CN117096941B - 电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及新能源发电技术与控制技术领域，公开了电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法。本申请适应于电网深度故障时构网型新能源并网系统的功率控制器控制。具体的，在传统的虚拟同步机控制基础上增加了电压前馈控制路径，当电网发生故障时，采集无功环路积分器输出的电压偏差，然后与控制系数作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量，并且给出了控制系数的整定方法。有功功率环根据电网故障深度自适应调节并网点处电压相角的参考值，使新能源并网系统在故障期间形成新的平衡点以保持同步稳定性。本发明解决暂态条件下构网型新能源并网系统发生同步失稳的风险。新方法将自适应于不同电压跌落场景，实现小频率偏差下的同步稳定快速控制。

Description

电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法
技术领域
本申请涉及新能源发电技术与控制技术领域，例如涉及电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法。
背景技术
近年来。我国新能源发展十分迅猛。风光装机容量已跃居世界首位。新能源的大规模并网使得电力系统惯性大幅降低。为了解决该问题，引入了虚拟同步机（virtualsynchronous generator，VSG）控制技术。然而在暂态条件下，系统接纳新能源能量的水平被削弱，这甚至会造成新能源实际输出功率与功率设定值不平衡，进而造成同步失稳，后果十分严重。构网型新能源同步稳定控制成为了新能源领域亟待解决的科学问题。
根据技术特点不同，提高新能源暂态同步稳定性的方法主要有以下几种：①虚拟惯量修正法。减小虚拟同步机的虚拟惯量以增大系统的阻尼比，从而提高系统同步稳定性[1]。但这会导致新能源并网点电压频率与额定频率之间的频率偏差和变化率增大。惯性响应效果与同步稳定控制能力存在矛盾。②附加控制环路法。这种方法在不改变虚拟惯量的情况下，通过增加控制环路增大系统阻尼比[2-3]，从而达到同步稳定控制的效果。这种控制方式存在一个重要假设前提：电网电压跌落过程中，系统必须存在新的稳定平衡点。当电网电压跌落幅度较大时无法保证同步。③混合同步控制策略。这种方法通过控制模态切换，在暂态过程保证对系统无功电流的有效注入，以改善系统的电压跌落水平。在原理上可以增进系统的同步稳定裕度。但控制过程较为复杂，模态平滑切换与参数整定存在难题。综上所述，构网型新能源同步稳定控制方法仍有待于进一步改进，尤其是在不同电压跌落深度条件下参数自适应，以及同步稳定控制与并网点频率控制效果兼顾方面。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键／重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
本公开实施例提供了一种电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法，以解决暂态条件下构网型新能源发生同步失稳的风险。新方法将自适应于不同电压跌落场景，实现小频率偏差下的同步稳定快速控制。
包括：
步骤1：通过信号采集单元采集新能源并网控制的物理量，所述物理量包括逆变器输出电流、并网点电压、并网点电流，将采集到的物理量通过坐标轴变换得到其/>、/>轴分量。
步骤2：将得到的物理量、/>轴分量输入到功率计算单元，计算线路传输的瞬时有功功率和无功功率。
步骤3：将瞬时有功功率和无功功率输入到功率环控制单元，计算新能源并网点的电压参考值和相角参考值/>；所述功率环控制单元包括有功功率环和无功功率环，其中，在有功功率环中加入电压前馈控制路径，保持系统有功功率平衡。
步骤4：将新能源并网点的电压参考值和相角参考值/>输入到电压电流双闭环控制单元，得到PWM调制电压。
步骤5：通过脉宽调制单元将PWM调制电压得到逆变器的PWM控制信号。
在一些实施例中，所述方法包括：所述电压前馈控制路径将无功功率环计算得到的电压与参考电压幅值之差作为输入，与控制系数/>作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量。
在一些实施例中，所述方法包括：所述控制系数，具体如下：
步骤3-1：将有功功率参考值和输入有功功率/>输入有功功率环通过以下公式计算得到虚拟同步发电机角速度/>，具体公式如下：
；
其中，为虚拟转子转动惯量；/>为虚拟转子阻尼系数；/>为虚拟同步发电机角速度参考值。
步骤3-2：将有功功率环输出的输出通过积分器积分得到功率角/>；其中，；
步骤3-3：根据功率角和电网电压/>计算控制系数/>，具体公式如下：
；
其中，，/>为新能源并网点与系统之间的等值线路电感。
在一些实施例中，所述方法包括：所述电压与参考电压幅值差具体计算公式如下：
；
其中，表示无功功率参考值，/>表示无功功率，/>表示为无功积分系数，/>表示微分。
在一些实施例中，所述方法包括：所述新能源并网点的参考电压具体计算公式如下：
；
其中，表示电压幅值的参考值。
在一些实施例中，所述方法包括：所述公共点相角参考值具体计算公式如下：
；
其中，表示积分。
在一些实施例中，所述存储介质包括：所述程序指令在运行时，执行如权利要求1至6任一项所述的用于电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法。
本发明提供的一种电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法，可以实现以下技术效果：
本专利所发明的电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法，实现了根据电压跌落程度自适应调节系统有功功率的参考值，保持同步稳定性。在故障前后，系统始终保持有功功率平衡。新方法在保持同步稳定性的同时，也使得系统频率偏差和变化率很小，优于他法。此外，在故障清除后，新方法将有功功率参考值恢复到设定值，无需人为操作即可保证功率调节平衡。
以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
图1为传统的VSG控制结构框图；
图2为功角特性曲线；
图3为本专利所提改进VSG控制结构框图；
图4为新能源并网系统采用传统VSG控制策略的仿真波形图；
图5为新能源并网系统采用本专利所提VSG控制策略的仿真波形图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
传统的构网型虚拟同步控制策略如图1所示。其中，为新能源并网点电压，/>为电网电压，/>和/>分别为逆变器输出滤波器电感、电容，/>为新能源并网点与系统之间的等值线路电感，/>为逆变器输出电流，/>为并网电流。现有方法在不同电压跌落深度条件下难以实现参数自适应，且难以兼顾同步稳定控制与并网点频率控制效果。
如图2所示，虚拟同步机控制的本质是模拟同步发电机的功率输出特性，与之类似，其有功控制环路方程为：
；
式中：为虚拟转子转动惯量；/>为虚拟转子阻尼系数；/>和/>分别为虚拟同步发电机角速度和角速度参考值，/>和/>分别为有功功率参考值和输出有功功率。
构网型新能源接入电网后，其实际的输出功率还要受到线路阻抗、电网电压的约束。根据分析，电网可接纳的新能源有功功率为：
；
式中，。/>为系统功率角，等于/>。其中，/>为公共点电压相角，/>为电网电压相角。
在系统正常运行时，，如图2中的I型曲线所示，系统可以稳定运行在/>点。
在系统故障状态下，电网电压发生跌落。根据电压跌落后与/>是否存在交点，功角曲线可分为2类：II型曲线和III型曲线。
对于II型曲线，故障发生时，系统将从点切换到/>点。点/>和/>分别表示两个平衡点，对应的功角记为/>和/>。在暂态过程中，功角/>在不平衡功率作用下，/>加速向180°+方向移动。如果/>超过/>，/>会在不平衡功率作用下加速发散，这将导致VSG与电网的同步失稳。如果/>未超过/>，系统则稳定运行在/>点。
对于III型曲线，与/>直线不存在交点，系统在电压暂降发生后不存在平衡点。由于/>始终成立，运行点将从/>点沿着III型曲线向着/>增大的方向一直移动，VSG必将与电网失去同步。
实施例1
图3给出了本专利所提方法应用于新能源并网控制的结构框图。共分为5部分，如下：
（1）信号采集单元。负责采集逆变器输出电流，并网点电压、电流等物理量。并将采集到的各物理量通过坐标轴变换分别得到其/>、/>轴分量。
（2）功率计算单元。根据步骤（1）得到的物理量计算线路传输的瞬时有功功率和无功功率。
（3）功率环控制单元。根据步骤（2）得到的瞬时有功功率、无功功率计算得到电压幅值、相角参考值。该部分是实现同步稳定控制的核心单元，也是本专利创新之所在。专利方法在传统VSG控制基础上增加了电压前馈控制路径，该控制路径选择无功回路计算所得的电压与参考电压幅值之差作为输入，然后与控制系数作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量。包括功角计算模块1和/>值生成模块2。如图3所示。
功角计算模块1负责计算系统功率角。其输入端连接有功功率环的输出/>，通过积分器积分得到系统的功率角/>。
值生成模块2负责计算控制系数/>。通过公式（3）计算得到/>值。
（4）电压电流双闭环控制单元。根据步骤（3）得到的电压、相角参考值，利用本单元得到PWM的调制电压。本单元采用传统的电压电流双闭环控制结构。
（5）脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）单元。调制方法可选用SVPWM（SpaceVector Pulse Width Modulation）调制法。根据步骤（4）得到的PWM调制电压得到逆变器的PWM控制信号。
本专利在有功环路与无功环路间引入一条附加前馈控制路径。该控制路径选择无功回路计算所得的电压与参考电压幅值之差作为输入，然后与控制系数作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量。
通过引入前馈路径，使得有功环路在故障前后始终保持。系统功率环在此控制下不存在暂态过程。在此过程中，/>不会偏移，同时频率偏移误差也几乎为零，因此不会出现同步失稳现象。并且本专利所提方法只作用于故障期间，在稳态时，，前馈支路对有功环路的影响几乎为零，不会影响系统的稳态特性。
实施例2
所述电压前馈控制路径将无功功率环计算得到的电压与参考电压幅值之差作为输入，与控制系数/>作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量。
所述控制系数，具体如下：
步骤3-1：将有功功率参考值和输入有功功率/>输入有功功率环通过以下公式计算得到虚拟同步发电机角速度/>，具体公式如下：
；
其中，为虚拟转子转动惯量；/>为虚拟转子阻尼系数；/>为虚拟同步发电机角速度参考值。
步骤3-2：将有功功率环输出的输出通过积分器积分得到功率角/>；其中，。
步骤3-3：根据功率角和电网电压/>计算控制系数/>，具体公式如下：
；
其中，，/>为新能源并网点与系统之间的等值线路电感。
所述电压与参考电压幅值差具体计算公式如下：
；
其中，表示无功功率参考值，/>表示无功功率，/>表示无功积分系数，/>表示微分。
实施例3
所述新能源并网点电压参考值具体计算公式如下：
；
其中，表示电压幅值的参考值。
所述公共点相角参考值具体计算公式如下：
；
其中，表示积分。
实施例4
采用本专利改进的VSG控制结构，以一台典型参数下的45kW新能源并网系统为例，在0.8s处设置故障，电压跌落80%。传统的VSG控制在故障发生后出现同步失稳，如图4所示。采用本专利所提改进的VSG控制策略，在故障发生后，有功功率参考值在前馈控制支路作用下自适应调整，新能源保持与电网同步。通过图5观测到，新方法有效保证了系统的同步稳定性。
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。
附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (5)

1.一种电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过信号采集单元采集新能源并网控制的物理量，所述物理量包括逆变器输出电流、并网点电压、并网点电流，将采集到的物理量通过坐标轴变换得到其/>、/>轴分量；
步骤2：将得到的物理量、/>轴分量输入到功率计算单元，计算线路传输的瞬时有功功率和无功功率；
步骤3：将瞬时有功功率和无功功率输入到功率环控制单元，计算新能源并网点的电压参考值和相角参考值/>；所述功率环控制单元包括有功功率环和无功功率环，其中，在有功功率环中加入电压前馈控制路径，保持系统有功功率平衡；
步骤4：将新能源并网点的电压参考值和相角参考值/>输入到电压电流双闭环控制单元，得到PWM调制电压；
步骤5：通过脉宽调制单元将PWM调制电压得到逆变器的PWM控制信号；
所述电压前馈控制路径将无功功率环计算得到的电压与参考电压幅值之差作为输入，与控制系数/>作积，输出值作为有功功率环的前馈控制量；
所述控制系数，具体如下：
步骤3-1：将有功功率参考值和输入有功功率/>输入有功功率环通过以下公式计算得到虚拟同步发电机角速度/>，具体公式如下：
；
其中，为虚拟转子转动惯量；/>为虚拟转子阻尼系数；/>为虚拟同步发电机角速度参考值，/>表示微分；
步骤3-2：将有功功率环输出的输出通过积分器积分得到功率角/>；其中，；
步骤3-3：根据功率角和电网电压/>计算控制系数/>，具体公式如下：
；
其中，，/>为新能源并网点与系统之间的等值线路电感。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压与参考电压幅值差具体计算公式如下：
；
其中，表示无功功率参考值，/>表示无功功率，/>表示为无功积分系数，/>表示微分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述新能源并网点的电压参考值具体计算公式如下：
；
其中，表示电压幅值的参考值。
4.根据权利要求2或3任一所述的方法，其特征在于，所述相角参考值具体计算公式如下：
；
其中，表示积分。
5.一种存储介质，存储有程序指令，其特征在于，所述程序指令在运行时，执行如权利要求1至4任一项所述的电压跌落深度自适应的构网型新能源同步稳定控制方法。
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