CN113193598B - 一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法，将并网点三相电压信号经转换得到两相直流量U _td、U _tq并将U _tq作为锁相环的输入信号；依次计算锁相环输出角频率、逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度、等效极限切除角、等效极限切除时间，基于实际的故障检测延时与等效极限切除时间比较，可判断从正常运行阶段切换至故障持续阶段是否失稳；若不失稳，则计算在故障持续阶段的暂态稳定裕度并判断是否失稳。故障清除后，计算从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度并判断是否失稳。本方法能够判断新能源并网逆变器在不同故障阶段是否发生暂态失稳，并定量计算暂态稳定裕度值。

Description

一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法

技术领域

本发明涉及一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法，适用于交流电网对称短路故障下的新能源并网逆变器，该方法可量化评估交流电网对称短路故障下新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态同步稳定性。

背景技术

随着风能、光伏等新能源发电装机容量的迅速增长，新能源的渗透率水平不断提高，但新能源往往与负荷呈现严重的逆向分布特点，大规模新能源发电基地通常位于偏远地区，短路容量较小。当交流电网发生严重短路故障时，新能源并网逆变器极有可能出现暂态失稳现象，甚至会造成大规模新能源基地脱网，严重影响电网的安全稳定运行。因此，提出一种可量化评估新能源并网逆变器在电网短路故障期间的暂态稳定裕度是目前新能源发电技术发展的关键问题。目前国内外学者已开展了相关一系列研究，如已公开的下列文献：

[1]张琛,蔡旭,李征.全功率变换风电机组的暂态稳定性分析[J].中国电机工程学报,2017,37(14):4018-4026。

[2]Jinxin Pei,JunYao,Ruikuo Liu,et al.Characteristic analysis andriskassessment for Voltage-frequency coupled transient instability oflarge-scalegrid-connected renewable energy plants during LVRT[J].IEEE Transactions onIndustrial Electronics,2020,67(07):5515-5530。

文献[1]利用等面积准则分析了电网强度、故障点端口特性以及锁相环带宽等因素对新能源并网逆变器暂态稳定裕度的影响，提出一种通过降低锁相环带宽来提高新能源并网逆变器暂态稳定裕度的方法，但该文献并没有对暂态稳定裕度进行量化。文献[2]利用向量图分析法从电压矢量幅频耦合的角度分析了电网电压跌落程度、风电并网***的有功无功电流指令以及输电线路阻抗是影响风电并网***暂态同步稳定的主要原因，提出了一种线路阻抗压降角裕度评估方法，定量评估***的暂态稳定裕度，但该方法只针对故障持续阶段，难以评估故障全阶段的暂态同步稳定性。实际上，新能源并网逆变器在整个故障过程的暂态响应可以划分为不同的阶段，需要对每个阶段的暂态稳定裕度进行量化评估。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种适用于新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态稳定裕度评估方法，本方法能够判断新能源并网逆变器在不同故障阶段是否会发生暂态失稳，并定量计算新能源并网逆变器的暂态稳定裕度值。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法，用于判断新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态稳定性，其特征在于：具体步骤如下：

A1)新能源并网逆变器采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq；

A2)将U_tq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_ppU_tq+k_ip∫U_tqdt+ω_g

其中，k_pp和k_ip分别为锁相环的比例系数和积分系数，ω_g是电网角频率额定值；

A3)在步骤A2)的基础上，按照下式量化新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc1、S_dec1和

分别表征新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ为锁相环坐标系的d轴与电网电压U_g的相角差，即等效功角；δ₀是故障检测阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ₁是故障持续阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ_max1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，ω_b是角频率基值，U_gf是电网故障点电压幅值，L_g和R_g分别为并网点到故障点传输线路的等效电感和电阻，

和

分别是新能源并网逆变器在低电压穿越期间的有功和无功电流指令，I_dm为新能源并网逆变器网侧变换器(GSC)的电流限幅值，S_nm值为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值；

A4)根据步骤A3)，按照下式计算新能源并网逆变器的等效极限切除角

A5)根据步骤A4)得到的

按照下式计算新能源并网逆变器的故障检测极限时间，即等效极限切除时间

A6)按照下式作为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定判据：

其中，t_delay为实际的故障检测延时，若t_delay不满足上述稳定判据时，新能源并网逆变器将发生暂态失稳现象；

A7)新能源并网逆变器在满足步骤A6)所得稳定判据的基础上，则按照下式计算新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc2、S_dec2和

分别表征新能源并网逆变器在故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ₂是故障持续阶段ω_PLL与ω_g相等时，新能源并网逆变器的等效功角；δ_min1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的下限值，δ_k为故障持续阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，S_dm值为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值，S_dm越大，***的稳定裕度越大，暂态稳定性越高；

A8)按照下式作为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可在故障持续阶段顺利达到并稳定运行在低电压穿越控制模式；

A9)故障清除后，可按照下式量化新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_{acc3_4}、S_dec4和

分别表征新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的等效加速面积，等效减速面积以及等效耗能；δ₄是故障恢复阶段新能源并网逆变器的等效初始功角，δ_e是故障恢复阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，δ_max2为故障恢复阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，U_gn为电网电压额定值，U_tdn为并网点电压U_t额定值的d轴分量，

为故障恢复阶段的功率指令值；S_rm值为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度评估值，S_rm越大，新能源并网逆变器的暂态稳定裕度越大，失稳风险越小；

A10)按照下式作为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可以在故障清除后顺利恢复至稳定运行状态。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明能够根据电网故障程度、新能源并网逆变器的控制特性和运行工况以及输电线路阻抗，量化计算新能源并网逆变器的暂态稳定裕度值，可用于新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态失稳判据及暂态稳定裕度评估，为新能源并网逆变器的规模化发展提供了指导性的建议。

附图说明

图1为新能源并网逆变器的故障阶段划分示意图。

图2为典型锁相环控制结构示意图。

图3的工况1和工况2分别给出了故障检测延时为5ms和10ms时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。

图4的工况3和工况4分别给出了电流指令

和

时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。

图5的工况5和工况6分别给出了功率指令

和

时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为新能源并网逆变器的故障阶段划分示意图。图2为典型锁相环控制结构示意图。

本发明的具体实施步骤如下：

A1)新能源并网逆变器采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq；

A2)将U_tq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_ppU_tq+k_ip∫U_tqdt+ω_g

其中，k_pp和k_ip分别为锁相环的比例系数和积分系数，ω_g是电网角频率额定值；

A3)在步骤A2)的基础上，按照下式量化新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc1、S_dec1和

分别表征新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ为锁相环坐标系的d轴与电网电压U_g的相角差，即等效功角；δ₀是故障检测阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ₁是故障持续阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ_max1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，ω_b是角频率基值，U_gf是电网故障点电压幅值，L_g和R_g分别为并网点到故障点传输线路的等效电感和电阻，

和

分别是新能源并网逆变器在低电压穿越期间的有功和无功电流指令，I_dm为新能源并网逆变器网侧变换器(GSC)的电流限幅值，S_nm为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值；

A4)根据步骤A3)，按照下式计算新能源并网逆变器的等效极限切除角

A5)根据步骤A4)得到的

按照下式计算新能源并网逆变器的故障检测极限时间，即等效极限切除时间

A6)按照下式作为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定判据：

其中，t_delay为实际的故障检测延时；若t_delay不满足上述稳定判据，新能源并网逆变器将发生暂态失稳现象；

A7)新能源并网逆变器在满足步骤A6)所得稳定判据的基础上，则按照下式计算新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc2、S_dec2和

分别表征新能源并网逆变器在故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ₂是故障持续阶段ω_PLL与ω_g相等时，新能源并网逆变器的等效功角；δ_min1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的下限值，δ_k为故障持续阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，S_dm值为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值，S_dm越大，***的稳定裕度越大，暂态稳定性越高；

A8)按照下式作为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可在故障持续阶段顺利达到并稳定运行在低电压穿越控制模式；

A9)故障清除后，可按照下式量化新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_{acc3_4}、S_dec4和

分别表征新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的等效加速面积，等效减速面积以及等效耗能；δ₄是故障恢复阶段新能源并网逆变器的等效初始功角，δ_e是故障恢复阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，δ_max2为故障恢复阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，U_gn为电网电压额定值，U_tdn为并网点电压U_t额定值的d轴分量，

为故障恢复阶段的功率指令值；S_rm值为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度评估值，S_rm越大，新能源并网逆变器的暂态稳定裕度越大，失稳风险越小；

A10)按照下式作为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可以在故障清除后顺利恢复至稳定运行状态。

本发明效果说明：

图3的工况1和工况2分别给出了故障检测延时为5ms和10ms时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。当电网电压水平跌落至0.3p.u.，计算得到

如图3的工况1所示，若故障检测延时为5ms，即

时，满足新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定判据，新能源并网逆变器可以顺利完成从正常运行阶段切换至故障持续阶段的平稳过渡，进入低电压穿越模式；当故障检测延时增至10ms，即

时，则不满足新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定判据，如图3的工况2所示，新能源并网逆变器在进入低电压穿越模式的过程中发生升频失步失稳现象。

图4给出了电流指令分别为

和

时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。当电网电压水平跌落至0.3p.u.，电流指令

时，计算得到S_dm＝0.0312>0，满足新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定判据，如图4的工况3所示，新能源并网逆变器在故障持续阶段可以顺利完成低电压穿越，实现暂态稳定运行；当电流指令

时，计算得到S_dm＝-0.8886<0,不满足新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定判据，如图4的工况4所示，新能源并网逆变器在故障持续阶段发生了降频失步失稳现象，低电压穿越失败。

图5给出了功率指令分别为

和

时，新能源并网逆变器的时域仿真结果。当电网电压水平跌落至0.3p.u.，功率指令

时，计算得到S_rm＝0.1765>0，满足新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定判据，如图5的工况5所示，新能源并网逆变器在故障清除后可以顺利恢复至稳定运行状态；当功率指令

时，计算得到S_rm＝-0.3907<0,不满足新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定判据，如图5的工况6所示，风电并网***在功率恢复过程中发生升频失步失稳现象，无法恢复至额定运行状态。

本发明提出的一种适用于新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态稳定裕度评估方法，该方法能够根据电网电压跌落程度、控制器延时、新能源并网逆变器的变流器容量限制、新能源并网逆变器在故障持续阶段的有功和无功电流指令、新能源并网逆变器在故障恢复阶段的功率指令、锁相环参数以及输电线路阻抗，判断新能源并网逆变器在不同故障阶段是否会发生暂态失稳，并定量计算新能源并网逆变器的暂态稳定裕度值，为新能源并网逆变器的暂态同步稳定性提供量化评估依据。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种新能源并网逆变器暂态稳定裕度评估方法，用于判断新能源并网逆变器在不同故障阶段的暂态稳定性，其特征在于：具体步骤如下：

A1)新能源并网逆变器采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq；

A2)将U_tq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_ppU_tq+k_ip∫U_tqdt+ω_g

其中，k_pp和k_ip分别为锁相环的比例系数和积分系数，ω_g是电网角频率额定值；

A3)在步骤A2)的基础上，按照下式量化新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc1、S_dec1和ΔE_DⅠ分别表征新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ为锁相环坐标系的d轴与电网电压U_g的相角差，即等效功角；δ₀是故障检测阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ₁是故障持续阶段初始时刻新能源并网逆变器的等效功角，δ_max1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，ω_b是角频率基值，U_gf是电网故障点电压幅值，L_g和R_g分别为并网点到故障点传输线路的等效电感和电阻，

和

分别是新能源并网逆变器在低电压穿越期间的有功和无功电流指令，I_dm为新能源并网逆变器网侧变换器的电流限幅值，S_nm值为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值；

A4)根据步骤A3)，按照下式计算新能源并网逆变器的等效极限切除角

A5)根据步骤A4)得到的

按照下式计算新能源并网逆变器的故障检测极限时间，即等效极限切除时间

A6)按照下式作为新能源并网逆变器从正常运行阶段切换至故障持续阶段的暂态稳定判据：

其中，t_delay为实际的故障检测延时，若t_delay不满足上述稳定判据，新能源并网逆变器将发生暂态失稳现象；

A7)新能源并网逆变器在满足步骤A6)所得稳定判据的基础上，则按照下式计算新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_acc2、S_dec2和ΔE_DⅡ分别表征新能源并网逆变器在故障持续阶段的等效加速面积、等效减速面积以及等效耗能；δ₂是故障持续阶段ω_PLL与ω_g相等时，新能源并网逆变器的等效功角；δ_min1为故障持续阶段新能源并网逆变器等效功角的下限值，δ_k为故障持续阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，S_dm值为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定裕度评估值，S_dm越大，***的稳定裕度越大，暂态稳定性越高；

A8)按照下式作为新能源并网逆变器在故障持续阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可在故障持续阶段顺利达到并稳定运行在低电压穿越控制模式；

A9)故障清除后，可按照下式量化新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度：

其中，S_{acc3_4}、S_dec4和ΔE_DⅢ分别表征新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的等效加速面积，等效减速面积以及等效耗能；δ₄是故障恢复阶段新能源并网逆变器的等效初始功角，δ_e是故障恢复阶段新能源并网逆变器平衡工作点所对应的等效功角，δ_max2为故障恢复阶段新能源并网逆变器等效功角的上限值，U_gn为电网电压额定值，U_tdn为并网点电压U_t额定值的d轴分量，

为故障恢复阶段的功率指令值；S_rm值为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定裕度评估值，S_rm越大，新能源并网逆变器的暂态稳定裕度越大，失稳风险越小；

A10)按照下式作为新能源并网逆变器从故障持续阶段切换至故障恢复阶段的暂态稳定判据：

当新能源并网逆变器满足上述稳定判据，则可以在故障清除后顺利恢复至稳定运行状态。

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