CN112968466A - 一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法，通过引入虚拟正交功率，对逆变器系统的功角状态进行了估计；在弱电网发生电压故障时，通过估计功角的大小判断逆变器系统是否存在暂态失稳的问题，并在逆变器系统不存在暂态稳定点时，引入估计功角附加暂态控制的方法，使逆变器在故障期间仍可维持稳定的功率输出与同步，提升了功率同步控制逆变器在弱电网工况下的同步稳定性。本发明能避免功率同步控制逆变器在弱电网出现电压跌落或双回路断线故障情况下的同步失稳问题，能有效的保证故障期间逆变器以最大有功功率输出，提高了逆变器系统的暂态稳定性。

Description

一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法

技术领域

本发明属于功率同步控制逆变器的并网运行控制策略，尤其涉及一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法。

背景技术

电流矢量控制作为并网电压源逆变器(Voltage source Converter，VSC)的主导控制方案，具有限制故障电流和快速动态响应的优点。然而，由于锁相环(Phase LockLoop，PLL)的负面影响，采用当前矢量控制的VSC在超弱电网中很难保持稳定。为了解决VSC在超弱电网中的应用问题，功率同步控制(Power Synchronization Control，PSC)的概念应运而生，该控制策略通过模拟同步发电机(Synchronous Generator，SG)的同步机制，可以有效提高VSC在超弱电网中的稳定性。由于功率同步控制具有传统同步发电机相似的功角特性，故在弱电网工况下同样存在功角稳定问题。

近年来，随着风力、光伏发电为代表的新能源的大力发展，其在电网中的渗透率不断升高。因此，在电网故障情况下，为避免逆变器脱网可能会触发的连锁反应导致其他微源相继脱网，进一步恶化电网运行，相比逆变器退出运行，保证逆变器的稳定不脱网并以良好的性能输出更具有意义和价值。

由于逆变器在弱电网工况下的功角稳定裕度小，逆变器的工作状态更易受到电网电压降低的影响。即使是电网电压出现很小的电压降落，都有可能会造成逆变器平衡点的丢失，进而出现逆变器同步失稳。目前关于并网逆变器稳定性的研究主要集中于小干扰稳定性分析，大干扰情况下的逆变器稳定性分析相对不够深入。逆变器并至超弱电网中，有效的增强逆变器在电网电压暂降情况下暂态稳定性的控制方案尤为重要。

发明内容

为了解决弱电网工况下逆变器功角稳定裕度低，极易在电网电压降落时出现同步失稳的技术问题，本发明提供了一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法。

本发明的一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法，包括以下步骤：

步骤1：引入虚拟正交功率对逆变器功角进行估计。

建立与原系统并网条件相同的正交逆变器系统，其中，虚拟逆变器输出的电压U_v与原逆变器输出电压U大小相同，角度超前90°；虚拟逆变器输出的电压与原逆变器输出电压在dq坐标系下的复矢量表达式为：

U＝U_d+jU_q

U_v＝-U_q+jU_d

同时，实际逆变器系统的并网电流I_g与虚拟逆变器的并网电流I_gv分别表达为：

式中：E为电网电压，L_g为电网线路等效电感值。

通过消去电网电压，得到由实际并网电流和逆变器输出电压表示的虚拟正交逆变器系统的基频并网电流：

其中，电网等效阻抗X_g的值通过阻抗在线测量的方式获取。

根据瞬时功率理论，实际系统输出有功功率P与虚拟正交功率P_v分别可用下式计算得到，其中“*”为共轭运算符。

P＝Re(UI_g ^*)＝1.5EU_nsinδ/X_g

故，估计功角δ满足：

tanδ＝P/P_v

估计功角δ在(0，π/2)内表示为：

步骤2：通过估计功角判断功率同步控制逆变器在故障后是否具有平衡点，当估计功角处于稳定运行范围(0，π/2)rad，采用传统功率同步控制策略；当估计功角等于π/2rad时，投入基于估计功角的暂态控制策略。利用δ在小于并接近于π/2和大于并接近于π/2时，P/P_v分别具有趋近+∞和-∞的特性，通过对P/P_v进行合理的限幅，可认为功角在π/2附近变化时，P/P_v经限幅后等于上限值K_U或下限值K_L，并相应的改变系统的等效有功功率参考值，保证逆变器输出稳定的有功功率并维持与电网的同步。

暂态控制策略投入后，VSC系统的的功角变化率可记作：

其中，k为功率同步环的同步系数，P_ref为逆变器系统的有功功率参考值，U_n为逆变器输出电压幅值，E_sag为故障过程中的电网电压幅值，

为估计功角的有功功率参考修正量。

进一步的，限幅值K_L可采用以下公式进行优化：

其上限值K_U与下限值K_L的绝对值保持一致即可。

本发明的有益技术效果为：

本发明通过引入虚拟正交功率(Virtual Orthogonal Power，VOP)估计功角实现了逆变器系统功角的可观，并利用估计功角的特性解决了逆变器在故障过程中不存在稳态工作点而失稳的技术问题。通过基于估计功角的暂态控制策略，使逆变器系统的暂态功角维持在π/2rad，防止了逆变器由于功率不匹配而出现的同步失稳。

附图说明

图1 VSC并网主电路及控制结构图。

图2功角估计具体结构框图。

图3为基于虚拟正交功率的估计功角与P/P_v的关系。

图4基于估计功角的暂态控制的同步环具体结构框图。

图5为功率同步控制逆变器故障前后的相图分析。

图6为电网电压暂降故障情况下，传统功率同步控制与基于估计功角的暂态控制的波形图对比。

图7为双回线输电线路的断线故障情况下，传统功率同步控制与基于估计功角的暂态控制的波形图对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施案例对本发明做进一步的详细说明。

图1为采用功率同步控制的VSC并网主电路及控制结构图。作为并网接口的逆变器采用基于dq轴实现的“功率同步控制-电压外环-电流内环”的三环控制器。其中，电压外环的电压参考值直接给定为额定电压值U_n。逆变器输出三相电压V_abc经过LC滤波器滤波后，通过感性双回传输线路连接至电网。图中U_abc为滤波电容上的电压，I_gabc为逆变器并网电流，E_abc为三相电网电压，L_g1和L_g2所在的传输线路组成双回路传输线路。电压电流双环以及估计功角的实现均在dq坐标系下实现。

本发明主要针对在弱电网工况下，电网电压出现跌落或双回路断线故障情况下引起的逆变器暂态失稳问题。因此，在分析过程中，考虑到功率外环的带宽往往是电压电流内环的十倍以上，忽略内环的动态响应。

逆变器输出有功功率的表达式可以记作：

P＝1.5UEsinδ/X_g

根据功率同步的同步原理，传统功率同步控制的功角变化率可由下式表示。k为功率同步环的同步系数。

本发明提出的一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法，具体为：

引入虚拟正交功率对逆变器功角进行估计(如图2所示)。

建立与原系统并网条件相同的正交逆变器系统，其中，虚拟逆变器输出的电压U_v与原逆变器输出电压U大小相同，角度超前90°；虚拟逆变器输出的电压与原逆变器输出电压在dq坐标系下的复矢量表达式为：

U＝U_d+jU_q

U_v＝-U_q+jU_d

同时，实际逆变器系统的并网电流I_g与虚拟逆变器的并网电流I_gv分别表达为：

式中，L_g为线路等效电感。通过消去电网电压，得到由实际并网电流和逆变器输出电压表示的虚拟正交系统的基频并网电流：

其中，电网等效阻抗X_g的值通过阻抗在线测量的方式获取。

通过瞬时功率理论，实际系统输出有功功率P与虚拟逆变器输出的虚拟正交功率P_v分别可记作：

P＝Re(UI_g ^*)＝1.5EU_nsinδ/X_g

故，估计功角δ满足：

tanδ＝P/P_v

考虑到功率同步控制逆变器的功角响应过程具有过阻尼的特性，因此，一旦估计功角越过π/2rad的稳定极限，则意味着VSC在故障过程中不存在稳态运行点，因此需要投入暂态控制策略保证VSC稳定的有功输出与同步。arctan函数值域为(-π/2，π/2)，故为正确反映系统的真实功角，需采用下式求得P/P_v对应在(0，π)范围内的功角δ。

将δ大于1.56rad，小于1.5rad分别作为基于估计功角的暂态控制的投入与切除的条件。注意，如图3所示，P/P_v在π/2rad前后趋近于±∞。因此，在图4所示的基于功角估计的暂态控制的实现框图中，通过合理的设置限幅环节的上下限K_U和K_L，可以将功角锁定在π/2rad，暂态控制过程中，可认为引导暂态等效有功功率参考值变化的P/P_v等于限幅环节的限幅值K_U或K_L。故障过程的投入暂态控制策略时，逆变器系统的功角变化率记作：

其中，P_ref为逆变器系统的有功功率参考值，U_n为逆变器输出电压幅值，E_sag为故障过程中的电网电压幅值，

为估计功角的有功功率参考修正量。注意，P/P_v取限幅后的限幅值K_U或K_L。

根据图5对故障前后的相图分析，可知基于功角估计的暂态控制的运行机理为：故障前逆变器系统的功角为δ₀。发生故障后，功角将从a点移动到点a'。随着故障过程中功角的增大，系统的功角运行点沿虚线从a'点移动到b点。当δ越过1.56rad(点b)时，判断系统在故障期间不存在稳态运行点，暂态控制将启用，功角将从b点移动到点b'。当1.56<δ<π/2rad时，暂态控制工作在模式1(实线)。此时有P/P_v大于零，等效的有功参考值将进一步增大至(1+K_U)P_ref，进而继续增加δ，从而功角将沿着模式1的相图由b'移动到c。在模式1中，功率角从点b'增加到点c，一旦功率角越过π/2rad，P/P_v从上限值K_U跃变至下限值K_L，这意味着PSC在模式2中运行，功角运行从点c移动到点c'。通过合理的K_L设置，等效的有功功率参考值减小为(1+K_L)P_ref，点c'处的功角变化率小于0，功角沿着模式2所示相图下降为π/2rad。一旦功率角低于π/2rad,PSC返回模式1。即，电网电压降落故障下系统的相图分析如图5所示，功角沿着a→a'→b→b'→c→c'→d→d'的轨迹变化,暂态控制锁定功角的循环轨迹为d'→c→c'→d→d'，从而将功角锁定在π/2rad附近，保证故障期间VSC以最大有功功率输出并保持与电网的同步运行。

根据相图分析，暂态控制策略将功角锁定π/2是通过

不断的切换实现的，限幅环节的下限值K_L的选取至关重要，为保证在K_L作用时逆变器具有稳态运行点，在限幅环节估计功角附加控制策略的限幅值K_L采用以下公式进行优化：

实施例1：

以单逆变器并入无穷大系统为例，系统框图如附图1所示。实验所使用的参数见表1。

表1实验参数

逆变器以P_ref＝0.9p.u.启动，故障设置为电网电压跌落至0.7p.u.，以传统的功率同步控制作为对照组，对比验证所提出的暂态控制策略的有效性。实验波形如图6所示。附6(a)采用传统同步控制，电网电压跌落后，由于VSC的最大输出有功功率小于参考值，功率同步控制环无法达到平衡，功角不断增加，逆变器同步失稳。当故障被清除后，功角将收敛到一个新的稳定平衡点，VSC恢复与电网的同步。

图6(b)所示为所提基于功角估计的暂态控制方法下PSC的动态波形。电网电压的降低导致δ值的增加。当δ值超过1.56rad时，PSC控制进入暂态控制方法。P/P_v在正负之间不断变化，因此TP作为

的暂态变量部分也具有相同的特点，暂态控制将在模式1和模式2之间切换，从而将功角锁定在π/2rad附近，即使故障后逆变器系统没有稳态运行点,PSC-VSC输出的有功功率仍保持恒定。故障清除后，功角逐渐减小。当δ小于1.50rad时，PSC-VSC将退出暂态控制，切换至传统的PSC方法。

实施例2：

考虑到逆变器系统的暂态失稳可能是由于线路断线引起的。设置故障情况为双回路传输线路断线，此时的实验波形如图7所示。在图7(a)中，L_g2所在输电线的断开会导致电网阻抗突然增大。逆变器系统的短路比将进一步降低，使VSC的运行条件进一步恶化。短路比越小，逆变器所能输出的有功功率上限越低，由于VSC输出的有功功率与参考值之间无法实现平衡，VSC失去与电网的同步。考虑到实际工程中阻抗测量具有较低的动态性能，在故障过程中阻抗测量值可能无法及时更新。为了验证电网阻抗突然变化时暂态控制策略的有效性，在双回路传输线L_g2断线的情况下，不更新阻抗测量值。如图7(b)中，虽然暂态过程中不准确的阻抗测量值降低了暂态控制的性能，且VSC运行在非理想稳定点，但逆变器在暂态过程中仍能与电网保持同步。实验结果表明，本文提出的控制方法即使阻抗测量不准确，也能在一定程度上保证系统暂态稳定。

由此，基于功率同步控制逆变器的一阶同步环具有过阻尼的响应特性，本发明提出了一种基于功角估计的暂态控制方法，通过利用估计功角的正切值在功角稳定运行边界的正负交变特性，投入暂态控制将功角锁定在π/2rad，从而提升了逆变器在弱电网工况下的暂态稳定性，实现了故障过程中逆变器的恒定功率输出与电网同步。

Claims (2)

1.一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：引入虚拟正交功率对逆变器功角进行估计：

构建与原系统并网条件相同的虚拟正交逆变器系统，其中，虚拟逆变器输出的电压U_v与原逆变器输出电压U大小相同，角度超前90°；虚拟逆变器输出的电压与原逆变器输出电压在dq坐标系下的复矢量表达式为：

U＝U_d+jU_q

U_v＝-U_q+jU_d

同时，实际逆变器系统的并网电流I_g与虚拟逆变器的并网电流I_gv分别表达为：

式中：E为电网电压，L_g为电网线路等效电感值；

通过消去电网电压，得到由实际并网电流和逆变器输出电压表示的虚拟正交系统的基频并网电流：

其中，电网等效阻抗X_g的值通过阻抗在线测量的方式获取；

通过瞬时功率理论，实际系统输出有功功率P与虚拟正交功率P_v分别用下式计算得到，其中“*”为共轭运算符；

P＝Re(UI_g ^*)＝1.5EU_nsinδ/X_g

故，估计功角δ满足：

tanδ＝P/P_v

估计功角δ在(0，π/2)内表示为：

步骤2：通过估计功角判断功率同步控制逆变器在故障后是否具有平衡点。当估计功角处于稳定运行范围(0，π/2)rad，采用传统功率同步控制策略；当估计功角等于π/2rad时，投入基于估计功角，利用δ在π/2附近，P/P_v分别具有趋近+∞和-∞的特性，通过设定限幅环节的限幅值K_U与K_L，相应的改变系统的等效有功功率参考值，保证逆变器输出稳定的有功功率并维持与电网的同步；

估计功角的功角变化率记作：

其中，k为功率同步环的同步系数，P_ref为逆变器系统的有功功率参考值，U_n为逆变器输出电压幅值，E_sag为故障过程中的电网电压幅值，

为估计功角的有功功率参考修正量。

2.根据权利要求1所述的一种基于功角估计的并网逆变器暂态控制方法，其特征在于，所述限幅值K_L采用以下公式进行优化：

其上限值K_U与下限值K_L的绝对值保持一致即可。

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