CN115459263A

CN115459263A - 一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法

Info

Publication number: CN115459263A
Application number: CN202211220909.9A
Authority: CN
Inventors: 林伟; 刘钊; 孟帅; 凌铃
Original assignee: Nantong Guoxuan New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Nantong Guoxuan New Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2022-10-08
Filing date: 2022-10-08
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明公开了一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法，包括以下步骤：根据级储能系统稳定运行时有功功率均衡的特点，得到注入的负序电流与正序电流的关系；得到负序电流与正序电流的关系后，根据公共连接点并网电压与电流关系，设计最优的电流注入策略以提高并网点电压；对注入的电流进行峰值限制，使电流值在安全运行范围内以保证设备可靠运行。在满足平衡各相有功功率的前提下，对注入电网的正序和负序电流进行合理设计，以达到最优电压支持的控制目标。针对正序和负序电流注入可能造成的过流问题，对电流峰值进行限制，以保证逆变器的安全运行。

Description

一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法

技术领域

本发明涉及一种优化电压支撑方法，尤其涉及一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法。

背景技术

随着越来越多的能源通过电力电子设备接入电网，当电网出现不对称故障时，并网逆变器可能存在电流超限、电压支撑能力弱等问题。严重的情况下，逆变器会离网，对电网的安全运行以及电压和频率的稳定都有很大的影响。因此，在电网发生故障时，提高系统的低压穿越(LVRT)能力是保证系统安全稳定运行的重要手段。

级联储能系统具有电压应力小、波形质量好、容量大、平抑有功波动等优点，广泛应用于中、高压领域。电压跌落下，由于级联系统和储能电池的工作特性，控制相间有功功率平衡是调节直流侧电压，实现荷电状态平衡的重要要求。因此，目前针对级联系统的低电压穿越控制，都是从有功功率均衡方面考虑，一般来说，主要有两种方法：零序电压注入法和负序电流注入法。零序电压注入法在不影响逆变器输出三相电流的前提下，将有功功率均匀分配到各相之间。负序电流注入法通过向不平衡系统注入特定的负序电流来抵消相间产生的功率流，从而使逆变器的相对相有功功率重新平衡，但是，该方法可能会导致过流的情况发生。而在此基础上，对级联系统电压支撑问题研究较少。目前的方案已经实现不同的控制目标，如限制电流或减轻功率振荡等，然而，提出的控制方案都不能很好的平衡各相之间的有功功率，不能直接应用于级联系统。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法，包括以下步骤：

S1，根据级储能系统稳定运行时有功功率均衡的特点，得到注入的负序电流与正序电流的关系；

S2，得到负序电流与正序电流的关系后，根据公共连接点并网电压与电流关系，设计最优的电流注入策略以提高并网点电压；

S3，对注入的电流进行峰值限制，使电流值在安全运行范围内以保证设备可靠运行。

进一步地，步骤S1中，为满足相间有功功率均衡，得到负序电流与正序电流的关系、负序电流相位的表达式如下；

其中，I⁺是正序电流幅值，I^-是负序电流幅值，V⁺为正序电压幅值，V^-为负序电压幅值；θ⁺是正序电流相位，θ^-是负序电流相位，

为正序电压初相位，

为负序电压初相位。

进一步地，对负序电流与正序电流的关系进一步分解，可得到正负序有功电流、正负序无功电流之间的关系，表达式如下；

其中，I_p ⁺是正序有功电流，I_p ^-是负序有功电流，I_q ⁺是正序无功电流，I_q ^-是负序无功电流。

进一步地，步骤S2中公共连接点的瞬时电压表达式为：

V⁺＝R_gI_p ⁺+ωL_gI_q ⁺+V_g ⁺ 公式一；

V^-＝R_gI_p ^--ωL_gI_q ^-+V_g ^- 公式二；

其中，R_g与L_g为等效并网阻抗，

为电网的正序电压，

为电网的负序电压.

进一步地，将步骤S1中得到负序有功电流、负序无功电流的表达式带入公式一和公式二中可得正序电压幅值和负序电压幅值的表达式：

V⁺＝R_gI_p ⁺+ωL_gI_q ⁺+V_g ⁺；

进一步地，将正负序电压问题进行数学建模：

利用拉格朗日乘子法找到最优解，为达到优化电压支撑的目标，注入电网的电流表达式如下；

(I_p ⁺)^*≈I⁺ _maxcosδ；

(I_q ⁺)^*≈I⁺ _maxsinδ；

δ≈atan2(ωL_g,R_g)；

其中，I⁺ _max是注入电流的最大幅值。

进一步地，步骤S3对注入的电流进行峰值限制，需要对幅值电流进行限制，各相电流的电流表达式为：

其中，I_a、I_b、I_c为各相电流，u是电网不平衡因数，φ_I为正序电流与负序电流的相位差。

进一步地，φ_I的表达式为；

进一步地，将步骤S3中各相电流的电流表达式代入可得满足控制策略的电流幅值为：

I_{(a，b，c)max}是满足控制策略的电流幅值。

进一步地，为保证各相电流不超过限定值，设定限定公式，如下：

max{I_a,I_b,I_c}≤I_max；通过限定公式将注入电流限制在注入电流的最大幅值以下。

本发明公开了一种电网故障下基于级联储能系统的优化电压支撑方法，在满足平衡各相有功功率的前提下，对注入电网的正序和负序电流进行合理设计，以达到最优电压支持的控制目标。推导结果表明，注入系统的参考电流与并网阻抗和电网电压不平衡系数密切相关。针对正序和负序电流注入可能造成的过流问题，对电流峰值进行限制，以保证逆变器的安全运行。

附图说明

图1为星形级联H桥储能逆变器并网拓扑。

图2为电压电流矢量图。

图3为控制方法原理框图。

图4为最优电压支撑仿真实验。

图5为功率均衡仿真实验。

图6为电压支撑与功率均衡仿真实验。

图7为图1的逆变器并网等效电路图。

具体实施方式

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。

如图1所示的星形级联储能系统并网逆变器拓扑，每一相由n个H桥单元串联而成，直流侧为储能电池。如图7所示的逆变器通过LC滤波器减小开关谐波并与PCC点的电网相连，R_g与L_g为等效并网阻抗。

应用Clark变换，将PCC点的三相电压转换为静止坐标系：

其中，v_α是α轴电压，v_α ⁺是α轴正序电压，v_α ^-是α轴负序电压，v_β是β轴电压，v_β ⁺是β轴正序电压，v_β ^-是β轴负序电压，V⁺为正序电压幅值，V^-为负序电压幅值；φ⁺为正序电压初相位，φ^-为负序电压初相位。由上式，可以推导出V⁺和V^-的幅值电压以及正、负初始相位的差相位角φ：

同时，负序电压幅值与正序电压幅值的比值定义为不平衡因数u：

根据图1，忽略双倍频分量，系统有功输出和无功输出的瞬时功率为：

其中，v是三相输出电压，i是三相输出电流，v⁺是三相正序输出电压，v^-是三相负序输出电压，i⁺是三相正序输出电流，i^-是三相负序输出电流。I⁺是正序电流幅值，I^-是负序电流幅值，θ⁺和θ^-分别是正序电流相位和负序电流相位。由上式可知，当电网电压不平衡时，后两项的存在引起相间功率流动，导致三相有功功率不平衡。为了保证相位间的功率平衡，负序电流的注入需要满足特定的条件：

显然，通过注入上述特定的负序电流，有功后两项产生的功率流相互抵消，三相之间的功率再次平衡。由上式可知，负序电流幅值与正序电流幅值成正比关系，且比例关系等于不平衡因数u。为了获得更灵活的电压支持策略，需要进行细化以获得进一步的关系。在PCC点，静止坐标系下的电压和电流矢量图如图2所示。通过矢量图分析，很容易得出这样的结论：负序电流与负序电压之间的夹角等于正序电流与正序电压间的夹角，即：

因此，负序电流的有功和无功分量也与正序电流对应的有功和无功分量的功率成正比关系，可以得到正负序有功和无功之间的关系为：

另一方面，PCC点的瞬时电压表达式为：

V⁺＝R_gI_p ⁺+ωL_gI_q ⁺+V_g ⁺

V^-＝R_gI_p ^--ωL_gI_q ^-+V_g ^-

其中，

电网正序电压，

是电网负序电压。将正负序有功和无功电流之间的表达式带入上式可得：

V⁺＝R_gI_p ⁺+ωL_gI_q ⁺+V_g ⁺；

需要注意的是，此处将正负序电压幅值的比值表达式代替了不平衡因数u。它是提高有功功率平衡精度的一种补偿措施。这是因为正序和负序电流的注入会导致PCC点不平衡因子的变化，而负序电流需要紧紧跟随不平衡因数u的变化。即使不平衡因数变化不大，它仍然会对最终的功率平衡效果产生影响，不平衡因数在原故障处的值不能使用。同时，定义新的不平衡系数为u*。

对上述正负序电压问题进行数学建模：

该问题的精确最优解表达式很难得到。但V^-可近似视为常数，在负序电网电压幅值附近变化不大，对最优解贡献不大。因此，该数学问题可以等价于V⁺的最优解表达式。因此，利用拉格朗日乘子，可以找到最优解

(I_p ⁺)^*≈I⁺ _maxcosδ；

(I_q ⁺)^*≈I⁺ _maxsinδ；

δ≈atan2(ωL_g,R_g)；

其中I⁺ _max为最大正序电流，在后面讨论。利用正序参考电流计算PCC点正序和负序电压幅值和新的不平衡因数。然后结合正负序电流之间的关系就可以得到负序电流的参考值。

由上述推导可知，为了达到电压优化支撑和功率平衡的目标，需要根据逆变器安全运行范围内的最大电流值，注入电网的各相电流幅值表达式为：

式中φ_I为正序电流与负序电流的夹角。将正负序电流关系式代入并提取公因式得：

同时通过矢量图3可知：

将上述正负序电流相位关系式代入上式并化简可得：

进一步可得满足控制策略的电流幅值为：

其中I_max是保证系统安全运行的最大电流值。通过适当设置参考值，可以实现对并网电流的限制。需要注意的是，计算最大正序电流时使用的是原始不平衡因数u。由于系统正常运行时设置的最大电流幅值不会太大，因此注入电流后不平衡系数不会有明显变化。在这种情况下，不平衡因数对正序电流的幅值影响不大。

系统总的控制策略框图如图3所示，包括基础参数，参考电流产生，电流控制三个模块，核心模块是参考电流产生。参考电流的产生由上述电压支撑、功率均衡以及电流峰值限制组成。当电网发生故障时，计算出基本参数，然后代入到参考电流产生模块内，求出所需注入的正负序电流，通过并网电流控制达到提升电压病均衡功率的控制目标。

实施例：为了验证发明的有效性，在matlab/simulink仿真模型上进行仿真实验验证，将系统参数如下表1，并网阻抗参数如下表2。

表1系统仿真参数

表2并网阻抗参数

参数名称	数值	阻抗角
			Zg1	1.0+j1.57Ω	57.518°
Zg2	2.0+j1.57Ω	38.146°
			Zg3	3.0+j1.57Ω	27.637°

表2中有三种不同的并网阻抗，结果如图4所示。每条曲线都有一个最大的电压差，在图中的点标记处，对应的角度用虚线标出；再对比表中阻抗角，结果表明最优解是有效的，能够达到支撑电压最大的目标。

如图4所示的两种不平衡因素下三相功率平衡仿真实验图，在t＝0.1～0.25s期间，正负序电流之比等于不平衡因数u，在t＝0.25s时，不平衡因数变为u^*。当为u时，虽然三相功率已经接近，但仍然存在误差。当比值变为u^*时，三相功率达到平衡，提高了精度。

如图6所示，t＝0.1～0.2s为电网故障下系统的运行结果。如图6中的(a)所示，在此期间，注入的负序电流为0，不添加所提出的控制策略。注意三相电流是对称的，而各相之间的功率是不平衡的；当t＝0.2时，采用所提电压支持控制策略注入正序和负序电流，其比值为u^*；显然，图6中的(a)三相电压幅值和图6中的(b)输出电流幅值增大，如图6中的(c)所示，系统三相有功功率平衡。此外，由于增加了峰值电流控制策略，电流幅值被限制在安全范围内，当刚加入控制策略一段时间后，三相功率会出现波动，这是由于电流参考值突然变化大，导致电流相位变化大，功率测量模块有延时。大约一个周期后，波形稳定下来。由图6中的(d)可知，三相总功率稳定上升，一个周期后也达到稳态。实验结果表明，所提出的电流注入策略能够有效地支持级联H桥储能系统的电压，并保证了系统相间的功率平衡。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。