CN114759608A - 一种故障条件下变流器同步稳定控制方法 - Google Patents

一种故障条件下变流器同步稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，涉及低穿故障期间对并网变流器的控制。首先根据电压跌落深度得到变流器有功无功电流参考量；进一步提出一种动态电压反馈控制方法，将并网点q轴电压参考量与实际并网点q轴电压分量的偏差经比例积分控制器引入有功电流参考量中，通过电流参考值与变流器耐受电流的比较，确定故障期间有功和无功电流参考值。本发明方法在考虑变流器自身运行性能及容量约束的基础上，充分利用故障期间变流器剩余容量，最大限度提升低电压穿越期间变流器并网的同步能力，降低故障期间并网变流器同步失稳风险。

Description

一种故障条件下变流器同步稳定控制方法
技术领域
本发明属于变流器故障穿越控制技术领域，涉及一种故障条件下变流器同步稳定控制方法
背景技术
随着新能源接入规模的提高，新能源与电网间的关系越来越紧密，同时也使两者的相互影响日趋复杂。新能源发电系统主要以变流器作为电能接口接入电网，大规模电力电子变流器的接入改变了电网的动态特性，与之相关的动态问题也逐步显现。
此外，变流器通过锁相环被动跟踪电网电压相位的变化，为自身控制回路提供参考坐标系来实现不同的控制目标。现有故障穿越控制策略是当检测到电网发生三相短路故障后，将变流器从定功率模式切换至定电流模式，并按照电网导则规定的无功电流要求向电网注入有功和无功电流。
然而随着大规模新能源接入和输电距离的增长，电网等效阻抗增大，电网进一步变弱，这使得在故障期间并网点电压极易受风机输出电流的影响，同时并网点电压又作为锁相环的输入来估计电网频率与相角，进一步加剧了并网变流器与电网的相互作用，增大了故障期间并网变流器同步失稳风险。因此，本发明提出一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，可有效提升低穿期间变流器并网的同步能力。
发明内容
本发明提出了一种故障条件下变流器同步稳定控制方法。
本发明的故障条件下变流器同步稳定控制方法，包括以下步骤：
(1)测量获得变流器并网点电压Utabc及变流器输出电流Irabc，并网点电压Utabc经锁相环得到相角θPLL，再由坐标变换得到d轴、q轴电压电流分量Utd、Utq、Id、Iq，并根据并网点电压跌落深度计算得到变流器有功和无功电流参考量
Figure BDA0003536778740000011
和
Figure BDA0003536778740000012
(2)将并网点q轴电压参考量
Figure BDA0003536778740000013
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量
Figure BDA0003536778740000021
中对其进行修正，得到有功电流参考值Id.fault；
(3)以步骤(1)得到的变流器无功电流参考量
Figure BDA0003536778740000022
作为无功电流参考值Iq.fault，结合步骤(2)所得有功电流参考值Id.fault，计算得到参考电流幅值Ifault；
(4)比较步骤(3)所得参考电流幅值Ifault是否超过变流器耐受的电流极限Imax，若不满足电流极限要求，对有功和无功电流参考值进行等比例缩小，反之则重新计算无功电流参考值，从而最终确定改进后的故障期间变流器有功和无功电流参考值
Figure BDA0003536778740000023
和
Figure BDA0003536778740000024
上述技术方案中，所述步骤(1)中根据故障电压穿越能力测试规程中故障期间动态无功支撑能力要求，变流器故障穿越期间有功无功电流指令可表示为：
Figure BDA0003536778740000025
其中
Figure BDA0003536778740000026
和
Figure BDA0003536778740000027
分别为变流器有功、无功电流参考值；Ut为并网点电压的有效值；Imax为变流器电流容量即耐受的电流极限；k为无功电流增益系数。
所述步骤(2)中将并网点q轴电压参考量
Figure BDA0003536778740000028
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量，采用所提控制方法后有功无功电流参考值可表示为：
Figure BDA0003536778740000029
式中，kput、kiut为附加控制器的PI参数，s为拉普拉斯算子；ΔUtq为并网点q轴电压参考信号
Figure BDA00035367787400000210
与实际并网点q轴电压分量Utq的差值，考虑到同步时并网点q轴电压为0，因此取
Figure BDA00035367787400000211
Id.fault、Iq.fault是电压反馈后给出的电流参考信号。
所述步骤(3)计算得到参考电流幅值Ifault，具体表示如下：
Figure BDA00035367787400000212
所述步骤(4)考虑到变流器所能耐受的电流有限，设计有电流比较来限制过大的电流参考，充分利用变流器容量来增强并网变流器的同步能力，具体如下：
当参考电流幅值大于变流器电流极限，即Ifault＞Imax时，对有功和无功电流参考值进行等比例缩小，使其满足变流器电流约束，输出电流参考值表示为：
Figure BDA0003536778740000031
当参考电流幅值小于等于变流器电流极限，即Ifault≤Imax时，为更好的利用变流器容量，提升低穿期间并网变流器的同步运行能力，重新计算无功电流参考值，改进后的输出电流参考值可表示为：
Figure BDA0003536778740000032
本发明的有益效果是：
本发明针对弱电网故障下基于锁相环同步的变流器在低穿期间同步能力弱的问题，在考虑并网变流器自身运行性能及容量约束的基础上，充分利用故障期间变流器剩余容量，并通过动态电压反馈实时调整并网变流器有功无功电流参考值，最大限度提升故障穿越期间变流器并网的同步能力，降低故障期间并网变流器同步失稳风险。
附图说明
图1本发明所提同步稳定控制方法框图；
图2双馈风电机组低电压穿越控制框图；
图3不同控制策略下锁相环输出频率时域波形；
图4不同控制策略下转子侧变流器输出有功电流时域波形；
图5不同控制策略下转子侧变流器输出无功电流时域波形；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施算例对本发明作进一步说明。
本发明方法包括以下步骤：
(1)测量获得变流器并网点电压Utabc及变流器输出电流Irabc，并网点电压Utabc经锁相环得到相角θPLL，再由坐标变换得到d轴、q轴电压电流分量Utd、Utq、Id、Iq，并根据并网点电压跌落深度计算得到变流器有功和无功电流参考量
Figure BDA0003536778740000041
和
Figure BDA0003536778740000042
(2)将并网点q轴电压参考量
Figure BDA0003536778740000043
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量
Figure BDA0003536778740000044
中对其进行修正，得到有功电流参考值Id.fault；
(3)以步骤(1)得到的变流器无功电流参考量
Figure BDA0003536778740000045
作为无功电流参考值Iq.fault，结合根据步骤(2)所得有功电流参考值Id.fault，计算得到参考电流幅值Ifault；
(4)比较步骤(3)所得参考电流幅值Ifault是否超过变流器耐受的电流极限Imax，若不满足电流极限要求，对有功和无功电流参考值进行等比例缩小，反之则重新计算无功电流参考值，从而最终确定改进后的故障期间变流器有功和无功电流参考值
Figure BDA0003536778740000046
和
Figure BDA0003536778740000047
所述步骤(1)中根据测量的并网点电压得到故障穿越期间有功和无功电流参考量具体如下：
根据故障电压穿越能力测试规程中故障穿越期间动态无功支撑能力要求，变流器故障穿越期间有功无功电流指令可表示为：
Figure BDA0003536778740000048
其中
Figure BDA0003536778740000049
和
Figure BDA00035367787400000410
分别为变流器有功、无功电流参考量；Ut为并网点电压的有效值；Imax为变流器电流容量；k为无功电流增益系数，一般取k≥1.5。
所述步骤(2)将并网点q轴电压参考量
Figure BDA00035367787400000411
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量，具体控制方法如图1所示，采用所提控制方法后有功无功电流参考值可表示为：
Figure BDA00035367787400000412
式中，kput、kiut为附加控制器的PI参数，s为拉普拉斯算子；ΔUtq为并网点q轴电压参考信号
Figure BDA0003536778740000051
与实际并网点q轴电压分量Utq的差值，考虑到同步时并网点q轴电压为0，因此取
Figure BDA0003536778740000052
Ird.fault、Irq.fault是电压反馈后给出的电流参考信号。
所述步骤(3)计算得到参考电流幅值Ifault，具体表示如下：
Figure BDA0003536778740000053
所述步骤(4)考虑到并网变流器所能耐受的电流有限，设计有电流比较来限制过大的电流参考，充分利用变流器容量来增强并网变流器的同步能力，具体电流比较方案如图1所示。
考虑到本发明方法下给出的电流参考值可能会大于变流器所能耐受的电流极限，电流比较模块通过比较当前工况下控制方法所给出的参考电流幅值Ifault和变流器的电流极限Imax的大小来最终确定故障期间输出有功无功电流的参考值。
当参考电流幅值大于变流器电流极限，即Ifault＞Imax时，对有功和无功电流等比例缩小，使其满足变流器电流约束，输出电流参考值表示为：
Figure BDA0003536778740000054
其中，考虑变流器具有一定的过电流能力，Imax通常取值为1.2；
Figure BDA0003536778740000055
和
Figure BDA0003536778740000056
为本发明方法给出的并网变流器低穿故障期间有功和无功电流参考信号。
当参考电流幅值小于等于变流器电流极限，即Ifault≤Imax时，若仍按照原先的无功电流参考进行输出，变流器容量没有被充分利用。因此，为更好的利用变流器容量，提升故障期间并网变流器的同步运行能力，设计一种改进的电流比较方案，检测到Ifault≤Imax时，重新计算无功电流参考值，改进后的输出电流参考值可表示为：
Figure BDA0003536778740000057
本发明提出的故障条件下变流器同步稳定控制方法通过在有功电流参考上引入反映电压同步状态的并网点q轴电压偏差项来实时调节有功电流参考量，并在此基础上设计改进的电流比较方案，保证变流器运行约束的条件下，充分利用变流器剩余容量，可有效改善低穿期间变流器并网系统的同步稳定性。
下面结合图2所示的具体实施算例对本发明方法进行仿真验证，用以说明本控制方法的准确性和有效性。本算例为典型双馈风电机组并网系统，系统参数和双馈风电机组相关参数如表1和表2所示。
表1系统参数
Figure BDA0003536778740000061
表2双馈风电机组相关参数
Figure BDA0003536778740000062
在t＝0.1s时电网发生三相对称故障，电网电压发生跌落，并在t＝0.9s时切除故障。在电网电压跌落后，双馈风电机组进入低穿控制模式，通过对比采用所提控制方法前后锁相环输出频率以及转子侧变流器输出电流时域波形，可验证本发明所提同步稳定控制方法可有效保证暂态期间系统的同步稳定。
图3给出了三种不同低穿控制方法下锁相环输出频率的时域波形。从图上可以观察到，在电流参考量由故障穿越测试规程给定的传统低穿控制下，锁相环输出频率偏离电网实际频率，且始终无法锁定电网频率，出现同步失稳现象。对比本发明所提控制方法，锁相环能在故障发生后迅速锁定电网频率，且在改进电流比较下能有效减少故障发生和切除瞬间的超调，保证系统同步稳定的同时改善系统的暂态同步特性。
图4和图5分别三种控制方法下转子侧变流器输出有功电流和无功电流的时域波形。从图4中可以看出，传统低穿控制在故障期间其输出的有功电流与其控制指令存在一定偏差，无法稳定其参考值，不利于低穿期间风电并网系统的稳定，在本发明所提同步稳定控制方法下，故障期间输出有功电流能有效跟踪其控制指令，保证系统的同步稳定。对比图5输出无功电流时域波形也能看出，本发明方法能在低穿故障期间保证输出无功电流的稳定，且所提改进电流比较方法在低穿过程中能够注入更多的无功电流，有助于锁相环更快的跟踪到系统频率，改善系统暂态同步特性，增强系统的同步能力。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测量获得变流器并网点电压Utabc及变流器输出电流Iabc，并网点电压Utabc经锁相环得到相角θPLL，再由坐标变换得到d轴、q轴电压分量Utd、Utq及电流分量Id、Iq，并根据并网点电压跌落深度计算得到变流器有功和无功电流参考量
Figure FDA0003536778730000011
和
Figure FDA0003536778730000012
(2)将并网点q轴电压参考量
Figure FDA0003536778730000013
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量
Figure FDA0003536778730000014
中对其进行修正，得到有功电流参考值Id.fault；
(3)以步骤(1)得到的变流器无功电流参考量
Figure FDA0003536778730000015
作为无功电流参考值Iq.fault，结合步骤(2)所得有功电流参考值Id.fault，计算得到参考电流幅值Ifault；
(4)判断步骤(3)所得参考电流幅值Ifault是否超过变流器耐受的电流极限Imax，若不满足电流极限要求，对有功和无功电流参考值进行等比例缩小，反之则重新计算无功电流参考值，从而最终确定改进后的低穿期间并网变流器有功和无功电流参考值
Figure FDA0003536778730000016
和
Figure FDA0003536778730000017
2.根据权利要求1所述的一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据故障电压穿越能力测试规程中低穿期间动态无功支撑能力要求，变流器低穿期间有功无功电流指令表示为：
Figure FDA0003536778730000018
其中
Figure FDA0003536778730000019
和
Figure FDA00035367787300000110
分别为转子侧变流器有功、无功电流参考量；Ut为并网点电压的有效值；Imax为变流器所能耐受的最大电流；k为无功电流增益系数。
3.根据权利要求1所述的一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(2)将并网点q轴电压参考量
Figure FDA00035367787300000111
与实际并网点q轴电压分量Utq的偏差经比例积分控制器引入变流器有功电流参考量后有功无功电流参考值表示为：
Figure FDA0003536778730000021
式中，kput、kiut为附加控制器的PI参数，s为拉普拉斯算子；ΔUtq为并网点q轴电压参考信号
Figure FDA0003536778730000022
与实际并网点q轴电压分量Utq的差值，考虑到同步时并网点q轴电压为0，因此取
Figure FDA0003536778730000023
Id.fault、Iq.fault是电压反馈后给出的电流参考信号。
4.根据权利要求1所述的一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，计算得到参考电流幅值Ifault，具体表示如下：
Figure FDA0003536778730000024
。
5.根据权利要求1所述的一种故障条件下变流器同步稳定控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，考虑到并网变流器所能耐受的电流有限，设计通过电流比较来限制过大的电流参考，充分利用变流器容量以增强并网变流器的同步能力，具体如下：
当参考电流幅值大于变流器电流极限，即Ifault＞Imax时，对有功和无功电流参考值进行等比例缩小，使其满足变流器电流约束，输出电流参考值表示为：
Figure FDA0003536778730000025
当参考电流幅值小于等于变流器电流极限，即Ifault≤Imax时，为更好的利用变流器容量，提升低穿期间并网变流器的同步运行能力，重新计算无功电流参考值Iq.fault，
Figure FDA0003536778730000026
改进后的输出电流参考值表示为：
Figure FDA0003536778730000027
Figure FDA0003536778730000031
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