当I_{_mag}大于第一电流设定值即I_{_mag}＞1pu时，动态调整虚拟定子电阻开始第一重限流，过程如下：

计算虚拟定子电阻调整量ΔR＝k*(I_mag-1)，其中，k为虚拟定子电阻动态调整系数。调整后的虚拟定子电阻R′＝R+ΔR，R为调整前的虚拟定子电阻即额定虚拟定子电阻。

需要说明的是，在虚拟阻抗动态调整的过程中，ΔR的下限为零。当I_{_mag}≤1pu即电网正常运行时，自动退出上述虚拟阻抗动态调整。当然，作为其他的实施方式，也可以采用其他的方式根据定子电流幅值对虚拟阻抗电阻进行调整，以使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大。

2)电流矢量限幅

当I_{_mag}大于第二电流设定值1.1pu时，电流矢量限幅开始第二重限流。如图5所示，电流环的指令i_dref和i_qref由VSG模型生成的定子电流i_{abc_ref}在dq坐标系下旋转变换得到，变换公式如下：

其中，θ为转子相角，由转子频率积分得到。

在dq旋转坐标系下将电流环指令矢量的幅值限制到1.1pu，考虑电网故障穿越时的动态无功支撑能力，q轴电流指令i_qref限幅范围为[-1.1pu，1.1pu]，d轴电流指令i_dref根据i_qref动态限幅，限幅范围为当然，上述电流环指令矢量幅值的限定范围也可以根据实际情况进行调整。

3)转子运动方程优化

采用转子运动方程优化方案维持电网故障穿越期间转子频率的稳定，具体为：如图6所示，实时检测电网电压幅值U_{_mag}，当U_{_mag}小于电压设定值0.9pu即U_{_mag}＜0.9pu时，判断为电网故障，开关切到0，停止转子运动方程中的积分计算，ω保持电网故障前即原来电网电压幅值不小于电压设定值时的值，防止拉大转子与电网的相位差，减小故障恢复时因相位差导致的电流冲击；当U_{_mag}≥0.9pu时，判断为电网故障恢复，开关切到1，以常规转子运动方程计算。

本实施例中，图2的电流环和PWM模块均属于逆变器常规控制算法，这里不再展开描述。为了模拟最恶劣工况，仿真中电网跌落至1％(零电压穿越)，图7和图8分别为三相对称零电压穿越时的电压、电流仿真图，图9和图10分别为单相不对称零电压穿越时的电压、电流仿真结果。由仿真结果可知，虚拟同步发电机在故障穿越过程中，过电流得到了较好的抑制，频率也能保持稳定，故障恢复时转子频率可跟随电网及输出功率变化以进行功角调整。

本发明所提供的电网故障穿越控制方法包括虚拟阻抗动态调整和电流矢量限幅双重限流控制策略、以及适用于电网故障穿越的转子运动方程优化方案，其中双重限流控制策略可有效抑制虚拟同步发电机电网故障工况下的定子短路电流，转子运动方程优化方案可以解决电网故障工况下转子频率失稳的问题。

以上实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电网故障穿越控制方法，其特征在于，步骤如下：

建立虚拟同步发电机模型，并实时检测虚拟同步发电机的定子电流幅值；

根据虚拟同步发电机的定子电流幅值，对虚拟同步发电机模型中的定子电阻进行调整以使定子电阻随着定子电流幅值的增大而增大。

2.根据权利要求1所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，还包括：根据虚拟同步发电机的实时定子电流幅值，对dq旋转坐标系下电流环指令矢量的幅值进行限制。

3.根据权利要求1或2所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，还包括实时检测电网电压幅值，当电网电压幅值小于电压设定值时，当前虚拟同步发电机的角速度为原来电网电压幅值不小于电压设定值时的虚拟同步发电机的角速度。

4.根据权利要求1或2所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，对虚拟同步发电机模型中的定子电阻进行调整的方法为：若虚拟同步发电机的定子电流幅值大于第一电流设定值，在原来定子电阻上叠加一个随定子电流幅值增大而增大的修正定子电阻。

5.根据权利要求2所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，对dq旋转坐标系下电流环指令矢量的幅值进行限制的方法为：若虚拟同步发电机的定子电流幅值大于第二电流设定值，对dq旋转坐标系下的q轴电流指令和d轴电流指令的范围大小进行限定。

6.根据权利要求4所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，所述修正定子电阻的表达式为：

ΔR＝k*(I_{_mag}-1)

其中，ΔR为修正定子电阻，k为虚拟定子电阻动态调整系数，I_{_mag}为虚拟同步发电机的定子电流幅值。

7.根据权利要求5所述的电网故障穿越控制方法，其特征在于，限定后的q轴电流指令的范围为[-1.1pu，1.1pu]，限定后的d轴电流指令的范围为