CN116914832B - 一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，属于功率变换器控制技术领域，本发明通过该方法首先采用额定频率或频率自适应滤波的锁相环，提取并网点相角、频率和电压幅值信息；然后将频率/电压与额定值作差，经过控制器得到有功/无功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进控制器的系数；其次根据不同参考电流原始参考值和并网点电压偏离额定值的程度，对并网系统运行情况进行分类；然后针对并网系统的不同运行情况，采用参考电流连续平滑的计算方法，生成采用的参考电流；再针对不同的电网强度，采用不同的参考电流权重系数计算方法；最后由电流内环控制器计算得到并网变流器各个桥臂的调制信号。

Description

一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法

技术领域

本发明属于功率变换器控制技术领域，具体涉及一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法。

背景技术

随着风电、光伏等新能源发电接入规模的提高，新能源与电网间的关系越来越紧密，同时也使两者的相互影响日趋复杂。新能源发电系统主要以并网变流器作为电能接口接入电网，大规模电力电子变流器的接入改变了电网的动态特性，与之相关的动态问题也逐步显现。新能源接入电网的位置一般离主干电网较远，并网点与电网之间的阻抗不能忽略，新能源场站与主网之间存在不同强弱程度的连接的状态。根据新能源并网导则，并网变流器通常需要具备低电压穿越(LowVoltage Ride Through,LVRT)和频率/电压支撑能力。

在新能源并网系统中，当变电站汇集母线或主网母线等节点发生短路故障时，并网点电压幅值和相位会有比较大的波动，同时并网点电压又作为锁相环的输入来估计电网频率与相角，进一步加剧了新能源机组与电网的相互作用，增大了故障期间并网变流器同步失稳风险。若并网变流器通过主动从电力系统中脱网以确保自身机组和设备的安全，将造成电力系统出现更大的功率缺额，甚至导致局部地区的电网瓦解，对整个电力系统的安全稳定运行带来不容忽视的危害。

现有的低电压穿越控制方法在不同电网强度下的控制效果无法达到预期要求，当参考电流超出限幅时会在电压门限值附近产生较大的电流参考值抖动，进而引起机端电压的振荡，使得故障穿越期间并网系统不能稳定运行。

针对上述提出的问题，现提出一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，包括以下步骤：

根据并网系统不同运行状态，采用额定频率或频率自适应滤波的锁相环，提取并网点相角、频率和电压幅值信息；

将上述中的频率与额定值作差，经过频率控制器得到有功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数；

将上述电压幅值与额定值作差，经过电压控制器得到无功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数；

根据上述电流原始参考值，结合并网点电压偏离额定值的程度，对并网系统运行情况进行分类；

针对上述并网系统的不同运行情况，采用参考电流连续平滑的计算方法，生成采用的参考电流；

针对不同的电网强度，改进上述参考电流权重系数的计算方法；

由电流内环控制器计算得到并网变流器各个桥臂的调制信号。

进一步的，所述锁相环为采用基于双二阶广义积分器的锁相环，其输入频率为额定频率或锁相环输出频率，依据并网系统运行状态选取，用于实现并网点电压正负序的分离，快速准确获取并网点频率ω_g和相角θ_g，并通过坐标变换计算得到并网点电压幅值u_gm，具体步骤如下：

根据额定频率DSOGI与频率适应DSOGI的稳态和动态特性，并网系统在正常稳态运行时，采用额定频率DSOGI，使得故障时刻的频率测量快速跟随至系统的实际运行状态，在检测到故障并网点电压跌落瞬间，经过延迟之后，采用频率适应DSOGI，使得故障穿越期间电压幅值的测量没有偏差，在检测到故障清除进入恢复阶段的时刻，经过一定延迟之后再切换至额定频率DSOGI，使得频率与电压的测量响应快速进入新的稳态；

前置的DSOGI为滤波环节，用于提取输入信号的基波分量，并将正序分量分离出来；后置的PLL检测环节，输出并网点的频率与相位；

根据相角θ_g对并网点三相电压进行坐标变换得到dq轴的并网点电压u_gd、u_gq，电压幅值由下式计算得出：

进一步的，所述有功电流原始参考值的计算方法如下：

将获取的并网点频率与额定频率作差，经过一阶低通滤波器得到附加的参考有功电流i_gd1 ^*，将其叠加至原来的有功参考电流i_gd0 ^**上，得到有功电流原始参考值i_gd0 ^*，如下式所示：

式中，k_ω为滤波器增益系数，T_d为滤波器时间常数；

根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数，在电网较强的情况下k_ω与T_d取较小的值，在电网较弱的情况下k_ω与T_d取较大的值。

进一步的，所述无功电流原始参考值的计算方法如下：

将获取的并网点电压幅值u_gm与额定电压幅值u_gm0作差，经过滞环控制与比例积分调节器得到无功电流原始参考值，如下式所示：

式中，k_pu和k_iu分别为电压控制器的比例、积分系数；

根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数，在电网较强的情况下k_pu与k_iu取较小的值，在电网较弱的情况下k_pu与k_iu取较大的值。

进一步的，所述分类为对电流原始参考值与电压幅值进行情况分类，首先依据并网变流器容量的限制对采用的电流参考值进行限幅：

式中，I_max为额定工况下变流器能输出的最大电流幅值；

对于并网点电压幅值，取其正常范围：

0.9≤u_{gm_pu}≤1.1

式中，u_{gm_pu}为并网点电压幅值的标幺值；

针对不同的电流原始参考值与电压幅值，将系统的运行分为以下三种情况：

(1)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2≤I_max ²

(2)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,0.9≤u_gm__pu≤1.1

(3)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,u_{gm_pu}<0.9或u_{gm_pu}>1.1。

进一步的，对于并网系统的不同运行情况，参考电流连续平滑的计算方法如下：

对于上述情况(1)，电流原始参考值小于限幅值，采用的电流参考值保持原始参考值不变：

对于上述情况(2)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值在正常范围内，将电流原始参考值按其比例进行缩放，即进行等比例归一化，有功电流与无功电流的权重系数相等，表达式如下：

对于上述情况(3)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值偏离正常范围，为使其快速恢复，增大无功电流的权重系数k_q，再考虑到情况(3)与情况(2)切换时，参考电流计算的平滑连续性，k_q应为关于电压幅值的函数，采用的参考电流表达式如下：

进一步的，所述无功参考电流权重系数k_q计算的依据为电网的强弱程度，即并网系统的短路比，具体步骤如下：

当SCR大于3时，k_q的表达式如下：

其中，k₁、k₂均为大于0的系数，满足：

当SCR在1到3之间时，应使k_q的值更大且变化速率更快，其表达式如下：

其中，k₁’、k₂’均为二次项系数，满足：

进一步的，并网变流器各个桥臂的调制信号通过采用有功、无功电流参考值，基于并网变流器的数学模型，经过电流控制器、前馈补偿和交叉解耦得到。

本发明的有益效果：

1、本发明提出的适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，可以快速准确地提取并网点的相角、频率和电压信息，有效抑制电网谐波的影响，具有优异的动态性能和稳态精度；

2、本发明提出的适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，所设计的频率、电压控制器可以实现并网系统的暂态支撑控制；

3、本发明提出的适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，可以实现不同电网强度下并网变流器在低电压故障穿越期间系统的平稳运行，提高并网变流器对电网的暂态支撑能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提不同电网强度下并网系统的低电压穿越控制框图

图2是新能源并网系统的拓扑结构；

图3是本发明所提的不同情况下的电流矢量图；

图4是本发明所提的无功参考电流权重系数变化曲线图；

图5是采用传统方法的低电压穿越控制系统响应示意图；

图6是本发明实施例的低电压穿越控制系统响应示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，

本具体实施例基于新能源并网变流器控制系统，通过改进频率/电压控制器的参数以适应电网强度的变化，针对并网系统的不同运行情况，采用参考电流连续平滑的计算方法，并根据电网强度改进权重系数的变化规律，实现不同电网强度下并网变流器的低电压穿越控制。

如图1所示，一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，具体包括如下步骤：

S1、根据并网系统不同运行状态，采用额定频率或频率自适应滤波的锁相环，提取并网点相角、频率和电压幅值信息；

所述S1具体步骤如下：

采用基于双二阶广义积分器的锁相环(DSOGI-PLL)，其输入频率为额定频率(定频控制)或锁相环输出频率(频率适应)。当采用定频控制时，锁相环测量动态过程电压幅值响应变化比较平稳，频率响应快，超调量小，但是稳定之后幅值测量有静差，且随频率变化的增大而增大，无法准确测量非额定频率的负序分量；当采用频率适应时，锁相环测量动态过程电压幅值响应出现振荡，频率响应较慢，超调量大，但是稳定之后电压幅值测量没有静差，负序分量可以准确测量。

根据额定频率DSOGI与频率适应DSOGI的稳态和动态特性，综合利用两种锁相环的优点，采用如下测量方案：并网系统在正常稳态运行时，采用额定频率DSOGI，使得故障时刻的频率测量快速跟随至系统的实际运行状态；在检测到故障并网点电压跌落瞬间，经过一定延迟之后，采用频率适应DSOGI，使得故障穿越期间电压幅值的测量没有偏差；在检测到故障清除进入恢复阶段的时刻，经过一定延迟之后再切换至额定频率DSOGI，使得频率与电压的测量响应快速进入新的稳态。

前置的DSOGI为滤波环节，用于提取输入信号的基波分量，并将正序分量分离出来，滤波所得正交信号的复矢量表达式为：

式中，k_s为阻尼系数，ω_n’为双二阶广义积分器输入频率，u为输入的正交信号。在本例中，k_s的取值为1.626。

后置的PLL检测环节，输出并网点的频率ω_g与相位θ_g，根据得到的θ_g对并网点三相电压进行坐标变换得到dq轴的并网点电压u_gd、u_gq，电压幅值由下式计算得出：

S2、将S1中的频率与额定值作差，经过频率控制器得到有功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数；

所述S2具体步骤如下：

将S1中获取的并网点频率与额定频率作差，经过一阶低通滤波器得到附加的参考有功电流i_gd1 ^*，将其叠加至原来的有功参考电流i_gd0 ^**上，得到有功电流原始参考值i_gd0 ^*，如下式所示：

式中，k_ω为滤波器增益系数，T_d为滤波器时间常数；

根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数，在电网较强(短路比较大)的情况下k_ω与T_d取较小的值，在电网较弱(短路比较小)的情况下k_ω与T_d取较大的值。在本例中，采用如下计算方法：

S3、将S1中的电压幅值与额定值作差，经过电压控制器得到无功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数；

所述S3具体步骤如下：

将S1中获取的并网点电压幅值u_gm与额定电压幅值u_gm0作差，经过滞环控制与比例积分调节器得到无功电流原始参考值，如下式所示：

式中，k_pu和k_iu分别为电压控制器的比例、积分系数；

根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数，在电网较强(短路比较大)的情况下k_pu与k_iu取较小的值，在电网较弱(短路比较小)的情况下k_pu与k_iu取较大的值。在本例中，采用如下计算方法：

S4、根据S2、S3中得到的电流原始参考值，结合并网点电压偏离额定值的程度，对并网系统运行情况进行分类；

所述S4具体步骤如下：

依据并网变流器容量的限制对采用的电流参考值进行限幅：

式中，I_max为额定工况下变流器能输出的最大电流幅值；

对于并网点电压幅值，取其正常范围：

0.9≤u_{gm_pu}≤1.1

式中，u_{gm_pu}为并网点电压幅值的标幺值；

针对不同的电流原始参考值与电压幅值，将系统的运行分为以下三种情况：

(1)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2≤I_max ²

(2)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,0.9≤u_gm__pu≤1.1

(3)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,u_{gm_pu}<0.9或u_{gm_pu}>1.1

S5、针对S4中并网系统的不同运行情况，采用参考电流连续平滑的计算方法，生成采用的参考电流；

所述S5具体步骤如下：

对于S4中的情况(1)，电流原始参考值小于限幅值，采用的电流参考值保持原始参考值不变：

对于S4的情况(2)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值在正常范围内，将电流原始参考值按其比例进行缩放，即进行等比例归一化，有功电流与无功电流的权重系数相等，表达式如下：

此时的电流矢量图如图3(a)所示。

对于S4中的情况(3)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值偏离正常范围，为使其快速恢复，增大无功电流的权重系数k_q，再考虑到情况(3)与情况(2)切换时，参考电流计算的平滑连续性，k_q应为关于电压幅值的函数，采用的参考电流表达式如下：

此时的电流矢量图如图3(c)所示。

S6、针对不同的电网强度，改进S5中参考电流权重系数的计算方法；

所述S6具体步骤如下：

无功参考电流权重系数k_q计算的依据为电网的强弱程度，即并网系统的短路比(SCR)，当SCR大于3时，k_q的表达式如下：

其中，k₁、k₂均为大于0的系数，满足：

当SCR在1到3之间时，应使k_q的值更大且变化速率更快，其表达式如下：

其中，k₁’、k₂’均为二次项系数，满足：

无功参考电流权重系数随并网点电压幅值的变化曲线如图4所示。

S7、由电流内环控制器计算得到并网变流器各个桥臂的调制信号。

所述S7具体步骤如下：

采用S5中得到的有功、无功电流参考值，基于并网变流器的数学模型，对其进行控制。采用比例积分型电流内环控制器，并加入并网点电压前馈补偿与交叉解耦环节，计算得到并网变流器在dq轴下的参考值，如下所示：

式中，k_pi和k_ii分别为电流控制器的比例、积分系数，L_f为变流器附加电感；在本例中，取电流环带宽为300Hz，电流控制器的参数为：

k_pi＝0.0476,k_ii＝1.4957

表1给出了并网系统模型的关键仿真参数。

表1

图5展示了采用传统低电压穿越控制策略时，并网系统在稳态和动态下的仿真结果，可见，在电网电压跌落瞬间与恢复过程并网点电压都发生了振荡，频率有较大的波动，在并网点电压恢复至0.9pu且幅值保持正常后，其恢复至稳定状态，由于故障期间并网点电压幅值会在门限值上下波动，使得参考电流的计算值不连续，进而使并网电流和电压发生振荡，影响系统的稳定运行。图6展示了采用所提低电压穿越控制策略时，并网系统在稳态和动态下的仿真结果，可见，在整个故障穿越与恢复过程参考电流始终保持连续，没有发生跳变，并网点电压平稳过渡，没有发生振荡，并且迅速稳定恢复，保证了并网电流的稳定性。以上结果说明本方法在并网系统的低电压穿越过程具有优异的控制效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据并网系统不同运行状态，采用额定频率或频率自适应滤波的锁相环，提取并网点相角、频率和电压幅值信息；

将上述中的频率与额定值作差，经过频率控制器得到有功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数；

将上述电压幅值与额定值作差，经过电压控制器得到无功电流原始参考值，并根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数；

根据上述电流原始参考值，结合并网点电压偏离额定值的程度，对并网系统运行情况进行分类；

针对上述并网系统的不同运行情况，采用参考电流连续平滑的计算方法，生成采用的参考电流；

针对不同的电网强度，改进上述参考电流权重系数的计算方法；

由电流内环控制器计算得到并网变流器各个桥臂的调制信号；

所述锁相环为采用基于双二阶广义积分器的锁相环，其输入频率为额定频率或锁相环输出频率，依据并网系统运行状态选取，用于实现并网点电压正负序的分离，快速准确获取并网点频率ω_g和相角θ_g，并通过坐标变换计算得到并网点电压幅值u_gm，具体步骤如下：

根据额定频率DSOGI与频率适应DSOGI的稳态和动态特性，并网系统在正常稳态运行时，采用额定频率DSOGI，使得故障时刻的频率测量快速跟随至系统的实际运行状态，在检测到故障并网点电压跌落瞬间，经过延迟之后，采用频率适应DSOGI，使得故障穿越期间电压幅值的测量没有偏差，在检测到故障清除进入恢复阶段的时刻，经过一定延迟之后再切换至额定频率DSOGI，使得频率与电压的测量响应快速进入新的稳态；

前置的DSOGI为滤波环节，用于提取输入信号的基波分量，并将正序分量分离出来；后置的PLL检测环节，输出并网点的频率与相位；

根据相角θ_g对并网点三相电压进行坐标变换得到dq轴的并网点电压u_gd、u_gq，电压幅值由下式计算得出：

所述有功电流原始参考值的计算方法如下：

将获取的并网点频率与额定频率作差，经过一阶低通滤波器得到附加的参考有功电流i_gd1 ^*，将其叠加至原来的有功参考电流i_gd0 ^**上，得到有功电流原始参考值i_gd0 ^*，如下式所示：

式中，k_ω为滤波器增益系数，T_d为滤波器时间常数；

根据电网的强弱程度改进频率控制器的系数，在电网较强的情况下k_ω与T_d取较小的值，在电网较弱的情况下k_ω与T_d取较大的值；

所述无功电流原始参考值的计算方法如下：

将获取的并网点电压幅值u_gm与额定电压幅值u_gm0作差，经过滞环控制与比例积分调节器得到无功电流原始参考值，如下式所示：

式中，k_pu和k_iu分别为电压控制器的比例、积分系数；

根据电网的强弱程度改进电压控制器的系数，在电网较强的情况下k_pu与k_iu取较小的值，在电网较弱的情况下k_pu与k_iu取较大的值。

2.根据权利要求1所述的一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，所述分类为对电流原始参考值与电压幅值进行情况分类，首先依据并网变流器容量的限制对采用的电流参考值进行限幅：

式中，I_max为额定工况下变流器能输出的最大电流幅值；

对于并网点电压幅值，取其正常范围：

0.9≤u_{gm_pu}≤1.1

式中，u_{gm_pu}为并网点电压幅值的标幺值；

针对不同的电流原始参考值与电压幅值，将系统的运行分为以下三种情况：

(1)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2≤I_max ²

(2)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,0.9≤u_gm__pu≤1.1

(3)i_gd0 ^*2+i_gq0 ^*2>I_max ²,u_gm__pu<0.9或u_gm__pu>1.1。

3.根据权利要求2所述的一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，对于并网系统的不同运行情况，参考电流连续平滑的计算方法如下：

对于上述情况(1)，电流原始参考值小于限幅值，采用的电流参考值保持原始参考值不变：

对于上述情况(2)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值在正常范围内，将电流原始参考值按其比例进行缩放，即进行等比例归一化，有功电流与无功电流的权重系数相等，表达式如下：

对于上述情况(3)，电流原始参考值大于限幅值，电压幅值偏离正常范围，为使其快速恢复，增大无功电流的权重系数k_q，再考虑到情况(3)与情况(2)切换时，参考电流计算的平滑连续性，k_q应为关于电压幅值的函数，采用的参考电流表达式如下：

4.根据权利要求3所述的一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，无功参考电流权重系数k_q计算的依据为电网的强弱程度，即并网系统的短路比，具体步骤如下：

当SCR大于3时，k_q的表达式如下：

其中，k₁、k₂均为大于0的系数，满足：

当SCR在1到3之间时，应使k_q的值更大且变化速率更快，其表达式如下：

其中，k₁’、k₂’均为二次项系数，满足：

5.根据权利要求4所述的一种适应不同电网强度的并网变流器低电压穿越控制方法，其特征在于，并网变流器各个桥臂的调制信号通过采用有功、无功电流参考值，基于并网变流器的数学模型，经过电流控制器、前馈补偿和交叉解耦得到。