CN114884105A - 一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电气控制技术领域，具体涉及一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法。本发明提供的控制方法能够根据直流侧电压实现储能变换器对电网的自主同步；在电网出现低电压故障后，提出的暂态稳定控制模块可以增强直流侧电压、以及网侧变换器的功角稳定性，避免暂态失稳、以及输出电流过流；有功功率参考值生成模块、无功功率参考值生成模块可以在电网出现低电压故障时优先发出无功功率，实现无功功率支撑功能。

Description

一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，具体涉及一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法。
背景技术
目前，储能变换器大多采用基于锁相环观测电网电压相位的常规跟网型控制方法。在跟网型控制方法下，储能变换器高比例接入电网时容易与电网异常交互引发振荡失稳问题；另外，跟网型储能变换器高比例接入时等效降低电网的惯量，导致系统频率失稳。
相关研究表明，构网型控制是解决高比例储能变换器并网面临惯量缺失、振荡失稳难题的有效措施之一。然而，构网型储能变换器在电网出现低电压故障时面临相角失稳、过电流等风险，危及构网型储能变换器的安全稳定运行。因此，需要研究构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供提供一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，提高构网型储能变换器在电网故障时的稳定性，避免出现相角失稳、以及过电流等风险。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，分别对前级变换器及网侧变换器进行控制，所述网侧变换器采用如下控制方法：直流侧电压反馈值udc与直流侧电压参考值udcref之差进入PI调节器，PI调节器的输出经过一个增益为1/udcref的环节，其输出进入一个增益为314.159的积分环节，积分环节的输出为相位θvg；检测网侧变换器输出的三相电流i1abc、以及滤波电容电压uCabc，经过旋转坐标变换到dq坐标系下，用于旋转变换的角度为θvg；
故障检测器根据滤波电容电压幅值UC判断电网是否出现故障，滤波电容电压幅值UC进入滞环比较器后生成故障标志位Flag，当滤波电容电压幅值UC小于0.85UCN时，故障标志位Flag为1，当滤波电容电压幅值UC大于0.95UCN时，故障标志位Flag为0；UCN为滤波电容电压幅值的额定值；
无功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生无功功率参考值Qgref，无功功率参考值Qgref经过无功功率控制环生成滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref，滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为0；滤波电容电压的参考值uCdref、uCqref进入交流电压控制环，其输出经过限流环节后作为电流控制环的参考值i1dref、i1qref；参考值i1dref、i1qref进入交流电流控制环，其输出进入dq/abc坐标变换，用于坐标变换的角度为相位θvg；dq/abc坐标变换的输出经过脉冲宽度调制环节后生成网侧变换器的触发脉冲sgabc；
所述前级变换器采用如下控制方法：有功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生前级变换器的有功功率参考值Peref；网侧变换器输出有功功率的反馈值Pg经过高通滤波器
Figure BDA0003632152920000021
后的输出为ΔPg，其中为Tg为高通滤波时间常数，kg为高通滤波器增益；有功功率参考值Peref减去ΔPg以及前级变换器的有功功率反馈值Pe后进入PI调节器，PI调节器的输出为前级变换器输出电流的参考值ieref；直流电容电流的反馈值idc进入暂态稳定控制模块后的输出为Δie，电流参考值ieref减去Δie、以及前级变换器输出电流反馈值ie后进入PI调节器，PI调节器的输出经过调制环节后生成前级变换器的触发脉冲se。
作为本发明的优选技术方案：所述暂态稳定控制模块的输出Δie与输入idc之间的关系如下：
Figure BDA0003632152920000022
其中，s为拉普拉斯算子，Te为暂态稳定控制时间常数，ki为暂态稳定控制系数。
作为本发明的优选技术方案：所述有功功率参考值生成模块的控制方法如下：前级变换器输出功率的设定值P1ref作为选通开关S1位置1的输入，选通开关S1位置2的输入为0.2P1ref；故障标志位Flag作为选通开关S1的控制信号，当选通开关S1的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S1的控制信号为1时，其输出为位置2，选通开关S1的初始位置处在位置1；选通开关S1的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为前级变换器有功功率的参考值Peref。
作为本发明的优选技术方案：所述无功功率参考值生成模块的控制方法如下：网侧变换器输出无功功率的设定值Q1ref作为选通开关S2位置1的输入，选通开关S2位置2的输入为
Figure BDA0003632152920000023
其中UC为滤波电容电压幅值，Ilmt为网侧变换器输出电流的限幅值，Peref为前级变换器的有功功率参考值；故障标志位Flag作为选通开关S2的控制信号，当选通开关S2的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S2的控制信号为2时，其输出为位置2，选通开关S2的初始位置处在位置1；选通开关S2的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为网侧变换器的无功功率参考值Qgref。
作为本发明的优选技术方案：所述高通滤波时间常数Tg、高通滤波器增益kg满足如下关系：
0＜Tg≤0.25 (2)
Figure BDA0003632152920000031
其中，PgN为网侧变换器输出有功功率的额定值。
作为本发明的优选技术方案：所述暂态稳定控制时间常数Te、暂态稳定控制系数ki满足如下关系：
0＜Te≤0.5 (4)
Figure BDA0003632152920000032
其中，IdcN为直流侧电容电流的额定值。
作为本发明的优选技术方案：所述时间常数Ts满足如下关系：
0＜Ts≤10 (6)
其中，Ts为一阶低通滤波器的时间常数。
本发明所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提供的控制方法能够根据直流侧电压实现储能变换器对电网的自主同步；在电网出现低电压故障后，提出的暂态稳定控制模块可以增强直流侧电压、以及网侧变换器的功角稳定性，避免暂态失稳、以及输出电流过流；有功功率参考值生成模块、无功功率参考值生成模块可以在电网出现低电压故障时优先发出无功功率，实现无功功率支撑功能。
附图说明
图1为本发明的控制框图；
图2为本发明的故障检测器的控制框图；
图3为本发明有功功率参考值生成模块的控制框图；
图4为本发明无功功率参考值生成模块的控制框图；
图5为本发明一仿真实施例——电网故障时构网型储能变换器的低电压穿波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1所示，现有的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制系统，包含两级变换器，其中前级变换器一侧连接储能电池，另一侧连接网侧变换器；所述前级变换器为双向直流/直流变换器，所述网侧变换器为电压源型直流/交流变换器；网侧变换器的直流侧为电容，交流侧通过电感、电容滤波器接入电网。
一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，分别对前级变换器及网侧变换器进行控制，网侧变换器采用如下控制方法：直流侧电压反馈值udc与直流侧电压参考值udcref之差进入PI调节器，PI调节器的输出经过一个增益为1/udcref的环节，其输出进入一个增益为314.159的积分环节，积分环节的输出为相位θvg；检测网侧变换器输出的三相电流i1abc、以及滤波电容电压uCabc，经过旋转坐标变换到dq坐标系下，用于旋转变换的角度为θvg；
如图2所示，故障检测器根据滤波电容电压幅值UC判断电网是否出现故障，滤波电容电压幅值UC进入滞环比较器后生成故障标志位Flag，当滤波电容电压幅值UC小于0.85UCN时，故障标志位Flag为1，当滤波电容电压幅值UC大于0.95UCN时，故障标志位Flag为0；UCN为滤波电容电压幅值的额定值；
无功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生无功功率参考值Qgref，无功功率参考值Qgref经过无功功率控制环生成滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref，滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为0；滤波电容电压的参考值uCdref、uCqref进入交流电压控制环，其输出经过限流环节后作为电流控制环的参考值i1dref、i1qref；参考值i1dref、i1qref进入交流电流控制环，其输出进入dq/abc坐标变换，用于坐标变换的角度为相位θvg；dq/abc坐标变换的输出经过脉冲宽度调制环节后生成网侧变换器的触发脉冲sgabc；
所述前级变换器采用如下控制方法：有功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生前级变换器的有功功率参考值Peref；网侧变换器输出有功功率的反馈值Pg经过高通滤波器
Figure BDA0003632152920000041
后的输出为ΔPg，其中为Tg为高通滤波时间常数，kg为高通滤波器增益；有功功率参考值Peref减去ΔPg以及前级变换器的有功功率反馈值Pe后进入PI调节器，PI调节器的输出为前级变换器输出电流的参考值ieref；直流电容电流的反馈值idc进入暂态稳定控制模块后的输出为Δie，电流参考值ieref减去Δie、以及前级变换器输出电流反馈值ie后进入PI调节器，PI调节器的输出经过调制环节后生成前级变换器的触发脉冲se。
暂态稳定控制模块的输出Δie与输入idc之间的关系如下：
Figure BDA0003632152920000051
其中，s为拉普拉斯算子，Te为暂态稳定控制时间常数，ki为暂态稳定控制系数。
如图3所示，有功功率参考值生成模块的控制方法如下：前级变换器输出功率的设定值P1ref作为选通开关S1位置1的输入，选通开关S1位置2的输入为0.2P1ref；故障标志位Flag作为选通开关S1的控制信号，当选通开关S1的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S1的控制信号为1时，其输出为位置2，选通开关S1的初始位置处在位置1；选通开关S1的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为前级变换器有功功率的参考值Peref。
如图4所示，无功功率参考值生成模块的控制方法如下：网侧变换器输出无功功率的设定值Q1ref作为选通开关S2位置1的输入，选通开关S2位置2的输入为
Figure BDA0003632152920000052
其中UC为滤波电容电压幅值，Ilmt为网侧变换器输出电流的限幅值，Peref为前级变换器的有功功率参考值；故障标志位Flag作为选通开关S2的控制信号，当选通开关S2的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S2的控制信号为2时，其输出为位置2，选通开关S2的初始位置处在位置1；选通开关S2的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为网侧变换器的无功功率参考值Qgref。
高通滤波时间常数Tg、高通滤波器增益kg满足如下关系：
0＜Tg≤0.25 (2)
Figure BDA0003632152920000053
其中，PgN为网侧变换器输出有功功率的额定值。
暂态稳定控制时间常数Te、暂态稳定控制系数ki满足如下关系：
0＜Te≤0.5 (4)
Figure BDA0003632152920000054
其中，IdcN为直流侧电容电流的额定值。
时间常数Ts满足如下关系：
0＜Ts≤10 (6)
其中，Ts为一阶低通滤波器的时间常数。
如图5所示，本发明一仿真实施例——电网故障时构网型储能变换器的低电压穿波形，其中电网在7s时出现故障，滤波电容电压uCabc降到0.2p.u.，故障标志位Flag在7s时由0变为1，直流侧电压udc短暂增大而后恢复，网侧变换器输出有功功率下降到0.2p.u.，输出的无功功率增大实现对电网的支撑作用；在8s时故障清除，滤波电容电压uCabc恢复到1p.u.，故障标志位Flag在8s时由1变为0，直流侧电压udc短暂下降而后恢复，网侧变换器输出有功功率恢复到1p.u.，输出的无功功率减小到0p.u.。
从图5可以看出，本发明提出的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，在故障的时候能够提高功角稳定性，避免暂态失稳，有功、无功功率参考值生成模块在电网故障时优先发出无功功率，实现无功功率支撑功能。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，分别对前级变换器及网侧变换器进行控制；所述网侧变换器采用如下控制方法：直流侧电压反馈值udc与直流侧电压参考值udcref之差进入PI调节器，PI调节器的输出经过一个增益为1/udcref的环节，其输出进入一个增益为314.159的积分环节，积分环节的输出为相位θvg；检测网侧变换器输出的三相电流i1abc、以及滤波电容电压uCabc，经过旋转坐标变换到dq坐标系下，用于旋转变换的角度为θvg；
故障检测器根据滤波电容电压幅值UC判断电网是否出现故障，滤波电容电压幅值UC进入滞环比较器后生成故障标志位Flag，当滤波电容电压幅值UC小于0.85UCN时，故障标志位Flag为1，当滤波电容电压幅值UC大于0.95UCN时，故障标志位Flag为0；UCN为滤波电容电压幅值的额定值；
无功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生无功功率参考值Qgref，无功功率参考值Qgref经过无功功率控制环生成滤波电容电压d轴分量的参考值uCdref，滤波电容电压q轴分量的参考值uCqref为0；滤波电容电压的参考值uCdref、uCqref进入交流电压控制环，其输出经过限流环节后作为电流控制环的参考值i1dref、i1qref；参考值i1dref、i1qref进入交流电流控制环，其输出进入dq/abc坐标变换，用于坐标变换的角度为相位θvg；dq/abc坐标变换的输出经过脉冲宽度调制环节后生成网侧变换器的触发脉冲sgabc；
所述前级变换器采用如下控制方法：有功功率参考值生成模块根据故障标志位Flag产生前级变换器的有功功率参考值Peref；网侧变换器输出有功功率的反馈值Pg经过高通滤波器
Figure FDA0003632152910000011
后的输出为ΔPg，其中为Tg为高通滤波时间常数，kg为高通滤波器增益；有功功率参考值Peref减去ΔPg以及前级变换器的有功功率反馈值Pe后进入PI调节器，PI调节器的输出为前级变换器输出电流的参考值ieref；直流电容电流的反馈值idc进入暂态稳定控制模块后的输出为Δie，电流参考值ieref减去Δie、以及前级变换器输出电流反馈值ie后进入PI调节器，PI调节器的输出经过调制环节后生成前级变换器的触发脉冲se。
2.根据权利要求1所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述暂态稳定控制模块的输出Δie与输入idc之间的关系如下：
Figure FDA0003632152910000012
其中，s为拉普拉斯算子，Te为暂态稳定控制时间常数，ki为暂态稳定控制系数。
3.根据权利要求1所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述有功功率参考值生成模块的控制方法如下：前级变换器输出功率的设定值P1ref作为选通开关S1位置1的输入，选通开关S1位置2的输入为0.2P1ref；故障标志位Flag作为选通开关S1的控制信号，当选通开关S1的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S1的控制信号为1时，其输出为位置2，选通开关S1的初始位置处在位置1；选通开关S1的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为前级变换器有功功率的参考值Peref。
4.根据权利要求1所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述无功功率参考值生成模块的控制方法如下：网侧变换器输出无功功率的设定值Q1ref作为选通开关S2位置1的输入，选通开关S2位置2的输入为
Figure FDA0003632152910000021
其中UC为滤波电容电压幅值，Ilmt为网侧变换器输出电流的限幅值，Peref为前级变换器的有功功率参考值；故障标志位Flag作为选通开关S2的控制信号，当选通开关S2的控制信号为0时，其输出为位置1，当选通开关S2的控制信号为2时，其输出为位置2，选通开关S2的初始位置处在位置1；选通开关S2的输出经过一个时间常数Ts的一阶低通滤波器后为网侧变换器的无功功率参考值Qgref。
5.根据权利要求1所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述高通滤波时间常数Tg、高通滤波器增益kg满足如下关系：
0＜Tg≤0.25 (2)
Figure FDA0003632152910000022
其中，PgN为网侧变换器输出有功功率的额定值。
6.根据权利要求1所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述暂态稳定控制时间常数Te、暂态稳定控制系数ki满足如下关系：
0＜Te≤0.5 (4)
Figure FDA0003632152910000023
其中，IdcN为直流侧电容电流的额定值。
7.根据权利要求3或4所述的一种构网型储能变换器的低电压故障穿越控制方法，其特征在于，所述时间常数Ts满足如下关系：
0＜Ts≤10 (6)
其中，Ts为一阶低通滤波器的时间常数。
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