CN105048459B

CN105048459B - 计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法

Info

Publication number: CN105048459B
Application number: CN201510516029.XA
Authority: CN
Inventors: 刘海涛; 张铭路; 郝思鹏; 陈凡
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: CN105048459A

Abstract

本发明提供一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，该方法考虑了逆变型电源由于网侧对称短路故障导致电压跌落时，根据并网点电压跌落深度进行动态无功补偿的控制策略，将逆变型电源等值为一个受并网点电压控制的电流源，同时考虑了逆变型电源本身的限流作用，即逆变型电源输出的短路电流是受控的。与现有技术相比，本发明具有建模快速简单，计算精度高，全面考虑逆变型电源对于网侧对称短路故障时的动态响应等优点。

Description

计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法

技术领域

本发明涉及一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法。

背景技术

随着能源消耗的大幅增长，包括风力发电和光伏发电等新能源发电技术正在快速发展，新能源发电接入电网的形式有两种，其一是在配电***中靠近用户侧进行分布式开发，就地消纳；其二是大规模集中式开发，远距离输送。新能源发电接入电网，必然给电网带来一系列的影响，就短路电流方面来说，新能源发电入网必然改变原有的短路电流分布，而短路电流的计算又涉及到继电保护整定及电力设备的动稳定和热稳定选择，因此准确计算短路电流很有必要，这有助于电网规划和提高供电可靠性。

针对逆变型新能源发电接入电网的形式，目前尚无统一有效的短路电流计算方法，在建模分析中，经常将逆变型新能源发电等效为负的负荷，即在短路期间，忽略其对短路电流的贡献，即使是计及短路电流贡献的等效方法，也通常是简单等效为一恒定电流源，两者均忽略了其短路特性。而建立逆变型新能源发电的详细模型虽能准确评估其短路特性，但却甚是费时。未来电力***必将接入大量新能源形式的电源，其短路电流贡献将无法忽略，事实上，逆变型电源的短路电流贡献取决于其控制策略，而恒电流贡献显然忽略了控制策略的影响。因此，计及控制策略的简单又准确有效的等效建模方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的仅仅将逆变型电源简单等效为负的负荷或者恒定电流源而忽略其短路电流贡献或控制策略的影响问题，提供了一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，该方法既考虑了逆变型电源的短路电流贡献，又计及了低电压动态无功控制的策略，使得所计算的短路电流与详细建模计算的短路电流更加接近，具有建模快速简单，计算精度高等优点。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，

逆变型电源正常运行时，逆变型电源采用基于电网电压定向的定功率或者定直流电压的单位功率因数控制策略；

逆变型电源网侧发生三相对称故障而导致并网点电压跌落时，依据并网点电压跌落深度进行动态无功补偿的控制策略，将逆变型电源等值为一个受并网点电压控制的电流源，且逆变型电源输出的短路电流是受控的。

进一步地，在网侧发生三相对称故障而导致并网点电压跌落时，切换至如下动态无功电流的低电压控制策略：

以上式(1)、式(2)均采用标幺值，式(1)、式(2)中，I_dref、I_qref和U_dcref是d轴、q轴电流和直流电压的指令值，I_max为逆变型电源限流值，U_dc是直流电压实测值，K_{P_dc}、K_{I_dc}是电压外环的PI增益，I_N为逆变型电源额定电流，U_T为并网点电压；

简化等效时，q轴电流指令值直接采用式(1)受控于并网点电压U_T的形式，未超过逆变型电源限流时，d轴电流指令值简化为P/U_T，P为逆变型电源故障前输出有功功率标幺值，即假设故障前后有功不变，忽略直流电压的动态调节过程，若超过变流器限流值，则按限流值给定。

进一步地，控制策略切换前后电流的相位差为，

其中，I_d、I_q为d轴、q轴电流。

进一步地，对于d轴，将d轴电流指令值和实测值的差值经PI调节器再经前馈补偿后得到逆变器调制电压，逆变器输出经阻感滤波得到d轴电流实际值，实现d轴电流控制。

进一步地，考虑电流内环的动态响应，d轴电流环控制的近似开环传递函数为：

其中，K_P、T_I为PI调节器的比例增益和积分时间常数，K_PWM为逆变型电源等效增益，T_PWM为PWM开关周期，R、L为滤波电阻和电感；U_N为逆变型电源并网点额定电压，S_N为逆变型电源额定容量；

PI调节器设计时采用零极点对消进行降阶，令则其标准二阶***闭环传递函数为，

进一步地，为获得较好的动态调节性能，取则式(5)闭环传递函数简化为，

忽略式(6)中T_PWM的二次项，最终闭环传递函数简化为一阶惯性环节，

即电流内环的动态特性用此一阶惯性环节来模拟。

进一步地，所述逆变型电源包括光伏发电***或全功率直驱风力发电***。

进一步地，所述逆变型电源是基于电压源型逆变型电源与电网相连的。

本发明的有益效果是：与现有的逆变型电源简化等效的方法相比，本发明一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，具有全面考虑逆变型电源短路电流的贡献及控制策略的影响，建模快速简单，比现有等效方法具有更高的计算精度，更符合工程实际。

附图说明

图1为光伏发电***并网的详细模型单线图；

图2为等效后的简化单线图；

图3是实施例中光伏发电***并网的详细模型单线图与等效后的简化单线图的对比示意图；

图4是实施例中d轴的电流控制说明框图；

图5为详细模型和简化模型的对称三相短路仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，

两种外环控制方法本质上都是通过内环d轴、q轴电流控制来独立解耦有功和无功功率，是典型的电流型控制方法，不影响切换后的控制策略；以定直流电压控制为例，在网侧发生三相对称故障而导致并网点电压跌落时，切换至如下动态无功电流的低电压控制策略：

控制策略切换前后电流的相位差为，

其中，I_d、I_q为d轴、q轴电流。

考虑电流内环的动态响应，q轴在控制结构上和d轴对称，通常共用一个PI调节器，因此简化过程一致，传递函数一致。

以d轴为例，其控制框图如图4。图4中，将d轴电流指令值和实测值的差值经PI调节器再经前馈补偿后得到逆变器调制电压，逆变器输出经阻感滤波得到d轴电流实际值，从而实现d轴电流控制。d轴电流环控制的近似开环传递函数为：

为获得较好的动态调节性能，取则式(5)闭环传递函数简化为，

由于T_PWM一般很小，故可忽略式(6)中T_PWM的二次项，最终闭环传递函数简化为一阶惯性环节，

即电流内环的动态特性用此一阶惯性环节来模拟。

附图1为光伏发电***并网的详细模型单线图，附图2为等效后的简化单线图，图3是光伏发电***并网的详细模型单线图与等效后的简化单线图的对比示意图；各母线电压等级均已在图中注明，仿真模型均基于DIgSILENT/PowerFactory搭建，光伏并网***主要参数如表1所示。

表1光伏并网***主要参数

除等效部分之外，其余网络参数均相同。采用前述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，逆变型电源最大电流不超过其额定电流的1.5倍，q轴电流指令值直接采用前述受控于并网点电压U_T的形式，未超过逆变型电源限流时，d轴电流指令值简化为P/U_T，即假设故障前后有功不变，忽略直流电压的动态调节过程，若超过变流器限流值，则按限流值给定，这样，dq轴电流便完全受控于并网点电压U_T。控制策略切换前后电流的相位差为，

其中，I_d、I_q为d轴、q轴电流。考虑电流内环的动态响应，K_PWM取1，T_PWM取1/1500，则最终电流环闭环传递函数降阶为一阶惯性环节，

假设***发生三相对称短路故障前稳态运行时有功满发，即P＝1，电流环PI参数为K_P＝0.4，T_I＝0.1，电压外环PI参数为K_{P_dc}＝0.002，K_{I_dc}＝0.05。2s时在0.38kV母线LV处发生对称三相短路故障，故障电阻为1mΩ，则其等效前后仿真结果对比，如附图5所示，从上到下依次为光伏发电***/等效电源输出的电流幅值，A相电流，电流幅值相对误差。

由此可知，采用前述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其仿真结果与实际详细模型的仿真结果吻合程度理想，计算精度较高，相对误差在2.5％以内。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的专利要求保护范围之内。

Claims

1.一种计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于，

逆变型电源网侧发生三相对称故障而导致并网点电压跌落时，依据并网点电压跌落深度进行动态无功补偿的控制策略，将逆变型电源等值为一个受并网点电压控制的电流源，且逆变型电源输出的短路电流是受控的；

在网侧发生三相对称故障而导致并网点电压跌落时，切换至如下动态无功电流的低电压控制策略：

I_{q r e f} = \{\begin{matrix} 1.5 \times (0.9 - U_{T}) I_{N} & (0.2 \leq U_{T} \leq 0.9) \\ 1.05 \times I_{N} & (U_{T} < 0.2) \\ 0 & (U_{T} > 0.9) \end{matrix} - - - (1)

I_{d r e f} = \min (\sqrt{I_{m a x}^{2} - I_{q r e f}^{2}}, K_{P_d c} (U_{d c r e f} - U_{d c}) + K_{I_d c} &Integral; (U_{d c r e f} - U_{d c}) d t) - - - (2)

2.如权利要求1所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于，控制策略切换前后电流的相位差为，

其中，I_d、I_q为d轴、q轴电流。

3.如权利要求2所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于，对于d轴，将d轴电流指令值和实测值的差值经PI调节器再经前馈补偿后得到逆变器调制电压，逆变器输出经阻感滤波得到d轴电流实际值，实现d轴电流控制。

4.如权利要求3所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于，考虑电流内环的动态响应，d轴电流环控制的近似开环传递函数为：

G_{o} (s) = (K_{P} \frac{1 + T_{I} s}{T_{I} s}) (\frac{K_{P W M}}{1 + 1.5 T_{P W M} s}) * U_{N} * (\frac{1}{R + L s}) * \frac{\sqrt{3} U_{N}}{S_{N}} - - - (4)

G (s) = \frac{ω_{n}^{2}}{s^{2} + 2 {ξω}_{n} s + ω_{n}^{2}} = \frac{\frac{2 \sqrt{3} U_{N}^{2} K_{P} K_{P W M}}{3 S_{N} {LT}_{P W M}}}{s^{2} + \frac{2}{3 T_{P W M}} s + \frac{2 \sqrt{3} U_{N}^{2} K_{P} K_{P W M}}{3 S_{N} {LT}_{P W M}}} - - - (5) .

5.如权利要求4所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于，为获得较好的动态调节性能，取则式(5)闭环传递函数简化为，

G (s) = \frac{1}{\frac{9}{2} T_{P W M}^{2} s^{2} + 3 T_{P W M} s + 1} - - - (6)

G (s) = \frac{1}{3 T_{P W M} s + 1} - - - (7)

即电流内环的动态特性用此一阶惯性环节来模拟。

6.如权利要求1-5任一项所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于：所述逆变型电源包括光伏发电***或全功率直驱风力发电***。

7.如权利要求1-5任一项所述的计及低电压控制的逆变型电源对称短路简化建模方法，其特征在于：所述逆变型电源是基于电压源型逆变型电源与电网相连的。