CN117411098A - 一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，当并网点发生故障，故障检测信号lvrt_flag会由0置1，功角及虚拟电势生成层输出均锁定为额定值，计算有功功率参考值和无功功率参考值并代入准静态控制数学模型得出虚拟电阻和虚拟电感，更新电流控制模型中由上述所得虚拟电阻和虚拟电感；并网点故障清除，故障检测信号lvrt_flag由1置0。本发明的有益效果为：本发明所提故障期间同步方式将自适应的使基于虚拟同步发电机算法的逆变器与电网保持同步运行，并且根据电压跌落动态自适应调整虚拟导纳大小以提高系统功率支撑能力，改善了传统直接冻结同步积分器保持同步和基于模式切换方式限流弱化稳定性的缺点。

Description

一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法

技术领域

本发明涉及光伏储能虚拟同步发电机并网故障技术领域，具体为一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法。

背景技术

光伏储能虚拟同步发电机广泛应用于提升弱电网稳定性、频率调节及电压支撑，在弱电网故障期间其储能元件可被动应激为系统提供惯性支撑，但光伏储能虚拟同步发电机(PV-ESS-VSG)故障穿越能力较弱，不同于跟网型逆变器故障期间基于PLL的电网同步及限制参考电流实现故障穿越，基于虚拟同步发电机(VSG)的故障穿越策略需考虑如何限制故障期间暂态电流及在电网大扰动下功角失稳造成与电网失去同步。

为解决上述问题，通常采用在电流环中添加限流器、快速调整VSG虚拟电势等参数或结合虚拟导纳结构切换至电流限制控制模式以抑制低电压故障导致的换流器输出过电流问题，然而，基于过电流的VSG惯量支撑功率越限造成VSG功角失稳将使光伏电站脱网运行，因此，通常在VSG同步单元添加功角限幅器以提高换流器输出电流饱和下暂态稳定性。

在本发明中，基于同步发电机暂态稳定概念和方法(功角、功角特性曲线以及发电机励磁状态)，提出了一种故障期间保持同步的方法和计及电压跌落动态自适应限流的PV-ESS-VSG低电压故障穿越策略，所提出的方案将故障期间功角锁定以防止功角失稳，并根据平衡和不平衡电压跌落深度确定故障期间功率参考量并自适应调节虚拟导纳值以间接限制换流器输出电流，此外，该方案可在故障期间为系统自动提供无功支撑并确保PV-ESS-VSG系统稳定运行，适用于基于构网型控制的大型光伏电站可靠并网。

发明内容

针对现有VSG低电压故障穿越期间限流策略，本发明提供了一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，结合同步发电机的功角特性和励磁状态以防止VSG功角失稳，并为故障点提供所需无功功率支撑条件下限制输出电流。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，包括以下具体步骤：

1)当并网点发生故障，故障检测信号lvrt_flag会由0置1；

2)功角及虚拟电势生成层输出均锁定为额定值；

3)计算有功功率参考值和无功功率参考值并代入准静态控制数学模型得出虚拟电阻和虚拟电感；

4)更新电流控制模型中由步骤3)所得虚拟电阻和虚拟电感；

5)并网点故障清除，故障检测信号lvrt_flag由1置0；

6)故障信号lvrt_flag下降沿触发重置积分器I₁，并将其初值更新为此刻同步控制层输出电角度，虚拟电势生成层输出解除锁定；

7)重复步骤3)和步骤4)的内容，使虚拟电阻和虚拟电感更新至稳态值。

进一步，步骤1)所述故障期间应补偿功率参考值公式为：

其中和/>分别为故障时应输出的有功功率和无功功率参考值，/>和为额定视在功率和其最大值，最大值取额定值的1.1倍。U'_g并网点电压标幺值，/>和分别为并网点电压负序分量标幺值。

进一步，步骤4)所述平衡电流控制中的虚拟导纳更新值公式为：

式中R_v'和L'_v分别为故障期间限流下的虚拟电阻和虚拟电感更新值，和/>分别为励磁电动势d轴和q轴分量，/>和/>分别为并网点电压正序分量标幺值。

进一步，步骤3)所述计算有功功率参考值和无功功率参考值的公式为：

其中R_v和L_v分别为虚拟电阻和虚拟电感，为防止变换器暂态期间因开关管通过大电流而损毁，且使其适应不同电网并提供功率支撑，按并网标准规定，故障期间以输出无功电流优先，通过环形限流器可计算有功电流参考值以保证逆变器不过流；

上式中和/>均为电流内环参考值，i⁺为正序输出额定电流标幺值，U'_g为并网点电压跌落后标幺值，/>为换流器在一定安全裕量下所能承受最大电流值，工程上一般取为1.1p.u.；

通常，故障期间换流器的无功功率补偿系数k₁和k₂被定义为：

故障期间网侧换流器最大视在功率根据额定电网电压U_g0及可传输的最大电流I_max进行调整，其表示为：

其中为正序额定视在功率，当网侧发生不对称电压跌落时换流器输出有功P_vsg和无功Q_vsg表达式为：

P_vsg、Q_vsg和分别为VSG有功、无功输出值和其正序参考值；

其中：

式(9)中，P_o,c2,s2为有功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，Q_o,c2,s2为无功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，分别为网侧电压和电流正序d轴和q轴分量，/>分别为网侧电压和电流负序d轴和q轴分量，正负序分量按陷波器提取，陷波器传递函数如下：

上式中s为微分算子，Q为陷波器的品质因子，其值大小与具体陷波效果设计有关。

进一步，所述网侧发生不对称跌落故障时，由式(8)可知换流器注入电网有功功率和无功功率均出现二倍频波动，而式(9)中4个输入量难以实现对6输出量进行控制，因此将包含两个自由量，通常情况可分为两种控制模式，分别为平衡电流控制和功率恒定控制，其中平衡电流控制为抑制换流器输出负序电流分量、提高注入网侧电流平衡能力，而功率恒定控制是为抑制电网功率二倍频波动，本文主要目的是抑制负序电流分量，因此不考虑无功功率二倍频波动，此外以抑制不对称电压跌落下负序电流(令)为目标下将功率参考值与d、q轴电流关联可得：

结合(3)、(7)以及(11)可以得故障期间虚拟导纳：

上式中R_v'和L'_v为步骤4)中限流策略下虚拟电阻和虚拟电感的更新值；

进一步可以得到

由式(13)可知，本发明在故障期间基于电压跌落程度注入正序有功电流和补偿正序无功电流实际上变为直接调节虚拟导纳大小，这种动态自适应调节虚拟导纳的方式可有效抑制故障期间暂态电流，同时抑制故障模式切换下造成的冲击电流，此外该方法同样适用于对称故障，对称故障下功率参考值根据式(7)自适应调节。

与现有技术相比，本申请的技术方案具备以下有益效果：

(1)本发明所提故障期间同步方式将自适应的使VSG与电网保持同步运行，改善了传统直接冻结积分器I₁同步方式弱化稳定性的缺点；

(2)本发明基于传统同步发电机功角与励磁特性进行分析，证明故障期间变有功参考值可改善换流器功角稳定，储能系统提供惯量支撑功率的前提下锁定功角与虚拟内电势以加强VSG并网故障下的穿越能力；

(3)本发明所提自适应限流方法可自动适应电压跌落值，无需设定额外的故障穿越模式，避免了模式切换时VSG控制输出量与实际测量值之间存在的不确定性；

(4)本发明结合平衡与不平衡故障的特点，将虚拟导纳与有功、无功参考值相结合提供无功支撑并限制并网点电流，仿真结果表明本发明提出的计及电压跌落动态自适应限流的PV-ESS-VSG故障穿越方法在平衡与不平衡电压跌落故障中具有良好的穿越与限流能力。

附图说明

图1为本发明控制原理图；

图2为本发明VSG同步控制层与VSG虚拟电势生成图；

图3为本发明环形限流器结构图；

图4为本发明自适应虚拟导纳限流图；

图5为本发明故障状态正负序控制图；

图6为本发明三种不同同步方式下功角变化图；

图7为本发明传统基于有功优先限流方法图；

图8为本发明变有功参考下所提出自适应限流方法图；

图9为本发明光储VSG有功出力及直流链路电压波形图；

图10为本发明电压跌落期间虚拟导纳自适应调节结果图；

图11为本发明电压跌落期间并网点电压和输出电流的输出波形图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-11，本实施例中的一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，包括以下具体步骤：

1)当并网点发生故障，故障检测信号lvrt_flag会由0置1；

2)功角及虚拟电势生成层输出均锁定为额定值；

3)计算有功功率参考值和无功功率参考值并代入准静态控制数学模型得出虚拟电阻和虚拟电感；

4)更新电流控制模型中由步骤3)所得虚拟电阻和虚拟电感；

5)并网点故障清除，故障检测信号lvrt_flag由1置0；

6)故障信号lvrt_flag下降沿触发重置积分器I₁，并将其初值更新为此刻同步控制层输出电角度，虚拟电势生成层输出解除锁定；

7)重复步骤3)和步骤4)的内容，使虚拟电阻和虚拟电感更新至稳态值。

步骤1)故障期间应补偿功率参考值公式为：

其中和/>分别为故障时应输出的有功功率和无功功率参考值，/>和为额定视在功率和其最大值，最大值取额定值的1.1倍。U'_g并网点电压标幺值，/>和分别为并网点电压负序分量标幺值。

步骤4)平衡电流控制中的虚拟导纳更新值公式为：

式中R_v'和L'_v分别为故障期间限流下的虚拟电阻和虚拟电感更新值，和/>分别为励磁电动势d轴和q轴分量，/>和/>分别为并网点电压正序分量标幺值。

为防止故障期间功角失稳使光伏电站脱网运行和VSG进入过励磁状态使故障清除时由无功环形成的过电流，考虑限流情况下改变原有功角曲线平衡方式，需使故障期间功角保持在额定值，故障期间有功功率调节缓慢，而无功功率急需迅速补偿，因此仅改变有功参考值会造成故障初期过流，本发明将同步控制环VSG有功环输出积分器I₁后添功角限制环节，故障发生时将自动将功角限制在额定值使VSG与电网保持同步，当检测到故障信号下降沿时将积分器I₂初值重置为此刻同步控制层输出值θ。

无功功率环引入的无功功率负反馈使虚拟电动势减小以避免过励磁，但将限制故障期间逆变器无功支撑能力，为使故障期间VSG虚拟内电势恒定，可按低电压穿越标准调节无功电流，在故障期间将无功功率环中无功参考值设为实测无功功率，并将无功电压下垂环中电压额定值设为实测电压额定值。

上述方法为故障期间使VSG与电网保持同步的方法，也是技术实施阶段一，具体如图2。

阶段一为VSG维持故障期间同步的方法，阶段二还需基于阶段一方法综合考虑对称和不对称故障限流问题，基于准静态模型模拟虚拟导纳生成正序参考电流表示为：

其中R_v和L_v分别为虚拟电阻和虚拟电感，为防止变换器暂态期间因开关管通过大电流而损毁，且使其适应不同电网并提供功率支撑，按并网标准规定，故障期间以输出无功电流优先，通过环形限流器可计算有功电流参考值以保证逆变器不过流；

为防止变换器暂态期间因开关管通过大电流而损毁，且使其适应不同电网并提供功率支撑，按并网标准规定，故障期间以输出无功电流优先，通过环形限流器可计算有功电流参考值以保证逆变器不过流，环形限流器结构如图3。

上式中和/>均为电流内环参考值，i⁺为正序输出额定电流标幺值，U'_g为并网点电压跌落后标幺值，/>为换流器在一定安全裕量下所能承受最大电流值，工程上一般取为1.1p.u.；

通常，故障期间换流器的无功功率补偿系数k₁和k₂被定义为：

故障期间网侧换流器最大视在功率根据电网电压U_g0及可传输的最大电流I_max进行调整，其表示为：

其中为正序额定视在功率，当网侧发生不对称电压跌落时换流器输出有功P_vsg和无功Q_vsg表达式为：

P_vsg、Q_vsg和分别为VSG有功、无功输出值和其正序参考值；

其中：

式(9)中，P_o,c2,s2为有功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，Q_o,c2,s2为无功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，分别为网侧电压和电流正序d轴和q轴分量，/>分别为网侧电压和电流负序d轴和q轴分量，正负序分量按陷波器提取，陷波器传递函数如下：

上式中s为微分算子，Q为陷波器的品质因子，其值大小与具体陷波效果设计有关。

当网侧发生不对称跌落故障时，由式(8)可知换流器注入电网有功功率和无功功率均出现二倍频波动，而式(9)中4个输入量难以实现对6输出量进行控制，因此将包含两个自由量，通常情况可分为两种控制模式，分别为平衡电流控制和功率恒定控制，其中平衡电流控制为抑制换流器输出负序电流分量、提高注入网侧电流平衡能力，而功率恒定控制是为抑制电网功率二倍频波动，本文主要目的是抑制负序电流分量，因此不考虑无功功率二倍频波动，此外以抑制不对称电压跌落下负序电流(令)为目标下将功率参考值与d、q轴电流关联可得：

结合(3)、(7)以及(11)可以得故障期间虚拟导纳：

上式中R_v'和L'_v为步骤4)中限流策略下虚拟电阻和虚拟电感的更新值；

进一步可以得到

由式(13)可知，本发明在故障期间基于电压跌落程度注入正序有功电流和补偿正序无功电流实际上变为直接调节虚拟导纳大小，这种动态自适应调节虚拟导纳的方式可有效抑制故障期间暂态电流，同时抑制故障模式切换下造成的冲击电流。此外该方法同样适用于对称故障，对称故障下功率参考值根据式(7)自适应调节，具体的技术方案如图4。

根据前述关于故障期间的穿越方法，图5为故障下的正负序控制的框图，它是图1所划分C区域的扩展。首先，分别采集并网点电压U_{abc_grid}和电流I_{abc_grid}并依次通过序分量分离模块、坐标变换模块以及陷波器获得正序、负序的电压和电流。负序d轴和q轴的参考电流设置为0，以抑制系统产生负序电流达到平衡输出电流的目的。最后，通过准比例谐振控制器(QPRC)生成a,b,c三相SPWM调制波并对三相桥进行控制以提高PV-ESS-VSG的穿越能力，下面给出QPRC的传递函数G_QPR(s)。

式中k_p为比例系数，k_r为谐振系数，ξ为阻尼系数。

为验证故障期间同步方法与暂态过电流抑制策略有效性，图6-8为0.5s:1s期间并网点电压跌落至0.2p.u.的对称故障仿真波形。从图6观察到定有功参考值同步控制中虚拟功角在0.5s处呈指数增大，变有功参考值同步的方法使虚拟功角迅速减小至6.6rad再缓慢增加，而所提出的同步控制方法使故障期间的功角保持不变仿真结果说明故障期间变有功功率参考值可以有效抑制VSG功角失稳，提升了故障期间的同步能力。

此外，为考察对称故障期间暂态过电流的抑制，本发明分别对传统基于有功优先的限流策略和变有功参考下所提出自适应限流策略进行仿真测试。从图7可以观察到，电网故障期间并网点电压跌落至0.2p.u.且换流器d轴电流和输出电流峰值均被限制在1.1p.u.，但仅向网侧注入少量q轴电流和无功功率。与前述不同的是，图8中换流器自适应的为电网补偿了更多的无功功率。因此，本发明所提出的自适应限流方法可以在故障期间为系统提供无功功率支撑条件下有效抑制过电流。

为进一步验证故障期间及环境变化时ESS功率平衡能力，将仿真时间分为三个阶段进行测试，阶段一在0.5:1s时设置电压跌落值为0.2p.u.的对称故障，阶段二在1.5:2s时将光照辐射度降低一半(光伏输出功率减半)，阶段三在2.5s:3s时将光伏切出(光伏输出功率置0)。图9显示稳态期间光伏出力为1.5p.u.、换流器和储能输出功率分别为1p.u.和-0.5p.u.，此时直流母线电压幅值为1p.u.(800V)。阶段一中换流器有功功率降低至0.2p.u.，储能输出功率和直流母线电压幅值分别为-1.3p.u.和806V，阶段二和阶段三中光伏出力分别减少至0.75p.u.和0p.u.，相应的储能出力分别为0.25p.u.和1p.u.，直流母线电压幅值分别为798V和795V。仿真结果说明不论故障还是环境变化，储能系统都能自适应的为VSG提供惯量支撑功率以提高新能源发电的可靠性。

图11展示A相跌落至0.2pu条件下并网点电压和输出电流的输出波形，故障期间输出电流I_abc被限制在1.1p.u.而恢复阶段输出电流经小幅增加最终于1.3s时恢复至稳态，表现出良好的平滑穿越效果。

本发明的有益效果为：

(1)本发明所提故障期间同步方式将自适应的使VSG与电网保持同步运行，改善了传统直接冻结积分器I₁同步方式弱化稳定性的缺点；

(2)本发明基于传统同步发电机功角与励磁特性进行分析，证明故障期间变有功参考值可改善换流器功角稳定，储能系统提供惯量支撑功率的前提下锁定功角与虚拟内电势以加强VSG并网故障下的穿越能力；

(3)本发明所提自适应限流方法可自动适应电压跌落值，无需设定额外的故障穿越模式，避免了模式切换时VSG控制输出量与实际测量值之间存在的不确定性；

(4)本发明结合平衡与不平衡故障的特点，将虚拟导纳与有功、无功参考值相结合提供无功支撑并限制并网点电流，仿真结果表明本发明提出的计及电压跌落动态自适应限流的PV-ESS-VSG故障穿越方法在平衡与不平衡电压跌落故障中具有良好的穿越与限流能力。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)当并网点发生故障，故障检测信号lvrt_flag会由0置1；

2)功角及虚拟电势生成层输出均锁定为额定值；

3)计算有功功率参考值和无功功率参考值并代入准静态控制数学模型得出虚拟电阻和虚拟电感；

4)更新电流控制模型中由步骤3)所得虚拟电阻和虚拟电感；

5)并网点故障清除，故障检测信号lvrt_flag由1置0；

6)故障信号lvrt_flag下降沿触发重置积分器I₁，并将其初值更新为此刻同步控制层输出电角度，虚拟电势生成层输出解除锁定；

7)重复步骤3)和步骤4)的内容，使虚拟电阻和虚拟电感更新至稳态值。

2.如权利要求1所述的一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，其特征在于：步骤1)所述故障期间应补偿功率参考值公式为：

其中和/>分别为故障时应输出的有功功率和无功功率参考值，/>和/>为额定视在功率和其最大值，最大值取额定值的1.1倍。U'_g并网点电压标幺值，/>和/>分别为并网点电压负序分量标幺值。

3.如权利要求1所述的一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，其特征在于：步骤4)所述平衡电流控制中的虚拟导纳更新值公式为：

式中R_v'和L'_v分别为故障期间限流下的虚拟电阻和虚拟电感更新值，和/>分别为励磁电动势d轴和q轴分量，/>和/>分别为并网点电压正序分量标幺值。

4.如权利要求1所述的一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，其特征在于：步骤3)所述计算有功功率参考值和无功功率参考值的公式为：

其中R_v和L_v分别为虚拟电阻和虚拟电感，为防止变换器暂态期间因开关管通过大电流而损毁，且使其适应不同电网并提供功率支撑，按并网标准规定，故障期间以输出无功电流优先，通过环形限流器可计算有功电流参考值以保证逆变器不过流；

上式中和/>均为电流内环参考值，i⁺为正序输出额定电流标幺值，U'_g为并网点电压跌落后标幺值，/>为换流器在一定安全裕量下所能承受最大电流值，工程上一般取/>为1.1p.u.；

通常，故障期间换流器的无功功率补偿系数k₁和k₂被定义为：

故障期间网侧换流器最大视在功率根据额定电网电压U_g0及可传输的最大电流I_max进行调整，其表示为：

其中为正序额定视在功率，当网侧发生不对称电压跌落时换流器输出有功P_vsg和无功Q_vsg表达式为：

P_vsg、Q_vsg和分别为VSG有功、无功输出值和其正序参考值；

其中：

式(9)中，P_o,c2,s2为有功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，Q_o,c2,s2为无功功率的直流分量、二次余弦分量和二次正弦分量，分别为网侧电压和电流正序d轴和q轴分量，/>分别为网侧电压和电流负序d轴和q轴分量，正负序分量按陷波器提取，陷波器传递函数如下：

上式中s为微分算子，Q为陷波器的品质因子，其值大小与具体陷波效果设计有关。

5.如权利要求4所述的一种基于电压跌落动态的自适应虚拟导纳限流方法，其特征在于：所述网侧发生不对称跌落故障时，由式(8)可知换流器注入电网有功功率和无功功率均出现二倍频波动，而式(9)中4个输入量难以实现对6输出量进行控制，因此将包含两个自由量，通常情况可分为两种控制模式，分别为平衡电流控制和功率恒定控制，其中平衡电流控制为抑制换流器输出负序电流分量、提高注入网侧电流平衡能力，而功率恒定控制是为抑制电网功率二倍频波动，本文主要目的是抑制负序电流分量，因此不考虑无功功率二倍频波动，此外以抑制不对称电压跌落下负序电流(令)为目标下将功率参考值与d、q轴电流关联可得：

结合(3)、(7)以及(11)可以得故障期间虚拟导纳：

上式中R_v'和L'_v为步骤4)中限流策略下虚拟电阻和虚拟电感的更新值；

进一步可以得到

由式(13)可知，本发明在故障期间基于电压跌落程度注入正序有功电流和补偿正序无功电流实际上变为直接调节虚拟导纳大小，这种动态自适应调节虚拟导纳的方式可有效抑制故障期间暂态电流，同时抑制故障模式切换下造成的冲击电流，此外该方法同样适用于对称故障，对称故障下功率参考值根据式(7)自适应调节。