CN113346507A - 基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟压降的虚拟同步发电机低电压穿越方法及系统，当电网电压发生跌落的时候，将功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，保证系统的稳定性，并通过附加虚拟故障压降，使得调制波等于内电势与虚拟故障压降的差值，可以抑制故障发生时的过电流，同时逆变器可以输出满足国标要求的无功功率，有助于电网电压的恢复。当电压恢复正常后，功率控制环由冻结模式转为恢复模式，同时为了抑制故障恢复时的暂态电流，附加虚拟恢复压降，使得调制波等于内电势与虚拟恢复压降的差值。该策略有无电流内环的控制结构皆适用，不需要进行模式切换，即可实现虚拟同步发电机的低电压穿越。

Description

基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法及系统

技术领域

本发明属于并网逆变器控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法及系统。

背景技术

随着风能、太阳能等新能源的大量使用，电力电子器件作为连接电网与分布式电源的接口，在电力系统中得到越来越广泛的应用。虚拟同步发电机(virtual synchronouss generator，VSG)是一种并网逆变器控制算法，通过引入转子运动方程，增加系统的惯性和阻尼，可以为电网提供电压和频率支撑，避免快速波动的负荷造成频率不稳定，同时参与电网的电压和频率调节，使电网具有高稳定性。由于VSG控制逆变器对外表现为电压源特性，因此当电网发生故障时会输出过大的电流，其中以三相短路故障过流最为严重，研究VSG如何在电网三相故障时能够安全稳定运行，实现低电压穿越(low voltage ridethrough，LVRT)具有重要意义。

VSG实现LVRT的一种方法是在故障期间由正常运行的VSG控制模式切换到传统逆变器控制模式，但该方法依赖于电网电压的稳定，不利于弱电网中的运行。有文献提出通过改变电流环的电流指令值，但VSG控制算法中引入电流环可能会引起低频振荡，对系统稳定性造成影响。也有文献用虚拟电阻和相量限流的方法去限制故障的暂态冲击电流和稳态电流，并且VSG向电网提供一定的无功支撑，然而该策略的有功功率和无功功率在故障发生时调节时间过长，故障清除时候会有震荡。上述文献仅仅是从电流限制、系统稳定等等单一方面去进行考虑，或者是对LVRT过程没有进行完整分析。

因此需要提出一种完善的LVRT策略能够同时实现故障发生和清除时候的过电流抑制、系统保持稳定以及VSG能提供满足国家标准的无功功率支撑。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法及系统，即通过故障后改变功率环节的控制模式，并在VSG输出的内电势后附加虚拟压降，可以使得在保证系统稳定时，既限制故障发生和清除时候的过电流，又向系统输出指定的无功功率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，包括以下步骤：

步骤1、当检测到电网对称电压跌落后，将虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，使逆变器输出电压和频率保持稳定；

步骤2、根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，将调制波作用于逆变器，限制故障期间电网系统的过电流；

步骤3、检测到电压恢复正常后，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式，使功率环过渡到常规虚拟同步控制；

步骤4、根据虚拟同步发电机输的内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，将调制波作用于逆变器，限制故障清除时系统的过电流，电网系统运行在正常状态，虚拟同步发电机完成低电压穿越。

优选的，步骤1中所述冻结模式具体如下：

使虚拟同步发电机有功频率下垂环节中的参考有功功率指令等于实际输出的有功功率P，无功电压下垂环节中的参考无功功率指令等于实际输出的无功功率Q，使得冻结模式运行期间虚拟同步发电机输出的内电势E和功角δ_eg保持稳定。

优选的，步骤2中所述虚拟故障压降的确定方法如下：

S2.1、根据电网故障状态的电网电压U_gF确定逆变器输出的无功电流I_Q，根据逆变器的稳态电流耐受能力确定逆变器故障后的期望输出电流I。，以电网电压U_gF为参考值，结合无功电流I_Q和期望输出电流I，得到虚拟同步发电机的内电势E与期望输出电流I在dq坐标系下的内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，根据内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，得到虚拟压降系数k；

S2.2、将电网故障状态的电网电流i_gabc经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq，根据i_gd与i_gq、电网系统的主电路参数以及dq坐标系下的内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，得到虚拟故障压降U_zf在dq坐标系下的分量U_zfd与U_zfq。

优选的，所述虚拟压降系数k的表达式如下：

其中，K_s是逆变器稳态电流耐受系数，I_N为系统额定电流有效值。

优选的，所述虚拟故障压降U_zf在dq坐标系下的分量U_zfd与U_zfq的表达式如下：

其中:R_f是滤波电阻，L_f是滤波电感，L_g是线路电感。

优选的，步骤3中所述恢复模式具体如下：

将有功频率下垂环节中参考有功功率指令调节至有功功率指令P_reflim，使无功电压下垂环节中参考无功功率指令等于额定频率的参考无功功率指令Q_ref。

优选的，将有功频率下垂环节中参考有功功率指令逐步调节至有功功率指令P_reflim；

t_c时刻电压恢复正常；

在4τ_max以内，有功功率指令如下：

在4τ_max之后的1s以内，有功功率指令如下：

随后有功功率指令P_reflim调为额定频率的参考有功功率指令P_ref。

其中，S_N为变流器的额定容量，τ_max为所限定的时间常数最大值。

优选的，根据虚拟同步发电机的功率环的得到内电势、电网电流i_gabc经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq和电网系统的主电路参数得到虚拟恢复压降U_zc在dq坐标系下的分量U_zcd与U_zcq。

优选的，所述虚拟恢复压降U_zc在dq坐标系下的分量U_zcd与U_zcq的表达式如下：

t_c时刻电压恢复正常，

在4τ_max以内，U_zcd与U_zcq的表达式降如下：

在4τ_max之后的1s以内，U_zcd与U_zcq的表达式如下：

随后虚拟恢复压降控制为0。

一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法的系统，包括，

电网运行冻结模块，当检测到电网对称电压跌落后，将虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式；

虚拟故障压降模块，根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，将调制波作用于逆变器，限制故障期间电网系统的过电流；

电网运行恢复模块，检测到电压恢复正常后，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式；

虚拟恢复压降模块，根据虚拟同步发电机输的内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，将调制波作用于逆变器，限制故障清除时系统的过电流，电网系统运行在正常状态，虚拟同步发电机完成低电压穿越。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，当电网电压发生跌落的时候，将功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，保证系统的稳定性，并通过附加虚拟故障压降，使得调制波等于内电势与虚拟故障压降的差值，可以抑制故障发生时的过电流，同时逆变器可以输出满足国标要求的无功功率，有助于电网电压的恢复，由于虚拟故障压降是附加在虚拟同步发电机的内电势的电压，通过对虚拟同步发电机控制外环进行改进，在电流内环发生作用之前已经发挥控制效果，因此该方法适用于有电流内环和无电流内环的VSG控制结构，故障后通过调节加入的虚拟压降的幅值和相位，等效地改变了逆变器输出电压的幅值和相位，进而间接改变故障后系统输出的电流的幅值与相位，因此可以灵活调控故障后的电流幅值，并通过调节电流相位改变逆变器输出的有功和无功功率；另外，故障后通过对功率环的冻结，逆变器输出恒定频率的电压，可以保证系统的频率稳定，不会出现因电网电压大幅跌落而使系统出现功角发散问题，当电压恢复正常后，功率控制环由冻结模式转为恢复模式，同时为了抑制故障恢复时的暂态电流，附加虚拟恢复压降，使得调制波等于内电势与虚拟恢复压降的差值。该策略有无电流内环的控制结构皆适用，不需要进行模式切换，即可实现虚拟同步发电机的低电压穿越。

附图说明

图1为本发明主电路拓扑；

图2为本发明虚拟同步机控制以及从正常控制切换到故障穿越控制结构的图；

图3为本发明电网电压跌落0.6后基于所提策略的控制效果图。

其中，图a为系统电流图，图b为逆变器输出有功与无功功率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1和2，一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，包括以下步骤：

步骤1、当检测到电网对称电压跌落后，将电网的故障发生信号S_f和故障策略清除信号S_c都置1，虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，使逆变器输出电压和频率保持稳定；

常规虚拟同步模式的设定值包括虚拟同步发电机的有功频率下垂环节、无功电压下垂环节和模拟同步发电机转子特性环节，在三个参数的共同作用使电网的逆变器运行在常规虚拟同步模式。

P_m＝P_ref-(ω-ω_s)/k_p

E＝E_ref-k_q×(Q-Q_ref)

其中，P_ref和Q_ref分别为额定频率下的参考有功功率指令和参考无功功率指令，P与Q分别为逆变器输出的有功功率与无功功率，E_ref和ω_s分别为电压幅值指令和同步参考角频率，ω为实际的角频率，k_p为有功-频率下垂系数，k_q为无功电压下垂系数，P_m为虚拟机械功率，E为VSG输出内电势，J为VSG的虚拟转动惯量；D为VSG的阻尼系数，t为时间。

所述冻结模式如下：令虚拟同步发电机有功频率下垂环节中的参考有功功率指令等于实际输出的有功功率P，无功电压下垂环节中的参考无功功率指令等于实际输出的无功功率Q，从而使得冻结模式运行期间VSG输出的内电势E和功角δ_eg保持不变，进而使逆变器输出电压和频率保持稳定，保证电网系统的稳定性。此时VSG输出内电势E和角频率ω都为定值，其表达式如下所示：

E＝E_ref

ω＝ω_s

步骤2、故障发生期间，根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，该调制波经过调制得到开关信号作用于逆变器，即可保证故障期间电网系统避免出现过电流，并且逆变器可以向电网输出满足国标要求的无功功率。

虚拟同步发电机输出的内电势由功率环直接获得，虚拟故障压降由以下步骤获得：

S2.1、通过故障的电网电压U_gF确定逆变器输出的无功电流I_Q，根据逆变器的稳态电流耐受能力确定变流器耐受的稳态电流最大值为(1+K_s)I_N，将此电流值作为逆变器故障后期望输出电流I。以电网电压U_gF为参考，得到VSG输出内电势E与期望输出电流I在dq坐标系下的内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q。为了得到虚拟故障压降，根据内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，得到虚拟压降系数k。

其中，K_s是逆变器稳态电流耐受系数，I_N为系统额定电流有效值。

S2.2、测量电网故障状态的电网电流i_gabc，并经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq，根据系统已知的参数包括滤波电感L_f，滤波电阻R_f，线路电感L_g，同时结合步骤S2.1得到的内电势E_d、E_q、电流I_d、I_q和虚拟压降系数k，可以得到虚拟故障压降U_zf在dq坐标系下的分量U_zfd与U_zfq。

其中：s为微分算子。

步骤3、检测到电压恢复正常后，故障发生信号S_f置0，由于故障清除时电网电流仍有过流的风险，因此故障策略信号S_c仍然置1，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式。

恢复模式如下：将有功频率下垂环节中参考有功功率指令逐步调节至有功功率指令P_reflim，使无功电压下垂环节中参考无功功率指令等于额定频率的参考无功功率指令Q_ref。

有功功率指令P_reflim不同时刻的设置如下：

t_c时刻电压恢复正常；

在4τ_max以内，有功功率指令如下：

在4τ_max之后的1s以内，有功功率指令如下：

随后有功功率指令P_reflim调为额定频率的参考有功功率指令P_ref。

其中，S_N为变流器的额定容量，τ_max为所限定的时间常数最大值，其表达式满足以下公式。设变流器耐受的冲击电流最大值为(1+K_pf)p.u，K_pf为冲击电流耐受系数。

τ_max＝min[A,B]

其中：

步骤4、故障恢复期间，根据内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，调制波经过调制得到开关信号作用于逆变器，即可保证故障清除系统避免出现过电流，至此完成虚拟同步机的低电压穿越，此时令故障策略信号S_c置0，系统运行在正常状态。

其中，虚拟同步发电机输出的内电势由功率环直接获得，根据虚拟同步发电机的功率环的得到内电势、电网电流i_gabc经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq和电网系统的主电路参数得到虚拟恢复压降U_zc的dq分量U_zcd与U_zcq。

电网系统的主电路参数包括滤波电感L_f、滤波电阻R_f和线路电感L_g。

t_c时刻电压恢复正常，

在4τ_max以内，虚拟恢复压降U_zc的dq分量U_zcd与U_zcq如下：

在4τ_max之后的1s以内，虚拟恢复压降U_zc的dq分量U_zcd与U_zcq如下：

随后虚拟恢复压降控制为0。

本发明公开了一种基于虚拟压降的虚拟同步发电机低电压穿越策略。当电网电压发生跌落的时候，将功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，保证系统的稳定性，并通过附加虚拟故障压降，使得调制波等于内电势与虚拟故障压降的差值，可以抑制故障发生时的过电流，同时逆变器可以输出满足国标要求的无功功率，有助于电网电压的恢复。当电压恢复正常后，为了抑制故障恢复时的暂态电流，功率控制环由冻结模式转为恢复模式，同时附加虚拟恢复压降，使得调制波等于内电势与虚拟恢复压降的差值。该策略有无电流内环的控制结构皆适用，不需要进行模式切换，即可实现虚拟同步发电机的低电压穿越。

实施例：

参见表1，为本实施例的具体参数设置，如图3，通过设置t₀时刻电网电压跌落60％，持续2s，在故障发生瞬间功率环调成冻结模式，并附加虚拟故障电压，可以抑制故障发生后的暂态电流，并限定故障后稳态电流为1.1p.u，同时VSG可以输出达到国标要求的无功功率。t₁时刻，故障清除，电网电压恢复正常，功率环重新调为恢复模式，同时附加虚拟恢复电压，抑制故障清除时的暂态电流。从图3中可以看到，本策略可以实现虚拟同步发电机的低电压穿越。

表1

本发明还提供了一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法的系统，包括电网运行冻结模块、虚拟故障压降模块、电网运行恢复模块和虚拟恢复压降模块。

电网运行冻结模块，当检测到电网对称电压跌落后，将虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式；

虚拟故障压降模块，根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，将调制波作用于逆变器，限制故障期间电网系统的过电流；

电网运行恢复模块，检测到电压恢复正常后，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式；

虚拟恢复压降模块，根据虚拟同步发电机输的内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，将调制波作用于逆变器，限制故障清除时系统的过电流，电网系统运行在正常状态，虚拟同步发电机完成低电压穿越。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当检测到电网对称电压跌落后，将虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式，使逆变器输出电压和频率保持稳定；

步骤2、根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，将调制波作用于逆变器，限制故障期间电网系统的过电流；

步骤3、检测到电压恢复正常后，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式，使功率环过渡到常规虚拟同步控制；

步骤4、根据虚拟同步发电机输的内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，将调制波作用于逆变器，限制故障清除时系统的过电流，电网系统运行在正常状态，虚拟同步发电机完成低电压穿越。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，步骤1中所述冻结模式具体如下：

使虚拟同步发电机有功频率下垂环节中的参考有功功率指令等于实际输出的有功功率P，无功电压下垂环节中的参考无功功率指令等于实际输出的无功功率Q，使得冻结模式运行期间虚拟同步发电机输出的内电势E和功角δ_eg保持稳定。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，步骤2中所述虚拟故障压降的确定方法如下：

S2.1、根据电网故障状态的电网电压U_gF确定逆变器输出的无功电流I_Q，根据逆变器的稳态电流耐受能力确定逆变器故障后的期望输出电流I。，以电网电压U_gF为参考值，结合无功电流I_Q和期望输出电流I，得到虚拟同步发电机的内电势E与期望输出电流I在dq坐标系下的内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，根据内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，得到虚拟压降系数k；

S2.2、将电网故障状态的电网电流i_gabc经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq，根据i_gd与i_gq、电网系统的主电路参数以及dq坐标系下的内电势E_d、E_q与电流I_d、I_q，得到虚拟故障压降U_zf在dq坐标系下的分量U_zfd与U_zfq。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，所述虚拟压降系数k的表达式如下：

其中，K_s是逆变器稳态电流耐受系数，I_N为系统额定电流有效值。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，所述虚拟故障压降U_zf在dq坐标系下的分量U_zfd与U_zfq的表达式如下：

其中:R_f是滤波电阻，L_f是滤波电感，L_g是线路电感。

6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，步骤3中所述恢复模式具体如下：

将有功频率下垂环节中参考有功功率指令调节至有功功率指令P_reflim，使无功电压下垂环节中参考无功功率指令等于额定频率的参考无功功率指令Q_ref。

7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，将有功频率下垂环节中参考有功功率指令逐步调节至有功功率指令P_reflim；

t_c时刻电压恢复正常；

在4τ_max以内，有功功率指令如下：

在4τ_max之后的1s以内，有功功率指令如下：

随后有功功率指令P_reflim调为额定频率的参考有功功率指令P_ref；

其中，S_N为变流器的额定容量，τ_max为所限定的时间常数最大值。

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，根据虚拟同步发电机的功率环的得到内电势、电网电流i_gabc经过派克变换得到dq分量i_gd与i_gq和电网系统的主电路参数得到虚拟恢复压降U_zc在dq坐标系下的分量U_zcd与U_zcq。

9.根据权利要求7所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法，其特征在于，所述虚拟恢复压降U_zc在dq坐标系下的分量U_zcd与U_zcq的表达式如下：

t_c时刻电压恢复正常，

在4τ_max以内，U_zcd与U_zcq的表达式降如下：

在4τ_max之后的1s以内，U_zcd与U_zcq的表达式如下：

随后虚拟恢复压降控制为0。

10.一种权利要求1-9任一项所述的一种基于虚拟压降的虚拟同步机低电压穿越方法的系统，其特征在于，包括，

电网运行冻结模块，当检测到电网对称电压跌落后，将虚拟同步发电机的功率控制环由常规虚拟同步模式转入冻结模式；

虚拟故障压降模块，根据虚拟同步发电机输出的内电势与虚拟故障压降的差值确定调制波U_mod，将调制波作用于逆变器，限制故障期间电网系统的过电流；

电网运行恢复模块，检测到电压恢复正常后，将虚拟同步发电机的功率控制环由冻结模式转为恢复模式；

虚拟恢复压降模块，根据虚拟同步发电机输的内电势与虚拟恢复压降的差值确定调制波，将调制波作用于逆变器，限制故障清除时系统的过电流，电网系统运行在正常状态，虚拟同步发电机完成低电压穿越。

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