CN113472008B - 一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，包括以下步骤：测试网测等效电抗和电测电压，计算当前并网点电压下的有功功率运行极限值；比较当前有功功率极限值与有功功率参考值的大小，若极限值大于参考值，则触发抗饱和控制的信号，执行步骤(3)；若极限值小于参考值，则触发增强下垂控制的信号，执行步骤(4)；判断滤波电容电压的q轴分量V_q的值，若V_q的值等于0，则逆变器正常运行，进行下一循环；若V_q的值不等于0，则抗饱和控制生效，直至V_q的值变为0；增强下垂控制生效，逆变器维持暂态同步稳定，等待故障清除后恢复正常运行。克服了现有技术的不足，可以保证下垂控制逆变器在暂态下的同步稳定。

Description

一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法

技术领域

本发明涉及一种维持电压源型并网逆变器同步稳定的控制方法，具体涉及一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，越来越多的电压源型变流器(VSC)应用于可再生能源发电并网和直流输电等领域。VSC的接入为电网提供便利的同时也为其安全运行带来了新的挑战因为VSC仍然存在诸多稳定问题。

传统的恒定功率控制的VSC存在着缺乏电压支撑能力和频率支撑能力等问题。为了解决这一问题，下垂控制和虚拟同步机控制凭借其良好的一次调频和电压支撑性能被广泛应用于电压源变流器的控制系统中。针对下垂控制的变流器，目前已经有比较多的研究。下垂控制逆变器被认为是低惯量的虚拟同步机，两者具有及其相似的特性。其中，大部分的研究主要集中在微网中小干扰稳定性、微网分级控制、功率的解耦控制、频率与电压控制的同步控制等，对大干扰下变流器的稳定研究较少。而少有的关于电压源型逆变器暂态同步稳定的控制方法，也没有完全考虑电流饱和的影响，包括电流饱和引起的功角特性的改变和恢复时如何退出电流饱和。现在还没有针对逆变器器恢复时及时退出电流饱和的相应方法。考虑电流饱和的电压源型逆变器的暂态同步稳定仍需进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，克服了现有技术的不足，可以保证下垂控制逆变器在暂态下的同步稳定。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，包括以下步骤：

(1)测试网侧等效电抗和电侧电压，计算当前并网点电压下的有功功率运行极限值；

(2)比较当前有功功率极限值与有功功率参考值的大小，若极限值大于参考值，则触发抗饱和控制的信号，执行步骤(3)；若极限值小于参考值，则触发增强下垂控制的信号，执行步骤(4)；

(3)判断滤波电容电压的q轴分量V_q的值，若V_q的值等于0，则逆变器正常运行，进行下一循环；若V_q的值不等于0，则抗饱和控制生效，直至V_q的值变为0；

(4)增强下垂控制生效，逆变器维持暂态同步稳定，等待故障清除后恢复正常运行。

进一步，所述步骤(1)中当前并网点电压下的有功功率运行极限值的具体计算公式可表示为：

其中，P_Eamx表示逆变器非饱和运行的有功功率极限，V_d为滤波电容电压d轴分量，K_Q表示Q-V无功下垂系数，Q₀表示无功功率参考值，V₀表示滤波电容电压给定值。I_dmax表示极限功率运行时的逆变器侧的d轴电流，I_qmax表示极限功率运行时的逆变器侧的q轴电流，I_max电流的限幅值，表达式如下：

其中A₁＝(V₀+K_QQ₀)(1-ω₀CX)，A₂＝1-K_QI_qmax，A₄＝K_QA₃+A₁X。

进一步，所述步骤(2)中抗饱和控制信号为Sign，触发时为1，不触发时为0，具体表示为：

进一步，所述步骤(2)中增强下垂控制为在传统P-f下垂控制当中引入逆变器电压的q轴分量V_q，具体引入方法如下：

其中，P₀表示有功功率参考值，P_E表示逆变器输出的实际有功功率，K_P表示P-f无功下垂系数，K_Vq表示引入逆变器q轴电压的比例系数，Δω逆变器角频率与参考角频率的差值。

进一步，所述步骤(2)中抗饱和控制包括在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q以及在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制，引入方法如下式：

(1)在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q

其中，P₀表示有功功率参考值，P_E表示逆变器输出的实际有功功率，K_P表示P-f无功下垂系数，K_Vq表示引入逆变器q轴电压的比例系数，Δω逆变器角频率与参考角频率的差值。V_q*为：

其中，[0,A_dead]是V_q的死区范围，死区设置是为了保证在退出电流饱和的暂态过程中，V_q大于0，设置如下：

(2)在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制

V_ref＝V₀+K_Q(Q_-0-(Q_E+Q_virtual))

其中，V_ref是Q-V下垂控制输出的电压参考值，Q_E表示逆变器输出的实际无功功率；Q_virtual表示为：

Q_virtual＝|V_q|×Sign×(K_PQV_q+K_PI∫Sign×V_qdt)。

进一步，所述步骤(3)中抗饱和控制的具体控制方法为：

由于死区设置保证暂态时V_q大于0，所以将Q_virtual一直增大直到逆变器恢复正常。当逆变器恢复正常时，逆变器q轴电压的绝对值|V_q|其实也属于一个抗饱和控制的信号，在电压外环和Q-V下垂环的共同作用下，恢复正常后V_q等于0，则抗饱和Q-V下垂控制自动失效，系统恢复正常。

本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：

本发明能够保证逆变器在暂态时提供平衡点不发生同步失稳，在故障恢复阶段及时退出电流饱和恢复正常运行，防止逆变器一直工作在电流饱和平衡点。且在网侧电压发生较小的电压跌落时，可以防止逆变器进入电流饱和模式，从而提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的具体实现图(包括逆变器通过LCL并网和控制结构)。

图2为本发明方法的流程示意图。

图3为本发明方法的抗饱和增强下垂控制的控制框图。

图4为本发明方法的暂态稳定示意图。

图5为本发明退饱和暂态过程示意图。

图6为本发明实施例仿真验证的电流饱和时退出电流饱和的边界曲线与非饱和运行极限功率曲线。

图7是本发明实施例仿真验证的采用普通增强下垂控制的电压电流的波形图。

图8是本发明实施例仿真验证的采用退饱和增强下垂控制的电压电流的波形图。

具体实施方式

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

如图1-3所示，本发明公开了一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，包括以下步骤：

(1)测试网侧等效电抗和电侧电压，计算当前并网点电压下的有功功率运行极限值；

(2)比较当前有功功率极限值与有功功率参考值的大小，若极限值大于参考值，则触发抗饱和控制的信号，执行步骤(3)；若极限值小于参考值，则触发增强下垂控制的信号，执行步骤(4)；

(3)判断滤波电容电压的q轴分量V_q的值，若V_q的值等于0，则逆变器正常运行，进行下一循环；若V_q的值不等于0，则抗饱和控制生效，直至V_q的值变为0；

(4)增强下垂控制生效，逆变器维持暂态同步稳定，等待故障清除后恢复正常运行。

步骤(1)中当前并网点电压下的有功功率运行极限值的具体计算公式可表示为：

其中，P_Eamx表示逆变器非饱和运行的有功功率极限，V_d为滤波电容电压d轴分量，K_Q表示Q-V无功下垂系数，Q₀表示无功功率参考值，V₀表示滤波电容电压给定值。I_dmax表示极限功率运行时的逆变器侧的d轴电流，I_qmax表示极限功率运行时的逆变器侧的q轴电流，I_max电流的限幅值，表达式如下：

其中A₁＝(V₀+K_QQ₀)(1-ω₀CX)，A₂＝1-K_QI_qmax，A₄＝K_QA₃+A₁X。

步骤(2)中抗饱和控制信号为Sign，触发时为1，不触发时为0，具体表示为：

步骤(2)中增强下垂控制为在传统P-f下垂控制当中引入逆变器电压的q轴分量V_q，具体引入方法如下：

其中，P₀表示有功功率参考值，P_E表示逆变器输出的实际有功功率，K_P表示P-f无功下垂系数，K_Vq表示引入逆变器q轴电压的比例系数，Δω逆变器角频率与参考角频率的差值。

步骤(2)中抗饱和控制包括在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q以及在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制，引入方法如下式：

(1)在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q

其中，P₀表示有功功率参考值，P_E表示逆变器输出的实际有功功率，K_P表示P-f无功下垂系数，K_Vq表示引入逆变器q轴电压的比例系数，Δω逆变器角频率与参考角频率的差值。V_q*为：

其中，[0,A_dead]是V_q的死区范围，死区设置是为了保证在退出电流饱和的暂态过程中，V_q大于0，设置如下：

(2)在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制

V_ref＝V₀+K_Q(Q_-0-(Q_E+Q_virtual))

其中，V_ref是Q-V下垂控制输出的电压参考值，Q_E表示逆变器输出的实际无功功率；Q_virtual表示为：

Q_virtual＝|V_q|×Sign×(K_PQV_q+K_PI∫Sign×V_qdt)。

步骤(3)中抗饱和控制的具体控制方法为：

由于死区设置保证暂态时V_q大于0，所以将Q_virtual一直增大直到逆变器恢复正常。当逆变器恢复正常时，逆变器q轴电压的绝对值|V_q|其实也属于一个抗饱和控制的信号，在电压外环和Q-V下垂环的共同作用下，恢复正常后V_q等于0，则抗饱和Q-V下垂控制自动失效，系统恢复正常。

具体验证实施例：

在Matlab软件中建立如图1所示的仿真模型。其中，电网模型采用理想三相电压源且电压幅值和频率固定为1p.u.和50HZ。L_F是变流器侧的滤波电感。C_F是滤波电容。L_g是网侧滤波电感。L_T是变压器等效漏感。L_line是等效的线路电感。I_abc,V_abc,I_oabc和U_abc分别是变流器侧电流，滤波电容电压，网侧电流和交流电网等效电压。I_dq,V_dq,I_odq和U_dq分别是I_abc,V_abc,I_oabc和U_abc经过派克变换得到的。用来派克变换的d轴角频率来自增强型P-f下垂控制，滤波电容电压参考值来自Q-V下垂控制。控制由“功率下垂—电压控制环—电流控制环”组成，本发明方法在有功功率—频率的下垂控制当中添加了逆变器输出电压q轴分量V_q的相关辅助项，并在恢复阶段采用退饱和策略。仿真所采用的具体参数如表1所示。

表1实施例仿真验证中系统的参数值

图6为本发明实施例仿真验证的电流饱和时可以退出电流饱和(V_ref-V₀<0)的P-U边界曲线与非饱和运行极限功率(P_Emax)的P-U曲线。其中，退饱和边界曲线右侧为可以退出饱和区域，左侧为不可退出饱和区域；非饱和极限功率曲线右侧为可以非饱和运行区域，左侧为饱和运行区域。只有同时处于可以退出饱和区域和非饱和运行区域时，逆变器才能在恢复阶段退出电流饱和后稳定在非饱和平衡点正常运行。饱和的边界曲线与非饱和运行极限功率曲线。

从图中可以看出，不采用退饱和策略时，退饱和区仅仅占非饱和区很小的一部分，且K_Vq增大会使退保和区域变得更小。因此只靠增强下垂控制不能保证故障切除后系统及时恢复正常运行。因此当采用退饱和策略时，退饱和区可以包含非饱和区域。由于需要进入非饱和区才能启用退饱和策略，因此退饱和区域实际上是与非饱和运行区域重合的。

图7、8是增强下垂控制和退饱和增强下垂控制在恢复阶段的仿真波形图。在网侧电压没有完全恢复到额定值的时候，普通增强下垂控制并不能退出饱和，无法恢复正常运行状态，仍然处于电流限幅状态。此时，仍然是电流饱和状态，系统稳定在暂态平衡点，虽然不会发生非同步失稳，但仍然不是作为正常的电压源运行。但采用退饱和策略后，给辅助项Vq设置死区，使平衡点左移，增大了V_q，从而增大了无功功率，同时提供虚拟无功，为电压环提供足够的电压回调量，让电流退出限幅，逐渐退出饱和，变为电压源正常运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、测试网侧等效电抗和电侧电压，计算当前并网点电压下的有功功率运行极限值；

S2、比较当前有功功率极限值与有功功率参考值的大小，若极限值大于参考值，则触发抗饱和控制的信号，执行步骤(3)；若极限值小于参考值，则触发增强下垂控制的信号，执行步骤(4)；

S3、判断滤波电容电压的q轴分量V_q的值，若V_q的值等于0，则逆变器正常运行，进行下一循环；若V_q的值不等于0，则抗饱和控制生效，直至V_q的值变为0；

所述步骤S2中抗饱和控制信号为Sign，触发时为1，不触发时为0，具体表示为：

所述步骤S2中抗饱和控制包括在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q以及在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制，引入方法如下式：

(1)在传统P-f下垂控制当中引入死区处理后的V_q

其中，P₀表示有功功率参考值，P_E表示逆变器输出的实际有功功率，K_P表示P-f无功下垂系数，K_Vq表示引入逆变器q轴电压的比例系数，Δω逆变器角频率与参考角频率的差值；为：

其中，[0,A_dead]是V_q的死区范围，死区设置是为了保证在退出电流饱和的暂态过程中，V_q大于0，设置如下：

(2)在Q-V下垂控制中引入V_q的PI控制

V_ref＝V₀+K_Q(Q_-0-(Q_E+Q_virtual))

其中，V_ref是Q-V下垂控制输出的电压参考值，Q_E表示逆变器输出的实际无功功率；Q_virtual表示为：

Q_virtual＝|V_q|×Sign×(K_PQV_q+K_PI∫Sign×V_qdt)

所述步骤S3中抗饱和控制的具体控制方法为：

由于死区设置保证暂态时V_q大于0，所以将Q_virtual一直增大直到逆变器恢复正常；当逆变器恢复正常时，逆变器q轴电压的绝对值|V_q|其实也属于一个抗饱和控制的信号，在电压外环和Q-V下垂环的共同作用下，恢复正常后V_q等于0，则抗饱和Q-V下垂控制自动失效，系统恢复正常；

S4、增强下垂控制生效，逆变器维持暂态同步稳定，等待故障清除后恢复正常运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高逆变器同步稳定的抗饱和增强下垂控制方法，其特征在于：所述步骤S1中当前并网点电压下的有功功率运行极限值的具体计算公式可表示为：

其中，P_Eamx表示逆变器非饱和运行的有功功率极限，V_d为滤波电容电压d轴分量，K_Q表示Q-V无功下垂系数，Q₀表示无功功率参考值，V₀表示滤波电容电压给定值；I_dmax表示极限功率运行时的逆变器侧的d轴电流，I_qmax表示极限功率运行时的逆变器侧的q轴电流，I_max电流的限幅值，表达式如下：

其中A₁＝(V₀+K_QQ₀)(1-ω₀CX)，A₂＝1-K_QI_qmax，A₄＝K_QA₃+A₁X。