CN111162560A - 基于虚拟阻抗fcl提升主动支撑控制故障穿越能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种提升可再生能源场站故障穿越能力方法技术领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法。本发明包括以下步骤：可再生能源场站主动支撑控制策略；可再生能源场站紧急电压控制策略；在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析。本发明可提高可再生能源场站的并网稳定性，避免系统在三相对称故障状态下因使用锁相环PLL对锁相结果的产生严重影响，使可再生能源场站具有灵活可控的特性，实现在不同程度三相对称故障下可再生能源场站低电压穿越的效果。在故障发生时，不会中断可再生能源场站的并网运行，避免重新连入系统的复杂同步运算过程。不需要额外的硬件设备，具有灵活、低成本的特点。

Description

基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法

技术领域

本发明属于一种提升可再生能源场站故障穿越能力方法技术领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法。

背景技术

根据可再生能源中长期发展规划，未来可再生能源装机容量仍会逐年迅猛增长，而负荷增长平稳，系统将面临更大的可再生能源消纳压力。大量的风机、光伏和储能装置并入系统，使得系统电压稳定问题难以解决。在高比例可再生能源系统中由于匮乏传统同步发电机自动励磁系统对整个系统电压的支撑能力和无功补偿能力，使得系统暂态电压稳定机理难以刻画。目前，可再生能源发电中系统电压经常出现跌落问题，如何利用低电压穿越技术解决此类问题，是可再生能源技术中较为重要的研究课题，针对可再生能源并网问题我国将要制订出新的标准，对于低电压穿越技术测试要求也在不断提高，低电压穿越技术的发展在可再生能源发电业具有重要的意义。

文献[1]李旭,吴跨宇,张兴,刘为群.虚拟同步发电机的低电压穿越控制方法[J].电力电子技术,2018,52(11):8-10。

文献[2]高怀正,李华,常兴,刘佳晨,郭鹤飞.电压跌落下虚拟同步发电机故障穿越控制[J].电力系统保护与控制,2018,46(17):39-46。

文献[1-2]分析了VSG传统平衡电流控制基本原理以及在电压跌落时无法实现穿越的原因以及在低电压穿越(LVRT)时容易过流的电压源外特性，提出通过减小无功环惯性系数和维持有功功率差额以改善系统对称故障时无功输出速率和有功调节时间,引入相位调节控制消除了故障解除瞬间系统功率失稳问题。在电网电压小幅跌落时,优先采用VSG控制模式,进行自主调压；深度跌落时,通过相位跟踪及无功控制方法的切换,以电流源控制模式提供无功电流支撑。但故障状态下系统中可再生能源场站控制模式频繁切换，对于逆变器的寿命产生了极大影响，同时未对判断流程中可能出现的误动作进行多次循环修正。

文献[3]赵培羽,张节潭,南海鹏,郭树锋,王宏业.基于虚拟同步机技术的光伏发电系统低电压穿越控制方法[J].青海电力,2017,36(04):12-20。

文献[4]何安然,侯凯,王小红,蒋应伟,刘建平,卢方舟.不对称条件下的储能虚拟同步发电机低电压穿越控制技术[J].电力系统自动化,2018,42(10):122- 127+156。

文献[3-4]中对发生对称和不对称故障时分别进行了分析当发生不对称故障时，加入了限幅环节提出通过超级电容器储能单元控制直流母线电压并吸收过剩功率和基于α-β坐标系下的电压前馈策略。然后,采用电压相位补偿技术实现对负序电流抑制。但对于可再生能源场站通过增设装置进行限流，经济性较差，增添的设备本身在低电压状态下的安全性也需要进行考虑，同时相位补偿技术对补偿精确度要求极高，其自身的延时可能会产生误动作等情况。

文献[5]彭继慎,李丽,宋立业.一种用于电力电子式VSG的新型控制方式[J].电力电子技术,2017,51(01):59-61。

文献[5]分析了在风电机组的研发阶段需验证其低电压穿越(LVRT)能力,提出模拟电网故障的电压跌落发生器(VSG)，采用两个三电平的脉宽调制(PWM)整流器经"背靠背"的方式连接构成三相VSG的主电路,连接电网的一侧采用直流电压稳定控制策略。根据电压跌落的类型、特征值直接合成故障发生时各相电压的表达式,经坐标变换作为空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块的输入量,利用开环控制方式模拟产生电网电压跌落故障。但上述开环控制未考虑系统在故障状态下对系统频率的影响，故障状态下系统频率的波动，会使开环控制难以保持稳定运行，从而造成可再生能源场站退网运行的情况。

目前尚未有通过虚拟阻抗限流器FCL的方法提升主动支撑控制型可再生能源场站故障穿越能力的研究。随着可再生能源占比不断提高，其自身的波动性和间歇性，对可再生能源场站自身如何保证稳定运行提出更高的要求，尤其系统三相对称故障状态下产生局部节点低电压将会使系统无功难以平衡。目前可再生能源场站主动支撑控制策略不具备故障穿越能力，在诸如电网故障之类的各种大干扰期间，由于保护装置的原因，可再生能源场站可能会与系统解耦，增加了局部电网故障的恢复难度，降低了系统的稳定性，甚至会加剧故障并导致系统崩溃。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其目的是为了解决现有技术中在主动支撑控制策略下可再生能源场站应对系统三相对称故障状态下低电压穿越能力不足的问题。

为实现上述发明目的，本发明是采用如下技术方案来实现的：

基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，包括以下步骤：

可再生能源场站主动支撑控制策略；

可再生能源场站紧急电压控制策略；

在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析。

所述可再生能源场站的主动支撑控制策略原理，包括：同步发电机二阶模型原理，调速器原理及Q-E下垂控制器原理。

所述同步发电机二阶模型原理，采用发电机极对数p为1，使电气角速度与机械角速度相等，记电气角速度为ω；虚拟同步发电机的转子运动方程为：

式中：δ是同步发电机的功角；T_m和T_e分别是发电机的机械力矩和电磁力矩；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为系统同步角速度，dδ/dt为同步发电机的功角导数。

所述调速器原理设置了频率死区和时间延迟环节，忽略频率死区，有功功率参考值P_ref和频率实际值f_real和参考值f_ref之间的关系如下：

式中：K_f为比例系数，τ₁和τ₂为时间延迟系数。

所述Q-E下垂控制器原理，利用可再生能源场站虚拟内电势实际值E_real、参考值E_ref和输出无功功率Q之间的关系为：

E_real＝E_ref-K_q·Q (3)

式中：K_q为Q-E下垂系数。

所述可再生能源场站紧急电压控制策略，包括：故障判别控制流程和虚拟阻抗限流器控制策略。

所述故障判别控制流程，根据可再生能源并网点的实时电压电流大小；若并网点电流大于稳定裕度最大值I_max，将其设定为电流故障判据标准值I_fref，且并网点电压小于稳定裕度U_min，将其设定为电压故障判据的基准值U_fref，立即让可再生能源电站进入紧急电压控制模式。

所述虚拟阻抗限流器控制策略，其中Z_fcls来表示故障期间虚拟阻抗限流器中阻抗的幅值大小，它仅在故障期间激活，在正常运行中保持零；具体如下：

其中Z_fcls-max是通过在不同程度的三相对称故障下电流大小测算确定的虚拟阻抗的最大幅值，t_c是虚拟阻抗的幅度从0变化到最大值的瞬态时间调节系数， t_s是故障经历的总时间，t是时间变量。

所述在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析，包括：虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系、虚拟总阻抗分解流程。

所述虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系，其中

和

分别表示线路阻抗、虚拟内阻抗、虚拟故障限流阻抗和故障位置的接地阻抗矢量，而

仅在故障期间激活；

和

的阻抗可以写成：

式中，θ_l、θ_self和θ_fcls是相应阻抗的相位角；

定义

和

相对应，假设以下关系：

其中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，k_s代表

和

之间的比例系数；当虚拟内阻抗和虚拟限流阻抗存在着一种设定比例关系，根据不同程度三相对称故障短路电流估算出可再生能源场站的所需要的虚拟总阻抗大小，得到

和

之间比例系数大小；

所述虚拟总阻抗分解流程，是当系统发生三相对称故障短路时，假设发生故障点电压为

可再生能源场站并网点电压为

并网点短路电流为

在发生故障瞬间可再生能源场站内电势不发生瞬变，记内电势为

推导如式：

式中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，

为虚拟内电势，

为可再生能源场站并网点电压，

为并网点短路电流；

结论如下：

将上式分解到dq轴则有d轴虚拟限流阻抗Z_fcld，q轴虚拟限流阻抗Z_fclq如下所示：

式中，Z_fcld、Z_fclq分别为d轴虚拟限流阻抗，q轴虚拟限流阻抗,I_faultd、I_faultq分别为并网点短路电流的d轴分量与q轴分量，E_d、E_q分别为虚拟内电势的d 轴分量和q轴分量，U_pccd，U_pccq分别为可再生能源场站并网点电压的d轴分量和q轴分量；

若在故障期间可再生能源场站并网点电压为

为最严重的故障程度，则上式变化为：

由此根据不同程度的三相对称故障，使并网点U_pcc跌落到不同值时，对应的虚拟故障限流阻抗Z_fcls配置不同的值，使可再生能源场站能在不同程度故障影响下依旧保持不退网运行。

本发明的优点及有益效果是：

(1)本发明可提高可再生能源场站的并网稳定性，在系统发生三相对称故障时，可实现低电压穿越的效果，由于系统中可再生能源比例不断提高，降低了系统的电压稳定性，目前，大多数可再生能源场站并网逆变器均通过锁相环的控制实现并网控制，导致电网逐渐呈现弱电网状态。而主动支撑控制中模拟了同步发电机转子运动方程，产生一个自我控制的功角，避免系统在三相对称故障状态下因使用锁相环PLL对锁相结果的产生严重影响，因此使可再生能源场站具有灵活可控的特性，可实现在不同程度三相对称故障下可再生能源场站低电压穿越的效果。

(2)本发明通过增加虚拟阻抗故障限流器的方式使可再生能源场站在故障期间依旧并网运行，与传统的保护装置相比，在故障发生时，这种方法不会中断可再生能源场站的并网运行，可以避免重新连入系统的复杂同步运算过程。同时，这种方法不需要额外的硬件设备，具有灵活、低成本的特点。

附图说明

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本发明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中控制框架示意图；

图3是本发明中主动支撑控制的同步发电机二阶模型控制框图；

图4是本发明中主动支撑控制的调速器控制框图；

图5是本发明中故障判别器流程框图；

图6是本发明中虚拟阻抗限流器控制框图；

图7是本发明中虚拟阻抗理论模型示意图；

图8是本发明中不同程度三相对称故障下虚拟阻抗大小示意图；

图9是本发明中在三相对称故障状态下并网节点电压动态曲线变化图；

图10是本发明中在三相对称故障状态下可再生能源场站无功出力曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实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。基于本发明中的实施例，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其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，首先在可生能源场站应用现有的主动支撑控制策略，通过提高转子运动方程中的惯性时间常数J，提升系统的抗功率扰动能力，保障可再生能源场站在类似负荷波动期间稳定运行。其次，在紧急电压控制策略中增加了虚拟阻抗限流器，该环节能根据不同程度的三相对称故障下调整虚拟阻抗的大小。最后，通过故障判断环节对虚拟阻抗限流环节提供触发虚拟阻抗限流的信号，使可再生能源场站能够实时感知并网节点电压、电流并快速判断系统状态，保证在三相对称故障状态下可再生能源场站能通过配置不同大小的虚拟阻抗来限制短路电流，实现提升可再生能源场站故障穿越能力的效果。

本发明通过判断新能源场站并网节点电压、电流状态，实时感知并快速判断出网络状态。保证在故障状态下新能源场站能通过增加虚拟阻抗故障限流器FCL (Faultcurrent limiter)方法限制短路电流对新能源机组的影响，以提高主动支撑控制策略下可再生能源场站故障穿越能力。

本发明方法，包括以下步骤：

步骤1.可再生能源场站主动支撑控制策略。

步骤2.可再生能源场站紧急电压控制策略：

步骤2.1.故障判别器控制流程；

步骤2.2.虚拟阻抗限流器控制策略。

步骤3.在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析。

在本发明基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法中：

图1为本发明含有主动支撑控制的可再生能源场站系统结构示意图，系统由风电场，光伏电站、和部分机组用相同容量可再生能源场站替换的IEEE 39节点系统组成；目前在风电场和光伏电站网侧VSC逆变器中配置了本发明一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法。

图2为控制框架示意图，其中并网逆变器的出口的实测电网频率信号经过调速器控制输出可再生能源场站的输出功率参考值；以及将并网逆变器出口的实测电网电压信号经过Q-E下垂控制器得到强制内电动势值；将输出功率参考值输入至预先建立的同步机二阶模型中得到并网逆变器功角θ；在三相对称故障下，内电势值经过虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗得到电压参考值；电压参考值经过电压外环电流内环得到逆变器开关信号，实现可再生能源场站的故障穿越能力。

步骤1所述可再生能源场站主动支撑控制策略：包括同步发电机二阶模型控制器，调速器，Q-E下垂控制器。

优选的，同步发电机二阶模型控制器，其原理是：

如图3所示，可再生能源场站主动支撑控制策略中同步发电机标准二阶模型控制器模拟了同步发电机惯量反应过程，将逆变器等效为同步电压源。同步发电机二阶模型控制能够摆脱传统锁相环控制，该控制方法中得到的功角不因系统频率的变化而变化，同时为可再生能源场站提供了必要的虚拟惯量和虚拟阻尼，避免系统在三相对称故障状态下因使用锁相环PLL对锁相结果的产生严重影响。

因此使可再生能源场站具有灵活可控的特性，可实现在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越的效果，同时提高了可再生能源场站电压稳定支撑能力。

如公式(1)为同步发电机二阶模型，并采用发电机极对数p为1，使电气角速度与机械角速度相等，记电气角速度为ω，由此，虚拟同步发电机的转子运动方程为

式中：δ是同步发电机的功角；T_m和T_e分别是发电机的机械力矩和电磁力矩；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为系统同步角速度，dδ/dt为同步发电机的功角导数。其中，发电机的电磁力矩T_e的计算公式如下：

式中：P_e为电磁功率，e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c分别为abc坐标下虚拟同步电机发电的可再生能源场站输出电压和电流。

优选的，模拟同步发电机调速器，其原理是：

如图4所示，模拟同步发电机调速器采用将频率真实值与参考值偏差量作为参考量，根据其同步发电机调速器特性，为同步发电机二阶模型提供有功功率参考值，为了避免系统频率在故障期间对控制结果产生较大扰动，因此在调速器中加入时间延迟环节，同时设置频率死区，防止逆变器因频率微小偏差频繁动作，对逆变器寿命产生影响。

忽略频率死区，有功功率参考值P_ref和频率实际值f_real和参考值f_ref之间的关系如公式(3)所示。

式中：K_f为比例系数，τ₁和τ₂为时间延迟系数，一般τ₁和τ₂产生的延时效果不大，如果近似忽略不计有功功率参考值P_ref和频率偏差值Δf之间的关系简化为公式(4)所示。

P_ref＝K_f·Δf (4)

优选的，模拟同步发电机Q-E下垂控制器，其原理是：

可再生能源场站主动支撑控制策略中Q-E下垂控制器，根据可再生能源场站的控制目标，采用与传统同步发电机相似的下垂曲线来达到对可再生再生能源场站的控制。

Q-E下垂控制器采用Q-E下垂特性将无功功率Q作为参考量，根据其下垂特性，为虚拟阻抗限流器提供內电势参考值，然后通过虚拟阻抗大小的改变，最后为电压外环提供相应的电压参考值。为让可再生能源场站整体具备恒压控制，可根据不同情况下配置相应的无功下垂系数。

具体地，Q-E下垂控制器的可再生能源场站虚拟内电势实际值E_real、参考值 E_ref和输出无功功率Q之间的关系为

E_real＝E_ref-K_q·Q (5)

式中：K_q为Q-E下垂系数。

步骤2所述可再生能源场站紧急电压控制策略中主要包括故障判别器控制流程和虚拟阻抗限流器控制策略。

优选的，故障判别器控制流程，其原理是：

图5为故障判别器控制流程。其是根据可再生能源并网点的实时电压电流大小。若并网点电流大于稳定裕度最大值I_max，将其设定为电流故障判据标准值I_fref，且并网点电压小于稳定裕度U_min，将其设定为电压故障判据的基准值U_fref，立即让可再生能源电站进入紧急电压控制模式。

通过并网点实际电流大小和电压大小能大致推算出所虚拟阻抗Z_fcls，使可再生能源短路瞬间快速补偿无功功率，使电压在故障切除后快速稳定。在判断电压和电流均回到稳定裕度内，虚拟阻抗Z_fcls快速归零，结束可再生能源紧急电压控制模式。

优选的，虚拟阻抗限流器控制策略，其原理是：

如图6所示，可再生能源场站逆变器接口等效模型中的两个虚拟阻抗分别用 Z_self和Z_fcls表示。这里，Z_self用于解耦有功和无功功率共享，相当于传统发电机中的内阻抗，并确保公式(5)中显示的Q-E下垂关系。涉及Z_fcls来表示故障期间虚拟阻抗限流器中阻抗的幅值大小，它仅在故障期间激活，在正常运行中保持零。计算Z_fcls的振幅如下：

其中Z_fcls-max是通过在不同程度的三相对称故障下电流大小测算确定的虚拟阻抗的最大幅值，t_c是虚拟阻抗的幅度从0变化到最大值的瞬态时间调节系数， t_s是故障经历的总时间，t是时间变量。

设置t_c调节系数主要目的是为了系统故障瞬间，使不同程度三相对称故障下虚拟阻抗限流器FCL能快速平滑地到达相应虚拟阻抗最大幅值Z_fcls-max。

可见，Z_fcls，仅在故障状态下才被激活。但是，当发生故障时，故障期间二次控制失活的原因是由于故障阻抗的存在，导致电压下降，这种电压降是不可避免的。因此，应该提高可再生能源场站自身的电压调节能力和通过虚拟阻抗的方式进行限流。

步骤3所述在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析，包括：虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系、虚拟总阻抗分解流程。

所述虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系，如图7所示，图7是本发明中虚拟阻抗理论模型示意图。为了更好地设计虚拟阻抗限流器FCL，采用了代表系统，其中

和

分别表示线路阻抗、虚拟内阻抗、虚拟故障限流阻抗和故障位置的接地阻抗矢量，而

仅在故障期间激活。

和

的阻抗可以写成：

式中，θ_l、θ_self和θ_fcls是相应阻抗的相位角。

为了简化分析，避免潜在的不稳定问题，定义了

和

相对应。因此，假设了以下关系：

其中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，k_s代表

和

之间的比例系数。当虚拟内阻抗和虚拟限流阻抗存在着一种设定比例关系，这就可以根据不同程度三相对称故障短路电流估算出可再生能源场站的所需要的虚拟总阻抗大小，得到

和

之间比例系数大小。

当故障判别器判断出可再生能源场站需要快速进入紧急电压控制模式时，根据并网点短路电流I_f推算出相应程度三相对称故障下可再生能源所以需要的虚拟总阻抗大小。由于本发明的控制方法是在dq轴下进行的，所以需要将网侧abc 三相变换到dq轴，具体变换原理如下：

将三相电流向量经Clark变换，使其由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中，假设归一化后的标准三相电流表达式为:

上式中：i_ga、i_gb、i_gc为a、b、c三相电流瞬时值，I_g为电流幅值，cos(ωt)、

为三相电流的相位。

通过静止坐标变换，将三相电流由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系中，坐标变换为:

i_αβ＝T_3-2i_abc (12)

式中:T_3-2为Clark变换的变换矩阵,i_abc为a、b、c三相静止坐标系下电流值， i_αβ为两相静止坐标系下电流值，i_α为α坐标下的电流分量，i_β为β坐标下的电流分量。

然后再由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，坐标变换为:

i_dq＝T_dqi_αβ (15)

式中，i_d，i_q分别为dq旋转坐标系下电流分量，T_dq为αβ静止坐标系到dq 旋转坐标系的变换矩阵。

所述虚拟总阻抗分解流程，是当系统发生三相对称故障短路时，假设发生故障点电压为

可再生能源场站并网点电压为

并网点短路电流为

在发生故障瞬间可再生能源场站内电势不发生瞬变，记内电势为

经过简单推导有如下公式：

式中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，

为虚拟内电势，

为可再生能源场站并网点电压，

为并网点短路电流。

根据公式(9)(17)得到如下结论：

将上式分解到dq轴则有d轴虚拟限流阻抗Z_fcld，q轴虚拟限流阻抗Z_fclq如下所示：

式中，Z_fcld、Z_fclq分别为d轴虚拟限流阻抗，q轴虚拟限流阻抗,I_faultd、I_faultq分别为并网点短路电流的d轴分量与q轴分量，E_d、E_q分别为虚拟内电势的d 轴分量和q轴分量，U_pccd，U_pccq分别为可再生能源场站并网点电压的d轴分量和q轴分量。

若在故障期间可再生能源场站并网点电压为

此为最严重的故障程度，则上式变化为：

由此根据不同程度的三相对称故障，使并网点U_pcc跌落到不同值时，对应的虚拟故障限流阻抗Z_fcls应该配置不同的值，如图8所示。使可再生能源场站能在不同程度故障影响下依旧能够保持不退网运行。

图9为三相对称故障状态下并网节点电压动态变化曲线图，图10为三相对称故障状态下可再生能源场站无功出力曲线图。

可再生能源场站低电压穿越要求如下：

(1)系统故障期间，电压跌落幅度小于80％额定电压U_N，不中断可再生能源场站并网逆变器并网；

(2)系统故障恢复期间，需保持并网逆变器不间断并网；

(3)电压故障区间，电压跌落至小于20％额定电压U_N或超出故障穿越要求，并网逆变器可从电网切除；

(4)系统恢复后的输出功率恢复区间，按照并网接入规则，输出功率需以至少10％额定功率每秒的功率变化率恢复至故障前的值。其中，并网逆变器在故障穿越期间，宜向电网提供动态无功支撑。

根据上述低电压穿越要求，结合大功率可再生能源并网逆变器的拓扑结构，本发明建立了逆变器并网的数学模型。在分析了在系统三相故障状态下影响虚拟故障限流阻抗大小的因素的基础上，提出了一种基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，并基于70MW的可再生能源并网逆变器接入IEEE 39节点系统中，并将39节点系统部分火电厂替换成可再生能源场站通过digsilent 仿真验证了所提控制策略的可行性和有效性。仿真结果如图9和图10所示，可再生能源场站并网点电压动态过程满足低电压穿越技术的要求，同时在故障瞬间能快速补偿无功功率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：包括以下步骤：

可再生能源场站主动支撑控制策略；

可再生能源场站紧急电压控制策略；

在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析。

2.根据权利要求1的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述可再生能源场站的主动支撑控制策略原理，包括：同步发电机二阶模型原理，调速器原理及Q-E下垂控制器原理。

3.根据权利要求2的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述同步发电机二阶模型原理，采用发电机极对数p为1，使电气角速度与机械角速度相等，记电气角速度为ω；虚拟同步发电机的转子运动方程为：

式中：δ是同步发电机的功角；T_m和T_e分别是发电机的机械力矩和电磁力矩；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为系统同步角速度，dδ/dt为同步发电机的功角导数。

4.据权利要求2的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述调速器原理设置了频率死区和时间延迟环节，忽略频率死区，有功功率参考值P_ref和频率实际值f_real和参考值f_ref之间的关系如下：

式中：K_f为比例系数，τ₁和τ₂为时间延迟系数。

5.据权利要求2的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述Q-E下垂控制器原理，利用可再生能源场站虚拟内电势实际值E_real、参考值E_ref和输出无功功率Q之间的关系为：

E_real＝E_ref-K_q·Q (3)

式中：K_q为Q-E下垂系数。

6.根据权利要求1的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述可再生能源场站紧急电压控制策略，包括：故障判别控制流程和虚拟阻抗限流器控制策略。

7.根据权利要求6的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述故障判别控制流程，根据可再生能源并网点的实时电压电流大小；若并网点电流大于稳定裕度最大值I_max，将其设定为电流故障判据标准值I_fref，且并网点电压小于稳定裕度U_min，将其设定为电压故障判据的基准值U_fref，立即让可再生能源电站进入紧急电压控制模式。

8.根据权利要求6的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述虚拟阻抗限流器控制策略，其中Z_fcls来表示故障期间虚拟阻抗限流器中阻抗的幅值大小，它仅在故障期间激活，在正常运行中保持零；具体如下：

其中Z_fcls-max是通过在不同程度的三相对称故障下电流大小测算确定的虚拟阻抗的最大幅值，t_c是虚拟阻抗的幅度从0变化到最大值的瞬态时间调节系数，t_s是故障经历的总时间，t是时间变量。

9.根据权利要求1的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述在三相对称故障状态下可再生能源场站低电压穿越能力分析，包括：虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系、虚拟总阻抗分解流程。

10.根据权利要求9的所述的基于虚拟阻抗FCL提升主动支撑控制故障穿越能力的方法，其特征是：所述虚拟内阻抗和虚拟故障限流阻抗关系，其中

和

分别表示线路阻抗、虚拟内阻抗、虚拟故障限流阻抗和故障位置的接地阻抗矢量，而

仅在故障期间激活；

和

的阻抗可以写成：

式中，θ_l、θ_self和θ_fcls是相应阻抗的相位角；

定义

和

相对应，假设以下关系：

其中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，k_s代表

和

之间的比例系数；当虚拟内阻抗和虚拟限流阻抗存在着一种设定比例关系，根据不同程度三相对称故障短路电流估算出可再生能源场站的所需要的虚拟总阻抗大小，得到

和

之间比例系数大小；

所述虚拟总阻抗分解流程，是当系统发生三相对称故障短路时，假设发生故障点电压为

可再生能源场站并网点电压为

并网点短路电流为

在发生故障瞬间可再生能源场站内电势不发生瞬变，记内电势为

推导如式：

式中，

为可再生能源场站虚拟总阻抗，

为虚拟内电势，

为可再生能源场站并网点电压，

为并网点短路电流；

结论如下：

将上式分解到dq轴则有d轴虚拟限流阻抗Z_fcld，q轴虚拟限流阻抗Z_fclq如下所示：

式中，Z_fcld、Z_fclq分别为d轴虚拟限流阻抗，q轴虚拟限流阻抗,I_faultd、I_faultq分别为并网点短路电流的d轴分量与q轴分量，E_d、E_q分别为虚拟内电势的d轴分量和q轴分量，U_pccd，U_pccq分别为可再生能源场站并网点电压的d轴分量和q轴分量；

若在故障期间可再生能源场站并网点电压为

为最严重的故障程度，则上式变化为：

由此根据不同程度的三相对称故障，使并网点U_pcc跌落到不同值时，对应的虚拟故障限流阻抗Z_fcls配置不同的值，使可再生能源场站能在不同程度故障影响下依旧保持不退网运行。

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