CN115102149A - 一种构网型变流器过电流抑制系统及方法 - Google Patents

一种构网型变流器过电流抑制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种构网型变流器过电流抑制系统及方法，属于变流器控制领域，在构网型变流器控制系统的无功控制环中添加无功附加电流环，在新能源机组并网发生故障期间，追踪无功电流；在构网型变流器的有功控制环中添加有功附加电流环，在新能源机组并网发生故障期间，追踪有功电流；迅速抑制构网型变流器的过电流，使得构网型变流器的电流迅速限制在变流器电流承载范围内，并保证了故障期间变流器的电压源特性。

Description

一种构网型变流器过电流抑制系统及方法
技术领域
本发明涉及变流器控制领域，特别是涉及一种构网型变流器过电流抑制系统及方法。
背景技术
近年来，在双碳发展背景下，风电、光伏等可再生能源通过电力电子器件并网的渗透率不断提高，这有助于改变以同步电机为主的电网经典运行模式。与最多可承受超过其额定电流7倍的同步发电机相比，变流器只能承受20％～50％的过电流，因此如何抑制故障期间的过电流成为新能源机组正常运行的一大关键。
构网型变流器由于可以主动控制新能源机组频率和电压输出引起广泛关注，目前针对短路期间过电流的抑制策略主要分为三种，第一种是故障期间切换至电流源模式，直接控制电流。在此控制下，变流器对外表现为电流源特性，但无法对电压进行有效控制，因此会造成故障期间以及故障恢复阶段的电压稳定问题。
第二种是基于虚拟阻抗的限流策略，根据电流实际值与设定值间差值，相应改变参考电压，即等效为回路中加入阻抗。该方法的一大问题是电流控制精度，虚拟阻抗由电压跌落情况及系统回路参数计算得到，系统回路参数的准确与否决定了电流控制的准确程度，且实际运行中系统回路参数难以获得。虚拟阻抗存在的另一大问题是由于电感电流不能瞬时改变，因此虚拟电抗的加入可能会导致短路电流中含有衰减的直流分量，影响电流控制效果。
第三种是改变外功率环的功率参考值，该控制方式下控制目标仍为功率，因此无法实现电流的准确控制，另一方面，由于功率参考值作用于外环，响应速度较慢，对于故障初期电流更大的直流分量无法及时抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种构网型变流器过电流抑制系统及方法，以在新能源机组并网发生故障期间，迅速抑制构网型变流器的过电流。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种构网型变流器过电流抑制系统，所述系统包括：构网型变流器控制系统、无功附加电流环和有功附加电流环；
无功附加电流环设置在构网型变流器控制系统的无功控制环中；所述无功控制环用于在新能源机组并网发生故障期间，将内部的基于PI的无功外环切换为无功附加电流环；所述无功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，以故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值为输入量，输出故障期间d轴电压参考值；
有功附加电流环设置在构网型变流器的有功控制环中；所述有功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，输入端输入故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值，输出端接入有功控制环内部的VSG控制回路；所述VSG控制回路用于将有功参考值切换为故障期间有功参考值，并根据故障期间有功参考值和有功附加电流环的输出量输出故障期间等效电压源角度；
故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过所述构网型变流器控制系统中的abc/dq变换模块、电压电流内环控制模块、dq/abc变换模块和脉冲宽度调制模块产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
可选的，所述系统还包括：低通滤波结构和第一开关；
有功附加电流环的输出端与低通滤波结构的输入端连接，低通滤波结构的输出端与第一开关的一端连接，第一开关的另一端与VSG控制回路连接；
第一开关用于在新能源机组并网发生故障期间接通，在新能源机组并网正常运行时断开；所述低通滤波结构用于抑制有功附加电流环接入初期频率的波动并消除频率静态误差。
可选的，所述低通滤波结构的通带增益为0.3，截止角频率为70.57。
可选的，所述系统还包括：切换开关；
所述切换开关的第一输入端输入正常运行时的有功参考值，所述切换开关的第二输入端输入故障期间有功参考值，所述切换开关的输出端与VSG控制回路连接；
所述切换开关用于在新能源机组并网正常运行时接通第一输入端，在新能源机组并网发生故障期间切换至第二输入端。
一种构网型变流器过电流抑制方法，所述方法应用于前述的构网型变流器过电流抑制系统，所述方法包括：
新能源机组并网发生故障期间，根据并网点电压确定故障期间dq轴电流参考值；
将故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值输入无功附加电流环，输出故障期间d轴电压参考值；
根据故障期间d轴电压参考值和故障期间d轴电流参考值，确定故障期间有功功率参考值；
将所述故障期间有功功率参考值输入有功控制环中的VSG控制回路，并将故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出故障期间等效电压源角度；
对故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过abc/dq变换、电压电流内环控制、dq/abc变换和脉冲宽度调制产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
可选的，故障期间q轴电流参考值的确定公式为：
Figure BDA0003790224980000031
式中，iqref为故障期间q轴电流参考值，ud为并网点电压幅值，Kd为无功电流增益系数，IN为额定电流；
故障期间d轴电流参考值的确定公式为：
Figure BDA0003790224980000032
式中，idref为故障期间的故障期间d轴电流参考值，id0为故障前的d轴电流参考值，Imax为变流器过电流限值。
可选的，所述故障期间d轴电压参考值的计算公式为
Figure BDA0003790224980000041
udref(s)＝udrefpu(s)E0
式中，udrefpu(s)为故障期间电压幅值标幺值，krp、kri分别为比例积分系数，iqrefpu、iqpu分别为q轴电流参考标幺值、实际标幺值，E0pu为参考电压标幺值；udref(s)为故障期间d轴电压参考值，E0为参考电压。
可选的，所述故障期间有功功率参考值的计算公式为
Figure BDA0003790224980000042
式中，Pr'ef为故障期间有功功率参考值，idref为故障期间d轴电流参考值，udref为故障期间d轴电压参考值。
可选的，将所述故障期间有功功率参考值输入有功控制环中的VSG控制回路，并将故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出故障期间等效电压源角度，具体包括：
将电压环输出的故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出角频率偏差值；
利用低通滤波结构对所述角频率偏差值进行滤波，获得滤波后的角频率偏差值；
将故障期间有功参考值和滤波后的角频率偏差值均输入VSG控制回路，输出故障期间等效电压源角度。
可选的，所述低通滤波结构的滤波参数确定过程为：
确定低通滤波结构的传递函数为
Figure BDA0003790224980000043
式中，GLF(s)为传递函数，a1为通带增益，ωLF为截止频率，s为复频率，s＝jω，ω为角频率；
当有源滤波截止频率为75Hz时，低通滤波结构在截止频率处增益幅度表示为20log10GLF(s)＝-3；
根据所述传递函数和截止频率处增益幅度，确定截止频率与通带增益的关系式为
Figure BDA0003790224980000051
预设通带增益的取值范围，并依据截止频率与通带增益的关系式，确定幅频特性曲线；
以幅值变化幅度大且相位变化幅度小为选取标准，在幅频特性曲线上选取最优的通带增益为0.3，最优的截止频率为70.57。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种构网型变流器过电流抑制系统及方法，在构网型变流器控制系统的无功控制环中添加无功附加电流环，在新能源机组并网发生故障期间，追踪无功电流；在构网型变流器的有功控制环中添加有功附加电流环，在新能源机组并网发生故障期间，追踪有功电流；迅速抑制构网型变流器的过电流，使得构网型变流器的电流迅速限制在变流器电流承载范围内，并保证了故障期间变流器的电压源特性。
本发明在有功控制环中还是设置了低通滤波结构，低通滤波结构能够抑制有功附加电流环接入初期频率的波动并消除频率静态误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的网型变流器控制系统拓扑；
图2为本发明实施例提供的无功控制环的控制框图；
图3为本发明实施例提供的有功控制环的控制框图；
图4为本发明实施例提供的VSG控制回路的控制框图；
图5为本发明实施例提供的有功附加电流环的控制框图；
图6为本发明实施例提供的低通滤波结构的示意图；
图7为本发明实施例提供的幅频特性曲线示意图；图7中的(a)为幅值与频率的关系曲线图，图7中的(b)为相位与频率的关系曲线图；
图8为本发明实施例提供的abc/dq变换的示意图；
图9为本发明实施例提供的电压电流双闭环控制框图；
图10为本发明实施例提供的调制信号生成的控制框图；
图11为本发明实施例提供的一种构网型变流器过电流抑制方法的流程图；
图12为原控制与附加电流控制的输送功率对比图；图12中的(a)为有功出力对比图，图12中的(b)为无功出力对比图；
图13为原控制与附加电流控制的输出三相电流对比图；图13中的(a)为原控制下输出三相电流图，图13中的(b)为附加电流控制的输出三相电流图；
图14为原控制与附加电流控制的输出电流dq轴分量对比图；图14中的(a)为输出电流d轴分量对比图，图14中的(b)为输出电流q轴分量对比图；
图15为原控制与附加电流控制的PCC点电压幅值对比图；
图16为更改外环功率参考值控制方式与附加电流控制方式的输送功率对比图；图16中的(a)为有功输送功率对比图，图16中的(b)为无功输送功率对比图；
图17为更改外环功率参考值控制方式与附加电流控制方式的PCC点电压幅值对比图；
图18为更改外环功率参考值控制方式的输出电流图；
图19为附加电流控制方式的输出电流图；
图20为电流限幅控制PCC点电压图；
图21为附加电流控制PCC点电压；
图22为电流限幅控制与附加电流控制的PCC点电压幅值对比图。
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。
本发明的目的是提供一种构网型变流器过电流抑制系统及方法，以在新能源机组并网发生故障期间，迅速抑制构网型变流器的过电流。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在新能源机组并网期间发生故障后，由于变流器电流承载能力有限会造成器件损坏导致机组脱网。为解决上述问题，本发明实施例提供了一种构网型变流器过电流抑制系统，包括：构网型变流器控制系统、无功附加电流环和有功附加电流环。
无功附加电流环设置在构网型变流器控制系统的无功控制环中。无功控制环用于在新能源机组并网发生故障期间，将内部的基于PI的无功外环切换为无功附加电流环。无功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，以故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值为输入量，输出故障期间d轴电压参考值。
有功附加电流环设置在构网型变流器的有功控制环中。有功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，输入端输入故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值，输出端接入有功控制环内部的VSG控制回路。VSG控制回路用于将有功参考值切换为故障期间有功参考值，并根据故障期间有功参考值和有功附加电流环的输出量输出故障期间等效电压源角度。
故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过构网型变流器控制系统中的abc/dq变换模块、电压电流内环控制模块、dq/abc变换模块和脉冲宽度调制模块产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
构网型变流器控制系统的拓扑如图1所示。构网型变流器控制系统框架主要分为两部分，分别为计算等效电压源角度θ、频率ω、和幅度udref的外功率环控制回路，以及包含所有进一步控制动作的内部电压电流控制回路，最终产生PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)所需的调制信号。构网型变流器控制回路的主电路包括直流电源、逆变电路、LCL滤波器和电网等效电路。直流电源中的Udc表示直流电压，idc表示直流电流，Cdc表示电容。逆变电路即为构网型变流器。PCC表示并网点，电网等效电路中的Zg表示交流电网等效电抗，Vg表示交流电网等效电压。ig表示LCL滤波后的电流。
参见图1，构网型变流器控制系统中每个模块的工作原理如下：
功率计算：输入量包括滤波电容两端三相电压uabc和LCL滤波后的回路电流igabc，输出量包括有功功率Pe和有功功率Qe。
有功控制环：输入量包括有功功率Pe、参考角速度ω0和有功功率参考值Pref，输出量为等效电压源角度θ。在没有设置有功附加电流环时，有功控制环采用VSG(VoltageSagGenerator，电压跌落发生器)控制，通过模拟同步发电机调速器及转子运动方程，从而获得类似同步发电机的运行特性，可为系统提供虚拟惯性和同步功率的能力，其拓扑结构如图4所示。
Figure BDA0003790224980000081
其中J表示虚拟惯量，Dp表示阻尼系数。ω0为参考角速度，ω为VSG产生的实际角速度Tem为输出转矩，可以表示为：
Figure BDA0003790224980000082
T*为虚拟调速器产生的参考转矩，可以表示为：
Figure BDA0003790224980000083
参考有功功率P*由调速器产生，可通过下式计算：
P*＝Pref-kp(ω-ω0) (4)
式中kp表示P-ω系数。
由式(1)-(4)可得：
Figure BDA0003790224980000084
式中，T0＝Pref/ω0，D＝Dp+kp/ω0，D表示等效阻尼。根据公式(5)可以计算得到等效电压源角度θ。
abc/dq变换：根据等效电压源角度，对构网型变流器出口三相电流iabc和滤波电容两端三相电压uabc分别进行abc/dq变换，获得构网型变流器出口dq轴电流分量idq和滤波电容两端dq轴电压分量udq。
无功控制环：输入量包括无功功率Qe、参考电压E0和无功功率参考值Qref，输出量为d轴电压参考值udref。
电压环：采用电压定向控制，将q轴电压参考值控为0，即uqref＝0。输入量包括d轴电压参考值udref和滤波电容两端dq轴电压分量udq，输出量包括d轴电流参考值idref和q轴电流参考值idref。
电流环：输入量包括d轴电流参考值idref、q轴电流参考值idref和构网型变流器出口dq轴电流分量idq，输出量包括d轴电压值vid和q轴电压值viq。
dq/abc变换：根据等效电压源角度θ对d轴电压值vid和q轴电压值viq进行dq/abc变换，输出三相电压、
PWM：输入量为三相电压，产生调制信号，调制信号作为驱动信号作用于构网型变流器。
本发明所提过电流抑制系统主要通过附加电流环(有功附加电流环和无功附加电流环)实现，附加电流环分为dq轴两个电流分量，分别对应于有功环和无功环。
(1)无功控制环改进
正常运行时，电压环控制目标为无功设定值，电压参考值通过基于PI的无功外环产生；故障时采用附加电流环计算电压参考值，其输入为q轴电流参考值及实际值，故障时开关Sq断开，SPIq闭合，参考电压由附加电流环给定，控制框图如图2所示。开关Sq所在一路即为基于PI的无功外环，SPIq所在一路即为无功附加电流环。
故障期间电压幅值标幺值表达式为：
Figure BDA0003790224980000101
其中krp、kri分别表示附加环PI控制器的比例积分系数，iqrefpu、iqpu分别为q轴电流参考标幺值及实际标幺值，E0pu为参考电压标幺值。
电压幅值为：
udref(s)＝udrefpu(s)E0 (7)
E0为参考电压。
(2)有功控制环节改进
VSG由于惯性和阻尼环节的存在，具有良好的抗干扰能力，可以抑制频率波动时的峰值，但会影响有功功率的跟踪速度。因此，在故障期间为提高有功的响应速度，加入一附加PI环(有功附加电流环)，通过开关SPI和SP的投切实现故障和正常运行控制间的切换，同时对故障期间有功参考值进行更改。控制框图如图3所示。
1.有功参考值更改
故障时，开关Sp(切换开关)和SPI(第一开关)接通，有功参考值切换为Pr'ef，Pr'ef可通过故障期间d轴电流参考值idref以及无功附加电流环产生的电压幅值udref计算得到，其表达式如下所示：
Figure BDA0003790224980000102
式中，idref为d轴电流参考值，udref为故障期间d轴电压参考值。
2.附加电流环设计
故障期间有功附加电流环结构如下图5所示，其输出ΔωPI1作用于阻尼项Dp，为阻尼项提供负反馈，使得ΔΤ减小，进而起到加快有功环响应速度的作用；当系统稳定时，附加PI环输入为0，即ΔΤ＝0，有功功率稳定在调速环节给定的有功参考值P*，角频率稳定在ω0。
附加PI环的投入会导致频率出现较大波动，为解决这个问题，在附加PI环后增加一低通滤波结构LF，抑制了切换初期频率的较大波动并消除频率静态误差，低通滤波结构如图6所示。
上图滤波环节传递函数为：
Figure BDA0003790224980000111
设有源滤波截止频率为75Hz，则滤波环节在截止频率处增益幅度可表示为：
20log10|GLF(s)|＝-3 (10)
将式(12)代入(13)可得：
Figure BDA0003790224980000112
取a1＝0.1～1.7，计算得到相应ωLF后幅频特性曲线如图7所示。根据幅频特性曲线分析可选取滤波参数a1＝0.3，ωLF＝70.57。
(3)abc/dq变换
有功环输出θ作用于后续电气量由abc三相静止坐标系向dq坐标系的转换。
图8中，iabc、uabc分别为变流器出口三相电流及滤波电容两端三相电压，igabc为LCL滤波后的回路电流；idq、udq分别为变流器出口dq轴电流分量及滤波电容两端dq轴电压分量，igdq为LCL滤波后的回路电流dq轴分量，此时的θ为故障期间等效电压源角度。
(4)电压电流内环控制
参见图9，本发明采用电压定向控制，将q轴电压参考值控为0，即uqref＝0，则故障期间d轴电压参考值即为电压幅值udref，故障期间由无功附加电流环获得，内环采用电压电流双内环控制，基于电感电流idq、网侧电压udq的PI控制、dq轴交叉耦合补偿和电压udq、电流igdq低通补偿，以实现电压电流参考值的无静态误差跟踪。Cf、Lf分别表示滤波电容和电感，kvp、kvi分别表示电压环PI的比例、积分系数。
(5)调制信号产生
参见图10，根据故障期间等效电压源角度θ，电压电流内环输出的vid、viq经坐标变换转换为三相静止坐标系中的vabc，vabc经PWM后产生调制信号最终作用于构网型变流器。
本发明实施例提出一种带低通滤波结构的附加PI控制并网控制器，分别对dq轴电流分量进行控制，通过分析低通滤波结构的幅频特性得到合适的滤波参数；所提策略在保证系统频率满足并网要求的前提下，将变流器电流迅速限制在允许范围内，并保证了故障期间变流器的电压源特性。
本发明实施例还提供了一种构网型变流器过电流抑制方法，该方法应用于前述的构网型变流器过电流抑制系统，如图11所示，方法包括以下步骤：
步骤S1，新能源机组并网发生故障期间，根据并网点电压确定故障期间dq轴电流参考值。
本方案采用电压定向控制，将q轴电压参考值控为0，即uqref＝0，相应的uq实际值也被控制为0，因此uq＝0，则d轴电压即为电压幅值，PCC点有功功率和无功功率可表示为：
Figure BDA0003790224980000121
故可用iq表征无功，id表征有功，即有功环主要作用于有功电流，无功环作用于无功电流。
故障期间，有功无功电流分量的设置参照风电并网的低压穿越要求。根据风电并网规程，并网电压跌落为0.2～0.9UN时，从风机输入系统的无功电流不低于1.5(0.9-Us)IN，因此低压穿越期间dq轴电流参考值由以下公式给定：
Figure BDA0003790224980000122
Figure BDA0003790224980000123
式中，id0为故障前的d轴电流参考值，Kd为无功电流增益系数，一般不小于1.5，由于本发明采用d轴电压定向，ud为并网点电压幅值，IN为额定电流，Imax为变流器过电流限值。
上述求得dq轴电流分量参考值作为有功附加电流环及无功附加电流环的输入，即控制目标。
步骤S2，将故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值输入无功附加电流环，输出故障期间d轴电压参考值。
步骤S3，根据故障期间d轴电压参考值和故障期间d轴电流参考值，确定故障期间有功功率参考值。
步骤S4，将所述故障期间有功功率参考值输入有功控制环中的VSG控制回路，并将故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出故障期间等效电压源角度。
结合图3，故障期间等效电压源角度的具体输出过程为：将电压环输出的故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出角频率偏差值。利用低通滤波结构对所述角频率偏差值进行滤波，获得滤波后的角频率偏差值。将故障期间有功参考值和滤波后的角频率偏差值均输入VSG控制回路，输出故障期间等效电压源角度。
步骤S5，对故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过abc/dq变换、电压电流内环控制、dq/abc变换和脉冲宽度调制产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
结合图1，步骤S5的具体实现过程为：
根据故障期间等效电压源角度，对构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压分别进行abc/dq变换，获得构网型变流器出口dq轴电流分量和滤波电容两端dq轴电压分量；
采用电压定向控制，将q轴电压参考值控为0，并将滤波电容两端dq轴电压分量和故障期间d轴电压参考值输入电压环，输出dq轴电流参考值；
将dq轴电流参考值和构网型变流器出口dq轴电流分量输入电流环，输出dq轴电压；
对所述dq轴电压进行dq/abc变换，获得三相电压；
将所述三相电压输入PWM，产生调制信号，并作用于构网型变流器。
本发明仿真在Matlab/Simulink环境下进行，以测试验证所提控制策略的有效性，系统参数如表1所示。为模拟电网故障，直接控制图1中的电网等效电压vg，本发明设定t＝0.3s时系统发生三相短路故障，t＝0.7s时故障切除，仿真时长为1.2s，变流器过电流限值设为1.5pu。
表1仿真系统参数
项目 数值
频率基准f<sub>0</sub>(Hz) 50
电压幅值基准E<sub>0</sub>(V) 690
直流母线电压V<sub>dc</sub>(V) 1200
变流器侧电感L<sub>cf</sub>(mH) 1.5
滤波电容C<sub>f</sub>(uF) 30
电网侧电感L<sub>g</sub>(H) 1
线路电阻R<sub>L</sub>(Ω) 0.3
线路电感L<sub>L</sub>(mH) 0.4
功率基准S<sub>n</sub>(kVA) 30
(1)原控制与附加电流控制效果对比
以电网电压跌落至0.2pu的严重故障为例，在原控制策略下，有功基准值保持不变，有功参考值由模拟调速器的下垂环节给定，通过图12中的有功出力曲线可知，由于VSG惯性和阻尼环节的存在，响应速度缓慢，因此有功输出无法快速稳定，而附加电流控制通过更改故障期间的有功基准值辅以合适的阻尼系数作用，使得有功的调节速度大大加快，在0.1s内达到稳定。
由图12中无功出力曲线可知，附加电流控制由于具有良好的动态响应，能迅速为系统提供稳定的无功功率，以维持并网点电压稳定。
图13和图14分别为原控制和所提控制下输出三相电流波形及dq轴分量对比，通过对比可知，原控制下由于响应速度缓慢，无法对故障初期的过电流进行及时抑制，在电网电压跌至0.2pu情况下，使变流器承受超过10pu的持续过电流，这将造成并网电力电子器件的损坏进而导致机组脱网；而所提控制在系统故障后迅速响应，在0.1s内将输出电流稳定在设定值。
图15为原控制和所提控制下PCC点电压幅值对比，通过对比可知，原控制下外环无功参考值已不适应于故障期间的运行，无法生成适当的参考电压，且由于外环响应的不及时，无法快速稳定电压；通过观察可知，在故障后0.1s内，附加电流控制迅速作用生成合适的参考电压，此后变流器作为电压源运行，相对于原控制而言，可为PCC点提供更高更稳定的电压支撑。
(2)更改外环功率参考值与附加电流控制效果对比
以电网电压跌落0.5pu为例，更改外环功率参考值控制方式下无功参考为0.5pu，有功参考为0，将上述更改外环功率参考值的抑流措施与本发明所提附加电流环控制进行对比，故障过程中各电气量变化如图16-19所示。
外环功率参考值更改未能充分利用变流器容量，有功参考值设置过于保守导致d轴电流分量很低，最终使得故障电流低于额定电流。而本发明所提策略可在故障后迅速作用，并于0.1s内将输出电流稳定在设定值1.5pu。
通过上述结果可知，本发明所提附加电流控制策略在动态响应方面更加优越，可迅速抑制过电流并将其稳定在设定值，为系统提供更稳定的电压支撑。
(3)电流限幅与附加电流控制效果对比
以电网电压跌落至0.2pu为例，将上述电流限幅控制与本发明所提附加电流环控制进行对比，故障过程中各电气量变化如图20-22所示。
电流限幅控制在故障期间作为电流源运行，相对于所提附加电流控制省去了外环及内电压环，电压环的缺失使得PCC点电压无法得到有效控制，因此图20电流限幅控制下的电压波形畸变严重。而在本发明所提控制下，电压波形很稳定。通过图22可看出，故障期间两种控制策略都可以提供一定的电压支撑，电流限幅控制下电压无法得到及时控制，因此电压一直处于跌落趋势，但附加电流控制下变流器作为电压源运行，可为PCC点提供更稳定的电压支撑。
综上，附加电流控制下变流器作为电压源运行，在抑制过电流的同时，还可提供更加平稳的电压支撑，更有利于故障期间机组的稳定运行以及故障切除后的电压恢复。
针对现存抑流策略存在的问题，本发明提出一种基于附加电流环的故障电流抑制策略，故障期间仍作为电压源运行，该策略关键在于如何得到故障时合适的参考电压，在迅速抑制过电流的同时，又可以提供一定的电压支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种构网型变流器过电流抑制系统，其特征在于，所述系统包括：构网型变流器控制系统、无功附加电流环和有功附加电流环；
无功附加电流环设置在构网型变流器控制系统的无功控制环中；所述无功控制环用于在新能源机组并网发生故障期间，将内部的基于PI的无功外环切换为无功附加电流环；所述无功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，以故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值为输入量，输出故障期间d轴电压参考值；
有功附加电流环设置在构网型变流器的有功控制环中；所述有功附加电流环用于在新能源机组并网发生故障期间，输入端输入故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值，输出端接入有功控制环内部的VSG控制回路；所述VSG控制回路用于将有功参考值切换为故障期间有功参考值，并根据故障期间有功参考值和有功附加电流环的输出量输出故障期间等效电压源角度；
故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过所述构网型变流器控制系统中的abc/dq变换模块、电压电流内环控制模块、dq/abc变换模块和脉冲宽度调制模块产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：低通滤波结构和第一开关；
有功附加电流环的输出端与低通滤波结构的输入端连接，低通滤波结构的输出端与第一开关的一端连接，第一开关的另一端与VSG控制回路连接；
第一开关用于在新能源机组并网发生故障期间接通，在新能源机组并网正常运行时断开；所述低通滤波结构用于抑制有功附加电流环接入初期频率的波动并消除频率静态误差。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述低通滤波结构的通带增益为0.3，截止角频率为70.57。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：切换开关；
所述切换开关的第一输入端输入正常运行时的有功参考值，所述切换开关的第二输入端输入故障期间有功参考值，所述切换开关的输出端与VSG控制回路连接；
所述切换开关用于在新能源机组并网正常运行时接通第一输入端，在新能源机组并网发生故障期间切换至第二输入端。
5.一种构网型变流器过电流抑制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4任一项所述的构网型变流器过电流抑制系统，所述方法包括：
新能源机组并网发生故障期间，根据并网点电压确定故障期间dq轴电流参考值；
将故障期间q轴电流参考值和q轴电流实际值输入无功附加电流环，输出故障期间d轴电压参考值；
根据故障期间d轴电压参考值和故障期间d轴电流参考值，确定故障期间有功功率参考值；
将所述故障期间有功功率参考值输入有功控制环中的VSG控制回路，并将故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出故障期间等效电压源角度；
对故障期间d轴电压参考值、故障期间等效电压源角度、构网型变流器出口三相电流和滤波电容两端三相电压经过abc/dq变换、电压电流内环控制、dq/abc变换和脉冲宽度调制产生调制信号，并将调制信号作用于构网型变流器，使构网型变流器的电流限制在变流器电流承载范围内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，故障期间q轴电流参考值的确定公式为：
Figure FDA0003790224970000021
式中，iqref为故障期间q轴电流参考值，ud为并网点电压幅值，Kd为无功电流增益系数，IN为额定电流；
故障期间d轴电流参考值的确定公式为：
Figure FDA0003790224970000031
式中，idref为故障期间的故障期间d轴电流参考值，id0为故障前的d轴电流参考值，Imax为变流器过电流限值。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述故障期间d轴电压参考值的计算公式为
Figure FDA0003790224970000032
udref(s)＝udrefpu(s)E0
式中，udrefpu(s)为故障期间电压幅值标幺值，krp、kri分别为比例积分系数，iqrefpu、iqpu分别为q轴电流参考标幺值、实际标幺值，E0pu为参考电压标幺值；udref(s)为故障期间d轴电压参考值，E0为参考电压。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述故障期间有功功率参考值的计算公式为
Figure FDA0003790224970000033
式中，P′ref为故障期间有功功率参考值，idref为故障期间d轴电流参考值，udref为故障期间d轴电压参考值。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述故障期间有功功率参考值输入有功控制环中的VSG控制回路，并将故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出故障期间等效电压源角度，具体包括：
将电压环输出的故障期间d轴电流参考值和d轴电流实际值输入有功控制环中的有功附加电流环，输出角频率偏差值；
利用低通滤波结构对所述角频率偏差值进行滤波，获得滤波后的角频率偏差值；
将故障期间有功参考值和滤波后的角频率偏差值均输入VSG控制回路，输出故障期间等效电压源角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述低通滤波结构的滤波参数确定过程为：
确定低通滤波结构的传递函数为
Figure FDA0003790224970000041
式中，GLF(s)为传递函数，a1为通带增益，ωLF为截止频率，s为复频率，s＝jω，ω为角频率；
当有源滤波截止频率为75Hz时，低通滤波结构在截止频率处增益幅度表示为20log10|GLF(s)|＝-3；
根据所述传递函数和截止频率处增益幅度，确定截止频率与通带增益的关系式为
Figure FDA0003790224970000042
预设通带增益的取值范围，并依据截止频率与通带增益的关系式，确定幅频特性曲线；
以幅值变化幅度大且相位变化幅度小为选取标准，在幅频特性曲线上选取最优的通带增益为0.3，最优的截止频率为70.57。
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