CN116865252A - 基于构网型vsc电流限制策略的暂态稳定性控制和分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制和分析方法，其步骤包括：1、在电压控制环中采用防积分器饱和模块；2、引入电流饱和角并确定其最佳值；3、基于引入电流饱和角以改进VSC限流模块；4、基于限流模块和电流饱和角，利用相图对系统暂态稳定性进行分析。本发明引入电流饱和角进行暂态稳定性控制，能有效提升构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性，并通过相图定性分析构网型VSC的暂态稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及构网型VSC的暂态稳定性控制和分析领域，具体指一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制和分析方法。
背景技术
新能源发电在未来将大力发展。新能源发电系统通过电压源型变流器(voltagesource converter，VSC)接入电网，未来将在电网中大量存在。VSC的优点是完全可控，根据可再生能源不同的特性和电网强弱程度，可以通过不同的控制手段实现功率变换和传输。下垂控制模拟了传统同步机(synchronous generator，SG)在频率和电压调节方面的动态特性，但仍缺乏惯性。采用虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)控制的VSC具有类似于传统同步机的阻尼特性和惯性特征，有能力响应电网的调节要求。由于构网型VSC的电压源特性，需要特别注意过流保护。与最多可支持超过其额定电流七倍的同步发电机相比，构网型VSC只能应对通常为20％的过流。因此，并网变流器必须仅依靠控制来防止短路、重载连接、线路跳/重合闸和电压相位跳变等极端故障，同时又能与电力系统保持同步。
为了在大暂态期间限制电流，已经为构网型VSC提出了许多控制策略。一种策略是使用电流饱和算法(CSA)来限制电流。实际上，该技术是通过在过流期间使参考电流饱和来对VSC生成的参考电流实施的。另一种众所周知的限流策略基于虚拟阻抗(VI)，它模拟电流超过其额定值时阻抗的影响。该方法已显示其在各种事件情况下限制电流瞬变的有效性，同时保持电源转换器的电压源特性。然而，上述限流策略还存在模式切换困难，参数设计复杂，难以实现故障后恢复等问题。因此，如何改进限流策略，通过新的方法评估VSC暂态稳定性，实现暂态稳定性分析和控制，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有构网型VSC限流策略应用在暂态稳定性分析控制方面存在的问题，本发明提出一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制和分析方法，以期能有效提升构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性，并通过相图定性分析构网型VSC的暂态稳定性。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制方法的特点在于，包括如下步骤：
步骤S1：在电压控制环中设计防积分器饱和模块，从而利用式(1)对限流策略下的积分器进行屏蔽：
式(1)中，Idref和Iqref分别为电压控制环输出的d轴和q轴电流参考值；Is为dq轴合成电流；Im为饱和电流最大值；y为防积分器饱和模块的输出，当输出为1时不屏蔽电压控制环的积分器，当输出为0时屏蔽电压控制环的积分器；
S2：引入电流饱和角并确定其最佳值：
定义电压源型变流器VSC的dq坐标系中d轴与电网电压的之间的角度δ′为虚拟功角，当电网正常运行时，由式(2)计算稳态下VSC输出的有功功率P和无功功率Q：
式(3)中，R和X分别为VSC与无穷大电网之间的等效电阻和等效电抗；U和E分别为公共耦合点电压幅值和电网电压幅值；
定义电流饱和角φ是饱和电流最大值Im与d轴的夹角；故障后，由式(3)计算VSC输出的有功功率：
式(3)中，P′为故障后VSC输出的有功功率；Esag为故障后电网电压降落的幅值；
利用式(4)电流饱和角φ的限制条件：
考虑短路比SCR的变化，利用式(5)得到电流饱和角φ的最佳值φopt：
式(5)中，SCRmin和SCRmax分别为短路比SCR的最大值和最小值；
S3：利用式(6)设计限流模块，通过对饱和电流角φ进行控制，从而实现对构网型VSC与无穷大电网所构成系统暂态稳定性的控制：
式(6)中，Idrefs和Iqrefs分别为限流模块输出的d轴和q轴电流参考值；
本发明一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性分析方法的特点在于，利用相图对所述的构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性进行分析，并包括如下步骤：
S4：基于限流模块和电流饱和角φ：
S4.1：利用式(7)得到VSC有功环路和无功环路的控制式：
式(7)中，ωvsc和ω0分别为VSC的输出频率和频率参考值；J为转动惯量；Dp为阻尼系数；Pref为VSC有功功率的参考值；Qref为VSC无功功率的参考值；Kq为无功积分系数；U0为VSC的电压参考值；s为拉普拉斯算子；
S4.2：由式(7)得到式(8)：
S4.3：令变量x1＝δ′，变量x2＝dδ′/dt，变量x3＝U，从而利用式(9)构建故障发生前的状态方程：
式(9)中，和/>分别表示x1、x2和x3关于时间的导数；
S4.4：利用式(10)构建故障发生后的状态方程：
S4.5：根据两个状态方程绘制相图，从而得到系统的暂态稳定性分析结果。
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述暂态稳定性控制和分析方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述暂态稳定性控制和分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明针对现有构网型VSC限流环节存在的问题，在电压控制环中采用防积分器饱和措施，以实现过流阶段积分器的屏蔽，防止切换回正常工作状态后积分器输出过大。
2)本发明所提的构网型VSC限流策略相比于其他方法，引入了电流饱和角，确定了电流饱和角的最佳值并由此改进了限流策略，有效提升了构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性。
3)本发明利用相图的分析方法，能够定性分析引入电流饱和角对构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性的影响，并得到系统的暂态稳定性分析结果。
附图说明
图1为本发明采用的构网型VSC并网示意图；
图2为本发明电压控制环防积分器饱和措施结构图；
图3为本发明VSC采用电流饱和策略的相量图；
图4为本发明电流饱和角φ取0.3时限流环节输出的d轴电流随时间变化图；
图5为本发明φ分别取0.3和0时Simulink模型中逆变器电压幅值和虚拟功角随时间变化的对比图；
图6为本发明φ分别取0.3和0时，利用相图程序解出的虚拟功角、虚拟功角变化率和逆变器电压幅值随时间变化的对比图；
图7为本发明φ分别取0.3和0时，利用相图程序解出的虚拟功角变化率和逆变器电压幅值随虚拟功角变化的对比图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制和分析方法，引入电流饱和角进行暂态稳定性控制，以提升系统的暂态稳定性，具体包括以下步骤：
步骤S1：在电压控制环中设计防积分器饱和模块，本实施例中采用的构网型VSC并网示意图如图1所示；构网型VSC在过流时，会自动应用限流策略，为防止在采用限流策略时电压控制环中的积分器仍不断积分，从而使限流策略退出时积分器不能正确工作，需要对限流策略下电压控制环中的积分器进行屏蔽，电压控制环防积分器饱和措施结构图如图2。
利用式(1)对限流策略下的积分器进行屏蔽：
式(1)中，Idref和Iqref分别为电压控制环输出的d轴和q轴电流参考值；Is为dq轴合成电流；Im为饱和电流最大值，一般取1.2pu；y为防积分器饱和模块的输出，当输出为1时不屏蔽电压控制环的积分器，当输出为0时屏蔽电压控制环的积分器；
S2：引入电流饱和角并确定其最佳值：
类比功角的概念，定义VSC的dq坐标系中d轴与电网电压的之间的角度δ′为虚拟功角，当电网正常运行时，由式(2)计算稳态下VSC输出的有功功率P和无功功率Q：
式(3)中，R和X分别为VSC与无穷大电网之间的等效电阻和等效电抗；U和E分别为公共耦合点电压幅值和电网电压幅值。
定义电流饱和角φ是饱和电流最大值Im与d轴的夹角。故障后，引入电流饱和角φ，限流策略投入运行，此时忽略电阻，由式(3)计算VSC输出的有功功率：
式(3)中，P′为故障后VSC输出有功功率；Esag为故障后电网电压降落的幅值。VSC采用电流饱和策略的相量图如图3所示。
电流饱和角φ的合理取值能够增大故障后的稳定裕度，利用式(4)电流饱和角φ的限制条件：
考虑短路比SCR的变化，利用式(5)得到电流饱和角φ的最佳值φopt：
式(5)中，SCRmin和SCRmax分别为短路比的最大值和最小值。
S3：引入电流饱和角φ，从而利用式(6)设计限流模块，通过对饱和电流角φ进行控制，以提升构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性：
式(6)中，Idrefs和Iqrefs分别为限流环节输出的d轴和q轴电流参考值。
S4：基于限流模块和电流饱和角φ：
S4.1：构网型VSC的有功功率环路采用虚拟同步机控制，无功功率环路采用积分调节器以实现无功功率无差控制。利用式(7)得到VSC有功环路和无功环路的控制式：
式(7)中ωvsc和ω0分别为VSC的输出频率和频率参考值；J为转动惯量；Dp为阻尼系数；Pref为VSC有功功率参考值；Qref为VSC无功功率参考值；Kq为无功积分系数；U0为VSC电压参考值；s为拉普拉斯算子；
S4.2：由式(7)得到式(8)：
S4.3：令变量x1＝δ′，变量x2＝dδ′/dt，变量x3＝U，从而利用式(9)构建故障发生前的状态方程：
式(9)中，和/>分别表示x1、x2和x3关于时间的导数。
S4.4：利用式(10)构建故障发生后的状态方程：
S4.5：根据两个状态方程绘制相图，从而得到系统的暂态稳定性分析结果。
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行上述方法的程序，该处理器被配置为用于执行该存储器中存储的程序。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法的步骤。
为了验证所提出的电流饱和角对暂态稳定性的作用和相图分析暂态稳定性的可行性，在Matlab/Simulink中搭建了单机VSC与无穷大电网并网的模型和相图分析程序，仿真结果验证了策略的可行性。模型设定在t＝5s时发生电网三相短路，电网电压跌落至0.2pu；t＝5.8s时，故障切除，电网电压恢复。通过仿真结果分析限流环节策略持续时间、电流饱和角φ对参数恢复的影响、与相图分析结果的比较等。图4为电流饱和角φ＝0.3时限流环节输出的d轴电流；图5为φ分别取0.3和0时Simulink模型中逆变器电压幅值和虚拟功角随时间变化的对比。Simulink的仿真结果表明，在所设定条件下，电流饱和角φ的取值与系统故障后能否恢复至原本状态有关，φ＝0时，系统不能恢复到故障前的状态；φ＝0.3时，系统能够恢复到故障前的状态；φ＝0.3时限流策略作用时间持续至6.6s左右。
通过Matlab程序进行相图分析，图6为φ分别取0.3和0时，利用相图程序解出的虚拟功角、虚拟功角变化率和逆变器电压幅值随时间变化的对比；图7为φ分别取0.3和0时，利用相图程序解出的虚拟功角变化率和逆变器电压幅值随虚拟功角变化的对比。相图分析程序的仿真结果表明，电流饱和角φ的取值与系统故障后能否恢复至原本状态有关，φ＝0时，系统不能恢复到故障前的状态；φ＝0.3时，系统能够恢复到故障前的状态；相图程序验证了Simulink模型的结论。通过建立状态方程并绘制相图，对引入饱和电流角φ的作用进行了验证，证明了引入饱和电流角φ可以提高系统的暂态稳定性。
从上述仿真结果来看，引入电流饱和角φ相比于未引入时，能够在相同的电压跌落程度下，使电压、相角恢复至故障前的水平，所提策略得到了很好的证明。
Claims (4)
1.一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在电压控制环中设计防积分器饱和模块，从而利用式(1)对限流策略下的积分器进行屏蔽：
式(1)中，Idref和Iqref分别为电压控制环输出的d轴和q轴电流参考值；Is为dq轴合成电流；Im为饱和电流最大值；y为防积分器饱和模块的输出，当输出为1时不屏蔽电压控制环的积分器，当输出为0时屏蔽电压控制环的积分器；
S2：引入电流饱和角并确定其最佳值：
定义电压源型变流器VSC的dq坐标系中d轴与电网电压的之间的角度δ′为虚拟功角，当电网正常运行时，由式(2)计算稳态下VSC输出的有功功率P和无功功率Q：
式(3)中，R和X分别为VSC与无穷大电网之间的等效电阻和等效电抗；U和E分别为公共耦合点电压幅值和电网电压幅值；
定义电流饱和角φ是饱和电流最大值Im与d轴的夹角；故障后，由式(3)计算VSC输出的有功功率：
式(3)中，P′为故障后VSC输出的有功功率；Esag为故障后电网电压降落的幅值；
利用式(4)电流饱和角φ的限制条件：
考虑短路比SCR的变化，利用式(5)得到电流饱和角φ的最佳值φopt：
式(5)中，SCRmin和SCRmax分别为短路比SCR的最大值和最小值；
S3：利用式(6)设计限流模块，通过对饱和电流角φ进行控制，从而实现对构网型VSC与无穷大电网所构成系统暂态稳定性的控制：
式(6)中，Idrefs和Iqrefs分别为限流模块输出的d轴和q轴电流参考值。
2.一种基于构网型VSC电流限制策略的暂态稳定性分析方法，其特征在于，利用相图对如权利要求1所述的构网型VSC与无穷大电网所构成系统的暂态稳定性进行分析，并包括如下步骤：
S4：基于限流模块和电流饱和角φ：
S4.1：利用式(7)得到VSC有功环路和无功环路的控制式：
式(7)中，ωvsc和ω0分别为VSC的输出频率和频率参考值；J为转动惯量；Dp为阻尼系数；Pref为VSC有功功率的参考值；Qref为VSC无功功率的参考值；Kq为无功积分系数；U0为VSC的电压参考值；s为拉普拉斯算子；
S4.2：由式(7)得到式(8)：
S4.3：令变量x1＝δ′，变量x2＝dδ′/dt，变量x3＝U，从而利用式(9)构建故障发生前的状态方程：
式(9)中，和/>分别表示x1、x2和x3关于时间的导数；
S4.4：利用式(10)构建故障发生后的状态方程：
S4.5：根据两个状态方程绘制相图，从而得到系统的暂态稳定性分析结果。
3.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1或2所述暂态稳定性控制和分析方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
4.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1或2所述暂态稳定性控制和分析方法的步骤。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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