CN116865541A - 电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，通过持续检测功率，将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，根据比较结果判断处于正常模式或故障模式；在故障模式下，通过基于优先级限流策略，保证了系统在电网电压跌落时电流不超过最大额定值，为在故障期间能够满足电网所需的无功功率以及保证系统在严重电压跌落时的限流效果，利用电网规范来调整有功和无功功率的参考，通过并网点电压标幺值计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT，经虚拟同步机控制输出Uref；虚拟同步机控制输出Uref输入电压环，经电压环输出的电流通过限流器再生成饱和的dq轴电流且输入电流环；最后电流环的输出经PWM后输入逆变器。
Description
技术领域
本发明涉及交流电力系统领域，尤其涉及电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法。
背景技术
传统的交流电力系统由同步发电机控制，其中电压和频率调节的主要控制目标分别通过励磁机控制和调速器控制来实现。低输出阻抗加上自动电压调节作用，使同步发电机接近理想的电压源，同时原动机的惯性特性在负载变化和故障等干扰期间，有助于保持频率在限值内。这种理想的电压源行为和高惯性是维持稳定电网的基本特征。在“双碳”的背景下，高比例新能源并入电网，高比例电力电子的使用，使得电力系统正在形成“双高”的发展趋势，而电力电子装置大部分缺乏传统同步发电机所拥有的旋转备用容量和转动惯量，导致电网缺乏惯量支撑使得新型电力系统的稳定性和可靠性面临挑战。
构网(Grid-Forming，GFM)控制技术可以提高变换器的电压、频率支撑能力，增强电力系统稳定性。构网型变流器与同步发电机类似，能够产生瞬时的交流电压。与基于锁相环的跟网型变换器有所不同，由于构网型变换器所呈现的电压源特性，其对电压故障非常敏感尤其是过流保护需要特别关注。相比之下，同步发电机可以承受超过其额定电流7倍的电流，而构网型变换器只能承受其额定电流1.2-1.4倍的过电流。如果尝试模仿同步发电机来提高其承受的过流能力，将需要非常大尺寸的电力电子原件产生大量的额外成本，其经济性降低。因此，通过软件来限制构网型变流器在大扰动下的过流对于提高构网型变流器的适用性以及其可靠运行是至关重要的。
现有技术中，有相关措施的提出，如采用电流限制策略可参考“M.Brucoli,T.C.Green and J.D.F.McDonald,"Modelling and Analysis of Fault Behaviour ofInverter Microgrids to Aid Future Fault Detection,"2007IEEE InternationalConference on System ofSystems Engineering,San Antonio,TX,USA,2007,pp.1-6,doi:10.1109/SYSOSE.2007.4304253.”等，但是该措施存在的缺陷是：电流限制策略由于其需要在电流内环上直接限制电流，会使得控制器出现饱和，电压外环以及功率环失效，进而导致故障清除时可能会因为外环失效而恢复不了。
如采用虚拟阻抗控制可参考“T.Qoria,F.Gruson,F.Colas,G.Denis,T.Prevost,and X.Guillaud,“Critical clearing time determination and enhancement of grid-forming convert-ers embedding virtual impedance as current limitationalgorithm,”IEEE J.Emerg.Selected Topics Power Electron.,vol.8,no.2,pp.1050–1061,Jun.2020.”等，但是该措施存在的缺陷是：电压限制器通过修改外环控制产生的参考电压来实现电流幅值限制，电压限制是根据每相电流计算的。这种限压器实现简单，但引入了非正弦相电流，另外为了确保故障恢复能力，需要对外环控制器进行适当的抗饱和设计。
如采用电压限制器可参考“J.M.Bloemink and M.R.Iravani,“Control of amultiple source micro-grid with built-in islanding detection and currentlimiting,”IEEE Trans.Power Del.,vol.27,no.4,pp.2122–2132,Oct.2012.”等，但是该措施存在的缺陷是：虚拟阻抗方法利用电流差值与虚拟阻抗比例增益和虚拟阻抗比提供虚拟阻抗，响应效果有限，在故障初始阶段容易出现暂态过电流的问题，而且故障形式的随机性，使得虚拟阻抗的设计成为问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，使得并网逆变器在电网出现对称短路故障时，能够及时响应电流的变化，避免了使用硬件设备，准确高效实现电流限制。针对电网电压跌落严重时系统失稳的问题，分析构网型并网逆变器在电网电压跌落时的功角变化，通过基于优先级限流策略，保证了系统在严重电压跌落时的限流效果；针对故障期间限流策略难以满足电网规范的故障电流输出目标，利用电网规范来调整有功和无功功率的参考，保证电力系统稳定运行。
本发明所采用的技术方案如下：
电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，包括如下步骤：
步骤1，持续检测功率，将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，根据比较结果判断处于正常模式或故障模式；
步骤2，在正常模式下，输入有功功率给定值Pref和无功功率给定值Qref，经虚拟同步机控制输出Uref依次经过电压环、电流环、PWM后输入逆变器；
步骤3，在故障模式下，并网点电压标幺值计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT，经虚拟同步机控制输出Uref；
步骤4，构建基于d轴优先级限流器，当切换为故障模式时，虚拟同步机控制输出Uref输入电压环，经电压环输出的电流通过限流器再生成饱和的dq轴电流且输入电流环；最后电流环的输出经PWM后输入逆变器。
进一步，基于d轴优先级的限流器设于电压环与电流环之间，且电压环配有电流检测模块，电流检测模块根据电压控制回路输出电流输出模式切换信号SW；正常模式下，电压控制回路输出电流/>直接输入电流环；故障模式下，电压控制回路输出电流/>通过限流器再生成饱和的dq轴电流，随后输入电流环。
进一步，所述步骤4中构建基于d轴优先级的限流器的方法如下：
步骤4.1，基于优先级控制策略表示为：
步骤4.2，当φ＝0时，即为基于d轴优先级的限流器的控制策略表示如下：
式中：表示饱和dq轴电流；/>表示电压控制回路输出；Imax表示变流器允许最大电流幅度；φ是自定义的恒定角度，表示电流矢量与d轴之间的角度，j为虚数单位，/> 分别为表示输入电流控制回路饱和的d轴和q轴电流。
进一步，步骤3在故障模式下计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT的方法为：
步骤3.1，当电网电压幅值跌落时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
步骤3.2，有功功率表示为：
式中：Upu是并网点电压标幺值；ST是电网发生故障后所允许的视在功率，ST＝U×Sn；U是电网电压标幺值，Sn是额定视在功率。
进一步，所述步骤1中的判断为：将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，当功率差值小于允许误差时，表明电网电压出现大幅度，此时为故障模式；反之为正常模式。
进一步，针对正常模式和故障模式的控制逻辑，采用S-R触发器产生切换信号，实现故障模式和正常模式之间的切换。
进一步，逆变器通过滤波器、变压器连接电网。
本发明的有益效果：
本发明提出的基于优先级限流策略和功率切换的混合控制方法结构简单，计算量小，实用性强。相比已有方法避免了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，避免地增加了逆变器成本。
当电网侧发生对称短路故障时，本发明能够快速检测到故障并且限流策略立刻起作用，将电流限制在允许电流值。为构网型逆变器的安全提供了保护，由于限流策略是一个固定的策略，可以适用于不同的故障情况，完全能够应对故障的随机性。相反虚拟阻抗方法由于其受到电压跌落的影响其设计可能会产生许多问题，适用性不强。
此外，在功率外环加入了动态的功率切换，能够满足新能源发电站在故障期间的无功支撑，满足国家对故障期间无功功率需要。同时通过功率的切换能够使得优先级限流策略更快的退出饱和状态，更好的延长了逆变器的使用寿命。
附图说明
图1是基于d轴优先级限流策略的过流限制控制图；
图2是模式切换信号控制逻辑；
图3是本发明构网型逆变器混合限流方法图；
图4是正常工况控制方法下三相输出电流示意图；
图5是正常工况控制方法输出电流幅值示意图；
图6是本发明三相输出电流示意图；
图7是本发明输出电流幅值示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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于解释本发明，并不用于限定本发明。
结合附图1-3所示，本申请所提出的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，包括如下步骤：
步骤1，持续检测功率，将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，根据比较结果判断处于正常模式或故障模式。
在本实施例中，将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，当功率差值小于允许误差时，表明电网电压出现大幅度，此时为故障模式；反之为正常模式。
在本实施例中，正常模式和故障模式的控制逻辑如图2所示，采用S-R触发器产生切换信号，当切换信号为“1”时，运行在正常模式，当切换信号为“0”时，运行在故障模式。
在本实施例中，当电网电压标幺值低于0.9时输出高电平向S-R触发器的S端口发送“1”，使切换信号置“0”。将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，当功率差值小于允许误差时表明电网电压出现大幅度，向R端口发送“0”此时切换信号置“1”，进入故障模式。
步骤2，在正常模式下，输入有功功率给定值Pref和无功功率给定值Qref，经虚拟同步机控制输出Uref依次经过电压环、电流环、PWM后输入逆变器。
在本实施例中，当处于正常模式下，可以根据实际电网的需求设定Pref和Qref的取值。
步骤3，在故障模式下，并网点电压标幺值计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT，经虚拟同步机控制输出Uref；
步骤4，构建基于d轴优先级限流器，当切换为故障模式时，虚拟同步机控制输出Uref输入电压环，经电压环输出的电流通过限流器再生成饱和的dq轴电流且输入电流环；最后电流环的输出经PWM后输入逆变器。
在本实施例中，构建基于d轴优先级的限流器的方法如下：
步骤4.1，基于优先级控制策略表示为：
式中：表示饱和dq轴电流；/>表示电压控制回路输出；Imax表示变流器允许最大电流幅度；φ是自定义的恒定角度，表示电流矢量与d轴之间的角度，j为虚数单位。
步骤4.2，当φ＝0时，即为基于d轴优先级的限流器的控制策略表示如下：
式中，分别为表示输入电流控制回路饱和的d轴和q轴电流。
基于d轴优先级的限流器设于电压环与电流环之间，且电压环配有电流检测模块，电流检测模块根据电压控制回路输出电流输出模式切换信号SW。在工作过程中，本发明提出的基于d轴优先级方法通过持续的监测电流值，一旦检测到电流超过最大允许电流值，即切换为过电流模式如图1所示。图1中，/>表示饱和dq轴电流；/>表示电压控制回路输出电流，SW为模式切换信号。当切换为故障模式时电压环输出电流将通过限流器再生成饱和的dq轴电流，即公式(2)。
在本实施例中，在故障模式下计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT的方法为：
步骤3.1，本发明在电网故障时使功率给定值随着电网电压的降低而降低。根据GB/T19964-2012要求，当电网电压幅值跌落时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
式中：Upu是并网点电压标幺值；ST是电网发生故障后所允许的视在功率，其表达式为：
ST＝U×Sn (4)
式中：U是电网电压标幺值，Sn是额定视在功率。
步骤3.2，由(3)和(4)可得到有功功率计算式：
在本实施中，基于本发明提出的电网故障下基于优先级限流器和功率切换的混合控制方法的逆变器结构如图3所示。逆变器通过滤波器，变压器连接电网。由SW选择工作模式，在正常模式下，依靠给定的功率参考经过控制环为电网提供电压支撑，在故障模式，根据电网规范的规定计算出功率参考，在保证逆变器不存在电流过大问题的前提下提供电压支撑。
为了验证本发明方法的可行性及效果，本发明在Matlab/Simulink软件中搭建了如图3所示的逆变器系统，系统参数如表1所示。
表1
图4和图5为正常工况控制方法的仿真结果，设定在仿真时间1s时发生对称短路故障后，三相输出电流迅速上升，并在短时间内到达构网型变流器输出限幅，然后开始进行长时间的等幅振荡；在1.1s时故障恢复后，三相输出电流也未恢复到额定值，同时频率逐渐下降，最终发生失稳。可见，构网型变流器正常工况下无法承受对称短路故障带来的冲击，极易产生巨大过电流引发失稳。
图6和图7为本实施例中所提出的方法的仿真结果，设定在仿真时间1s时发生对称短路故障后，三相输出电流在经历短暂暂态过程后迅速稳定在1.2倍电流额定值附近并平稳运行，在暂态过程中，过电流也保持在1.2-1.39倍电流额定值区间，满足构网型变流器的安全运行条件；在1.2s时故障恢复后，三相输出电流迅速下降至电流额定值，未发生频率异常下降的情况，最后保持平稳运行。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，持续检测功率，将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，根据比较结果判断处于正常模式或故障模式；
步骤2，在正常模式下，输入有功功率给定值Pref和无功功率给定值Qref，经虚拟同步机控制输出Uref依次经过电压环、电流环、PWM后输入逆变器；
步骤3，在故障模式下，并网点电压标幺值计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT，经虚拟同步机控制输出Uref；
步骤4，构建基于d轴优先级限流器，当切换为故障模式时，虚拟同步机控制输出Uref输入电压环，经电压环输出的电流通过限流器再生成饱和的dq轴电流且输入电流环；最后电流环的输出经PWM后输入逆变器。
2.根据权利要求1所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，基于d轴优先级的限流器设于电压环与电流环之间，且电压环配有电流检测模块，电流检测模块根据电压控制回路输出电流输出模式切换信号SW；正常模式下，电压控制回路输出电流/>直接输入电流环；故障模式下，电压控制回路输出电流/>通过限流器再生成饱和的dq轴电流，随后输入电流环。
3.根据权利要求2所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，所述步骤4中构建基于d轴优先级的限流器的方法如下：
步骤4.1，基于优先级控制策略表示为：
步骤4.2，当φ＝0时，即为基于d轴优先级的限流器的控制策略表示如下：
式中：表示饱和dq轴电流；/>表示电压控制回路输出；Imax表示变流器允许最大电流幅度；φ是自定义的恒定角度，表示电流矢量与d轴之间的角度，j为虚数单位，/> 分别为表示输入电流控制回路饱和的d轴和q轴电流。
4.根据权利要求1、2或3所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，步骤3在故障模式下计算逆变器向电网注入的无功功率QT和有功功率PT的方法为：
步骤3.1，当电网电压幅值跌落时，要求逆变器向电网注入的无功功率为：
步骤3.2，有功功率表示为：
式中：Upu是并网点电压标幺值；ST是电网发生故障后所允许的视在功率，ST＝U×Sn；U是电网电压标幺值，Sn是额定视在功率。
5.根据权利要求2所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，所述步骤1中的判断为：将国家电网并网要求的功率与输入参考功率进行比较，当功率差值小于允许误差时，表明电网电压出现大幅度，此时为故障模式；反之为正常模式。
6.根据权利要求2所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，针对正常模式和故障模式的控制逻辑，采用S-R触发器产生切换信号，实现故障模式和正常模式之间的切换。
7.根据权利要求2所述的电网对称短路故障下构网型逆变器混合限流方法，其特征在于，逆变器通过滤波器、变压器连接电网。
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| CN117375447A (zh) * | 2023-10-24 | 2024-01-09 | 山东大学 | 一种构网型变流器的相角限幅控制方法及系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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