CN113552430B - 一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，该方法包括：选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，指标为与变换器有关的一个或多个变量的函数；将一个或多个变量代入函数，得到指标的当前值；将指标的当前值与指标的临界值进行比较；根据比较结果判定变换器的暂态稳定性。该装置包括：指标建立单元、指标当前值计算单元、比较单元以及结果判定单元，用于实现该方法。本发明的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，具有判据简单、准确性高、对不同故障类型的通用性强、对不同变换器控制方式适用性高的特点。

Description

一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置。

背景技术

以风光电源为代表的新能源发电在电力***中的比例逐年上升，三相电压源型变换器是这些非同步机电源与交流电网之间的接口；另一方面，随着直流输电和微电网的快速发展，这种变换器在电力***中扮演越来越重要的角色。这要求变换器能够在电网发生暂态后，尽可能地向电网提供支撑、减少功率缺额，而不能像曾经那样脱网、闭锁。

在暂态期间，变换器将面临两方面的问题，即故障穿越和暂态稳定。故障穿越能够尽可能保证变换器在故障期间不发生过压和过流，同时向故障电网提供支撑；而暂态稳定则是故障穿越的保障，如果变换器在暂态后发生失稳现象，那么变换器会失去控制而无法执行故障穿越，同时还可能发生功率振荡、直流电压崩溃等严重事故。

变换器的暂态失稳现象最早出现在风机的低电压穿越研究中，当交流电网电压较低时，风电机组网侧变换器的锁相环会出现失锁的现象。锁相环失锁是变换器在大扰动下失稳的重要原因。近十年的研究已经能够将锁相环在大扰动下的失稳机理分析清楚，但由于锁相环具有非线性环节，目前尚无成熟的方法能够准确地对锁相环的暂态稳定性进行有效的判定。考虑到锁相环的动态方程与同步机转子运动方程的相似性，有文献借助等面积法来研究锁相环的暂态稳定性，推导出了不考虑锁相环PI控制器的比例增益时的能量函数和故障极限切除时间，并据此提出了判定锁相环暂态稳定性的定量方法。但是更深入的研究发现，被忽略的比例增益在一些情况下等效于相当大的阻尼，而在另一些情况下却等效于负阻尼，导致当前的判定方法实际上并不可靠，其结果有时保守、而有时过于乐观。

另一方面，一类无锁相环的变换器在近些年被提出，由于其模拟了同步机与电网的同步方式，故被称为组网型控制变换器，其中最具代表性的采用虚拟同步控制的变换器。毋庸置疑，这种变换器的暂态失稳机理与同步机的相似，但如果依旧使用等面积法进行暂态稳定性判定，则会造成相当大的保守性。究其原因，是因为这种变换器在参数设计时，考虑到功率不能频繁地波动，因此设计阻尼系数远远大于惯量系数，恰与同步机相反。因此，至今也没有提出较好的针对虚拟同步控制的变换器的暂态稳定性判定方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，可以通过计算变换器中的一个或几个指标值，并与临界指标进行比较，以获得变换器暂态稳定性的判定结果，具有判据简单、准确性高、对不同故障类型的通用性强、对不同变换器控制方式适用性高的特点。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，其包括：

S11：选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，所述指标为与所述变换器有关的一个或多个变量的函数；

S12：将所述S11中的所述一个或多个变量代入所述函数，得到所述指标的当前值；

S13：将所述S12中的所述指标的当前值与指标的临界值进行比较；

S14：根据所述S13的比较结果判定所述变换器的暂态稳定性。

较佳地，所述变换器为三相电压源型变换器，工作在整流或逆变状态下；和/或，

所述变换器包括：角度生成单元，所述角度生成单元的输出为角度，用于作为所述变换器交流侧的参考电压或参考电流的角度。

较佳地，所述变量包括：所述变换器的交流侧并网点的三相电压；和/或，

所述角度生成单元的输出角度；进一步地，

所述指标包括：所述变换器的交流侧电网的三相电压的正序分量幅值；和/或，

所述角度生成单元的能量函数。

较佳地，所述指标的临界值包括：临界正序电压幅值；和/或，临界能量。

所述临界正序电压幅值为分岔点；

所述分岔点表示在所述变换器的锁相环的动态***中，与稳定平衡点相邻的两个不稳定平衡点的流形随所述正序电压幅值的变化而发生变化时，在所述临界正序电压幅值下发生的异宿分岔。

较佳地，所述能量函数的构造方法包括：

S61：将所述角度生成单元及其闭环回路写成如下二阶动态方程的形式：

S62：忽略f₁中的含δ项，忽略f₂中的含x项，如果没有所述项则跳过，由此得到新的动态方程：

S63：构造能量函数：

V(δ,x)＝F₁(x)–F₂(δ)+V₀

其中，F₁(x)为f₁(x)的原函数，F₂(δ)为f₂(δ)的原函数，V₀为任意实数。

较佳地，如果所述变换器的所述角度生成单元为锁相环，那么所述能量函数的第一个变量δ是所述锁相环的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差，第二个变量x是所述锁相环的PI控制器的积分器状态；

如果所述角度生成单元为虚拟同步控制，那么所述能量函数的第一个变量δ是所述虚拟同步控制的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差，第二个变量x是所述虚拟同步控制的内部频率与补偿频率之差。

较佳地，所述临界能量的计算方法为：临界能量等于V(δ_c,0)，其中δ_c是在所述锁相环的动态***中，距离稳定平衡点最近的不稳定平衡点所对应的所述锁相环的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差。

较佳地，所述S14中的暂态稳定性判定结果为：所述变换器暂态稳定或所述变换器有暂态失稳的风险。

较佳地，所述指标包括多个；

先使用其中一个所述指标进行变换器暂态稳定性判定，当判定结果为所述变换器有暂态失稳的风险时，继续使用另一所述指标进行变换器暂态稳定性判断，以此递进。

本发明还提供一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定装置，其用于实现上述的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，包括：指标建立单元、指标当前值计算单元、比较单元以及结果判定单元；其中，

所述指标建立单元用于选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，所述指标为与所述变换器有关的一个或多个变量的函数；

所述指标当前值计算单元用于将所述指标建立单元中的所述一个或多个变量代入所述函数，得到所述指标的当前值；

所述比较单元用于将所述指标当前值计算单元中的所述指标的当前值与指标的临界值进行比较；

所述结果判定单元用于根据所述比较单元的比较结果判定所述变换器的暂态稳定性。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，仅需要实时采集指标中相应的变量大小，而不需要关注故障的具体形式，降低了故障识别所带来的时间成本和算法难度，适用于几乎所有的交流故障类型；

(2)本发明提供的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，获得指标的方法只需代入公式计算，且通过比较即可获得判定结果，实现起来简单快速，能够用于在线判定；

(3)本发明提供的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，能够进行分阶段扩展，且当按照一定次序组合判定时，能够尽可能地克服当前判定方法的保守性，对于变换器暂态稳定性判定结果的准确性较高；

(4)本发明提供的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法及装置，既适用于有锁相环的变换器，也适用于无锁相环的虚拟同步控制变换器，前者是目前电力***中变换器的主流，而后者是无锁相环的变换器中最重要的一种，因此本发明具有通用性强、适用范围广的优势。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明一实施例的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法的流程图；

图2为本发明一较佳实施例的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法的流程图；

图3为本发明一实施例的变换器及其并网***；

图4为本发明一较佳实施例的获得临界正序电压幅值的方法；

图5a为本发明一实施例的锁相环动态方程在相平面上发生异宿分岔前的稳定域；

图5b为本发明一实施例的锁相环动态方程在相平面上发生异宿分岔后的稳定域；

图5c为本发明一实施例的锁相环动态方程在相平面上利用能量函数所估计出的稳定域。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为本发明一实施例的本发明一实施例的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法的流程图。

请参考图1，本实施例的变换器暂态稳定性判定方法包括以下步骤：

S11：选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，指标为与变换器有关的一个或多个变量的函数；

S12：将S11中的一个或多个变量代入所述函数，得到指标的当前值；

S13：将S12中的指标的当前值与指标的临界值进行比较；

S14：根据S13的比较结果判定变换器的暂态稳定性。

较佳实施例中，变换器为三相电压源型变换器，工作在整流或逆变状态下；和/或，变换器包括：角度生成单元，其输出为角度，用于作为变换器交流侧的参考电压或参考电流的角度。进一步地，变量包括：变换器的交流侧并网点的三相电压；和/或，角度生成单元的输出角度。进一步地，指标包括：变换器的交流侧电网的三相电压的正序分量幅值；和/或，角度生成单元的能量函数。进一步地，指标的临界值包括：临界正序电压幅值；和/或，临界能量。

一具体实例中，以有锁相环的三相电压源型变换器为例进行描述。

请参考图3，本实施例的变换器及其并网***包括：三相电压源型变换器、电网等效电路、变换器控制部分。变换器的交流侧有滤波电路，接着通过交流侧并网点与交流电网连接。交流电网采用戴维南等效电路，其等效的电压相量为U_g，线路阻抗为Z_g。对于控制部分，图中变换器的角度生成单元为锁相环，锁相环的输入为交流侧并网点的电压U_s，输出为变换器控制的角度θ，锁相环PI控制器的积分器的输出为x；电流控制器采用矢量控制，在θ的坐标系下，控制变换器的输出电流I_s始终跟随其参考值I_s,ref。

在介绍上述判定方法之前，首先需要写出锁相环的动态方程：

其中：δ＝θ-θ_g为锁相环输出角度与交流电网电压角度之差；

为电流注入因数，k_p＝k_p,pllU_g与k_i＝k_i,pllU_g分别为锁相环PI控制器的实际比例增益和实际积分增益。将其进行归一化：

满足：

接着，要得到该***发生异宿分岔的临界电压。观察锁相环的动态方程，不难发现该***只有两个参数m和γ，利用计算机求解的方法，可以得到发生异宿分岔时，两个参数的数值关系。

请参考图4，γ＝γ_c(m)为发生异宿分岔时m和γ的函数图像。另一方面，m和γ与电网正序电压幅值之间满足关系：

其中：m₀为额定电压时的电流注入因数，γ₀为额定电压时的阻尼系数，U_g ^*为交流电网正序电压的标幺值，在故障中可能小于1。因此，随着交流电网正序电压的变化，m和γ始终满足：

将该关系式也画在图4中，并取其与γ＝γ_c(m)的交点(m',γ'),将这一点所对应的电网正序电压幅值求出，即可得到所对应的临界正序电压幅值。

假设这时电网已经发生了故障，通过一些方式能够提取出电网的正序电压幅值，将该值与上一步所求得的临界正序电压幅值比较。如果大于临界正序电压幅值，则判定变换器暂态稳定，此时可以结束判定过程；否则判定变换器有暂态失稳的风险

较佳实施例中，指标包括多个；先使用其中一个指标进行变换器暂态稳定性判定，当判定结果为变换器有暂态失稳的风险时，继续使用另一指标进行变换器暂态稳定性判断，以此循环。一具体实例中，如果采用临界正序电压幅值判定的判定变换器有暂态失稳的风险，可以选择是否继续使用其它指标进行判定。如可以使用能量函数作进一步的判定。对锁相环的动态方程构造能量函数，其中：

忽略f₁中的含δ项，忽略f₂中的含x项，可得：

求f₁(x)和f₂(δ)的原函数。接下来，不难构造出能量函数：

容易验证，其导数始终保持半负定，即满足能量函数的要求。接着，求出锁相环动态方程的平衡点位置。假设m>0，则距离稳定平衡点最近的不稳定平衡点的横坐标δ_c等于π–arcsin m；假设m<0，则距离稳定平衡点最近的不稳定平衡点的横坐标δ_c等于–π–arcsin m。由此可得临界能量V(δ_c,0)。

接下来，将变换器此时的状态代入能量函数的表达式中，得到当前的能量函数值，将该值与上一步所求得的临界能量比较。如果小于或等于临界能量，则判定变换器暂态稳定；否则判定变换器有暂态失稳的风险。

请参考图5，为了进一步地阐述上述判定方法的原理，将归一化的锁相环动态方程在相平面上的稳定域画出。其中，图5a为发生异宿分岔前的稳定域，图5b为发生异宿分岔后的稳定域，图5c为利用能量函数所估计出的稳定域范围，它是能量函数值小于临界能量的状态的集合。在暂态发生的瞬间，锁相环的PI控制器的积分器的状态x不会发生突变，且其稳定值通常为零，因此在暂态发生后，x₂依然在x₁轴上。如果此时电压跌落的程度不足以导致异宿分岔的发生，那么根据图5a，锁相环的状态一定在稳定域的范围内，也即变换器一定是暂态稳定的。如果此时电压跌落较深，低于临界正序电压幅值，那么稳定域范围会缩小而变成图5b的形状，此时的锁相环状态有可能不在稳定域的范围内，故需要进一步的判定。由于能量函数对时间的导数是半负定的，由能量函数所估计出的稳定域范围要比实际的稳定域范围小一些，即图5b的稳定域范围包含图5c的稳定域范围。因此，只要锁相环在暂态后的状态的能量函数值小于或等于临界能量，那么变换器一定是暂态稳定的。否则，会有失稳的风险。此时由于异宿分岔后的稳定域范围和利用能量函数估计出的稳定与范围已经很接近，第二次的判定结果将与实际结果基本相同，且不会出现过于乐观的判定结果。

综上，本方法通过对异宿分岔前后的情况分别讨论，减小了当电压跌落程度不大时利用能量函数对暂态稳定性估计的保守性。

一实施例中，还提供一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定装置，其用于实现上述的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，包括：指标建立单元、指标当前值计算单元、比较单元以及结果判定单元；其中，

指标建立单元用于选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，指标为与所述变换器有关的一个或多个变量的函数；

指标当前值计算单元用于将指标建立单元中的所述一个或多个变量代入函数，得到所述指标的当前值；

比较单元用于将指标当前值计算单元中的指标的当前值与指标的临界值进行比较；

结果判定单元用于根据比较单元的比较结果判定变换器的暂态稳定性。

需要说明的是，本发明提供的所述方法中的步骤，可以利用所述装置中对应的模块、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述装置的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述装置的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的装置及其各个单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的装置及其各项单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，其特征在于，包括：

S11：选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，所述指标为与所述变换器有关的一个或多个变量的函数；

S12：将所述S11中的所述一个或多个变量代入所述函数，得到所述指标的当前值；

S13：将所述S12中的所述指标的当前值与指标的临界值进行比较；

S14：根据所述S13的比较结果判定所述变换器的暂态稳定性；

所述变换器为三相电压源型变换器，工作在整流或逆变状态下；和，所述变换器包括：角度生成单元，所述角度生成单元的输出为角度，用于作为所述变换器交流侧的参考电压或参考电流的角度；

所述变量包括：所述变换器的交流侧并网点的三相电压；和所述角度生成单元的输出角度；进一步地，所述指标包括：所述变换器的交流侧电网的三相电压的正序分量幅值；和，所述角度生成单元的能量函数；

所述指标的临界值包括：临界正序电压幅值和临界能量；

所述临界正序电压幅值为分岔点；

所述分岔点表示在所述变换器的锁相环的动态***中，与稳定平衡点相邻的两个不稳定平衡点的流形随所述正序电压幅值的变化而发生变化时，在所述临界正序电压幅值下发生的异宿分岔；

所述能量函数的构造方法包括：

S61：将所述角度生成单元及其闭环回路写成如下二阶动态方程的形式：

S62：忽略f₁中的含δ项，忽略f₂中的含x项，如果没有所述项则跳过，由此得到新的动态方程：

S63：构造能量函数：

V(δ,x)＝F₁(x)–F₂(δ)+V₀

其中，F₁(x)为f₁(x)的原函数，F₂(δ)为f₂(δ)的原函数，V₀为任意实数；

如果所述变换器的所述角度生成单元为锁相环，那么所述能量函数的第一个变量δ是所述锁相环的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差，第二个变量x是所述锁相环的PI控制器的积分器状态；

如果所述角度生成单元为虚拟同步控制，那么所述能量函数的第一个变量δ是所述虚拟同步控制的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差，第二个变量x是所述虚拟同步控制的内部频率与补偿频率之差；

所述临界能量的计算方法为：临界能量等于V(δ_c,0)，其中δ_c是在所述锁相环的动态***中，距离稳定平衡点最近的不稳定平衡点所对应的所述锁相环的输出角度与所述变换器的交流侧电网的电压角度之差。

2.根据权利要求1所述的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，其特征在于，所述S14中的暂态稳定性判定结果为：所述变换器暂态稳定或所述变换器有暂态失稳的风险。

3.根据权利要求2所述的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，其特征在于，所述指标包括多个；

先使用其中一个所述指标进行变换器暂态稳定性判定，当判定结果为所述变换器有暂态失稳的风险时，继续使用另一所述指标进行变换器暂态稳定性判断，以此递进。

4.一种基于临界指标的变换器暂态稳定性判定装置，其特征在于，用于实现如权利要求1至3任一项所述的基于临界指标的变换器暂态稳定性判定方法，包括：指标建立单元、指标当前值计算单元、比较单元以及结果判定单元；其中，

所述指标建立单元用于选取与变换器的暂态稳定性有关的指标，所述指标为与所述变换器有关的一个或多个变量的函数；

所述指标当前值计算单元用于将所述指标建立单元中的所述一个或多个变量代入所述函数，得到所述指标的当前值；

所述比较单元用于将所述指标当前值计算单元中的所述指标的当前值与指标的临界值进行比较；

所述结果判定单元用于根据所述比较单元的比较结果判定所述变换器的暂态稳定性。

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