CN112467785A - 一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，该方法是在光伏并网逆变器电压控制环节中引入虚拟阻抗改变参考信号，通过限制网侧电压突变造成的电流越限现象，起到故障期间电压支撑作用，进一步的通过分析发生对称和不对称短路障后的正、负序电压、电流，得出虚拟阻抗幅值及阻感比。本发明在光伏并网逆变器电压控制环节中引入虚拟阻抗改变参考信号，通过限制网侧电压突变造成的电流越限现象，可以有效提供故障期间的电压支撑。

Description

一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法

技术领域

本发明涉及一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，该方法在光伏并网逆变器电压控制环节中引入虚拟阻抗改变参考信号的方法，起到故障期间电压支撑作用。

背景技术

随着电网容量不断增加，光伏等新能源发电大规模接入，其间歇性、不稳定性会影响电力系统稳定性。尤其是随着光伏并网规模的增大，如何保证电站安全稳定运行，不会因为网侧接地故障引起系统阻抗降低、线路过流，或者故障切除后无功过剩、并网电压骤升等现象，成为最近光伏并网控制领域研究热点。

为了提高光伏并网逆变器故障发生和切除后的电压、电流变化应对能力，目前有两类方案，一种是添加主动、被动硬件设备，比如：无功补偿装置、储能设备、crowbar电路来稳定电压、限制过流，但这些成套硬件设备，使改造成本大幅增加，与本身发电设备之间的协调控制也较为复杂。一种是通过改进控制算法，实现光伏并网逆变器输出电流限制和并网点电压支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，具体是在光伏并网逆变器电压控制环节中引入虚拟阻抗改变参考信号，通过限制网侧电压突变造成的电流越限现象，起到故障期间电压支撑作用，进一步的通过分析发生对称和不对称短路障后的正、负序电压、电流，得出虚拟阻抗幅值及阻感比。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，包括以下步骤：

1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；

2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型；

3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式；

4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；

5)当网侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，用步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数中dq两相坐标系下电压表示等效下降阻抗压降；

6)采用虚拟阻抗就是补偿步骤5)等效下降阻抗压降，定义虚拟阻抗表达式，并在dq坐标系下得到虚拟阻抗压降表达式；

7)为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤6)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式；

8)根据步骤7)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，分析不对称短路，对称短路时，正、负序电流，进一步的得到虚拟阻抗幅值；

9)当发生对称短路故障后，根据步骤8)对称短路时，正、负序电流，得到故障点电压表达式，进一步的得到对称短路故障阻感比；

当发生不对称短路故障后，根据步骤8)不对称短路时，正、负序电流，得到正、负序电压与并网点电压表达式，进一步的得到对称短路故障阻感比。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：

其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式：

其中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0；e_d恒定时，i_d控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q控制并网逆变器无功功率。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：

其中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值；光伏并网逆变器正常工作时，并网点电压准确跟踪电压基准值，即u_d＝u_d ^*、u_q＝u_q ^*。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：当网侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，用步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数中dq两相坐标系下电压表示等效下降阻抗压降：

其中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：采用虚拟阻抗就是补偿步骤5)等效下降阻抗压降，定义虚拟阻抗表达式：Z_V(s)＝-R_V+sL_V；

其中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感；并在dq坐标系下得到虚拟阻抗压降表达式：

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤6)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式：

其中：ω_c.lpf为一阶低通滤波器的截止频率。

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤7)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2，光伏并网可等效为恒压源，电压为u，C为并联电容器，分析不对称短路，对称短路时，正、负序电流：

进一步的为了求Z_V幅值，参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径；对称短路时I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim；Z_V幅值为：

当发生对称短路故障后，i_d、i_q除了含有正序电流的直流分量外，还叠加了负序二倍振荡分量，I_f1、I_f2与i_d、i_q的关系为：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：当发生对称短路故障后，根据步骤8)对称短路时，正、负序电流，得到故障点电压表达式：u_F＝u-(Z_V+Z_R)i_f1；

其中：Z_R为为光伏并网点至短路点线路阻抗，当线路参数固定，Z_R为定值；为了实现虚拟阻抗补偿后光伏并网点电压最大，令i_f1＝I_lim，此时阻感比为1，虚拟阻抗实部和虚部幅值相等，即|R_V|＝|L_V|；

当发生不对称短路故障后，根据步骤8)不对称短路时，正、负序电流：i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等，得到正、负序电压与并网点电压表达式：

光伏并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系；为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑；当发生不对称短路时，根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明在光伏并网逆变器电压控制环节中引入虚拟阻抗改变参考信号，通过限制网侧电压突变造成的电流越限现象，可以有效提供故障期间的电压支撑。

2.本发明通过分析发生对称和不对称短路障后的正、负序电压、电流，得出虚拟阻抗幅值及阻感比，虚拟电阻与虚拟电抗幅值始终保持相等且始终与目标电压相匹配，起到电压支撑的作用。

附图说明

图1为光伏并网LCL并电路拓扑；

图2为光伏网侧短路等效电路；其中图2(a)为正序等效电路，图2(b)为负序等效电路；

图3为对称短路等效故障网络；

图4为不对称短路等效故障网络；

图5为光伏逆变并网仿真模型；

图6为传统PI控制，接地故障后母线电压仿真波形；其中图6(a)为A相接地短路故障，图6(b)为三相对称接地短路；

图7为本发明所提控制方法，接地故障后母线电压仿真波形；其中图7(a)为A相接地短路故障，图7(b)为三相对称接地短路；

图8为虚拟阻抗变化仿真波形；其中图8(a)为A相接地短路故障，图8(b)为三相对称接地短路。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，U_dc为直流侧母线电压；R_f、L_f、L_g、R_g构成LCL型滤波电路。用L表示线路等效电感(L＝L_f+L_g)，用R表示线路等效电阻(R＝R_f+R_g)，根据基尔霍夫电压定律可得：

式(1)中：L表示线路等效电感；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型为：

式(2)中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，通常做法是采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。

忽略并网逆变器自身损耗，在电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q：

式(3)中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0。e_d恒定时，i_d可以控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q可以控制并网逆变器无功功率。为了实现光伏并网逆变器控制，只需要控制i_d和i_q即可。在光伏发电并网逆变控制中，电流调节采用PI控制，则传递函数：

式(4)中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值。

如图2所示，光伏并网逆变器正常工作时，并网点电压准确跟踪电压基准值，即u_d＝u_d ^*、u_q＝u_q ^*。当网侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，此时并网点电压变化为：

式(5)中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降，本发明采用虚拟阻抗就是补偿这部分电压降，虚拟阻抗表达式为

Z_V(s)＝-R_V+sL_V (6)

式(6)中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感。在dq坐标系下，虚拟阻抗压降为：

为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，本发明在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对输入电流进行滤波处理，使虚拟电抗仅在低频部分表现电抗特性，则式(7)可变为：

式(8)中：ω_c.lpf为一阶低通滤波器的截止频率。

网侧短路可分为对称和不对称短路，对称短路即三相短路，此时光伏并网点电压只存在正序分量；不对称短路即单相或两相短路，此时电压还存在负序分量。定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2。

光伏并网可等效为恒压源，电压为u，C为并联电容器。正、负序电流计算如下：

为了求Z_V幅值，本发明参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径。对称短路时I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim。联立式(9)可得Z_V幅值为：

当发生对称短路故障后，i_d、i_q除了含有正序电流的直流分量外，还叠加了负序二倍振荡分量，I_f1、I_f2与i_d、i_q的关系为：

如图3所示，当发生对称短路，故障点电压为：

u_F＝u-(Z_V+Z_R)i_f1 (12)

式(12)中：Z_R为为光伏并网点至短路点线路阻抗，当线路参数固定，Z_R为定值。为了实现虚拟阻抗补偿后光伏并网点电压最大，令i_f1＝I_lim，此时阻感比为1，虚拟阻抗实部和虚部幅值相等。即|R_V|＝|L_V|。

如图4所示，当发生不对称短路，i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等。正、负序电压与并网点电压关系为：

从式(13)可以看出，光伏并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系。为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑。当发生不对称短路时，本发明根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

如图5所示，为了验证本文所提控制方案的有效性。在MATLAB/Simulink下搭建光伏逆变并网仿真模型。该仿真模型中：一个光伏板阵列容量为0.5WM，两个光伏板阵列各自通过逆变器与一个容量为1000kVA的双绕组分裂式变压器相连，由0.4kV升压至10kV后接入电网，架空线路选择LCJ-240/40，长度为10km。光伏并网LCL逆变器参数如表1

表1光伏并网LCL逆变器参数表

设置仿真时间为3s，1s时电网发生A相接地短路、三相对称接地短路和，故障持续0.9s，1.9s故障切除，网侧电压(标幺值)分别升高至1.26、1.32。

如图6所示，当1s时刻线路发生A相接地和三相接地短路故障，采用常规PI控制得到的母线电压在电压下降时可以跟随电压目标值，但当1.9s继电保护动作切除故障后，无法跟随目标电压且有较大的振荡。其中：在图6(a)中，单相接地故障造成母线电压标幺值下降至0.72，电压恢复最高达到1.08，无法恢复至故障前电压；在图6(b)中，三相接地故障造成母线电压标幺值下降至0.65，电压恢复最高达到1.23，振荡现象严重，极易造成光伏设备脱网，最后稳定在1.1倍母线电压，无过电压恢复能力。

如图7所示，面对同样1s时刻线路发生A相接地和三相接地短路故障，采用本文所提虚拟阻抗及无功电流控制得到的母线电压在电压下降时因为虚拟阻抗电压支撑作用，可以提高母线电压标幺值，1.9s继电保护动作切除故障后，又因为无功电流控制可以稳定母线电压，不会引起暂态过电压。其中：在图7(a)中，单相接地故障，母线电压标幺值由0.72提升至0.81，故障切除后电压也可稳定在故障前电压；在图7(b)中，三相接地故障，母线电压标幺值由0.65提升至0.72，故障切除后，母线电压迅速恢复至故障前，且振荡现象大大减弱，不会引起光伏设备脱网。

如图8所示，电网发生A相接地短路、三相对称接地短路故障，光伏并网逆变器控制系统虚拟阻抗介入后，阻抗、感抗变化情况。从图8(a)可以看出：1s时刻发生单相接地短路故障，虚拟阻抗持续0.2s恒阻，之后系统动态调节虚拟阻抗，虚拟阻抗阻感比与线路阻抗阻感比相同，并呈线性递减，起到最大支撑故障电压作用。从图8(b)可以看出：1s时刻发生三相接地短路故障，虚拟阻抗阻感比始终保持在1，0.3s后呈线性递减状态，虚拟电阻与虚拟电抗幅值始终保持相等且始终与目标电压相匹配，起到电压支撑的作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；

2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型；

3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式；

4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；

5)当网侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，用步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数中dq两相坐标系下电压表示等效下降阻抗压降；

6)采用虚拟阻抗就是补偿步骤5)等效下降阻抗压降，定义虚拟阻抗表达式，并在dq坐标系下得到虚拟阻抗压降表达式；

7)为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤6)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式；

8)根据步骤7)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，分析不对称短路，对称短路时，正、负序电流，进一步的得到虚拟阻抗幅值；

9)当发生对称短路故障后，根据步骤8)对称短路时，正、负序电流，得到故障点电压表达式，进一步的得到对称短路故障阻感比；

当发生不对称短路故障后，根据步骤8)不对称短路时，正、负序电流，得到正、负序电压与并网点电压表达式，进一步的得到对称短路故障阻感比。

2.根据权利要求1所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：

其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；U_abc、i_abc为逆变器输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压。

3.根据权利要求2所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。

4.根据权利要求3所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，忽略并网逆变器自身损耗，得到电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式：

其中：d轴与电压合成矢量E_s为同一方向，e_d＝E_s，e_q＝0；e_d恒定时，i_d控制并网逆变器有功功率和直流母线电压；i_q控制并网逆变器无功功率。

5.根据权利要求4所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电压定向dq坐标系下有功功率P和无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：

其中：K_p和K_I分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，i_d ^*和i_q ^*为电流参考值；光伏并网逆变器正常工作时，并网点电压准确跟踪电压基准值，即u_d＝u_d ^*、u_q＝u_q ^*。

6.根据权利要求5所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：当网侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，用步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数中dq两相坐标系下电压表示等效下降阻抗压降：

其中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降。

7.根据权利要求6所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：采用虚拟阻抗就是补偿步骤5)等效下降阻抗压降，定义虚拟阻抗表达式：Z_V(s)＝-R_V+sL_V；

其中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感；并在dq坐标系下得到虚拟阻抗压降表达式：

8.根据权利要求7所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤6)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式：

其中：ω_c.lpf为一阶低通滤波器的截止频率。

9.根据权利要求8所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤7)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2，光伏并网可等效为恒压源，电压为u，C为并联电容器，分析不对称短路，对称短路时，正、负序电流：

进一步的为了求Z_V幅值，参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径；对称短路时I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim；Z_V幅值为：

当发生对称短路故障后，i_d、i_q除了含有正序电流的直流分量外，还叠加了负序二倍振荡分量，I_f1、I_f2与i_d、i_q的关系为：

10.根据权利要求9所述的一种利用虚拟阻抗提高光伏故障电压支撑能力方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：当发生对称短路故障后，根据步骤8)对称短路时，正、负序电流，得到故障点电压表达式：u_F＝u-(Z_V+Z_R)i_f1；

其中：Z_R为为光伏并网点至短路点线路阻抗，当线路参数固定，Z_R为定值；为了实现虚拟阻抗补偿后光伏并网点电压最大，令i_f1＝I_lim，此时阻感比为1，虚拟阻抗实部和虚部幅值相等，即|R_V|＝|L_V|；

当发生不对称短路故障后，根据步骤8)不对称短路时，正、负序电流：i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等，得到正、负序电压与并网点电压表达式：

光伏并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系；为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑；当发生不对称短路时，根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

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