CN113013898B - 基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法 - Google Patents

基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法，通过依次执行次同步振荡检测环节、坐标变换环节、优化锁相环节、参考电流计算环节实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。其中的次同步振荡检测环节输入本地电网电压，判断电网是否存在次同步振荡现象，输出电网虚拟内阻抗X2；其中的坐标变换环节将输入的本地电网电压、逆变器电流、滤波回路电流转换为两相同步旋转坐标系上的DQ轴电压或电流；其中的优化锁相环节根据输入的电网虚拟内阻抗X2、本地电网Q轴电压Ugq、电网D轴电流Igd进行远端电网电压锁相，锁相目标为Ugq＝X2Igd；其中的参考电流计算环节计算输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef。

Description

基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器次同步振荡抑制方法。
背景技术
随着风力发电等新能源并网容量的增加，大功率电力电子技术的广泛采用，以多源多变换复杂交直流***为组成架构的新能源电力***逐渐形成。新能源电力***包含的风力发电、太阳能发电、储能等应用场景一般采用电压源逆变器(Voltage SourceConverter，VSC)接入电网，电压源逆变器大规模并网时可能存在因次同步控制相互作用(Sub-Synchronous Control Interaction，SSCI)诱发的电网在特定频率的持续振荡现象，这种振荡现象称为电网次同步振荡。接入电网的电压源逆变器又称并网逆变器。
针对目前出现的新能源发电并网可能诱发的电网次同步振荡问题，专利CN201510351331.4“一种基于锁相环误差的次同步振荡抑制装置及方法”采用在发电机端并联三相逆变器方式，根据信号检测模块获得的锁相误差信号通过无功电流的控制，进而调节电气阻尼大小，以实现抑制***次同步振荡，主要应用在发电机定子直接并网场景。专利CN201910868875.6“一种直驱风电场感性弱电网并网次同步振荡抑制装置的控制方法”，包括次同步振荡抑制装置及其改进的虚拟同步机控制方法，用于抑制直驱风电场在感性弱电网并网情况下发生的次同步振荡。由于包含电池储能***，需要增加额外成本费用。专利CN 111082436 A“一种基于锁相一致的直驱风电场振荡抑制方法及***”，根据电网发出次同步振荡与否在本地电网电压(风机出口电压)和远端电网电压(风场并网点电压)之间反复切换，需要增加对远端电网电压的采集，实际工程实施存在难度，且存在临界次同步振荡与否时的反复切换问题：检测到无次同步振荡时锁相环输入切换到风机出口电压，切换后开始振荡又切换回并网点电压，切换后振荡消失又切换回风机出口电压，如此反复。
发明内容
本发明为克服以上技术的缺点，提出一种基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法。
本发明方法在并网逆变器的控制单元中实现。
本发明采集的信号包含本地电网三相电压Ugabc、逆变器三相电流Iiabc、滤波回路三相电流Ifabc，输入的信号包含有功功率给定PGiven、无功功率给定QGiven，输出的信号包含有功参考电流IdRef、无功参考电流IqRef、逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq。
本发明依次执行次同步振荡检测环节、坐标变换环节、优化锁相环节、参考电流计算环节，实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。其中的次同步振荡检测环节判断电网是否发生次同步振荡现象，输出电网虚拟内阻抗X2；坐标变换环节将采集的本地电网三相电压Ugabc、逆变器三相电流Iiabc、滤波回路三相电流Ifabc，变换到基于电网电压角度θ1的两相同步旋转坐标系上的DQ轴电压或电流；优化锁相环节实现基于远端电网电压定向的锁相策略，锁相目标为Ugq＝X2Igd，输出电网频率f1和电网电压角度θ1；参考电流计算环节完成有功参考电流和无功参考电流计算，输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef。
次同步振荡检测环节、坐标变换环节、优化锁相环节、参考电流计算环节之间的信号流程为：
所述的次同步振荡检测环节采集本地电网三相电压Ugabc，输入优化锁相环节输出的电网频率f1，输出电网虚拟内阻抗X2到优化锁相环节；
所述的坐标变换环节采集本地电网三相电压Ugabc，采集逆变器三相电流Iiabc，采集滤波回路三相电流Ifabc，输入优化锁相环节输出的电网电压角度θ1，输出本地电网D轴电压Ugd、本地电网Q轴电压Ugq、滤波回路D轴电流Ifd和滤波回路Q轴电流Ifq到参考电流计算环节，输出的本地电网Q轴电压Ugq同时进入优化锁相环节；所述的坐标变换环节输出电网D轴电流Igd到优化锁相环节；所述的坐标变换环节同时输出逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq到控制单元中的电流闭环控制环节，用于后续的电流闭环控制。
所述的优化锁相环节，输入次同步振荡检测环节输出的电网虚拟内阻抗X2，输入坐标变换环节输出的电网D轴电流Igd和本地电网Q轴电压Ugq，输出电网频率f1到次同步振荡检测环节，输出电网电压角度θ1到坐标变换环节；
所述的参考电流计算环节，输入有功功率给定PGiven和无功功率给定QGiven，输入坐标变换环节输出的滤波回路D轴电流Ifd、滤波回路Q轴电流Ifq、本地电网D轴电压Ugd和本地电网Q轴电压Ugq；输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef到控制单元中的电流闭环控制环节，用于后续的电流闭环控制。
在本发明次同步振荡抑制方法中，首先执行次同步振荡检测环节。次同步振荡检测环节采集本地电网三相电压Ugabc，输入电网频率f1，经过以电网电压频率f1为中心的带阻滤波器滤除电网电压基频成分后得到次同步频率电压Ugabcss；次同步频率电压Ugabcss经过基于次同步频率振荡角度θss的3s2r坐标变换，得到次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率Q轴电压Ugqss；次同步频率Q轴电压Ugqss进入PI调节器进行闭环控制，得到次同步频率fss；次同步频率fss经积分运算后得到次同步频率振荡角度θss；根据次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率fss，采用公式(1)求取电网虚拟内阻抗X2。
Figure BDA0002979437050000031
公式(1)中，KM为次同步振荡控制灵敏度系数，Ugss0为次同步振荡控制灵敏度阈值，Ugdss为次同步频率D轴电压，fss为检测到的次同步频率；电网虚拟内阻抗X2取值范围为
Figure BDA0002979437050000032
其中，URate为并网逆变器的额定电压，PRate为并网逆变器的额定容量。
当X2＝0时，后续的优化锁相环节中的基于远端电网电压定向的锁相策略退化为基于本地电网电压定向的锁相策略，基于本地电网电压定向的锁相策略又称传统基于电网电压定向的锁相策略；将电网虚拟内阻抗X2最大限幅在
Figure BDA0002979437050000033
保证并网逆变器有功功率控制的稳定裕度。
其次执行坐标变换环节，在坐标变换环节中，采集的本地电网三相电压Ugabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到本地电网D轴电压Ugd和本地电网Q轴电压Ugq；采集的逆变器三相电流Iiabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq，采集的滤波回路三相电流Ifabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到滤波回路D轴电流Ifd和滤波回路Q轴电流Ifq；逆变器D轴电流Iid加上滤波回路D轴电流Ifd得到电网D轴电流Igd，逆变器Q轴电流Iiq加上滤波回路Q轴电流Ifq得到电网Q轴电流Igq。
再次执行优化锁相环节，优化锁相环节采用基于远端电网电压定向的锁相策略，锁相目标为Ugq＝X2Igd，锁相环中包含了构建的电网虚拟内阻抗X2的信息。在优化锁相环节中，输入的本地电网Q轴电压Ugq，减去电网D轴电流Igd与电网虚拟内阻抗X2的乘积，得到远端电网Q轴电压Urq；远端电网Q轴电压Urq进入PI调节器控制，得到电网频率f1，对电网频率f1求取积分得到电网电压角度θ1。当输入的电网虚拟内阻抗X2＝0时，锁相目标退化为Ugq＝0，基于远端电网电压定向的锁相策略退化为传统基于电网电压定向的锁相策略。与传统基于电网电压定向的锁相策略相比，基于远端电网电压定向的锁相策略对应的同步旋转坐标系超前一个θδ角度。
最后执行参考电流计算环节，参考电流计算环节采用公式(2)求取有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef。
Figure BDA0002979437050000041
公式(2)中，PGiven为输入的有功功率给定，QGiven为输入的无功功率给定；Ugd为输入的本地电网D轴电压，Ugq为输入的本地电网Q轴电压；Ifd为输入的滤波回路D轴电流，Ifq为输入的滤波回路Q轴电流。
次同步振荡检测环节、坐标变换环节、优化锁相环节和参考电流计算环节依次执行完毕，得到的有功参考电流IdRef、无功参考电流IqRef、逆变器D轴电流Iid、逆变器Q轴电流Iiq，经电流闭环控制后得到α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ；α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ经PWM调制环节后输出脉冲宽度调制信号，通过控制主电路中的电力电子器件开通关断，实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。
矢量控制技术的关键点在于同步旋转坐标系的选取。本发明的优点在于，在采集电压、电流信息与传统基于电网电压定向的锁相策略一致的前提下，本发明采用的基于远端电网电压定向的锁相策略，基于采集的并网逆变器本地电网电压，通过次同步振荡检测环节检测电网是否发生次同步振荡现象，输出电网虚拟内阻抗，在优化锁相环节中根据电网虚拟内阻抗构建远端电网电压的信息。本发明基于远端电网电压定向的锁相策略对应的同步旋转坐标系，相比传统基于电网电压定向的锁相策略要超前一个θδ角度，θδ角度的引入可有效实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。同时，本发明在次同步振荡检测环节中对电网虚拟内阻抗进行了双端限幅，最小限幅0实现了与传统基于电网电压定向的锁相策略的平滑切换，有效避免了在临界次同步振荡时的反复切换问题；最大限幅
Figure BDA0002979437050000051
保证了并网逆变器有功控制的稳定裕度。
附图说明
图1并网逆变器接入电网示意图；
图2并网逆变器主回路和控制单元原理图；
图3次同步振荡抑制方法各环节信号传递框图；
图4基于远端电网电压定向同步旋转坐标系上的电压电流矢量图；
图5优化锁相环节控制框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，并网逆变器通过交流侧和直流侧与外部连接，其中交流侧连接本地电网101，连接点也称PCC点(Point of Common Coupling)，如图1中120；直流侧连接外部直流电源，如应用在风力发电领域时，直流侧连接机侧变流器直流母线，应用在太阳能发电时，直流侧连接光伏电池板，应用在储能领域时，直流侧连接储能电池。
在图1中，功率组件PM输出的逆变器三相电流定义为Iiabc，如图1中130；滤波回路三相电流定义为Ifabc，如图1中131；接入本地电网三相电流定义为Igabc，如图1中132；功率组件PM输出的三相电压定义为Ucabc，如图1中102；本地电网三相电压定义为Ugabc，如图1中101；远端电网三相电压定义为Urabc，如图1中100；本地电网101和远端电网100通过次同步振荡检测环节构建的电网虚拟内阻抗X2连接。
图1所示的并网逆变器电气原理如图2所示。并网逆变器包含主回路200和控制单元210两部分。主回路200包含滤波电容C1，滤波电感L1，电力电子器件S1、S2、S3、S4、S5、S6，组成图1中的功率组件PM；滤波电感L1与本地电网201连接，如图2中202；功率组件PM的正母线P和负母线N连接到直流母线电容C2，如图2中205。本发明抑制方法在控制单元210中实现，控制单元210采集本地电网三相电压Ugabc，如图2中202、220，采集逆变器三相电流Iiabc，如图2中203、222，采集滤波回路三相电流Ifabc，如图2中204、221，采集直流母线电压Udc，如图2中223。控制单元210输出PWM调制信号SPWM到主回路，用于控制主回路功率组件中的S1、S2、S3、S4、S5、S6六个电力电子器件的开通与关断。
本发明方法在图2所示的控制单元210中实现。
本发明方法依次执行图3所示的次同步振荡检测环节320、坐标变换环节310、优化锁相环节330、参考电流计算环节300，实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。所述四个环节之间的信号流程如图3所示。
在图3所示的次同步振荡检测环节320中，采集本地电网三相电压Ugabc，如图3中321，输入优化锁相环节330输出的电网频率f1，如图3中322，输出电网虚拟内阻抗X2到优化锁相环节330，如图3中323、332；
在图3所示的坐标变换环节310中，采集本地电网三相电压Ugabc，如图3中313，采集逆变器三相电流Iiabc，如图3中311，采集滤波回路三相电流Ifabc，如图3中312，输入优化锁相环节输出的电网电压角度θ1，如图3中323；输出本地电网D轴电压Ugd、本地电网Q轴电压Ugq、滤波回路D轴电流Ifd、滤波回路Q轴电流Ifq到参考电流计算环节300，如图3中305、306、303、304；输出的本地电网Q轴电压Ugq同时输入到优化锁相环节330，如图3中331；输出电网D轴电流Igd到优化锁相环节330，如图3中318。图3所示的坐标变换环节310同时输出逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq到控制单元中的电流闭环控制环节340，用于后续的电流闭环控制，如图3中314、315；
在图3所示的优化锁相环节330中，输入次同步振荡检测环节320输出的电网虚拟内阻抗X2，如图3中332，输入坐标变换环节310输出的电网D轴电流Igd，如图3中318，输入坐标变换环节输出的本地电网Q轴电压Ugq，如图3中331，输出电网电压角度θ1到坐标变换环节310，如图3中333、323，输出电网频率f1到次同步振荡检测环节，如图3中334、322；
在图3所示的参考电流计算环节300中，输入有功功率给定PGiven和无功功率给定QGiven，如图3中301、302，输入坐标变换环节310输出的滤波回路D轴电流Ifd和滤波回路Q轴电流Ifq，如图3中303、304，输入坐标变换环节310输出的本地电网D轴电压Ugd和本地电网Q轴电压Ugq，如图3中305、306；输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef到控制单元中的电流闭环控制环节340，用于后续的电流闭环控制，如图3中307、308；
本发明抑制方法包含以下步骤：
步骤1：图2中的并网逆变器控制单元210初始化，读取本发明次同步振荡抑制方法需要的控制参数，包含次同步振荡控制灵敏度系数KM，次同步振荡控制灵敏度阈值Ugss0，并网逆变器的额定电压URate，并网逆变器的额定容量PRate；
步骤2：在图3所示的次同步振荡检测环节320中，采集本地电网三相电压Ugabc，输入电网频率f1，经过以电网频率f1为中心的带阻滤波器滤除电网电压基波成分后得到次同步频率电压Ugabcss；次同步频率电压Ugabcss经过基于次同步频率振荡角度θss的3s2r坐标变换，得到次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率Q轴电压Ugqss；次同步频率Q轴电压Ugqss进入PI调节器进行闭环控制，得到次同步频率fss；次同步频率fss经积分运算后得到次同步频率振荡角度θss；根据次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率fss采用公式(1)求取电网虚拟内阻抗X2。
步骤3：在图3中的坐标变换环节310中，采集的本地电网三相电压Ugabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到本地电网D轴电压Ugd和本地电网Q轴电压Ugq；采集的逆变器三相电流Iiabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq，采集的滤波回路三相电流Ifabc经过基于电网电压角度θ1的3s2r坐标变换得到滤波回路D轴电流Ifd和滤波回路Q轴电流Ifq；逆变器D轴电流Iid加上滤波回路D轴电流Ifd得到电网D轴电流Igd，逆变器Q轴电流Iiq加上滤波回路Q轴电流Ifq得到电网Q轴电流Igq；
步骤4：在图3所示的优化锁相环节330中，采用基于远端电网电压定向的锁相策略，锁相目标为Ugq＝X2Igd。基于远端电网电压定向的锁相策略如图5所示，在图5中，输入的本地电网Q轴电压Ugq，减去电网D轴电流Igd与电网虚拟内阻抗X2的乘积，得到远端电网Q轴电压Urq，如图5中500、501、502、503；远端电网Q轴电压Urq进入PI调节器504控制，得到电网频率f1，如图5中505，电网频率f1进入积分器506积分后得到电网电压角度θ1，如图5中507。
采用基于远端电网电压定向的锁相策略时，两相同步旋转坐标系上的电压电流矢量图如图4所示。图4中400、401、402为本地电网电压矢量、D轴电压Ugd和Q轴电压Ugq，图4中420、421、422为逆变器电流矢量、D轴电流Iid和Q轴电流Iiq，图4中430、431、432为滤波回路电流矢量、D轴电流Ifd和Q轴电流Ifq，图4中440、441、442为电网电流矢量、D轴电流Igd和Q轴电流Igq，图4中410为远端电网电压矢量、D轴电压Urd。在稳态条件下，远端电网D轴电压Urd等于远端电网电压矢量Ur，远端电网Q轴电压Urq＝0。采用基于远端电网电压定向的锁相策略时，本地电网电压矢量Ug超前远端电网电压矢量Ur一个θδ角度，如图4中450。也就是说，基于远端电网电压定向的锁相策略对应的同步旋转坐标系，要超前于传统基于电网电压定向的锁相策略一个θδ角度。
步骤5：在图3的参考电流计算环节300中，采用公式(2)计算有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef。
步骤6：步骤3中坐标变换环节310输出的逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq，步骤5中参考电流计算环节300输出的有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef进入控制单元210中的电流闭环控制环节340，经电流闭环控制环节340后得到α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ，如图3中342、343；α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ经PWM调制环节350后输出脉冲宽度调制信号SPWM，如图3中351；脉冲宽度调制信号SPWM通过控制图2中主电路200的功率组件PM的S1、S2、S3、S4、S5、S6电力电子器件开通关断，实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。

Claims (4)

1.一种基于远端电网锁相的并网逆变器次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述的方法依次执行次同步振荡检测环节、坐标变换环节、优化锁相环节、参考电流计算环节，实现所述并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能；所述的次同步振荡检测环节判断电网是否发生次同步振荡现象，输出电网虚拟内阻抗X2；坐标变换环节将采集的本地电网三相电压Ugabc、逆变器三相电流Iiabc、滤波回路三相电流Ifabc，变换到基于电网电压角度θ1的两相同步旋转坐标系上的DQ轴电压或电流；优化锁相环节实现基于远端电网电压定向的锁相策略，锁相目标为Ugq＝X2Igd，Ugd为本地电网D轴电压，Igd为电网D轴电流，输出电网频率f1和电网电压角度θ1；远端电网Q轴电压Urq进入PI调节器控制，得到电网频率f1，对电网频率f1求取积分得到电网电压角度θ1；参考电流计算环节计算输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef；
所述的四个环节依次执行完毕后，得到的有功参考电流IdRef、无功参考电流IqRef、逆变器D轴电流Iid、逆变器Q轴电流Iiq，经电流闭环控制得到α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ；α轴控制电压Ucα和β轴控制电压Ucβ经PWM调制后输出脉冲宽度调制信号，用于控制主电路中的电力电子器件开通关断，实现并网逆变器抑制电网次同步振荡的功能。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述的次同步振荡检测环节中，采集本地电网三相电压Ugabc，输入优化锁相环节输出的电网频率f1，输出电网虚拟内阻抗X2到优化锁相环节；所述的坐标变换环节，采集本地电网三相电压Ugabc，采集逆变器三相电流Iiabc，采集滤波回路三相电流Ifabc，输入优化锁相环节输出的电网电压角度θ1，输出本地电网D轴电压Ugd、本地电网Q轴电压Ugq、滤波回路D轴电流Ifd和滤波回路Q轴电流Ifq到参考电流计算环节，输出的本地电网Q轴电压Ugq同时进入优化锁相环节；坐标变换环节输出电网D轴电流Igd到优化锁相环节；坐标变换环节同时输出逆变器D轴电流Iid和逆变器Q轴电流Iiq到控制单元中的电流闭环控制环节，用于后续的电流闭环控制；所述的优化锁相环节，输入次同步振荡检测环节输出的电网虚拟内阻抗X2、坐标变换环节输出的电网D轴电流Igd和本地电网Q轴电压Ugq，输出电网频率f1到次同步振荡检测环节，输出电网电压角度θ1到坐标变换环节；所述的参考电流计算环节，输入有功功率给定PGiven和无功功率给定QGiven，输入坐标变换环节输出的滤波回路D轴电流Ifd、滤波回路Q轴电流Ifq、本地电网D轴电压Ugd和本地电网Q轴电压Ugq，输出有功参考电流IdRef和无功参考电流IqRef到控制单元中的电流闭环控制环节，用于后续的电流闭环控制。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器次同步振荡抑制方法，其特征在于：在所述的次同步振荡检测环节中，采集本地电网三相电压Ugabc，输入电网频率f1，经过以电网频率f1为中心的带阻滤波器滤除电网电压基波成分后，得到次同步频率电压Ugabcss；次同步频率电压Ugabcss经过基于次同步频率振荡角度θss的3s2r坐标变换，得到次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率Q轴电压Ugqss；次同步频率Q轴电压Ugqss进入PI调节器进行闭环控制，得到次同步频率fss；次同步频率fss经积分运算后得到次同步频率振荡角度θss；根据次同步频率D轴电压Ugdss和次同步频率fss，采用公式(1)求取电网虚拟内阻抗X2；
Figure FDA0003804537030000021
公式(1)中，KM为次同步振荡控制灵敏度系数，Ugss0为次同步振荡控制灵敏度阈值，Ugdss为次同步频率D轴电压，fss为检测到的次同步频率，电网虚拟内阻抗X2的取值范围为
Figure FDA0003804537030000022
其中，URate为并网逆变器的额定电压，PRate为并网逆变器的额定容量。
4.根据权利要求1所述的并网逆变器次同步振荡抑制方法，其特征在于所述优化锁相环节采用基于远端电网电压定向的锁相策略，锁相目标为Ugq＝X2Igd，锁相策略中包含次同步振荡检测环节构建的电网虚拟内阻抗X2的信息；
在优化锁相环节中，输入的本地电网Q轴电压Ugq，减去电网D轴电流Igd与电网虚拟内阻抗X2的乘积，得到远端电网Q轴电压Urq。
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