CN112467749B - 一种改进功率环vsg低电压穿越方法及*** - Google Patents

一种改进功率环vsg低电压穿越方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进功率环VSG低电压穿越方法及***，包括：将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至给虚拟同步发电机的有功频率环中；设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送给虚拟同步发电机的无功电压环中；生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送给虚拟同步发电机中；根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送给控制虚拟同步发电机中的开关管，该方法及***能够实现VSG在电网短路故障下安全稳定运行。

Description

一种改进功率环VSG低电压穿越方法及***
技术领域
本发明属于虚拟同步发电机控制技术领域，涉及一种改进功率环VSG低电压穿越方法及***。
背景技术
随着可再生能源发电在电网中占比不断提高，与传统电力***不同，电力电子器件控制的新能源装置的加入逐渐使得电网电力电子化。
在能源利用率提升的同时也带来了电力电子装置引入的弊端，能源+逆变器在电网中扮演着与传统同步发电机同样的角色，然而电力电子器件缺乏阻尼和惯性也使得电力***变得脆弱，严重影响着电网电压和频率的稳定性。基于VSG(电压跌落发生器)控制的逆变器可以模拟同步发电机的运行机理以及外特性，一定程度上解决了传统逆变器带来的并网稳定性问题。
传统电网中存在着各种类型的故障，例如短路故障，电压跌落，非全相运行等，而短路故障引起的VSG并网点电压大幅跌落使得VSG运行脱离小扰动下的稳定运行范围，然而对比VSG稳态运行，当出现短路故障引起的机端电压跌落时，由于VSG模拟的机电惯性特性，等效内电势按照机电时间常数变化，不仅会出现短路过电流，功角增大问题，也会丧失对电网电压频率的支撑，使得VSG在电网短路故障下难以安全稳定运行，对电网的运行与保护带来巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种改进功率环VSG低电压穿越方法及***，该方法及***能够实现VSG在电网短路故障下安全稳定运行。
为达到上述目的，本发明所述的改进功率环VSG低电压穿越方法包括以下步骤：
将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至给虚拟同步发电机的有功频率环中，所述有功频率环的控制指令用于抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
发送有功频率环的控制指令之后，设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送给虚拟同步发电机的无功电压环中，所述虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令用于使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
发送虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令之后，生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送给虚拟同步发电机中，所述虚拟阻抗投入指令用于抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
发送虚拟阻抗投入指令之后，根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送给控制虚拟同步发电机中的开关管，完成改进功率环VSG低电压穿越。
将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令之前还包括：计算短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ。
计算电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ的具体过程为：
计算VSG的输出虚拟角频率与电网角速度之差Δω，通过该差值Δω对虚拟同步发电机的变化角频率进行积分，得电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ。
同步系数Kδ为：
Figure BDA0002832336500000031
其中，VgF及UF分别为电网短路故障期间的电网电压及VSG的输出电压，Xg为VSG的输出端到公共耦合点之间的线路阻抗，δo为电网稳态运行时虚拟同步发电机的功角。
设计得到的虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令U* F为：
Figure BDA0002832336500000032
其中，a＝(U2 N+VgN 2-|Z|2|i′o|2)/UN，VgF＝kVgN，Z为线路阻抗，IN为额定输出电流，VgN及UN分别为电网稳态运行时的电网电压及VSG的输出电压。
虚拟阻抗投入指令表示为：
将VSG的输出电流与电流阈值ilimit进行比较，当VSG的输出电流小于电流阈值ilimit时，则切除虚拟阻抗Xvir，当VSG的输出电流大于等于电流阈值ilimit时，则投入虚拟电抗Xvir。
虚拟阻抗Xvir＝ωLV，其中，LV为VSG中的虚拟电感值。
所述开关管控制指令为PWM调制信号。
生成开关管控制指令的具体过程为，获取当前VSG的输出电压参考值，利用电压电流双闭环跟踪VSG的输出电压参考值，以生成PWM调制信号。
一种改进功率环VSG低电压穿越***包括：
输出功角抑制模块，用于将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至给虚拟同步发电机的有功频率环中，所述有功频率环的控制指令用于抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
突变抑制模块，与输出功角抑制模块相连接，用于发送有功频率环的控制指令之后，设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送给虚拟同步发电机的无功电压环中，所述虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令用于使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
短路电流冲击分量抑制模块，与突变抑制模块相连接，用于发送虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令之后，生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送给虚拟同步发电机中，所述虚拟阻抗投入指令用于抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
控制模块，与短路电流冲击分量抑制模块相连接，用于发送虚拟阻抗投入指令之后，根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送给控制虚拟同步发电机中的开关管，完成改进功率环VSG低电压穿越。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的改进功率环VSG低电压穿越方法及***在具体操作时，通过设计有功频率环的控制指令，以抑制虚拟同步发电机的输出功角增大，通过设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变，通过生成虚拟阻抗投入指令，以抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量，实现改善VSG故障期间的频率特性的目的，继而整定短路故障期间VSG的输出电压参考值，解决了传统并网无功电压环中出现的无功功率越限问题，使得VSG在电网短路故障下安全稳定运行。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中虚拟同步发电机并网电路拓扑及控制框图；
图2为仿真实验中VSG并网***短路故障后的***等值电路图；
图3为导入功角动态补偿控制下VSG在短路故障时功角加、减速运动的示意图；
图4为导入功角动态补偿后有功功率环的控制框图；
图5为设计电压指令后无功环的控制框图；
图6为电网电压跌落与VSG输出电流变化图；
图7为结合虚拟阻抗下改进功率环VSG输出电流波形图；
图8为本发明与常规VSG控制下的功角输出曲线图；
图9为本发明与常规VSG控制下的频率输出曲线图；
图10为本发明与常规VSG控制下的电压输出曲线图；
图11为本发明与常规VSG控制下的有功功率输出曲线图；
图12为本发明与常规VSG控制下的无功功率输出曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
参考图1、图4及图5，本发明所述的改进功率环VSG低电压穿越方法包括以下步骤：
1)计算电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ；
其中，计算电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ的具体过程为：
计算VSG的输出虚拟角频率与电网角速度之差Δω，通过该差值Δω对虚拟同步发电机的变化角频率进行积分，得电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ。
2)将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至给虚拟同步发电机的有功频率环中，所述有功频率环的控制指令用于抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
同步系数Kδ的计算过程为：
电网稳态运行时及短路故障期间VSG输出功率Peo及PeF分别为：
Figure BDA0002832336500000071
Figure BDA0002832336500000072
其中，Xg为VSG的输出端到公共耦合点之间的线路阻抗，Xg＞3Rg，VgN及UN分别为电网稳态运行时的电网电压及VSG的输出电压，VgF及UF为电网短路故障期间的电网电压及VSG的输出电压，δo为电网稳态运行时虚拟同步发电机的功角，δ′＝δ0+Δδ为电网短路故障期间虚拟同步发电机的输出功角，Δδ为电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量，Δδ≈0。
由式(2)，得
Figure BDA0002832336500000073
则导入的动态功角补偿功率Pδ＝KδΔδ；
由式(1)及式(3)，得故障期间不平衡功率ΔP为：
Figure BDA0002832336500000074
式(4)中前两项均为稳态运行功角项，则引入动态功角补偿功率Pδ补偿式(4)中第三项，即：
Figure BDA0002832336500000081
则同步系数Kδ为：
Figure BDA0002832336500000082
其中，同步系数Kδ的调制是实时的，另外，每次Kδ的设计值都需要利用记忆保持元件测得上一稳态工作点时的δo。
3)发送有功频率环的控制指令之后，设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送给虚拟同步发电机的无功电压环中，所述虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令用于使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
其中，设计得到的虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令
Figure BDA0002832336500000085
过程为：
电网短路故障期间有Uo∠δ′＝V′g∠0+i′oZ，其中，Uo∠δ′、V′g∠0及δ′为VSG机端电压、电网耦合点电压及机端电压相量与电网电压相量的相角差。
电网短路故障时的VSG功角与输出电压电流表达关系式为：
Figure BDA0002832336500000083
根据电网稳态运行时VSG功角与输出电压电流得功角表达式为：
Figure BDA0002832336500000084
通过本发明可以控制功角在电网短路故障前后不变，设定VSG的输出电流耐范围为1.1～1.3倍的额定电流，取|i′0|＝1.2IN，联立式(6)及式(7)，得设计得到的虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令
Figure BDA0002832336500000091
为：
Figure BDA0002832336500000092
其中，a＝(U2 N+VgN 2-|Z|2|i′o|2)/UN，VgF＝kVgN，Z为线路阻抗，IN为额定输出电流，VgN及UN分别为电网稳态运行时的电网电压及VSG的输出电压。
4)发送虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令之后，生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送给虚拟同步发电机中，所述虚拟阻抗投入指令用于抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
步骤4)的具体过程为：
将VSG的输出电流与电流阈值ilimit进行比较，当VSG的输出电流小于电流阈值ilimit时，切除虚拟阻抗Xvir，当VSG的输出电流大于等于电流阈值ilimit时，则投入虚拟电抗Xvir。
其中，LV为VSG中的虚拟电感值，虚拟阻抗Xvir＝ωLV，其中，则虚拟电抗的虚拟压降为：
Figure BDA0002832336500000093
将虚拟电抗与改造后的VSG功率外环得到的电压指令值相结合，使得：
Figure BDA0002832336500000094
5)发送虚拟阻抗投入指令之后，根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送给控制虚拟同步发电机中的开关管，完成改进功率环VSG低电压穿越。
具体过程为：利用电压电流双闭环跟踪VSG的输出电压参考值，以发出PWM调制信号，然后根据PWM调制信号控制虚拟同步发电机中开关管的开关状态。
本发明还公开了一种改进功率环VSG低电压穿越***，包括：
输出功角抑制模块，用于将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果反馈给虚拟同步发电机的有功频率环中，以抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
突变抑制模块，与输出功角抑制模块相连接，用于通过设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
短路电流冲击分量抑制模块，与突变抑制模块相连接，用于利用虚拟阻抗抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
控制模块，与短路电流冲击分量抑制模块相连接，用于根据当前VSG的输出电压参考值控制虚拟同步发电机中开关管的开关状态，完成改进功率环VSG低电压穿越。
仿真实验
为验证本发明所提的策略有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台下搭建了如图1所示***拓扑结构，控制算法中采用为本发明的功率环部分，其中，外电网的短路故障对并网逆变器的影响用公共耦合点(PCC)处的电压跌落模拟，仿真参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002832336500000101
Figure BDA0002832336500000111
图3中δo、δc及δmax分别为故障时刻、故障切除时刻及功角运行最大值时刻，阴影部分S1及S2分别为VSG转速增加的动能和转速减少的动能，由等面积定则可知，短路故障时期导入功角补偿控制时，等效减小了VSG虚拟转子增加的动能，增大了虚拟转子消耗的动能，实现了传统电力***电气制动的效果。
参考图6，初始时刻VSG并网稳定运行，根据有功设定输出有功30kw，无功0var；1s时，电网电压跌落0.7p.u；1.5s时切除短路故障，从图6中可以看出，传统VSG控制算法在电网电压跌落0.7p.u.时，输出电压降从额定值至0.83p.u.，但是依然存在输出电流超出安全阈值。
将图3与图5及图6对比可知，导入功角补偿控制之后，减小了功角加速面积，增大了最大可能减速面积，即增大了极限切除角的稳定裕度，同时抑制了VSG运行时最大可能功角δ′。
参考图7，通过仿真表明，虚拟阻抗对逆变器的输出短路电流影响不大，虚拟阻抗只在暂态起作用，稳态后退出，VSG输出电流冲击分量由5p.u降至2.8p.u。电网故障起始时刻与切除故障时刻的输出电流也仅为半个周波超过阈值，由于校验设备热稳定时采用有效值，所以改进功率环后的输出电流满足安全要求，避免了装置的损坏，实现了VSG在故障期间的安全稳定运行。
由图8中可以看出，采用本发明的动态功角补偿控制之后，有效控制了VSG输出功角变化；由图9可知，故障暂态瞬间输出频率的超调量得到了抑制，改善了VSG输出频率特性。由图8至图12可知，根据采取功角设计的电压指令后，VSG的输出电压由0.82p.u.降至0.75p.u.；输出有功和无功功率分别减少至0.56p.u.和0.5p.u；解决了无功功率越限问题，输出一定的无功功率有效支撑了电网电压，此外，进一步说明，导入功角动态补偿控制后，可以实时的补偿故障期间不平衡功率，有效抑制功角增大以及VSG短路过电流现象。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至虚拟同步发电机的有功频率环中，所述有功频率环的控制指令用于抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
发送有功频率环的控制指令之后，设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送至虚拟同步发电机的无功电压环中，所述虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令用于使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
发送虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令之后，生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送至虚拟同步发电机中，所述虚拟阻抗投入指令用于抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
发送虚拟阻抗投入指令之后，根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送至控制虚拟同步发电机中的开关管中，完成改进功率环VSG低电压穿越。
2.根据权利要求1所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令之前还包括：计算短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ。
3.根据权利要求2所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，计算电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ的具体过程为：
计算VSG的输出虚拟角频率与电网角速度之差Δω，通过该差值Δω对虚拟同步发电机的变化角频率进行积分，得电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量Δδ。
4.根据权利要求1所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，同步系数Kδ为：
Figure FDA0004018038870000021
其中，VgF及UF分别为电网短路故障期间的电网电压及VSG的输出电压，Xg为VSG的输出端到公共耦合点之间的线路阻抗，δo为电网稳态运行时虚拟同步发电机的功角。
5.根据权利要求1所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，虚拟阻抗投入指令表示为：
将VSG的输出电流与电流阈值ilimit进行比较，当VSG的输出电流小于电流阈值ilimit时，则切除虚拟阻抗Xvir，当VSG的输出电流大于等于电流阈值ilimit时，则投入虚拟电抗Xvir。
6.根据权利要求1所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，所述开关管控制指令为PWM调制信号。
7.根据权利要求6所述的改进功率环VSG低电压穿越方法，其特征在于，生成开关管控制指令的具体过程为，获取当前VSG的输出电压参考值，利用电压电流双闭环跟踪VSG的输出电压参考值，以生成PWM调制信号。
8.一种改进功率环VSG低电压穿越***，其特征在于，包括：
输出功角抑制模块，用于将电网短路故障期间虚拟同步发电机的功角增量与同步系数相乘所得结果作为有功频率环的控制指令，将有功频率环的控制指令发送至虚拟同步发电机的有功频率环中，所述有功频率环的控制指令用于抑制虚拟同步发电机的输出功角增大；
突变抑制模块，与输出功角抑制模块相连接，用于发送有功频率环的控制指令之后，设计虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令，将虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令发送至虚拟同步发电机的无功电压环中，所述虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令用于使得电网短路故障前后虚拟同步发电机的输出功角不突变；
短路电流冲击分量抑制模块，与突变抑制模块相连接，用于发送虚拟同步发电机的无功电压环中的电压指令之后，生成虚拟阻抗投入指令，将虚拟阻抗投入指令发送至虚拟同步发电机中，所述虚拟阻抗投入指令用于抑制电网短路故障期间虚拟同步发电机的短路电流冲击分量；
控制模块，与短路电流冲击分量抑制模块相连接，用于发送虚拟阻抗投入指令之后，根据当前VSG的输出电压参考值生成开关管控制指令，将开关管控制指令发送至控制虚拟同步发电机中的开关管，完成改进功率环VSG低电压穿越。
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