CN110112900B - 基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，包括获取受控电压源型逆变器的电压控制指令；计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值和抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值；计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落；计算最终电压控制指令；以最终电压控制指令对受控电压源型逆变器进行控制从而对电流进行快速抑制。本发明通过虚拟阻抗的作用快速抑制瞬时冲击电流与稳态过载电流，可直接集成于现有的电压型控制策略，简单高效；而且采用本发明方法控制的逆变器可一直保持在电压型控制模式，无需将电压型控制切换为电流型控制来避过暂态电流冲；当故障切除后逆变器可自动恢复至正常运行模式，故障处理流程简单，逆变器的抗故障能力更高。

Description

基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法。
背景技术
随着能源需求与环境问题的矛盾日益突出，分布式发电技术日益受到人们的重视。分布式发电是指安装在用户负荷侧附近、规模在数千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式的发电系统，为用户提供高效、经济、环保的供电，具有污染少、维护方便、基本无传输损耗、适应分散电力需求和资源分布等优点，可提高电力系统的可靠性和灵活性。
大部分分布式发电以电力电子逆变器作为接口电路，典型的逆变器控制技术包括电流型控制策略和电压型控制策略两种，电流型控制策略是将逆变器控制为受控电流源，以电流的形式向电网输送能量，主要控制策略包括最大功率点跟踪控制和PQ控制。电压型控制策略是将逆变器控制为受控电压源，可以直接为微电网内的负荷提供电压和频率支撑，主要控制策略包括v/f控制，下垂控制和虚拟同步发电控制。
当逆变器输出电流超过其允许的最大承载电流时，若不对输出电流进行限制，输出电流会超出逆变器的承受范围，导致电力电子器件损毁。电流型控制策略由于能够直接对输出电流进行控制，通过合适的电流抑制策略可以实现对输出电流的有效限制。而对于电压型控制策略，由于其输出基波电势不能突变，当电网发生短路故障或者负荷容量突然增大时，会迅速产生一个很大的冲击电流。由于电压型控制策略无法直接对输出电流进行限制，容易发生逆变器的过载故障。若直接触发继电保护电路跳闸，计划外脱网，不仅会对本地用户造成危害，还会威胁微电网系统的安全稳定运行。
文献《基于准PR控制的虚拟同步逆变器故障冲击电流快速抑制方法研究》对虚拟同步逆变器的瞬时冲击电流抑制方法进行了研究，提出在网侧故障时利用切换逆变器的控制模式，将电压型控制切换为电流型控制来避过暂态电流冲击的方法，但是模式切换过程繁琐，需准备电压型和电流型一主一备两套控制方法，当电网故障清除后，无法自动恢复到正常运行状态，需要通过反切换控制才能重新恢复到电压型控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够快速抑制冲击电流和过载电流、能够与现有的电压型控制策略高效集成且简单高效的基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法。
本发明提供的这种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，包括如下步骤：
S1.获取受控电压源型逆变器的电压控制指令；
S2.获取受控电压源型逆变器的电网侧瞬时输出电流信号的绝对值，并计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值；
S3.获取受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号的幅值，并计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值；
S4.根据步骤S2得到的瞬时虚拟阻抗值和步骤S3得到的稳态虚拟阻抗值，计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落；
S5.根据步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令和步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，计算最终电压控制指令；
S6.以步骤S6得到的最终电压控制指令对受控电压源型逆变器进行控制，从而对电流进行快速抑制。
步骤S1所述的受控电压源型逆变器的电压控制指令，具体为通过v/f控制、下垂控制或虚拟同步控制算法计算得到受控电压源型逆变器的电压控制指令。
步骤S2所述的计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值，具体为当触发条件满足时，采用如下算式计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗取值Z0；所述触发条件为：受控电压源型逆变器的电网侧瞬时电流信号的绝对值大于事先设定的触发电流；
Figure BDA0002106516350000031
式中R0为虚拟阻抗初始值，T为虚拟阻抗衰减时间常数。
步骤S3所述的计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值，具体为采用如下算式计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗取值Z1：
Figure BDA0002106516350000032
式中k为比例系数，Igrid为受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号的幅值，Irate为受控电压源型逆变器的额定电流幅值。
步骤S4所述的计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，具体为将抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值和抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值求和得到最终虚拟阻抗值，并将最终虚拟阻抗值乘以受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号，从而得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落。
步骤S5所述的计算最终电压控制指令，具体为将步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令减去步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，从而得到最终电压控制指令。
本发明提供的这种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，通过虚拟阻抗的作用快速抑制瞬时冲击电流与稳态过载电流，可直接集成于现有的电压型控制策略，具有简单高效等特点；当故障发生时，采用本发明方法控制的逆变器可一直保持在电压型控制模式，无需将电压型控制切换为电流型控制来避过暂态电流冲击，当故障切除后，逆变器可自动恢复至正常运行模式，简化了故障处理流程，提高逆变器的抗故障能力。
附图说明
图1为本发明方法的控制框图。
图2为本发明方法的方法流程示意图。
图3为本发明方法在故障发生后的仿真结果图。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，包括如下步骤：
S1.获取受控电压源型逆变器的电压控制指令；具体可以通过v/f控制、下垂控制或虚拟同步控制算法计算得到受控电压源型逆变器的电压控制指令；
S2.获取受控电压源型逆变器的电网侧瞬时输出电流信号的绝对值，并计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗取值；具体为当触发条件满足时，采用如下算式计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗取值Z0；所述触发条件为：受控电压源型逆变器的电网侧瞬时电流信号的绝对值大于事先设定的触发电流；
Figure BDA0002106516350000041
式中R0为虚拟阻抗初始值，T为虚拟阻抗衰减时间常数；
S3.获取受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号的幅值，并计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗取值；具体为采用如下算式计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗取值Z1：
Figure BDA0002106516350000051
式中k为比例系数，Igrid为逆变器网侧输出电流信号的幅值，Irate为逆变器的额定电流幅值；
S4.根据步骤S2得到的瞬时虚拟阻抗取值和步骤S3得到的稳态虚拟阻抗取值，计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落；具体为将抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值和抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值求和得到最终虚拟阻抗值，并将最终虚拟阻抗值乘以受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号，从而得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落；
S5.根据步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令和步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，计算最终电压控制指令；具体为将步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令减去步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，从而得到最终电压控制指令；
S6.以步骤S6得到的最终电压控制指令对受控电压源型逆变器进行控制，从而对电流进行快速抑制。
本发明用于抑制电流的虚拟阻抗包含两部分，虚拟阻抗Z1主要用于抑制稳态过载电流，采用逆变器网侧输出电流信号的幅值来计算虚拟阻抗Z1，
Figure BDA0002106516350000052
由于计算虚拟阻抗Z1需检测网侧输出电流信号的幅值，而现有幅值检测方法都存在一定延时性，延时将影响虚拟阻抗的瞬时表现，特别是在故障发生的瞬间或者负荷突变的瞬间，无法有效对瞬时冲击电流进行抑制，极易导致电力电子器件过载损毁。
基于抑制瞬时冲击电流的目的，需要增加抑制瞬时冲击电流的虚拟阻抗Z0。为提高时效性，采用瞬时电流信号的绝对值作为判断条件，当逆变器网侧瞬时电流信号绝对值大于触发电流时，抑制瞬时冲击电流的虚拟阻抗立即生效启动，满足抑制瞬时冲击电流的速度响应需求，计算式如下：
Figure BDA0002106516350000061
引入抑制冲击电流和过载电流的虚拟阻抗后，逆变器新的电压指令可表示为：
vref＝v*-Z0igrid-Z1igrid
式中，v*为通过v/f控制或下垂控制或虚拟同步控制算法计算得到电压指令，vref为引入虚拟阻抗后逆变器新的电压指令。通过电压跟踪控制策略，逆变器输出电压跟随新的电压指令变化，逆变器的实际输出电压可表示为
uinv＝G(s)vref-Zinvigrid
式中，G(s)为电压跟踪传递函数，Zinv为逆变器自身的等效输出阻抗。
当电网发生短路故障或者负荷容量突然增大时，逆变器网侧输出电流突然增大，当逆变器网侧瞬时电流信号绝对值大于触发电流时，虚拟阻抗Z0启动生效，抑制瞬时冲击电流影响，同时虚拟阻抗Z0取值逐渐衰减，等待逆变器网侧输出电流信号的幅值检测到位，当网侧输出电流幅值大于额定电流幅值时，虚拟阻抗Z1启动生效，抑制稳态过载电流影响。
本发明实施例的仿真结果如图3所示，在该实施例中，逆变器采用v/f控制带负荷单独运行，逆变器允许的最大承载电流幅值Imax为50A，逆变器的额定电流幅值Irate为30A，触发电流Itri设置为45A，比例系数k设为0.5，虚拟阻抗初始值R0设为10Ω，虚拟阻抗衰减时间常数T设为0.05s。
仿真中，电网侧在2s设置短路故障，在4s切除故障，Upcc为公共连接点电压，Igrid为逆变器网侧输出电流信号，Zsum为虚拟阻抗Z0和虚拟阻抗Z1之和。从仿真结果可见，0.2s电网发生短路故障时，虚拟阻抗Z0立即启动，抑制瞬时冲击电流，逆变器网侧输出电流未见明显冲击分量，同时虚拟阻抗Z0逐渐衰减，等待网侧输出电流幅值检测到位，当逆变器网侧输出电流幅值大于额定电流幅值时，虚拟阻抗Z1开始作用，抑制稳态过载电流，限制网侧输出电流保持在最大承载电流以内。通过虚拟阻抗Z0和虚拟阻抗Z1的作用，达到同时快速抑制冲击电流和过载电流的效果。当4s故障切除后，起电流抑制作用的虚拟阻抗自动失效，逆变器重新恢复到正常运行状态。
本专利受到湖南省自然科学基金青年项目(2019JJ50006)的支持。

Claims (4)

1.一种基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，包括如下步骤：
S1.获取受控电压源型逆变器的电压控制指令；
S2.获取受控电压源型逆变器的电网侧瞬时输出电流信号的绝对值，并计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值；具体为当触发条件满足时，采用如下算式计算抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗取值Z0；所述触发条件为：受控电压源型逆变器的电网侧瞬时电流信号的绝对值大于事先设定的触发电流；
Figure FDA0002715901430000011
式中R0为虚拟阻抗初始值，T为虚拟阻抗衰减时间常数；
S3.获取受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号的幅值，并计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值；具体为采用如下算式计算抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗取值Z1：
Figure FDA0002715901430000012
式中k为比例系数，Igrid为受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号的幅值，Irate为受控电压源型逆变器的额定电流幅值；
S4.根据步骤S2得到的瞬时虚拟阻抗值和步骤S3得到的稳态虚拟阻抗值，计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落；
S5.根据步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令和步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，计算最终电压控制指令；
S6.以步骤S6得到的最终电压控制指令对受控电压源型逆变器进行控制，从而对电流进行快速抑制。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，其特征在于步骤S1所述的受控电压源型逆变器的电压控制指令，具体为通过v/f控制、下垂控制或虚拟同步控制算法计算得到受控电压源型逆变器的电压控制指令。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，其特征在于步骤S4所述的计算得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，具体为将抑制瞬时冲击电流的瞬时虚拟阻抗值和抑制稳态过载电流的稳态虚拟阻抗值求和得到最终虚拟阻抗值，并将最终虚拟阻抗值乘以受控电压源型逆变器的电网侧输出电流信号，从而得到电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟阻抗的电流快速抑制方法，其特征在于步骤S5所述的计算最终电压控制指令，具体为将步骤S1获取的受控电压源型逆变器的电压控制指令减去步骤S4获取的电网侧输出电流在虚拟阻抗上的电压降落，从而得到最终电压控制指令。
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