CN115378029A - 一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法 - Google Patents

一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法 Download PDF

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CN115378029A CN202210980568.9A CN202210980568A CN115378029A CN 115378029 A CN115378029 A CN 115378029A CN 202210980568 A CN202210980568 A CN 202210980568A CN 115378029 A CN115378029 A CN 115378029A
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，包括：采集电网侧电压电流向量；利用SOGI法对电压电流向量进行正负序分离，得到对应的电压电流正负序分量；将其输入到改进的虚拟同步机控制系统中执行虚拟同步机参考指令计算，得到虚拟同步机的有功和无功电流参考值；在不同故障条件下，进行场景区分，得到相对性的最优有功无功电流参考值；将相对性的最优有功无功电流参考值输入到电流内环控制中，经SVPWM调制控制三相桥式逆变器输出。当电网发生不对称电压跌落，控制策略能保持VSG阻尼与惯性特性，有效支撑电网正序电压，提高系统稳定性，通过电压支撑电流限幅方法，保证改进控制策略对电网主动支撑，保证逆变器安全运行。

Description

一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法
技术领域
本发明涉及电力系统微电网控制的技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法。
背景技术
随着能源稀缺与全球变暖问题的日益严重，低碳发展逐渐成为世界各国的发展战略。以光伏、风机为代表的新能源发电将逐渐取代传统火力发电，给电力系统的稳定运行带来挑战。传统的同步发电机由于转子的存在，可以储存能量为电网提供惯性和阻尼。而分布式发电单元大多都是通过逆变器并网的，此类逆变型新能源发电单元(inverter-interfacedrenewablegeneration,IIRG)大多不具备同步发电机的惯性和阻尼，导致电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少，此时电力系统容易受到功率波动和故障的影响造成系统失稳。因此，有学者提出了虚拟同步机控制策略，可以模拟同步发电机为系统提供转动惯量、下垂特性以及阻尼特性。
然而，实际配电网运行环境复杂，经常出现电压跌落、三相不平衡等故障，故障下VSG控制策略输出电能质量明显降低，严重时可能会造成IIRG切机甚至连锁切机等事故，危害电网的运行稳定性。现有研究大部分只研究了对称故障下改进VSG控制策略，而对于不对成故障下的改进方法研究较少。因此，研究不对称故障下改进VSG控制策略，提升VSG低压穿越能力，从而保证故障下IIRG的安全运行具有实际意义。
为了提高电力系统的运行稳定性，新能源发电单元使用VSG控制以模拟传统同步发电机的输出特性，为系统提供惯性和阻尼，主动参与到系统的电压、频率调节中，提高系统的稳定性。但是当电网发生故障时，传统的VSG控制将会失效，失去对电网的主动支撑效果，甚至可能造成电流电压越限，危害逆变器的安全运行。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：采集电网侧电压电流向量；
利用SOGI法对所述电压电流向量进行正负序分离，得到对应的电压电流正负序分量；
将所述电压电流正负序分量输入到改进的虚拟同步机控制系统中执行虚拟同步机参考指令计算，得到所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值；
在不同故障条件下，所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值根据电压支撑、电流限幅控制目标进行场景区分，得到相对性的最优有功无功电流参考值；以及，
将所述相对性的最优有功无功电流参考值输入到电流内环控制中，经SVPWM调制从而控制三相桥式逆变器进行输出。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：采用电压和电流互感器对电网侧所述电压电流向量进行采集。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：改进所述虚拟同步机包括：
正序电流环，所述正序电流环采用传统虚拟同步机电流环结构，在电压跌落下维持虚拟同步机特性对电网正序电压进行主动支撑，同时为系统提供惯性和阻尼，减少对系统的冲击；
为保证电压支撑后各相电压都处于安全范围，取幅值最大相的电压幅值Vmax代替相电压幅值V进行无功功率控制。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述VSG参考电流如下：
Figure BDA0003800241320000021
其中，Pset和Qset分别初始有功和无功出力，Vn和Vmax分别为额定相电压幅值和输出最大的相电压幅值，Dq为电压下垂系数，K为无功功率控制回路的惯性系数，s表示微分环节，
Figure BDA0003800241320000031
分别表示输出电压的d/q轴正序分量，Id_vsg、Iq_vsg分别表示虚拟同步机输出电流的d/q轴分量。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述电压支撑、电流限幅的约束条件包括：
当电压不对称时，PCC母线三相电压幅度值可表示为：
Figure BDA0003800241320000032
其中，Va,Vb,Vc分别为a，b，c三相的电压幅值，V+,V-分别表示为正负序的电压幅值，且
Figure BDA0003800241320000033
分别表示为正负序d轴的相角。
当发生不对称电压跌落时，为保证电压支撑后三相电压均不越限，则建立第一约束；
为了逆变器安全运行，故障下应满足三相电流幅值都小于等于最大允许电流Ilim，建立第二约束。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述第一约束为：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)≤Vupper
其中，Vmax表示幅值最大相的电压幅值，Vupper表示相电压幅值约束上限，Va,Vb,Vc分别表示三相电压幅值。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述第二约束为：
max(Ia,Ib,Ic)≤Ilim
其中，Ia、Ib、Ic分别表示三相电流的幅值，Ilim表示最大允许电流。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述场景区分包括：
为在逆变器安全运行前提下充分发挥虚拟同步机特性主动支撑电网电压，确定无功电流参考值；
为维持原有功出力，充分利用逆变器容量，根据情况人为注入有功功率，同时电流不限流，确定有功电流参考值。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：所述无功电流参考值为：
Figure BDA0003800241320000041
其中，
Figure BDA0003800241320000042
表示为电流在正序q轴上的分量，Iq_vsg表示虚拟同步机的输出电流的q轴分量，Ilim表示最大允许电流。
作为本发明所述基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的一种优选方案，其中：由于电流不限流，使Iabc＝Ilim，所述有功电流参考值为：
Figure BDA0003800241320000043
其中，
Figure BDA0003800241320000044
表示为电流在正序q轴上的分量，
Figure BDA0003800241320000045
表示为电流在正序d轴上的分量，Id_vsg表示虚拟同步机的输出电流的d轴分量，Ilim表示最大允许电流。
本发明的有益效果：在电网发生不对称电压跌落时，控制策略仍能保持VSG阻尼与惯性特性，有效支撑电网正序电压，提高系统稳定性，通过电压支撑、电流限幅方法，可以保证改进控制策略对电网主动支撑的同时，电压、电流均不越限，保证逆变器的安全运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图。其中：
图1为本发明基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的流程图。
图2为改进的VSG控制拓扑图。
图3为逆变型新能源发电单元拓扑结构图。
图4为在相同故障场景下，改进VSG控制输出特性图。
图5为在相同故障场景下，传统VSG控制输出特性。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～图3，一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法包括：
S1：采集电网侧电压电流向量。需要说明的是：
采用电压和电流互感器对电网侧所述电压电流向量进行采集。
S2：利用SOGI法对所述电压电流向量进行正负序分离，得到对应的电压电流正负序分量。
S3：将所述电压电流正负序分量输入到改进的虚拟同步机控制系统中计算，得到所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值。需要说明的是：
虚拟同步机简称为VSG。
当电网发生不对称电压跌落时，电流中将出现负序分量，从而导致三相不平衡；为实现三相电流恢复平衡，将经典电流矢量控制中的平衡电流控制引入对VSG控制进行了改进，与经典VSG控制对比，改进控制在原电流环的基础上，增加了负序电流环，通过对正负序参考指令的调节即可实现对电网正负序分量的精准控制。
改进的VSG控制拓扑如图2所示，其中正序电流环采用传统VSG电流环结构，以在电压跌落下维持VSG特性对电网正序电压进行主动支撑同时为系统提供惯性和阻尼，减少扰动对系统的冲击。由于电压为不对称跌落，三相电压幅值不相等，为了尽量保证电压支撑后各相电压都在安全范围内，取幅值最大相的电压幅值Vmax代替相电压幅值V进行无功功率控制。
此时VSG参考电流可表示为：
Figure BDA0003800241320000061
其中，Pset和Qset分别初始有功和无功出力，Vn和Vmax分别为额定相电压幅值和输出最大的相电压幅值，Dq为电压下垂系数，K为无功功率控制回路的惯性系数，s表示微分环节，
Figure BDA0003800241320000062
分别表示输出电压的d/q轴正序分量，Id_vsg、Iq_vsg分别表示虚拟同步机输出电流的d/q轴分量。
S4：在不同故障条件下，所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值根据电压支撑、电流限幅控制目标进行场景区分，得到相对性的最优有功无功电流参考值。需要说明的是：
电压支撑包括：
对VSG参数设计加入了新的约束即保证任何电压跌落下支撑后相电压幅值均不越限。
故障下逆变器的电压支撑主要体现在对电网正序电压的主动支撑上，故只需针对正序电压进行分析。
电网电压不对称时，逆变器并网点(PCC)电压和电流在dq坐标系下可表示为：
Figure BDA0003800241320000063
其中，v+和v-表示逆变器并网点的正序和负序电压，V+和V-表示正序和负序电压对应的幅值，
Figure BDA0003800241320000064
和
Figure BDA0003800241320000065
分别为正负序电压的初相角；此时，逆变器输出电流在dq坐标系下可以表示为：
Figure BDA0003800241320000071
其中，i+和i-表示电流的正负序分量，
Figure BDA0003800241320000072
和
Figure BDA0003800241320000073
分别表示正负序电流的d轴和q轴分量。
根据图(3)电网的网络拓扑，在不对称电压跌落时，电压正负序分量可表示为：
Figure BDA0003800241320000074
Figure BDA0003800241320000075
其中，
Figure BDA0003800241320000076
和
Figure BDA0003800241320000077
表示电网电压的正负序分量，v+和v-表示pcc端电压的正负序分量，Lg为线路等效电感，i+和i-表示电网电流的正负序分量；将式(2)和式(3)代入式(4)，得到以幅值表示的正序电压支撑方程：
Figure BDA0003800241320000078
其中，
Figure BDA0003800241320000079
表示电网正序电压的幅值，V+表示pcc端正序电压的幅值，Lg为线路等效电感，
Figure BDA00038002413200000710
和
Figure BDA00038002413200000714
表示电网电流在正负序dq轴上的分量，式(6)为下文分析电压支撑效果的基础。
电压不对称时，PCC母线三相电压幅值可表示为：
Figure BDA00038002413200000711
其中，Va,Vb,Vc分别为a，b，c三相的电压幅值，V+,V-分别表示为正负序的电压幅值；其中，
Figure BDA00038002413200000712
Figure BDA00038002413200000713
分别表示为正负序d轴的相角。
在发生不对称电压跌落时，为保证电压支撑后三相电压均不越限，建立如下约束：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)≤Vupper (8)
其中，Vmax表示幅值最大相的电压幅值，Vupper表示相电压幅值约束上限。联立式(12)和式(13)，幅值最大相的电压可表示为：
Figure BDA0003800241320000081
其中：
Figure BDA0003800241320000082
式(8)建立了幅值最大相的电压幅值Vmax和正序电压幅值V+之间的关系，当Vmax被提升到Vupper时，逆变器在相电压幅值不越限的同时实现了对正序电压的最大化支撑；令Vmax＝Vupper，由式(8)可推出最大化电压支撑下对应的正序参考电压：
Figure BDA0003800241320000083
将式(10)与式(15)联立，可以得出最大化电压支撑下对应的无功参考电流：
Figure BDA0003800241320000084
Figure BDA0003800241320000085
表示电网正序电压的幅值，
Figure BDA0003800241320000086
表示pcc端正序电压的幅值的参考值，Xg为线路等效电抗，
Figure BDA0003800241320000087
表示电网电流在正序在d轴上的分量。
由此推导出注入无功电流大小和电压支撑效果的关系，即注入无功电流的大小和电压支撑能力强弱成正比。
当注入
Figure BDA0003800241320000088
时，幅值最大相的电压幅值可以达到相电压上限约束，正序电压得到最大化支撑。
当注入无功电流超过
Figure BDA0003800241320000089
时，输出相电压幅值将越限，危害逆变器安全运行。
当电压跌落时，电流型VSG的功率增量是由其无功指令电流控制发出的，因此，在设计VSG无功环参数Dq以及无功功率控制回路的惯性系数K时，需要增加安全电压支撑的约束，保证任意电压跌落时，Iq_vsg小于
Figure BDA00038002413200000810
此时VSG在进行自主电压支撑时电压幅值即可均不越限。
电流限幅包括：
为保证控制策略在逆变器安全运行的前提下，尽可能主动支撑电网，本文控制策略需要维持VSG特性，并保证电流不越限。
根据式(2)，逆变器输出各相电流可以表示为：
Figure BDA0003800241320000091
其中：
Figure BDA0003800241320000092
其中，Iabc分别表示三相电流的幅值Ia、Ib、Ic。
Figure BDA0003800241320000093
和
Figure BDA0003800241320000094
分别表示正负序电流的d轴和q轴分量。
为了逆变器安全运行考虑，故障下应满足三相电流幅值都小于等于最大允许电流Ilim，建立如下约束：
max(Ia,Ib,Ic)≤Ilim (14)
场景区分包括：
当电压跌落时，电流型VSG的功率增量是由其无功指令电流控制发出的，因此，在设计VSG无功环参数Dq以及K时，需要增加安全电压支撑的约束，保证任意电压跌落时，Iq_vsg小于
Figure BDA0003800241320000095
此时VSG在进行主动电压支撑时相电压幅值即可均不越限。
由于需要实现输出电流三相平衡的目标，负序参考电流需要置零，即：
Figure BDA0003800241320000096
Figure BDA0003800241320000097
将式(15)和(16)代入式(12)，此时相电流幅值三相相等，可表示为：
Figure BDA0003800241320000098
为在逆变器安全运行前提下充分发挥VSG特性主动支撑电网电压，无功电流参考值整定为：
Figure BDA0003800241320000099
此时，为了维持原有功出力，充分利用逆变器容量注入一定的有功功率，同时电流不越限，将式(18)代入式(17),并令Iabc＝Ilim，得到有功参考电流整定值：
Figure BDA0003800241320000101
S5：将所述有功无功电流参考值输入到电流内环控制中，经SVPWM调制从而控制三相桥式逆变器进行输出。
实施例2
本实施例为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
传统的技术方案会导致电流发生越限，为验证本方法相对传统方法具有较高稳定性与安全性，本实施例中将采用传统虚拟同步机和本方法分别对相同故障场景进行实时测量对比。
测试环境：在t＝0.1s时，交流侧发生对称故障，网侧母线发生对称电压跌落
Figure BDA0003800241320000102
VSG有功出力设定值Pset设定为1p.u.。
采用传统方法和本方法的逆变器输出电流作为测试样本，开启自动化测试设备并运用SIMULINK实现本方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据；本文改进VSG控制根据逆变器容量重新计算有功功率参考值，实现了电流限幅的目标如图4所示，传统VSG控制可以实现对电网的主动电压支撑,由于没有限流措施，其在故障下保持原有功出力，输出电流越限，如图5所示达到了1.35p.u。
对比结果如图4和图5所示。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：包括，
采集电网侧电压电流向量；
利用SOGI法对所述电压电流向量进行正负序分离，得到对应的电压电流正负序分量；
将所述电压电流正负序分量输入到改进的虚拟同步机控制系统中执行虚拟同步机参考指令计算，得到所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值；
在不同故障条件下，所述虚拟同步机的有功和无功电流参考值根据电压支撑、电流限幅控制目标进行场景区分，得到相对性的最优有功无功电流参考值；以及，
将所述相对性的最优有功无功电流参考值输入到电流内环控制中，经SVPWM调制从而控制三相桥式逆变器进行输出。
2.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：采用电压和电流互感器对电网侧所述电压电流向量进行采集。
3.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：改进所述虚拟同步机包括：
正序电流环，所述正序电流环采用传统虚拟同步机电流环结构，在电压跌落下维持虚拟同步机特性对电网正序电压进行主动支撑，同时为系统提供惯性和阻尼，减少对系统的冲击；
为保证电压支撑后各相电压都处于安全范围，取幅值最大相的电压幅值Vmax代替相电压幅值V进行无功功率控制。
4.如权利要求3所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述VSG参考电流如下：
Figure FDA0003800241310000011
其中，Pset和Qset分别初始有功和无功出力，Vn和Vmax分别为额定相电压幅值和输出最大的相电压幅值，Dq为电压下垂系数，K为无功功率控制回路的惯性系数，s表示微分环节，
Figure FDA0003800241310000012
分别表示输出电压的d/q轴正序分量，Id_vsg、Iq_vsg分别表示虚拟同步机输出电流的d/q轴分量。
5.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述电压支撑、电流限幅的约束条件包括：
当电压不对称时，PCC母线三相电压幅度值可表示为：
Figure FDA0003800241310000021
其中，Va,Vb,Vc分别为a，b，c三相的电压幅值，V+,V-分别表示为正负序的电压幅值，且
Figure FDA0003800241310000022
Figure FDA0003800241310000023
分别表示为正负序d轴的相角。
当发生不对称电压跌落时，为保证电压支撑后三相电压均不越限，则建立第一约束；
为了逆变器安全运行，故障下应满足三相电流幅值都小于等于最大允许电流Ilim，建立第二约束。
6.如权利要求5所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述第一约束为：
Vmax＝max(Va,Vb,Vc)≤Vupper
其中，Vmax表示幅值最大相的电压幅值，Vupper表示相电压幅值约束上限，Va,Vb,Vc分别表示三相电压幅值。
7.如权利要求5所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述第二约束为：
max(Ia,Ib,Ic)≤Ilim
其中，Ia、Ib、Ic分别表示三相电流的幅值，Ilim表示最大允许电流。
8.如权利要求1所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述场景区分包括：
为在逆变器安全运行前提下充分发挥虚拟同步机特性主动支撑电网电压，确定无功电流参考值；
为维持原有功出力，充分利用逆变器容量，根据情况人为注入有功功率，同时电流不限流，确定有功电流参考值。
9.如权利要求8所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：所述无功电流参考值为：
Figure FDA0003800241310000031
其中，
Figure FDA0003800241310000032
表示为电流在正序q轴上的分量，Iq_vsg表示虚拟同步机的输出电流的q轴分量，Ilim表示最大允许电流。
10.如权利要求8或9所述的基于虚拟同步机的故障下新能源主动支撑方法，其特征在于：由于电流不限流，使Iabc＝Ilim，所述有功电流参考值为：
Figure FDA0003800241310000033
其中，
Figure FDA0003800241310000034
表示为电流在正序q轴上的分量，
Figure FDA0003800241310000035
表示为电流在正序d轴上的分量，Id_vsg表示虚拟同步机的输出电流的d轴分量，Ilim表示最大允许电流。
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