CN116316805A - 电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法 - Google Patents

电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法 Download PDF

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CN116316805A CN202211727262.9A CN202211727262A CN116316805A CN 116316805 A CN116316805 A CN 116316805A CN 202211727262 A CN202211727262 A CN 202211727262A CN 116316805 A CN116316805 A CN 116316805A
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Abstract

本发明公开了电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，涉及风力发电技术领域；该方法包括通过检测电网电压幅值和额定电压之间关系，判断电网电压跌落情况，如果检测到电网电压幅值低于额定电压的N倍时，则动态功率限制环节启动，由正常运行时的下垂控制产生有功、无功功率参考值切换为给定功率参考值；所述有功、无功功率参考值通过SPC控制产生参考电压的幅值和相角，并在含有虚拟阻抗的电压电流内环产生开关信号。本方法不仅能够限制不同电压跌落深度下的电流幅值，还可有效改善严重电压跌落时的系统动态响应。

Description

电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法。
背景技术
为了应对能源和环境可持续发展问题，我国明确提出了“双碳”战略目标。新能源广泛应用是解决能源短缺和环境污染的有效措施，尤其是近年来以太阳能发电和风力发电为代表的新能源发电迅速增长。但是，随着能够提供稳定、大容量电能的传统同步发电机比重降低，基于电力变流器的新能源发电方式给电力系统带来了新的问题与挑战。当可再生能源接入到电网中时，以并网逆变器为代表的电力电子装备在电力系统中的渗透率不断升高，改变了传统电网特性。在电力电子装置大规模替代以同步发电机为代表的机电能量转换装置后，电力系统在物理层面表现为转子实体的减少，导致系统抗干扰能力减弱，降低了系统的固有惯性，且更容易引发谐波谐振以及稳定问题。同时，发电特性由传统同步电机转子运动决定发电机内电势相位、励磁系统决定内电势幅值，转变为电力电子设备多环路控制决定交流电压相位与幅值的特性。最后，由于可再生能源固有的间歇性和波动性，往往会引起本地电网频率偏差、电压波动与闪变，恶化了电能质量。因此，大规模可再生能源的利用对并网逆变器的调控能力提出了更高要求。
上述问题是由于并网逆变器的控制通常采用跟网型(grid-following,GFL)控制所导致。跟网型逆变器在电力系统中表现为电流源，随着可再生能源大量并入电网，传统的由同步发电机主导的电网惯性将降低。在可再生能源渗透率提高后，逆变器需在无同步发电机的条件下支撑电网。基于此问题，构网型控制被提出，构网型控制策略主要是模拟同步发电机的发电特性和同步机理实现自同步功能，并输出给定的电压幅值和相位。与通过控制有功电流和无功电流来调节有功和无功功率注入的传统跟网型逆变器不同，构网型逆变器通过调节公共耦合点(PCC)电压的幅值和相位来控制注入功率，常见的构网型控制有下垂控制、改进型下垂控制、虚拟同步机控制、同步功率控制、虚拟振荡器控制等。这些控制的实现思想都与传统同步电机原理类似，如下垂控制主要模拟发电机调速特性，虚拟同步机控制则主要模拟摇摆方程特性。
构网型逆变器由于具有电压源特性，在电网电压跌落的瞬时，为了保持内电势恒定，将自然地通过注入非常高的电流值来维持其电压水平，导致并网电流迅速变化，从而引起过流问题。传统的同步发电机可以支持高达其额定电流7倍的电流，但在应用了大量电子器件的新能源并网系统中，必须考虑半导体器件的过流损坏问题。因此，国内外学者开始对电网故障下的构网型逆变器电流限制策略进行研究。
在电网发生较大干扰时，检测电流大小，如果电流超过允许值，逆变器将切换并网控制策略类型，在故障期将控制策略类型切换到电网跟随模式，这种方法显然失去了构网型控制的优势，并且没有讨论如何处理外部控制回路的饱和问题。通过限制电流内环的参考值来实现限流功能，但直接限制电流参考值没有考虑功率外环的作用，可能会导致振荡和外环的饱和。虚拟阻抗在限制逆变器电流方面得到了广泛的应用，许多学者对于虚拟阻抗的计算进行了大量研究，通过增加线性或非线性的虚拟阻抗来降低逆变器的参考电压；分析了虚拟阻抗对电流限制的影响。通过对系统进行小信号建模，研究了虚拟阻抗的设计范围，但只针对了小扰动情况，在对于电压大幅跌落时并不适用。使用虚拟阻抗对构网逆变器内环参考电流和参考电压进行了限制，在一定程度上避免了外环的饱和，但在电压跌落严重时仍然无法满足限流要求。
发明内容
针对电网电压跌落严重时系统失稳问题，本发明以构网型并网逆变器在电网电压跌落时的功角变化入手，通过动态限流方法，保证了系统在严重电压跌落时的限流效果。
为实现上述目的，本申请提出电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，包括根据电压跌落的不同程度，对功率外环的参考值进行动态限制，使参考值与系统的功角曲线始终存在交点。
进一步的，对功率外环的参考值进行动态限制，具体为：通过检测电网电压幅值和额定电压之间关系，判断电网电压跌落情况，如果检测到电网电压幅值低于额定电压的N(N可以为0.9)倍时，则动态功率限制环节启动，由正常运行时的下垂控制产生有功、无功功率参考值切换为给定功率参考值；所述有功、无功功率参考值通过SPC控制产生参考电压的幅值和相角，并在含有虚拟阻抗的电压电流内环产生开关信号。
进一步的，构网型逆变器根据电压源的功角特性，得到：
Figure BDA0004030570470000041
Figure BDA0004030570470000042
式中，Pmax为逆变器的最大输出功率，δ＝θ-θg，X为逆变器与电网之间的总阻抗，E和Vg分别为逆变器输出端电压和电网电压幅值；假设GPlc(S)＝1/[ω0(Js+Dp)]为一阶传递函数，其中J模拟同步发电机的转子转动惯量，DP模拟同步发电机的阻尼系数，则有功功率控制的闭环传递函数是二阶的，表示为:
Figure BDA0004030570470000043
Figure BDA0004030570470000044
Figure BDA0004030570470000045
由此可知，构网型逆变器控制系统的阻尼系数ζ和系统的自然频率ωn同时受PLC中的控制参数J和DP影响，通过调整有功功率闭环控制的参数，改变逆变器输出功率与频率特性,为逆变器系统提供虚拟惯性。
进一步的，当系统的自然频率偏离参考值时，通过有功功率调节实现对自然频率的调节，获取有功功率控制对自然频率干扰的响应情况，相应传递函数表示为：
Figure BDA0004030570470000046
进一步的，设电网电压跌落后的等效阻抗为RF+jωsLF，其中包括跌落前内电势与电网电压之间的总阻抗R0+jωsL0以及为限制过电流而加入的虚拟阻抗Rv与Lv，故障前的虚拟内电势幅值为E，根据单相等效电路，得到：
Figure BDA0004030570470000051
假设虚拟阻抗引起的电压降落为Δu，则：
Δu＝(Rv+jωLv)×(id+jiq)＝(Rvid-ωLviq)+j(Rvid+ωLviq)。
更进一步的，在dq坐标系下电压降落的纵分量Δud和横分量Δuq分别为：
Δud＝RVid-ωLViq
Δu＝RViq+ωLVid
其中，虚拟电抗Xv和虚拟电阻Rv的获取方式为：
XV＝KV*σX/R*ΔI
Figure BDA0004030570470000052
更进一步的，在电网故障时使功率给定值随着电网电压的降低而降低；当电网电压幅值为VF时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
Figure BDA0004030570470000053
其中，SF为电网故障后的允许视在功率：
Figure BDA0004030570470000054
同时，根据上式得到有功功率的参考值表达式为：
Figure BDA0004030570470000055
在电网电压跌落时，将功率外环的有功、无功功率给定值根据
Figure BDA0004030570470000056
和/>
Figure BDA0004030570470000057
进行限制。
本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本方法可以根据电压跌落的不同程度，对功率外环的参考值进行动态限制，使功率参考值与系统的功角曲线始终存在交点，从而有效避免传统限流方法外环饱和问题。所提出的控制方法不仅能够限制不同电压跌落深度下的电流幅值，还可有效改善严重电压跌落时的系统动态响应。
附图说明
图1为构网型逆变器控制系统图；
图2为SPC控制原理框图；
图3为有功功率控制闭环等效框图；
图4为不同电压跌落的P-δ曲线图；
图5为基于虚拟阻抗的电压电流内环控制框图；
图6为故障前后的等效电路图；
图7为所提出的限流控制外环框图；
图8为动态限流控制下的P-δ曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了应对新能源发电渗透率提高导致传统电网惯性减弱的问题，构网型(Grid-Forming,GFM)控制被提出。本实施例首先建立典型构网型控制的有功功率环数学模型，分析构网型控制为系统提供电压支撑的机理。进一步，研究电网电压跌落时构网型逆变器的输出特性和外部干扰下的失稳机制。针对电网电压跌落下的过电流问题，分析传统虚拟阻抗方案存在的不足，因此提出了一种基于虚拟阻抗与功率限制的动态限流控制方法。所采用的控制方案可以根据电压跌落程度的不同，对功率外环的参考值进行动态限制，使功率参考与系统的功角曲线始终存在交点。
如图1所示，逆变器交流侧通过LC滤波器滤除高频谐波后，于公共耦合点处接入交流电网。构网型逆变器的采样、电压控制、电流控制及PWM发生器都与传统跟网型逆变器一致，关键在于功率外环的控制方式。构网型控制通过对系统有功和无功功率进行调节，产生电压幅值给定信号(V)及相位给定值(θ)，该相位即同步信号。电压幅值与相位作为内环电压控制的给定值，内环电流控制输出的调制信号通过PWM发生器生成功率开关器件的驱动信号。
如图2所示，其中功率环控制器(powerloopcontroller,PLC)为逆变器提供传统同步电机的机械特性，形成功率平衡与电机虚拟角频率之间关系；无功功率控制器(reactivepowercontroller,RPC)通过调节无功功率控制虚拟机的电压幅值。根据电压源的功角特性，可得到：
Figure BDA0004030570470000081
Figure BDA0004030570470000082
式中，Pmax为逆变器的最大输出功率，δ＝θ-θg，X为逆变器与电网之间的总阻抗，E和Vg分别为逆变器输出端电压和电网电压幅值；假设GPlc(S)＝1/[ω0(Js+Dp)]为一阶传递函数，其中J模拟同步发电机的转子转动惯量，DP模拟同步发电机的阻尼系数，则有功功率控制的闭环等效框如图3所示。
由此可以看出，有功功率控制的闭环传递函数是二阶的，可以表示为：
Figure BDA0004030570470000083
Figure BDA0004030570470000084
Figure BDA0004030570470000085
由此可知，构网型逆变器控制系统的阻尼系数ζ和系统的自然频率ωn同时受PLC中的控制参数J和DP影响，通过调整有功功率闭环控制的参数，可以改变逆变器输出功率与频率特性,为逆变器系统提供虚拟惯性。当频率偏离参考值时，通过有功功率调节可以实现对频率的调节，根据图3得到有功功率控制对频率干扰的响应情况，相应的传递函数可以表示为：
Figure BDA0004030570470000086
构网型逆变器等效为串联有小阻抗的受控电压源，直接通过控制注入电网的电压来控制输出功率，与传统同步发电机的发电方式具有相似性.为了分析构网型逆变器在电网电压跌落时的失稳机理，图4给出了不同电压跌落情况下构网型逆变器的P-δ曲线。如图4所示，在正常运行时，逆变器工作在a点。在电网电压跌落不严重时，根据式1，在电网电压跌落瞬间，由于惯性的存在δ会缓慢变化，有功功率P瞬间降低，到达b点运行状态。如果功率给定值不变，在功率环的控制作用下，逆变器最终稳定在d点。但当电网电压跌落严重时，P-δ曲线与功率参考值没有交点，故障瞬间到达c点后,功角δ会持续增加,使逆变器无法稳定运行。
针对电网故障时的过电流问题，一种解决方法是采用更高功率等级的电力电子器件以承受更大的电流冲击，但这不可避免地增加了逆变器成本。在限制电流方面，一种方法是采用虚拟阻抗的方式，通过在电压电流双环控制器中加入含逆变器负载电流负反馈构成的虚拟阻抗环节，增大系统中的等效阻抗，从而在发生故障时减小过电流，其内环控制框图如图5所示。
设电网电压跌落后的等效阻抗为RF+jωsLF，其中包括跌落前内电势与电网电压之间的总阻抗R0+jωsL0以及为限制过电流而加入的虚拟阻抗Rv与Lv，故障前的虚拟内电势幅值为E，得到电压跌落前后系统的单相等效电路如图6所示。根据等效电路，可得到：
Figure BDA0004030570470000091
假设虚拟阻抗引起的电压降落为Δu，则：
Δu＝(Rv+jωLv)×(id+jiq)＝(Rvid-ωLviq)+j(Rvid+ωLviq) (8)
进一步，在dq坐标系下电压降落的纵分量Δud和横分量Δuq分别为：
Δud＝RVid-ωLViq (9)
Δu＝RViq+ωLVid (10)
虚拟电抗Xv和虚拟电阻Rv的获取方式为：
XV＝KV*σX/R*ΔI (11)
Figure BDA0004030570470000101
虽然虚拟阻抗可以简单直接地降低电网故障时的过电流，但虚拟阻抗通常都是采用固定值，当线路阻抗发生改变时无法精准补偿，仍存在无功功率分配不平衡和无功环流等问题。如果在检测到故障时，虚拟导纳结构的电感因电流限制而增加，则可能会向电流基准引入直流偏置，因为电感电流不能瞬间改变。为此本发明提出一种改进的动态限流方法，在电网故障时使功率给定值随着电网电压的降低而降低。当电网电压幅值为VF时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
Figure BDA0004030570470000102
其中SF为电网故障后的允许视在功率：
Figure BDA0004030570470000103
同时，根据上式可以得到有功功率的参考值表达式为：
Figure BDA0004030570470000104
根据并网标准，在电网电压跌落时，将图2中功率环的有功和无功功率的给定值根据式(13)和式(15)进行限制。所提出的动态限流控制结构框如图7所示，首先通过检测电网电压幅值和额定电压之间的关系，判断电网电压跌落情况，如果检测到电网电压幅值低于额定电压的0.9倍，则动态功率限制环节启动，由正常运行时的下垂控制产生有功、无功功率参考值切换为根据式(13)、(15)给定功率参考值。有功、无功功率参考值通过SPC控制产生参考电压的幅值和相角，经图5所示含有虚拟阻抗的电压电流内环产生开关信号。
本发明所提方法原理与优势可进一步由图8所示。当电网正常运行时，逆变器工作在a点，此时功率参考值为Pref，向电网注入的无功功率为0。在电网电压轻度跌落的瞬间，逆变器工作点变化为b点，由上述分析可知，无功率限制的控制方法会使逆变器相角增加稳定在d点。但本发明采用的动态限流方法使有功功率参考值限制为PF1*，工作状态转移到e点，可以看到通过功率限制，逆变器可以更快的到达稳定状态。当电网电压跌落严重时，逆变器工作状态由a点瞬间转移到c点，无功率限制的控制方法会使系统失稳。所提出的动态限流方法在电压跌落瞬间改变功率参考值为PF2*，此时外环控制器会使逆变器稳定在新的功率参考值与功角曲线的交点f，能够更好的适应严重电压跌落情况。
本发明针对电网电压跌落严重时系统失稳问题，以构网型并网逆变器在电网电压跌落时的功角变化入手，通过动态限流方法，保证了系统在严重电压跌落时的限流效果。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，包括根据电压跌落的不同程度，对功率外环的参考值进行动态限制，使参考值与系统的功角曲线始终存在交点。
2.根据权利要求1所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，对功率外环的参考值进行动态限制，具体为：通过检测电网电压幅值和额定电压之间关系，判断电网电压跌落情况，如果检测到电网电压幅值低于额定电压的N倍时，则动态功率限制环节启动，由正常运行时的下垂控制产生有功、无功功率参考值切换为给定功率参考值；所述有功、无功功率参考值通过SPC控制产生参考电压的幅值和相角，并在含有虚拟阻抗的电压电流内环产生开关信号。
3.根据权利要求1所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，构网型逆变器根据电压源的功角特性，得到：
Figure FDA0004030570460000011
Figure FDA0004030570460000012
式中，Pmax为逆变器的最大输出功率，δ＝θ-θg，X为逆变器与电网之间的总阻抗，E和Vg分别为逆变器输出端电压和电网电压幅值；假设GPlc(S)＝1/[ω0(Js+Dp)]为一阶传递函数，其中J模拟同步发电机的转子转动惯量，DP模拟同步发电机的阻尼系数，则有功功率控制的闭环传递函数是二阶的，表示为:
Figure FDA0004030570460000013
Figure FDA0004030570460000014
Figure FDA0004030570460000021
由此可知，构网型逆变器控制系统的阻尼系数ζ和系统的自然频率ωn同时受PLC中的控制参数J和DP影响，通过调整有功功率闭环控制的参数，改变逆变器输出功率与频率特性,为逆变器系统提供虚拟惯性。
4.根据权利要求3所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，当系统的自然频率偏离参考值时，通过有功功率调节实现对自然频率的调节，获取有功功率控制对自然频率干扰的响应情况，相应传递函数表示为：
Figure FDA0004030570460000022
5.根据权利要求1所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，设电网电压跌落后的等效阻抗为RF+jωsLF，其中包括跌落前内电势与电网电压之间的总阻抗R0+jωsL0以及为限制过电流而加入的虚拟阻抗Rv与Lv，故障前的虚拟内电势幅值为E，根据单相等效电路，得到：
Figure FDA0004030570460000023
假设虚拟阻抗引起的电压降落为Δu，则：
Δu＝(Rv+jωLv)×(id+jiq)＝(Rvid-ωLviq)+j(Rvid+ωLviq)。
6.根据权利要求5所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，在dq坐标系下电压降落的纵分量Δud和横分量Δuq分别为：
Δud＝RVid-ωLViq
Δu＝RViq+ωLVid
其中，虚拟电抗Xv和虚拟电阻Rv的获取方式为：
XV＝KV*σX/R*ΔI
Figure FDA0004030570460000031
7.根据权利要求1所述电网故障下构网型逆变器动态限流控制方法，其特征在于，在电网故障时使功率给定值随着电网电压的降低而降低；当电网电压幅值为VF时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
Figure FDA0004030570460000032
其中，SF为电网故障后的允许视在功率：
Figure FDA0004030570460000033
同时，根据上式得到有功功率的参考值表达式为：
Figure FDA0004030570460000034
在电网电压跌落时，将功率外环的有功、无功功率给定值根据
Figure FDA0004030570460000035
和/>
Figure FDA0004030570460000036
进行限制。
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