CN117728434A - 一种基于虚拟阻抗的vsg故障穿越控制方法及系统 - Google Patents

一种基于虚拟阻抗的vsg故障穿越控制方法及系统 Download PDF

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金庆忍
罗安
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彭也伦
莫枝阅
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俞小勇
帅智康
陈燕东
伍文华
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Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
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Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法及系统,本发明涉及配电网故障保护技术领域,包括建立主动支撑控制下的电压源型换流器在dq坐标系中的等效电路;建立故障穿越控制策略下的分布式电源VSC控制结构及模型;根据限制故障后的稳态电流,对虚拟阻抗进行设计;引入自适应算法,根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数。本发明在传统电压源型换流器控制策略的基础上引入了一阶暂态电压方程,有效提升了机组的无功电压支撑能力;本发明建立了支撑控制策略下的虚拟电抗控制模型设计方法,能够有效限制故障后的稳态电流;本发明的方法设计的虚拟阻抗,能够确保电压跌落期间的安全稳定运行。

Description

一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法及系统
技术领域
本发明涉及配电网故障保护技术领域,具体为一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法及系统。
背景技术
随着分布式新能源在各国电力系统中的广泛应用,分布式电源机组能否安全稳定运行成为如今热门的研究方向。当电力系统发生故障时,会威胁到机组的安全稳定运行,导致电力电子换流器发生故障,例如过电流、无功不足等问题。因此,加强新能源机组的低电压穿越能力变得尤为重要,亟需研究安全可靠的新能源机组低电压穿越控制策略。
目前,国内外研究人员针对电网中可能发生的各种故障都有所研究,并给出了相关的有效解决策略,在实际的运行中,电网中发生三相不对称故障的情况相对来说居多,但从对电力系统的危害大小来说,对称故障对于电网以及新能源机组的损害性更大。针对电网中的故障,目前已有许多研究给出有效的解决方法。传统虚拟同步发电机控制策略因其电压源外特性会出现严重过电流,功率不平衡产生的剩余功率会引发直流侧母线电压升高,无功支撑能力低下,导致低电压穿越失败。当前,VSG在新能源电力系统中的应用越来越普遍,VSG低电压穿越技术已取得一定的研究成果。
当在系统中发生三相对称短路故障时,由于新能源的不确定性及波动性,系统等效负荷的峰谷差骤变突增,导致电压跌落后输出的功率没有得到较好限制,系统调压困难系数上升,复杂的电磁变化会导致电力电子装备出现故障瞬时暂态过电流和故障后稳态过电流,功率不平衡产生的剩余功率会引发直流侧母线电压升高,无功支撑能力低下,严重时造成机组脱网运行,低电压穿越失败,对系统造成不可逆转的影响,根据国家标准要求,在低电压穿越过程中,新能源并网逆变器必须向电网提供足够的无功功率支撑。
现阶段,很多研究对系统恢复电压起不到足够的无功支撑的作用或没有考虑到变换器的限流问题。因此,需要一种电网电压跌落情况下安全稳定运行并向电网提供支撑的低电压穿越控制方法。
发明内容
鉴于上述存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明解决的技术问题是:解决故障穿越中的无功支撑不足和限流问题。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其包括如下步骤,
建立主动支撑控制下的电压源型换流器在dq坐标系中的等效电路;建立故障穿越控制策略下的分布式电源VSC控制结构及模型;根据限制故障后的稳态电流,对虚拟阻抗进行设计;引入自适应算法,根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述故障穿越控制策略包括构建同步发电机三阶模型控制器以及构建虚拟阻抗控制器。
所述构建同步发电机三阶模型包括,在励磁控制器中引入一阶暂态电压方程,构成同步发电机励磁环节简化模型,表示为,
其中,Δμ表示励磁电压偏差量,M表示下垂比例系数,Q表示积分常数,U表示励磁电压,Uref表示给定电压。
所述励磁电压μ与强制空载电动势Eq的关系表示为,
其中,xad为直轴电枢反应绕组电抗,rf为励磁绕组电抗,Kf为励磁比例系数。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述构建同步发电机三阶模型还包括,根据同步发电机的二阶转子运动方程及一阶暂态电压方程,建立同步发电机三阶模型,表示为,
其中,J为虚拟惯量,表示转子角速度的变化率,Pm表示机械功率,Pe表示电磁功率,Δω表示转子角速度与同步速度之间的差值,D为阻尼系数,ω表示发电机角速度,Δω为额定转速与实际转速的偏差,δ为发电机功角,/>表示转子角位移的变化率,Te为同步发电机励磁绕组的时间常数,Eq′为暂态电动势,Eq表示强制空载电动势,id表示直轴电流,xd表示直轴同步电抗,x′d表示直轴瞬变电抗。
根据引入虚拟阻抗环节的同步发电机模型建立故障穿越控制策略。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述对虚拟阻抗进行设计包括,考虑故障后的稳态电流Is,逆变器输出电压Uc、UF,设计虚拟阻抗值,构建虚拟电抗控制模型。
所述故障后的稳态电流Is,表示为,
其中,δg表示并网点跌落电压与逆变器内电势和并网点跌落电压之间压降的夹角,E表示逆变器内电动势,δg表示功角,UF表示电网电压跌落值,j表示虚数单位,Rv、Lv表示虚拟电阻和电抗,R0、L0表示虚拟电阻和电抗。
所述逆变器输出电压Uc与UF之间的夹角满足,
所述虚拟阻抗值表示为,
其中,ts表示电流系数,Lg表示加入虚拟阻抗后的电感值,IN表示标称电流,Rv和Lv表示虚拟电阻和电抗,R0表示变压器电阻,L0表示变压器的电感,M表示中间变量。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述构建虚拟电抗控制模型包括,引入虚拟阻抗的主动支撑控制,投入的虚拟电抗系数,表示为,
其中,x表示虚拟电抗系数,K表示虚拟电抗开关值,t1为虚拟电抗从零增加到最大值的调整系数,t2表示换流器达到峰值电流的时间。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述虚拟电抗开关值K包括虚拟电抗的不变部分Ku以及虚拟电抗的可变部分Ki
所述虚拟电抗的不变部分Ku表示为,
所述虚拟电抗的可变部分Ki表示为,
其中,I+表示正序电流,I-表示负序电流。
作为本发明所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的一种优选方案,其中:所述根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数包括,利用传感器和数据采集系统实时收集电网的各种参数,结合历史数据和实时数据,使用机器学习算法预测电网的短期内的变化趋势,根据实时数据和预测结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
本发明的另外一个目的是提供一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制系统,其能通过动态调整电力系统中的虚拟阻抗和电抗参数来快速响应电网故障,优化电网的稳定性和可靠性,解决了现有电力系统在面对大规模故障和负载波动时反应缓慢、控制不精准的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制系统,包括数据采集与监控模块、实时数据分析和处理模块以及自适应控制算法模块。
所述数据采集与监控模块实时收集电网的关键参数和系统状态数据。
所述实时数据分析和处理模块负责处理和分析收集的数据。
所述自适应控制算法模块根据实时数据和分析结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,其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执行时实现如上所述一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的步骤。
本发明的有益效果:本发明在传统电压源型换流器控制策略的基础上引入了一阶暂态电压方程,有效提升了机组的无功电压支撑能力;本发明建立了支撑控制策略下的虚拟电抗控制模型设计方法,能够有效限制故障后的稳态电流;本发明的方法设计的虚拟阻抗,能够确保电压跌落期间的安全稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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它的附图。
图1为本发明第一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的整体流程图。
图2为本发明第一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的基于同步发电机三阶模型的VSC的模型和控制结构图。
图3为本发明第一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的同步发电机三阶模型控制框图。
图4为本发明第一个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的虚拟电抗的控制流程图。
图5为本发明第二个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制系统的整体框架图。
图6为本发明第三个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的VSG输出电流波形。
图7为本发明第三个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的两种控制策略下的无功功率。
图8为本发明第三个实施例提供的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的两种控制策略下的有功功率。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通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,都应当属于本发明的保护的范围。
实施例1
参照图1~图4,为本发明的一个实施例,提供了一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:
S1:建立主动支撑控制下的电压源型换流器在dq坐标系中的等效电路。
S2:建立故障穿越控制策略下的分布式电源VSC控制结构及模型。
进一步的,故障穿越控制策略包括构建同步发电机三阶模型控制器以及构建虚拟阻抗控制器。
所述构建同步发电机三阶模型包括,在励磁控制器中引入一阶暂态电压方程,构成同步发电机励磁环节简化模型,表示为,
其中,Δμ表示励磁电压偏差量,M表示下垂比例系数,Q表示积分常数,U表示励磁电压,Uref表示给定电压。
所述励磁电压μ与强制空载电动势Eq的关系表示为,
其中,xad为直轴电枢反应绕组电抗,rf为励磁绕组电抗,Kf为励磁比例系数。
构建同步发电机三阶模型还包括,根据同步发电机的二阶转子运动方程及一阶暂态电压方程,建立同步发电机三阶模型,表示为,
其中,J为虚拟惯量,表示转子角速度的变化率,Pm表示机械功率,Pe表示电磁功率,Δω表示转子角速度与同步速度之间的差值,D为阻尼系数,ω表示发电机角速度,Δω为额定转速与实际转速的偏差,δ为发电机功角,/>表示转子角位移的变化率,Te为同步发电机励磁绕组的时间常数,Eq′为暂态电动势,Eq表示强制空载电动势,id表示直轴电流,xd表示直轴同步电抗,x′d表示直轴瞬变电抗。
S3:根据限制故障后的稳态电流,对虚拟阻抗进行设计。
对虚拟阻抗进行设计包括,考虑故障后的稳态电流Is,逆变器输出电压Uc、UF,设计虚拟阻抗值,构建虚拟电抗控制模型。
所述故障后的稳态电流Is,表示为,
其中,δg表示并网点跌落电压与逆变器内电势和并网点跌落电压之间压降的夹角,E表示逆变器内电动势,δg表示功角,UF表示电网电压跌落值,j表示虚数单位,Rv、Lv表示虚拟电阻和电抗,R0、L0表示虚拟电阻和电抗。
所述逆变器输出电压Uc与UF之间的夹角满足,
所述虚拟阻抗值表示为,
其中,ts表示电流系数,Lg表示加入虚拟阻抗后的电感值,IN表示标称电流,Rv和Lv表示虚拟电阻和电抗,R0表示变压器电阻,L0表示变压器的电感,M表示中间变量。
构建虚拟电抗控制模型包括,引入虚拟阻抗的主动支撑控制,投入的虚拟电抗系数,表示为,
其中,x表示虚拟电抗系数,K表示虚拟电抗开关值,t1为虚拟电抗从零增加到最大值的调整系数,t2表示换流器达到峰值电流的时间。
虚拟电抗开关值K包括虚拟电抗的不变部分Ku以及虚拟电抗的可变部分Ki
所述虚拟电抗的不变部分Ku表示为,
所述虚拟电抗的可变部分Ki表示为,
其中,I+表示正序电流,I-表示负序电流。
S4:引入自适应算法,根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数。
根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数包括,利用传感器和数据采集系统实时收集电网的各种参数,结合历史数据和实时数据,使用机器学习算法预测电网的短期内的变化趋势,根据实时数据和预测结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
实施例2
参照图2,为本发明的一个实施例,提供了一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的系统,一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制系统包括数据采集与监控模块、实时数据分析和处理模块以及自适应控制算法模块。
数据采集与监控模块实时收集电网的关键参数和系统状态数据。
实时数据分析和处理模块负责处理和分析收集的数据。
自适应控制算法模块根据实时数据和分析结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤,例如,可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表,可以具体实现在任何计算机可读介质中,以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言,“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序,然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解,本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
实施例3
本实施例中,为了验证本发明的有益效果,通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。本实施例旨在阐述一种先进的电力系统控制策略——基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法。我方发明通过动态调整虚拟阻抗和电抗参数,提高了电网在面对故障和波动时的稳定性和可靠性。如表1所示为我方发明采用的参数数值,本实施例将与传统的电力系统控制策略进行对比,以突出其优越性,如图5、6.、7所示采取本方案提出的控制策略,有效地限制了故障后的逆变器输出电流大小,同时有效地提高了逆变器输出的无功功率。
表1
物理量 数值 物理量 数值
电网电压额定幅值/V 311 电流系数ts 0.2
直流电压额定值/V 800 阻尼系数D 4.45
额定频率f/Hz 50 惯量J/kg.m2 0.4
线路电感L0/mH 8 线路电阻R0/ohm 0.1
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于,包括:
建立主动支撑控制下的电压源型换流器在dq坐标系中的等效电路;
建立故障穿越控制策略下的分布式电源VSC控制结构及模型;
根据限制故障后的稳态电流,对虚拟阻抗进行设计;
引入自适应算法,根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述故障穿越控制策略包括构建同步发电机三阶模型控制器以及构建虚拟阻抗控制器;
所述构建同步发电机三阶模型包括,在励磁控制器中引入一阶暂态电压方程,构成同步发电机励磁环节简化模型,表示为,
其中,Δμ表示励磁电压偏差量,M表示下垂比例系数,Q表示积分常数,U表示励磁电压,Uref表示给定电压;
所述励磁电压μ与强制空载电动势Eq的关系表示为,
其中,xad为直轴电枢反应绕组电抗,rf为励磁绕组电抗,Kf为励磁比例系数。
3.如权利要求2所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述构建同步发电机三阶模型还包括,根据同步发电机的二阶转子运动方程及一阶暂态电压方程,建立同步发电机三阶模型,表示为,
其中,J为虚拟惯量,表示转子角速度的变化率,Pm表示机械功率,Pe表示电磁功率,Δω表示转子角速度与同步速度之间的差值,D为阻尼系数,ω表示发电机角速度,Δω为额定转速与实际转速的偏差,δ为发电机功角,/>表示转子角位移的变化率,Te为同步发电机励磁绕组的时间常数,E′q为暂态电动势,Eq表示强制空载电动势,id表示直轴电流,xd表示直轴同步电抗,x′d表示直轴瞬变电抗;
根据引入虚拟阻抗环节的同步发电机模型建立故障穿越控制策略。
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述对虚拟阻抗进行设计包括,考虑故障后的稳态电流Is,逆变器输出电压Uc、UF,设计虚拟阻抗值,构建虚拟电抗控制模型;
所述故障后的稳态电流Is,表示为,
其中,δg表示并网点跌落电压与逆变器内电势和并网点跌落电压之间压降的夹角,E表示逆变器内电动势,δg表示功角,UF表示电网电压跌落值,j表示虚数单位,Rv、Lv表示虚拟电阻和电抗,R0、L0表示虚拟电阻和电抗;
所述逆变器输出电压Uc与UF之间的夹角满足,
所述虚拟阻抗值表示为,
其中,ts表示电流系数,Lg表示加入虚拟阻抗后的电感值,IN表示标称电流,Rv和Lv表示虚拟电阻和电抗,R0表示变压器电阻,L0表示变压器的电感,M表示中间变量。
5.如权利要求4所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述构建虚拟电抗控制模型包括,引入虚拟阻抗的主动支撑控制,投入的虚拟电抗系数,表示为
其中,x表示虚拟电抗参数,K表示虚拟电抗开关值,t1为虚拟电抗从零增加到最大值的调整系数,t2表示换流器达到峰值电流的时间。
6.如权利要求5所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述虚拟电抗开关值K包括电压触发系数Ku以及电流触发系数Ki
所述虚拟电抗的不变部分Ku表示为,
所述虚拟电抗的可变部分Ki表示为,
其中,I+表示正序电流,I-表示负序电流。
7.如权利要求6所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法,其特征在于:所述根据电网的即时状态调整虚拟阻抗的参数包括,利用传感器和数据采集系统实时收集电网的各种参数,结合历史数据和实时数据,使用机器学习算法预测电网的短期内的变化趋势,根据实时数据和预测结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
8.一种采用如权利要求1~7任一所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的系统,其特征在于:包括数据采集与监控模块、实时数据分析和处理模块以及自适应控制算法模块;
所述数据采集与监控模块实时收集电网的关键参数和系统状态数据;
所述实时数据分析和处理模块负责处理和分析收集的数据;
所述自适应控制算法模块根据实时数据和分析结果动态调整虚拟阻抗和电抗的参数。
9.一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其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执行时实现权利要求1至7中任一项所述一种基于虚拟阻抗的VSG故障穿越控制方法的步骤。
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