CN115378036A - 考虑vsg电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置 - Google Patents

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CN115378036A CN202211122615.2A CN202211122615A CN115378036A CN 115378036 A CN115378036 A CN 115378036A CN 202211122615 A CN202211122615 A CN 202211122615A CN 115378036 A CN115378036 A CN 115378036A
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Abstract

本发明公开了属于电网控制领域的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置。建立的VSG控制模型包括：有功功率控制模型、无功功率控制模型、虚拟阻抗控制模型以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型；根据VSG故障后并网点电压，将VSG的运行区域划分为紧急区域和非紧急区域；当运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将VSG相位角维持在原始值，电流限制在所能承受的最大值处；当运行点位于所述非紧急区域时，采用能确保VSG暂态稳定且输出电流不越限的最大有功功率参考值。本发明所述方法，能够同时解决VSG的暂态稳定和过流问题，提升故障期间变流器有功功率输出和可再生能源的消纳能力。

Description

考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置
技术领域
本发明属于电网控制技术领域，具体为考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置。
背景技术
伴随可再生能源的快速发展，电力电子变流器作为可再生能源最典型的并网接口，在电力系统中得到广泛的应用。现有的并网变流器控制策略，不能为电力系统提供惯性和阻尼，支持电压或频率，给可再生能源高渗透的电网稳定性带来严重挑战。为解决此问题，提出虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)的概念，通过模拟调速器和转子摆动方程，使变流器具有与传统同步发电机相同的外部特性，具有广泛的应用前景。但是，虚拟同步机虽然具备类似同步发电机运行特性的优点，在遭受大信号干扰后存在暂态稳定问题。如严重的电网电压下降、输电线路故障或线路跳闸。相比于同步发电机，变流器的过流能力差，当系统发生大扰动时，变流器会面对过电流问题，变流器电流限制控制会引发暂态稳定问题。因此当电网故障时，现有技术无法同时解决虚拟同步机的暂态稳定和过流问题。
发明内容
本发明的目的是提供了考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置，其特征在于，控制的步骤包括：
S1：建立VSG控制模型，所述模型包括：有功功率控制模型、无功功率控制模型、虚拟阻抗控制模型以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型；
S2：应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型划分VSG的运行区域，根据VSG故障后并网点电压，将VSG的运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，若处于紧急区域跳转到S3，若处于非紧急区域跳转到S4；
S3：当VSG运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将VSG相位角维持在原始值，电流限制在VSG所能承受的最大值处；
S4：当VSG运行点位于非紧急区域时，采用能确保VSG暂态稳定，且输出电流不越限的最大有功功率参考值。
所述S2进一步包括：
S21：根据VSG故障后并网点电压与预设置的临界值进行比较，划分VSG的运行区域；
S22：若VSG故障后并网点电压小于等于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为紧急区域；
S23：若VSG故障后并网点电压大于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为非紧急区域。
所述有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型为：
Uc＝E-ImaxZline
式中：Uc为VSG并网点电压临界值；E为VSG内电势幅值指令；Imax为VSG所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗。
所述S3进一步包括：
所述投入虚拟阻抗控制的虚拟阻抗值为：
Figure BDA0003847775620000021
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗；
所述VSG相位角为：
Figure BDA0003847775620000022
式中：E为VSG内电势幅值指令，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述有功功率参考值为：
Figure BDA0003847775620000023
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Zline为线路阻抗。
所述S4进一步包括：
所述有功功率参考值为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
所述维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000024
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000031
Figure BDA0003847775620000032
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
所述S1进一步包括：
所述有功功率控制模型为：
Figure BDA0003847775620000033
式中，J为虚拟同步机的惯量系数；D为虚拟同步机的阻尼系数；ωn为电网的额定角速度，ω为虚拟同步机的虚拟转速，Pe为虚拟同步发电机输出的电磁功率，Kω为虚拟同步机一次调频系数；
所述无功功率控制模型为：
E＝UN
式中，UN为系统额定电压幅值；E为虚拟同步机内电势指令；
所述虚拟阻抗控制模型为：
Figure BDA0003847775620000034
式中，Id为虚拟同步机有功电流值，Iq为虚拟同步机无功电流值；Rv为虚拟同步机虚拟电阻，Xv为虚拟同步机虚拟电抗，Zv为虚拟同步机虚拟阻抗,Udref为电压环d轴电压参考值，Uqref为电压环q轴电压参考值；
所述有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型为：
当VSG并网点电压小于等于临界值Uc时，有功功率参考值Pf1_ref为：
Figure BDA0003847775620000041
Figure BDA0003847775620000042
Figure BDA0003847775620000043
式中：
E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
当VSG并网点电压大于临界值Uc时，有功功率参考值Pf2_ref为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000044
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000045
Figure BDA0003847775620000051
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
一种本发明所述考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法使用的控制装置，其特征在于，包括：并网点电压获取单元和VSG控制装置，所述VSG控制装置包括：VSG运行区域划分模块、有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块、控制环路、虚拟阻抗控制电路，所述控制环路包括：有功功率控制环路、无功功率控制环路，所述并网点电压获取单元与VSG控制模型的VSG运行区域划分模块相连，VSG运行区域划分模块与有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块相连，有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块分别与控制环路以及虚拟阻抗控制电路相连，控制环路与虚拟阻抗控制电路相连。
本发明的有益效果在于：
本发明的有益效果是本发明所述考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置，能够同时解决VSG的暂态稳定和过流问题，能够根据VSG故障后的并网点电压将VSG运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，当系统出现大扰动时，所述紧急控制方法能够根据虚拟同步机故障后的运行点位于的区域，选择对应的控制方式来保障虚拟同步机的安全稳定。当虚拟同步机运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将其相位角维持在原始值，电流限制在其所能承受的最大值处，精确保证VSG在故障状态下的暂态稳定和电流限制，当虚拟同步机运行点位于非紧急区域时，不投入虚拟阻抗控制，仅采用改变有功功率参考值的控制方式，将其有功功率参考值设定为保证虚拟同步机暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，能够提升故障期间变流器有功功率输出和可再生能源的消纳能力。
附图说明
图1为本发明提供的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法的流程图；
图2为本发明提供的VSG控制模型结构示意图；
图3为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图4为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图5为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图6为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图7为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图8为本发明实施例提供的在仿真算例1中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图9为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图10为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图11为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图12为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图13为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图14为本发明实施例提供的在仿真算例2中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图15为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图16为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图17为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图18为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图19为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时有功功率参考值为1.03；
图20为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时有功功率参考值为1.03；
图21为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图22为本发明实施例提供的在仿真算例3中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图23为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图24为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时不采用任何控制；
图25为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图26为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用自适应有功功率控制；
图27为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器有功无功功率波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图28为本发明实施例提供的在仿真算例4中变流器电流波形示意图，其中VSG在故障时采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法；
图29为本发明实施例提供的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法使用的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法及装置，以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例公开考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，具体实现步骤如下：
S1：建立VSG控制模型，所述模型包括：有功功率控制模型、无功功率控制模型、虚拟阻抗控制模型以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型；
在本实施例中，建立VSG控制模型的结构如图2所示，包括有功功率控制模型20、无功功率控制模型30、虚拟阻抗控制模型40以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10。当电网发生故障后，根据虚拟阻抗控制和有功功率参考值的改变来保证VSG不会出现过电流和暂态稳定性问题。
根据传统同步发电机的转子运动方程和一次调频特性，构建VSG控制模型的有功功率控制模型20为：
Figure BDA0003847775620000081
式中，J为虚拟同步机的惯量系数；D为虚拟同步机的阻尼系数；ωn为电网的额定角速度，ω为虚拟同步机的虚拟转速，Pe为虚拟同步发电机输出的电磁功率，Kω为虚拟同步机一次调频系数。
并且，将如图2所示有功功率控制模型20，应用于如图29所示的，VSG的有功功率控制环路2031中。
如图2所示，VSG控制模型的无功功率控制模型30为：
E＝UN
式中，UN为系统额定电压幅值；E为虚拟同步机内电势指令。
并且，将如图2所示无功功率控制模型30，应用于如图29所示的，VSG的无功功率控制环路2032中。
如图2所示，VSG控制模型的虚拟阻抗控制模型40为：
Figure BDA0003847775620000082
式中，Id为虚拟同步机有功电流值，Iq为虚拟同步机无功电流值；Rv为虚拟同步机虚拟电阻，Xv为虚拟同步机虚拟电抗，Zv为虚拟同步机虚拟阻抗,Udref为电压环d轴电压参考值，Uqref为电压环q轴电压参考值。
并且，将如图2所示虚拟阻抗控制模型40，应用于如图29所示的虚拟阻抗控制电路204中。
将虚拟阻抗控制电路输出值作为电压外环的指令值，电压误差信号经过PI控制得到的电流指令信号作为电流内环的指令值，电流内环输出的变流器电压参考值经过SPWM调制算法生成全控型开关器件开关信号。
如图2所示，VSG控制模型的有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10为：
定义VSG并网点电压临界值Uc为：
Uc＝E-ImaxZline
式中，E为虚拟同步机内电势幅值；Imax为虚拟同步机所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗。
当VSG并网点电压小于等于临界值Uc时，有功功率参考值Pf1_ref为：
Figure BDA0003847775620000091
Figure BDA0003847775620000092
Figure BDA0003847775620000093
式中，
E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，式中，
Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压。
当VSG并网点电压大于临界值Uc时，有功功率参考值Pf2_ref为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000094
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000095
Figure BDA0003847775620000101
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
并且，将如图2所示有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10，应用于如图29所示的VSG运行区域划分模块201以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块202中。
本实施公开的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，通过建立VSG控制模型，具体包括：有功功率控制模型、无功功率控制模型、虚拟阻抗控制模型以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型，实现同时解决电网故障期间虚拟同步机暂态稳定问题和过电流问题，并提升电网故障期间变流器有功功率输出和可再生能源的消纳能力。
S2：应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型划分VSG的运行区域，根据VSG故障后并网点电压，将VSG的运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，若处于紧急区域跳转到S3，若处于非紧急区域跳转到S4；
S21：根据VSG故障后并网点电压与预设置的临界值进行比较，划分VSG的运行区域；
S22：若VSG故障后并网点电压小于等于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为紧急区域；
S23：若VSG故障后并网点电压大于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为非紧急区域。
在本实施例中，应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型定义的临界值Uc划分VSG的运行区域，Uc具体定义为：
Uc＝E-ImaxZline
式中，E为虚拟同步机内电势幅值；Imax为虚拟同步机所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗。
若VSG故障后并网点电压小于等于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为紧急区域；若VSG故障后并网点电压大于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为非紧急区域。
考虑到现有技术不对VSG的运行区域进行区域划分，存在过电流和暂态稳定的风险，在本实施例中，提出的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法通过划分VSG运行区域，并采取相应的控制策略，能够完全解决过电流和暂态失稳的风险，同时提升VSG电压跌落期间的电力供应能力。根据VSG故障后并网点电压，将VSG的运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，仅通过检测并网点电压值进行判断，具有判断逻辑简单、稳定的优点。所述临界值Uc通过考虑变流器最大电流值来确定临界电压，能够通过此指标来判定VSG应对大干扰稳定能力，提高受控系统的安全性。
S3：当VSG运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将VSG相位角维持在原始值，电流限制在VSG所能承受的最大值处；
在本实施例中，应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型，当VSG并网点电压小于等于临界值Uc时，VSG的运行点位于紧急区域，如图2所示，VSG控制模型的有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10的开关切换到2，位于紧急区域的VSG降低其相位角无法将输出电流限制在其所能承受的最大电流，因此需要通过改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制实现精确控制VSG在故障状态下的暂态稳定和电流限制。
具体控制方法如下：
所述投入虚拟阻抗控制的虚拟阻抗值为：
Figure BDA0003847775620000111
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗；
所述VSG相位角为：
Figure BDA0003847775620000112
式中：E为VSG内电势幅值指令，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述有功功率参考值为：
Figure BDA0003847775620000113
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Zline为线路阻抗。
在本实施例中，位于紧急区域时，仅改变VSG有功功率参考值无法限制电流，因此在改变有功功率参考值的基础上，再增加虚拟阻抗控制，确保受控系统的安全性。
S4：当VSG运行点位于非紧急区域时，采用能确保VSG暂态稳定，且输出电流不越限的最大有功功率参考值。
在本实施例中，应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型，当VSG并网点电压大于临界值Uc时，VSG的运行点位于非紧急区域，如图2所示，VSG控制模型的有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10的开关切换到1，采用能够保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，具体控制方法如下：
所述有功功率参考值为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
所述维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000121
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure BDA0003847775620000122
Figure BDA0003847775620000123
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
在本实施例中，当处于非紧急区域时，仅调整有功功率参考值，能同时提升暂态稳定性和降低过电流风险，能够避免为降低过电流风险，引入虚拟阻抗导致降低暂态稳定性的问题，在保证受控系统安全性的前提下，达到简洁、稳定的控制效果。
为验证本发明公开的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法的有效性与正确性，如图2所示构建VSG控制模型，并网点额定电压为0.69KV，VSG阻尼参数为2，惯量参数为0.05，一次调频系数为1，滤波电感为3mH,滤波电感寄生电阻为0.01ohm，相关仿真模型在PSCAD/EMTDC4.6仿真平台搭建完成，AMD Ryzen 7 5700G处理器3.8GHz，16GB内存计算机上运行完成，仿真算例扰动设置为并网点电压降低，定义仿真算例如下：
仿真算例1：线路阻抗为1mH,20s时并网点电压跌落至0.06KV
仿真算例2：线路阻抗为1mH,20s时并网点电压跌落至0.11KV
仿真算例3：线路阻抗为1mH,20s时并网点电压跌落至0.17KV
仿真算例4：线路阻抗为0.5mH,20s时并网点电压跌落至0.49KV
在仿真算例1中，虚拟同步机的运行点位于紧急区域，如图3-图8所示，根据无控制时的有功无功功率曲线可知，当电网大扰动发生后会造成虚拟同步机暂态功角失稳和变流器过电流；若采用自适应有功功率控制，虽然不会出现暂态功角失稳现象，但是会造成变流器过电流；采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，通过将功角维持在原始值，同时投入虚拟阻抗控制，能保证虚拟同步机的暂态功角稳定，避免变流器过电流现象。
在仿真算例2中，VSG的运行点位于非紧急区域，此时故障后会造成过电流和暂态功角失稳，且过流问题更严重。如图9-图14所示，根据无控制和采用自适应有功功率控制时的有功无功功率曲线可知，当电网大扰动发生后会造成虚拟同步机暂态功角失稳和变流器过电流；采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，通过降低有功功率参考值至Pfc_ref，能保证虚拟同步机的暂态功角稳定，且将变流器限制在最大值处。
在仿真算例3中，虚拟同步机的运行点位于非紧急区域，此时故障后会造成过电流和暂态功角失稳，且暂态功角稳定问题更严重。如图15-图22所示，根据无控制和采用自适应有功功率控制时的有功无功功率曲线可知，当电网大扰动发生后会造成虚拟同步机暂态功角失稳和变流器过电流；采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，通过降低有功功率参考值至Pft_ref，能保证虚拟同步机的暂态功角稳定，避免变流器过电流；若降低有功功率参考值至1.03Pft_ref，则无法避免态功角失稳，可以看出提出的控制策略能计算出故障时虚拟同步机暂态功角稳定的有功功率参考值边界。
在仿真算例4中，虚拟同步机的运行点位于非紧急区域，此时故障后会造成过电流，不会造成暂态功角失稳。如图23-图28所示，根据无控制和采用自适应有功功率控制时的有功无功功率曲线可知，当电网大扰动发生后会造成虚拟同步机变流器过电流，且无控制时过电流现象更为严重；采用考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，通过降低有功功率参考值至Pfc_ref，能将变流器限制在最大值处。
本发明的第二个实施例，如图29所示，公开一种本发明所述考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法使用的控制装置，包括：并网点电压获取单元100和VSG控制装置200，所述VSG控制装置200包括：VSG运行区域划分模块201、有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块202、控制环路203、虚拟阻抗控制电路204，所述控制环路203包括：有功功率控制环路2031、无功功率控制环路2032，所述并网点电压获取单元100与VSG控制模型200的VSG运行区域划分模块201相连，VSG运行区域划分模块201与有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块202相连，有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块202分别与控制环路203以及虚拟阻抗控制电路204相连，控制环路203与虚拟阻抗控制电路204相连。
具体过程如下：
如图2和图29所示，首先，并网点电压获取单元100读取VSG并网点电压，当VSG故障后，VSG运行区域划分模块201，应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10，跟据VSG故障后并网点电压与预设置的临界值进行比较，划分VSG的运行区域，所述临界值由有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10确定，具体数值由本发明第一个实施例所述VSG控制模型确定，在此不再赘述。
若VSG故障后并网点电压小于等于预设置的临界值，VSG的运行区域划分为紧急区域，VSG控制模型的有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10的开关切换到2，位于紧急区域的VSG降低其相位角无法将输出电流限制在其所能承受的最大电流，因此需要通过改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制实现精确控制VSG在故障状态下的暂态稳定和电流限制。具体改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，由本发明第一个实施例所述VSG控制模型确定，在此不再赘述。
若VSG故障后并网点电压大于预设置的临界值，VSG的运行区域划分为非紧急区域，VSG控制模型的有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型10的开关切换到1，采用能确保VSG暂态稳定，且输出电流不越限的最大有功功率参考值，具体改变有功功率参考值由本发明第一个实施例所述VSG控制模型确定，在此不再赘述。
本实施例所述考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法使用的控制装置，能够同时解决VSG的暂态稳定和过流问题，能够根据VSG故障后的并网点电压将VSG运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，当系统出现大扰动时，所述紧急控制方法能够根据虚拟同步机故障后的运行点位于的区域，选择对应的控制方式来保障虚拟同步机的安全稳定。当虚拟同步机运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将其相位角维持在原始值，电流限制在其所能承受的最大值处，精确保证VSG在故障状态下的暂态稳定和电流限制，当虚拟同步机运行点位于非紧急区域时，不投入虚拟阻抗控制，仅采用改变有功功率参考值的控制方式，将其有功功率参考值设定为保证虚拟同步机暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，能够提升故障期间变流器有功功率输出和可再生能源的消纳能力。

Claims (7)

1.一种考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，包括：
S1：建立VSG控制模型，所述模型包括：有功功率控制模型、无功功率控制模型、虚拟阻抗控制模型以及有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型；
S2：应用有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型划分VSG的运行区域，根据VSG故障后并网点电压，将VSG的运行区域划分为紧急区域和非紧急区域，若处于紧急区域跳转到S3，若处于非紧急区域跳转到S4；
S3：当VSG运行点位于紧急区域时，改变有功功率参考值和投入虚拟阻抗控制，将VSG相位角维持在原始值，电流限制在VSG所能承受的最大值处；
S4：当VSG运行点位于非紧急区域时，采用能确保VSG暂态稳定，且输出电流不越限的最大有功功率参考值。
2.如权利要求1所述的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，所述S2进一步包括：
S21：根据VSG故障后并网点电压与预设置的临界值进行比较，划分VSG的运行区域；
S22：若VSG故障后并网点电压小于等于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为紧急区域；
S23：若VSG故障后并网点电压大于预设置的临界值，所述VSG的运行区域划分为非紧急区域。
3.如权利要求1所述的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，所述有功功率参考值与虚拟阻抗调整模型为：
Uc＝E-ImaxZline
式中：Uc为VSG并网点电压临界值；E为VSG内电势幅值指令；Imax为VSG所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗。
4.如权利要求1所述的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，所述S3进一步包括：
所述投入虚拟阻抗控制的虚拟阻抗值为：
Figure FDA0003847775610000011
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Zline为线路阻抗；
所述VSG相位角为：
Figure FDA0003847775610000012
式中：E为VSG内电势幅值指令，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述有功功率参考值为：
Figure FDA0003847775610000021
式中：E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Zline为线路阻抗。
5.如权利要求1所述的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，所述S4进一步包括：
所述有功功率参考值为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
所述维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure FDA0003847775610000022
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
所述维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure FDA0003847775610000023
Figure FDA0003847775610000024
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
6.如权利要求1所述的考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法，其特征在于，所述S1进一步包括：
所述有功功率控制模型为：
Figure FDA0003847775610000031
式中，J为虚拟同步机的惯量系数；D为虚拟同步机的阻尼系数；ωn为电网的额定角速度，ω为虚拟同步机的虚拟转速，Pe为虚拟同步发电机输出的电磁功率，Kω为虚拟同步机一次调频系数；
所述无功功率控制模型为：
E＝UN
式中，UN为系统额定电压幅值；E为虚拟同步机内电势指令；
所述虚拟阻抗控制模型为：
Figure FDA0003847775610000032
式中，Id为虚拟同步机有功电流值，Iq为虚拟同步机无功电流值；Rv为虚拟同步机虚拟电阻，Xv为虚拟同步机虚拟电抗，Zv为虚拟同步机虚拟阻抗,Udref为电压环d轴电压参考值，Uqref为电压环q轴电压参考值；
当VSG并网点电压小于等于临界值Uc时，有功功率参考值Pf1_ref为：
Figure FDA0003847775610000033
Figure FDA0003847775610000034
Figure FDA0003847775610000035
式中：
E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zv为投入的虚拟阻抗值，Imax为VSG所能承受的最大电流，Pref为故障前的有功功率参考值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
当VSG并网点电压大于临界值Uc时，有功功率参考值Pf2_ref为：
Pf2_ref＝min{Pfc_ref,Pft_ref,Pref}
式中：Pf2_ref为保证VSG暂态稳定和输出电流不越限的最大有功功率参考值，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，Pref为故障前的有功功率参考值；
维持VSG暂态稳定最大有功功率为：
Figure FDA0003847775610000041
式中，Pft_ref为维持VSG暂态稳定最大有功功率，δI为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，U为正常运行时的电压；
维持输出电流不越限最大有功功率为：
Figure FDA0003847775610000042
Figure FDA0003847775610000043
式中，Pfc_ref为维持输出电流不越限最大有功功率，δII为VSG对应功率的相位角，E为VSG内电势幅值指令，Usag为故障后并网点电压，δ0为VSG相位角原始值，Zline为线路阻抗，Imax为VSG所能承受的最大电流。
7.一种权利要求1所述考虑VSG电流限制和暂态稳定性的紧急控制方法使用的控制装置，其特征在于，包括：并网点电压获取单元(100)和VSG控制装置(200)，所述VSG控制装置(200)包括：VSG运行区域划分模块(201)、有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块(202)、控制环路(203)、虚拟阻抗控制电路(204)，所述控制环路(203)包括：有功功率控制环路(2031)、无功功率控制环路(2032)，所述并网点电压获取单元(100)与VSG控制模型(200)的VSG运行区域划分模块(201)相连，VSG运行区域划分模块(201)与有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块(202)相连，有功功率参考值与虚拟阻抗调整模块(202)分别与控制环路(203)以及虚拟阻抗控制电路(204)相连，控制环路(203)与虚拟阻抗控制电路(204)相连。
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