CN116316697A - 并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法 - Google Patents

并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法，通过在负序电流环上添加自适应阻尼控制器来提高***负序锁相环的阻尼，从而改善并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性。本方法在不增加硬件设备的基础上，对并网变流器的控制策略进行了重新设计。在弱电网不对称短路故障期间使用本发明提出的动态增稳控制策略，可以增强***在不对称故障期间的动态稳定性，提高弱电网不对称短路故障穿越成功率。

Description

并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法
技术领域
本发明属于新能源并网变流器控制领域，具体涉及一种针对并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法。
背景技术
电力电子变流器对电网友好，是新能源发电***和电网之间的重要接口。在以太阳能电站和风电场为代表的新能源发电基地中，越来越多的可再生能源通过电力电子变流器接入电网。“双高”电力***，即高比例新能源和高比例电力电子设备，成为了电力***发展的重要趋势。并且，我国新能源发电领域存在着大规模开发和远距离输送这两个显著特点，这种开发方式也极易造成新能源并网运行安全故障。
在集中开发、远距离传输的模式下，随着新能源发电基地的并网规模不断提高，电力电子发电装备数量激增，导致同步机主导特性弱化，电网强度越来越弱，输电线路阻抗对***稳定性的影响也日趋显著。特别是在弱电网不对称短路故障期间，新能源发电***的控制复杂化，受***强非线性和正负序阻抗耦合的影响，新能源发电基地与交流电网的动态耦合程度进一步加剧，***的动态响应呈现出多时间尺度的特征，振荡呈现宽频带特征，使得弱电网不对称短路故障下并网变流器的稳定性问题更恶劣。
因此，并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性提升控制策略越来越受到人们的重视。目前，国内外学者已对适用于并网变流器在弱电网不对称短路故障下的稳定性增强控制技术开展了研究，如已公开的下列文献：
(1)熊浩,杜雄,孙鹏菊,籍勇亮.三相并网变流器在电网不对称故障时的有功功率安全运行区域[J].中国电机工程学报,2018,38(20):6110-6118.
(2)赵磊,杨辉.电网电压不对称故障下并网变流器的优化控制[J].微电机,2018,51(05):52-58.
文献(1)提出了电网不对称短路故障时并网变流器的最大相电流最小化的优化控制，保证变流器自身安全的前提下最大限度地注入有功功率，提升了***的最大有功功率输出能力以及在故障期间的控制稳定性。但此方法未考虑如何增强并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性。
文献(2)为并网变流器设计了一种在电网不对称短路故障下的优化控制策略，其通过对直流侧电压和网侧无功功率二倍频振荡的抑制，提高了并网变流器在不对称电网电压下安全稳定运行能力。并理论分析了电容电流谐振闭环对直流侧电压二倍频脉动抑制、无功功率谐振闭环对网侧无功功率二倍频脉动抑制的合理性。但此方法也并未考虑并网变流器***在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性，对如何提高***在故障期间的小信号稳定性也没有深入研究。
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可以改善并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性的动态增稳控制方法。本方法在不增加硬件设备的基础上，对并网变流器的控制策略进行了重新设计。使用本发明提出的动态增稳控制策略，可以增强***在不对称故障期间的小信号稳定性，提高弱电网不对称短路故障穿越的成功率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法，其特征在于：在故障期间，通过在负序电流环上添加自适应阻尼控制器来提高***负序锁相环的阻尼，从而改善并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性。
具体控制步骤如下：
1)当检测到弱电网发生不对称短路故障时，***切换故障穿越控制策略，使用负序电流环控制负序电流
Figure BDA0004152069370000021
并使用负序锁相环检测负序电压相角θpll－；
2)检测电网络不对称短路故障发生的位置，测量故障阻抗，计算出故障电网的序阻抗与序间耦合阻抗；
Figure BDA0004152069370000022
和/>
Figure BDA0004152069370000023
为故障电网的正序阻抗和负序阻抗；
3)根据下式计算负序锁相环的阻尼率ξ，其中kp2和ki2是负序锁相环中PI控制器的比例系数和积分系数；
Figure BDA0004152069370000024
为故障电网的负序感抗，/>
Figure BDA0004152069370000025
Figure BDA0004152069370000026
为故障期间的负序无功电流；/>
Figure BDA0004152069370000027
为并网点电压负序d轴分量；
Figure BDA0004152069370000028
4)若ξ小于0，则设计一个自适应阻尼控制器添加到负序电流环中；自适应阻尼控制器被配置在负序d轴电流环上；通过调节自适应阻尼控制器中应用的PI控制器的比例系数kcp和积分系数kci，使应用自适应阻尼控制器后的负序锁相环的阻尼率ξ*为大于0的常数；通过自适应阻尼控制器中应用的PI控制器将锁相环输出角速度ωpll－和***目标角速度ωg－之间的偏差Δωpll－负反馈给负序d轴电流环的输出；一旦ωpll－在故障期间偏离ωg－，变流器将根据Δωpll－自动调整其输出负序电流的q轴电流分量；由此增强***在故障期间的动态稳定性，提高***的不对称短路故障穿越能力。
本发明按照下式调节自适应阻尼控制器中应用的PI控制器的比例系数kcp和积分系数kci，使应用自适应阻尼控制器后的负序锁相环的阻尼率ξ*为大于0的常数，式中
Figure BDA0004152069370000031
为故障电网的负序电阻值；
Figure BDA0004152069370000032
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本方法在不增加硬件设备的基础上，对并网变流器的控制策略进行了重新设计。使用本发明提出的动态增稳控制策略，可以增强***在不对称故障期间的小信号稳定性，提高弱电网不对称短路故障穿越的成功率。
附图说明
图1为并网变流器的不对称短路故障穿越控制策略。
图2为双序锁相环控制结构。
图3为本发明中提出的动态增稳控制策略。
图4为有无应用动态增稳控制策略的仿真波形对比图。
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。
如图1所示，并网变流器需要同时控制正序无功电流和负序无功电流。因为外部控制环路(功率控制)的响应速度比内部控制环路(电流控制)慢，为了保证电流控制的及时性，在故障穿越期间，并网变流器一般只采用内部控制环。在不对称故障期间，***一般采用双序电流环来控制正序电流和负序电流——引入负序电流环来控制负序电流。当***检测到电网发生不对称短路故障时，Flag＝2，***立即切换到框中的故障穿越控制策略：功率外环被移除，无功电流指令
Figure BDA0004152069370000033
根据故障程度和(1)直接计算给出。
Figure BDA0004152069370000034
本发明图中和公式中涉及的相关符号说明如下，
Figure BDA0004152069370000041
和/>
Figure BDA0004152069370000042
分别为正序/负序无功电流指令。/>
Figure BDA0004152069370000043
Figure BDA0004152069370000044
和/>
Figure BDA0004152069370000045
分别为正序/负序有功电流指令。Pg和Qg分别为***有功功率和无功功率，Pgref和Qgref分别为有功功率指令和无功功率指令，/>
Figure BDA0004152069370000046
和/>
Figure BDA0004152069370000047
分别为并网点电压正序/负序d轴分量。/>
Figure BDA0004152069370000048
和/>
Figure BDA0004152069370000049
为锁相环检测到的***输出正序电流与负序电流，/>
Figure BDA00041520693700000410
和
Figure BDA00041520693700000411
为锁相环检测到的并网点正序电压与负序电压，/>
Figure BDA00041520693700000412
和/>
Figure BDA00041520693700000413
为锁相环检测到的***输出端正序电压与负序电压。Zf代表变流器输出侧滤波电感。UG和ZG分别代表电网电压和电网阻抗。电网分为远端线路Zg1和近端线路Zg2。此外，Ut代表***并网点电压。Vg和Ig分别代表VSC的输出端电压和电流。θpll+和θpll－为正序锁相环输出角度和负序锁相环输出角度。
由图2可得，在不对称短路故障期间，***将使用双序锁相环来检测正序和负序并网点电压的相角。并网点电压Utαβ首先被正负序电压分离算法分解成正序参考电压
Figure BDA00041520693700000414
和负序参考电压/>
Figure BDA00041520693700000415
随后，正序参考电压和负序参考电压的q轴分量将进入独立的正序锁相环和负序锁相环得到正序和负序并网点电压的相角θpll+和θpll－。
图3为动态增稳控制策略中设计的添加到负序电流环中的自适应阻尼控制器。自适应阻尼控制器被配置在负序d轴电流环上，其通过PI控制器将锁相环输出角速度ωpll－和***目标角速度ωg－(-50Hz)之间的偏差Δωpll－负反馈给负序d轴电流环的输出。一旦ωpll－在故障期间偏离ωg－，变流器将根据Δωpll－自动调整其输出负序电流的q轴电流分量。
本发明的具体实施步骤如下：
1)当检测到弱电网发生不对称短路故障，***切换故障穿越控制策略，使用负序电流环控制负序电流
Figure BDA00041520693700000416
并使用负序锁相环检测负序电压相角θpll－，如图1和图2。
2)使用故障定位技术检测电网络不对称短路故障发生的位置，测量故障阻抗，计算出故障电网的序阻抗与序间耦合阻抗；
Figure BDA00041520693700000417
和/>
Figure BDA00041520693700000418
为故障电网的正序阻抗和负序阻抗；
3)根据下式(2)计算负序锁相环的阻尼率ξ，其中kp2和ki2是负序锁相环中PI控制器的比例系数和积分系数；
Figure BDA00041520693700000419
为故障电网的负序感抗，/>
Figure BDA00041520693700000420
Figure BDA00041520693700000421
为故障期间的负序无功电流；/>
Figure BDA00041520693700000422
为并网点电压负序d轴分量。
Figure BDA00041520693700000423
4)若ξ小于0，则设计一个自适应阻尼控制器添加到负序电流环中，如图3。自适应阻尼控制器被配置在负序d轴电流环上，其通过PI控制器将锁相环输出角速度ωpll－和***目标角速度ωg－(-50Hz)之间的偏差Δωpll－负反馈给负序d轴电流环的输出。一旦ωpll－在故障期间偏离ωg－，变流器将根据Δωpll－自动调整其输出负序电流的q轴电流分量。***在故障期间的动态稳定性会被增强，***的不对称短路故障穿越能力会被提高。kcp和kci为自适应阻尼控制器中应用的PI控制器的比例系数和积分系数。
Figure BDA0004152069370000051
为故障电网的负序电阻值。按照下式(3)调节kcp和kci至ξ*为大于0的常数，其中ξ*为应用自适应阻尼控制器后的负序锁相环的阻尼率。
Figure BDA0004152069370000052
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本方法在不增加硬件设备的基础上，对并网变流器的控制策略进行了重新设计。使用本发明提出的动态增稳控制策略，可以增强***在不对称故障期间的小信号稳定性，提高弱电网不对称短路故障穿越的成功率。
本发明效果说明：
图4给出了弱电网发生不对称短路故障后，应用本发明动态增稳控制策略前后的并网变流器***仿真波形对比图。图中1.5s～2.5s时***a、b两相发生对地短路故障。其中Igabc为输出三相电流，Utabc为并网点三相电压。由图A中可以看出在不对称短路故障期间并网变流器***发生小信号失稳现象，且输出电流和并网电压中谐波含量过高，***在故障期间的动态稳定性很差，这降低了不对称短路故障穿越的成功率。图B为应用本发明动态增稳控制策略后的仿真波形图。从图中可以看出，故障期间，通过应用动态增稳控制策略，有效地改善了并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性，***的输出电流和并网电压中谐波含量降低，提高了不对称短路故障穿越的成功率。
综上所述，本发明所述一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制策略，具有以下优点：提高了在弱电网不对称短路故障期间并网变流器***的阻尼，有效地改善了并网变流器***在不对称短路故障期间的小信号稳定性，提高了变流器***不对称短路故障穿越的成功率。
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 (3)

1.一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法，其特征在于：在故障期间，通过在负序电流环上添加自适应阻尼控制器来提高***负序锁相环的阻尼，从而改善并网变流器在弱电网不对称短路故障期间的小信号稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法，其特征在于：具体控制步骤如下：
1)当检测到弱电网发生不对称短路故障时，***切换故障穿越控制策略，使用负序电流环控制负序电流
Figure FDA0004152069360000011
并使用负序锁相环检测负序电压相角θpll－；
2)检测电网络不对称短路故障发生的位置，测量故障阻抗，计算出故障电网的序阻抗与序间耦合阻抗；
Figure FDA0004152069360000012
和/>
Figure FDA0004152069360000013
为故障电网的正序阻抗和负序阻抗；
3)根据下式计算负序锁相环的阻尼率ξ，其中kp2和ki2是负序锁相环中PI控制器的比例系数和积分系数；
Figure FDA0004152069360000014
为故障电网的负序感抗，/>
Figure FDA0004152069360000015
为故障期间的负序无功电流；/>
Figure FDA0004152069360000016
为并网点电压负序d轴分量；
Figure FDA0004152069360000017
4)若ξ小于0，则设计一个自适应阻尼控制器添加到负序电流环中；自适应阻尼控制器被配置在负序d轴电流环上；通过调节自适应阻尼控制器中应用的PI控制器的比例系数kcp和积分系数kci，使应用自适应阻尼控制器后的负序锁相环的阻尼率ξ*为大于0的常数；通过自适应阻尼控制器中应用的PI控制器将锁相环输出角速度ωpll－和***目标角速度ωg－之间的偏差Δωpll－负反馈给负序d轴电流环的输出；一旦ωpll－在故障期间偏离ωg－，变流器将根据Δωpll－自动调整其输出负序电流的q轴电流分量；由此增强***在故障期间的动态稳定性，提高***的不对称短路故障穿越能力。
3.根据权利要求2所述的一种并网变流器在弱电网不对称短路故障下的动态增稳控制方法，其特征在于：按照下式调节自适应阻尼控制器中应用的PI控制器的比例系数kcp和积分系数kci，使应用自适应阻尼控制器后的负序锁相环的阻尼率ξ*为大于0的常数，式中Rg － －为故障电网的负序电阻值；
Figure FDA0004152069360000021
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CN117477642A (zh) * 2023-10-30 2024-01-30 国家电网有限公司华东分部 多风电场的不对称故障穿越控制方法、装置及电子设备

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