CN117239779A - 电网形成基于逆变器的资源的***级过载穿越控制策略 - Google Patents

电网形成基于逆变器的资源的***级过载穿越控制策略 Download PDF

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Abstract

一种用于在扰动期间控制基于逆变器的资源(IBR)的网络的方法包括响应于所述扰动的开始而在IBR的网络之中采用***级过载穿越(SLORT)算法。所述SLORT算法包括：经由SLORT控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于IBR中的一个或多个的修改的参数集；经由所述SLORT控制模块将修改的参数集传输到IBR；以及经由IBR的一个或多个本地控制器自动激活修改的参数集，其中自动激活修改的参数集包括在扰动的持续期间内和在扰动之后的时间段内快速重新参数化IBR中的一个或多个的一个或多个参数，以便将IBR的网络从扰动前的稳定状态转变到扰动后的稳定状态。

Description

电网形成基于逆变器的资源的***级过载穿越控制策略
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明在由美国能源部授予的合同号为DE-EE0009024下利用政府支持进行。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本公开一般涉及诸如风力涡轮发电机之类的基于逆变器的资源，并且更具体地涉及用于在大扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的***和方法。
背景技术
风功率被认为是目前可获得的最清洁、最为环境友好的能量源之一，以及风力涡轮在这个方面已经受到越来越多关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知翼型件原理来捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片之上流动，从而产生侧面之间的压力差。因此，从压力侧朝吸入侧引导的升力作用于叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，所述主转子轴通常被连到发电机以用于产生电力。
能够以下列两种类型来区分风力涡轮：固定速度和可变速度涡轮。常规地，可变速度风力涡轮作为连接到功率电网的电流源而被控制。换言之，可变速度风力涡轮依靠由锁相环路(PLL)所检测的电网频率作为参考，并且将指定量的电流注入到电网中。风力涡轮的常规电流源控制基于以下假设：电网电压波形是具有固定频率和幅值的基本电压波形，并且风功率到电网中的渗透足够低，以便不引起对电网电压幅值和频率的扰动。因此，风力涡轮基于基本电压波形简单地将所指定的电流注入到电网中。但是，随着风功率的快速增长，到一些电网中的风力渗透已经增加到风力涡轮发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮位于弱电网中时，风力涡轮功率波动可导致电网电压中的幅值和频率变更中的增加。这些波动可不利地影响PLL和风力涡轮电流控制的性能和稳定性。
此外，许多现有可再生生成转换器(诸如双馈风力涡轮发电机)以“电网跟随”模式进行操作。电网跟随类型装置利用快速电流调节环路来控制与电网所交换的有功和无功功率。更具体来说，图1示出电网跟随双馈风力涡轮发电机的主电路和转换器控制结构的基本元件。如所示出的，对转换器的有功功率参考由能量源调节器(例如，风力涡轮的涡轮控制部分)形成。这作为表示在那个时刻来自能量源的最大可获得功率中的较小者的转矩参考或来自更高级电网控制器的缩减命令来传达。转换器控制然后确定电流的有功分量的电流参考以实现期望转矩。相应地，双馈风力涡轮发电机包括以导致电流的无功分量的命令的方式来管理电压和无功功率的功能。宽带宽电流调节器然后形成将由转换器施加到***的电压的命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
备选地，电网形成(GFM)基于逆变器的资源(IBR)充当阻抗后面的电压源，并且提供电压源特性，其中电压的角和幅值被控制成实现由电网所需的调节功能。术语IBR是指一种逆变器，所述逆变器将直流(dc)转换成交流(ac)，并且可用来将任何能量源与ac功率***通过接口连接。能量源能够可能包括但不限于可再生源(诸如太阳能光伏阵列、风力涡轮、电池能量存储***(BESS)、超级电容器)或者基于化石燃料的源(诸如柴油或天然气发电机组、STATCOM、HVDC VSC)或者被绑定到dc网络的这些能量源的任何组合。此外，术语“电网形成IBR”一般被限定为IBR，所述IBR采用本地控制器以快速时标来“刚性地”调节(1)本地ac电压幅值以及(2)本地ac频率(或相位角)两者。换言之，本地控制器电压调节和频率(或相位)调节环路的响应时间被假定为远低于100毫秒(ms)。电压和频率(或相位)调节环路的扰动抑制和/或反馈控制性能是充分高带宽(或“刚性”)的，使得电压和频率在整个大约100ms的滑动时间窗口面对意外电网事件仅适度地变化。
另外，GFM IBR的阻抗通常由***的诸如电抗器、变压器或旋转机器阻抗之类的硬件规定。利用这个结构，电流将根据电网的需求进行流动，同时转换器促成建立用于电网的电压和频率。这个特性与基于驱动同步机器的涡轮的常规发电机是可比的。因此，电网形成源必须包括以下基本功能：(1)支持设备的额定值之内的任何电流流动的电网电压和频率(实际和无功两者)；(2)通过允许电网电压或频率发生变化而不是断开设备(仅当电压或频率超出由电网实体建立的界限时才允许断开)来防止超出设备电压或电流能力的操作；(3)对任何电网配置或负载特性保持稳定，包括服务于隔离的负载或者与其他电网形成源连接，并且在这类配置之间进行切换；(4)在连接到电网的其他电网形成源之中共享电网的总负载；(5)穿越电网扰动(主要和次要两者)；以及(6)满足要求(1)-(5)，而不要求与电网中存在的其他控制***的快速通信或者与电网配置变化相关的外部创建的逻辑信号。
用来实现以上电网形成目标的基本控制结构在20世纪90年代初为电池***被开发和现场证明(参见例如标题为“Battery Energy Storage Power Conditioning System”的美国专利No.5798633)。在美国专利No.7804184(标题为“System and Method forControl 0f a Grid Connected Power Generat ing Sys tem”)和美国专利No.9270194(标题为“Controller for controlling a power converter”)中公开对全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用。在PCT/US2020/013787(标题为“System and Method forProviding Grid-Forming Control for a Doubly-Feb Wind Turbine Generator”)中公开对双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用。
特别是，连接到电网的全转换电网形成基于逆变器的资源的简单电路在图2中示出，其中电压E1和角δ1反映由电网形成资源合成的量，以及Xterm是电网形成资源的电抗。***中的稳态功率流由以下关系表征：
由电网形成资源生成的功率取决于外部电网电压(Vthev)和电网阻抗(Xthev)，它们一般是未知和正在变化的。因此，对于常规***，电网形成资源的控制实际上通过针对局部测量的电压和角(VT和θT)控制电压源而被实现。因此，有功功率等式能够写作如下：
其中，δ1T反映电网形成资源物理电压角与局部测量的角之间的差。因此，***的有功功率动力学与***的阻抗相关如下：
dPT/dδ1Tα1/Xterm 等式(3)
现在参照图3，示出用于控制基于逆变器的资源的有功功率和电压的示意图。如所示出的，输出E1反映期望转换器电压幅值，以及输出δ1T反映针对局部测量的角(θT)的期望转换器电压角。相应地，有功功率输出和电压通过对转换器电压的操纵被控制，使得跨内部电抗(Xterm)的所产生电压降实现期望控制目标。这个电压降通过下式给定：
VT＝F1-j*Xterm*IT 等式(4)
但是，Xterm由功率电路的硬件规定，并且可包括电抗器和/或变压器阻抗。此外，利用电网形成控制，当存在电网扰动时，电流快速变化。因此，对于常规***，控制动作通常是渐进的，以恢复由更高级控制所命令的稳态操作条件。电流变化量与电路的总阻抗逆相关。因此，如果电流超过限制，则控制快速响应以迫使电流处于限制之内。但是，当被应用于由许多其他类似***组成的电网时，这个极端非线性能够导致混乱行为。备选地，如果电流变化太小，则电网形成***将不会尽它可能地促成支持电网。
因此，扰动期间的瞬时功率限制对GFM IBR而言是一项具有挑战性的任务。因此，现在参考图4，示出示例功率限制模式。如所示，如果在限制瞬态期间超过有功功率阈值Pac，则功率限制模式通过激活通常休眠的PI调节器来为电网形成逆变器提供瞬态功率限制控制解决方案，以使用频率参考将功率驱动回Pmax设置。虽然这种方法在微电网设置中表现良好，但并不总是清楚需要多少有功功率储备(即，Pmax设置和PV最大功率点(MPP)之间的差)。由于瞬态期间逆变器间的动态特性，需要一定量的功率储备。Pmax的保守低值(远低于PV阵列的MPP)引起稳定瞬态的改进的可能性，但也要求在预计负载阶跃变化时显著PV削减。
由于***相互作用，还存在发生级联不稳定性的可能性，其中，尽管激活功率限制模式，逆变器耗尽其原动机并跳闸，并且跳闸事件随后使(一个或多个)相邻源过载。故障期间，功率限制模式在电流限制方面也不太有效。
因此，上述功率限制模式的备选方案是快速应用瞬态虚拟阻抗，这是一种在严重电网事件期间为电网形成基于逆变器的资源提供临界限流能力的有前途的方法。与其他限流方法(例如模式切换到电网跟踪控制模式)相比，基于虚拟阻抗的方法可以为各种可能的电网事件提供更可靠和可预测的性能。特别是，一旦激活，该方法暂时降低与输出电流成比例的逆变器输出电压。然而，通常不清楚何时激活瞬态虚拟阻抗，以及应用多少虚拟阻抗。例如，太小的虚拟阻抗有耗尽dc母线电压的风险，而太大的虚拟阻抗可能导致GFM IBR之间有害的同步损失和降低的功率质量。也不清楚对于功率限制需要多少储备。
另外，基于虚拟阻抗的方式不解决稳定性或最优性。一旦多个电网形成IBR激活虚拟阻抗以成功穿越事件，就难以保证IBR将保持彼此同步，因为在事件期间，由于有功功率设定点和测量的有功功率之间的不匹配，可能会发生角度饱和(wind-up)。这种失去同步的高可能性可能导致虚拟阻抗去激活时的大有功功率转移，需要基于电压降低的过载穿越控制的类似限制循环的重复再应用，而不能保证能够实现稳定的同步。因此，常规的过载穿越控制***通常本质上仅仅是局部的，并且在它们确定修改的参数设置或加强对电网形成IBR的控制中，没有考虑可能存在的额外的电网形成IBR(包括其他电网形成IBR、同步机器和/或大容量关联***)。
因此，本公开针对解决上述问题的***和方法。具体而言，本公开涉及***级过载穿越控制，其采用在线***级分析和控制动作来增强一个或多个电网形成IBR的***在严重电网事件的持续时间和后果中的弹性。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践学到。
在方面中，本公开涉及一种用于在扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源网络的方法。所述方法包括响应于所述扰动的开始而在基于逆变器的资源的所述网络之中采用***级过载穿越算法。所述***级过载穿越算法包括经由***级过载穿越控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个的修改的参数集。所述***级过载穿越算法还包括经由所述***级过载穿越控制模块将所述修改的参数集传输到所述基于逆变器的资源中的一个或多个。此外，所述***级过载穿越算法包括经由与***级过载穿越控制模块通信耦合的基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个本地控制器，在由一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活修改的参数集。此外，自动激活修改的参数集包括在扰动持续期间内和在扰动之后的时间段内快速重新参数化基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个参数，以便将基于逆变器的资源的网络从扰动前的稳定状态转变到扰动后的稳定状态。
在另一方面中，本公开涉及一种用于在扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的***。所述***包括用于控制***的***级过载穿越控制模块，以及通信地耦合到***级过载穿越控制模块以用于控制基于逆变器的资源的多个本地控制器。所述***级过载跨越控制模块包括至少一个处理器，其配置成执行多个操作。所述多个操作包括响应于扰动的开始而在基于逆变器的资源的网络之中采用***级过载穿越算法。所述***级过载穿越算法包括经由***级过载穿越控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于基于逆变器的资源中的一个或多个的修改的参数集。所述***级过载穿越算法还包括经由***级过载穿越控制模块将修改的参数集传输到基于逆变器的资源中的一个或多个。此外，所述***级过载穿越算法包括经由与***级过载穿越控制模块通信耦合的基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个本地控制器，在由一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活修改的参数集。此外，自动激活修改的参数集包括在扰动的持续期间内和在扰动之后的时间段内快速重新参数化基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个参数，以便将基于逆变器的资源的网络从扰动前的稳定状态转变到扰动后的稳定状态。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并且组成其部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1示出根据常规构造的具有用于电网跟随应用的转换器控制的结构的双馈风力涡轮发电机的单线图；
图2示出根据常规构造的电网连接电网形成基于逆变器的资源的一个实施例的电路图；
图3示出根据常规构造的电网连接电网形成基于逆变器的资源的功率和电压控制的一个实施例的示意图；
图4示出功率限制模式下垂图的实施例的示意图，所述功率限制模式下垂图带有参数瞬态标绘图，其示出根据常规构造如何需要额外的功率裕量；
图5示出根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图6示出根据本公开的机舱的一个实施例的简化内部视图；
图7示出供与图4所示的风力涡轮一起使用的风力涡轮电功率***的一个实施例的示意图；
图8示出根据本公开的具有多个风力涡轮的风电场的一个实施例的示意图；
图9示出根据本公开的控制器的一个实施例的框图；
图10示出根据本公开的具有用于电网形成应用的转换器控制的双馈风力涡轮发电机的单线图；
图11示出根据本公开的用于在扰动期间控制连接到功率电网的一个或多个基于逆变器的资源的网络的方法的实施例的流程图；
图12示出根据本公开的用于在扰动期间控制连接到功率电网的一个或多个基于逆变器的资源的网络的方法的实施例的流程图；
图13示出根据本公开的用于在扰动期间控制连接到功率电网的一个或多个基于逆变器的资源的网络的***的实施例的示意图；
图14示出根据本公开的三源***实施例的简化示意图；
图15示出在用于图13的三源***的控制不稳定平衡点的多步计算中使用的势能(PE)表面的实施例的地形图(topographica1map)；
图16示出根据本公开的图13的三源***的势能表面的曲线图，其中没有虚拟阻抗由基于逆变器的资源中的任一个实现；
图17示出根据本公开的图13的三源***的势能表面的曲线图，其中1.0每单位虚拟阻抗由基于逆变器的资源中的一个实现；以及
图18示出根据本公开的图13的三源***的势能表面的曲线图，其中2.0每单位虚拟阻抗由基于逆变器的资源中的一个实现。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出其一个或多个示例。每个示例通过对本发明的解释的方式而不是对本发明的限制而被提供。实际上，对于本领域的那些技术人员将显而易见的是，在没有背离本发明的范围或精神的情况下，能够在本发明中进行各种修改和变更。例如，作为一个实施例的部分所示或所述的特征能够与另一实施例配合使用以产生又一另外的实施例。因此，本发明旨在涵盖如落入所附权利要求及其等效体的范围之内的这类修改和变更。
通常，本公开涉及***级过载穿越控制***，其采用在线***级分析和对应的控制动作，以便在严重电网事件的持续期间和后果期间，增强一个或多个基于逆变器的资源(IBR)(可电网形成或电网跟踪)的***的弹性。在实施例中，控制动作可以包括向每个IBR抢先传输个性化修改参数集，其可以在由IBR本地确定的时间由那个IBR本地自动激活。通常，修改的参数集的激活时间对应于与那个IBR相关联的本地控制器检测到过载的时刻，这可能是在足够严重的电网事件的初始时刻。
在检测到这种电网事件时，已接收到之前从***级过载穿越控制模块传输的修改的参数集的IBR将使用其接收到的最新修改的参数集中包括的值，快速重新参数化其本地频率、电压和/或虚拟阻抗控制函数。否则，如果由那个基于逆变器的资源没有检测到严重事件，则继续使用标称操作参数。修改的参数集内的参数值在IBR之间可能不同。此外，可以使用由***级模块进行的定期更新的***级分析来优化选择这些参数。因此，建议的***级过载穿越控制策略在事件期间和之后具有多个目标。这样的目标可以包括例如(1)自我保护，(2)稳定性，和(3)最优性。通过过载控制动作，自我保护消除在意外事件期间或之后从任何IBR提取或由其吸收的瞬态电流、瞬态有功功率或瞬态能量将超过那个IBR的容量并导致IBR被迫离线跳闸的可能性。此外，在电网事件之后，***应该保持渐近稳定(大体上)。‘大体上’稳定性的实现通常意味着在事件的后果中(例如，故障清除后)，IBR不会彼此失去同步，也不会与大功率***(如果它们连接到大功率***)失去同步。此外，在过载事件期间和之后，每个IBR应该尽可能地满足无功和/或有功功率请求。
现在参照附图，图5示出根据本公开的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮10一般包括：塔架12，从支承表面14延伸；机舱16，安装在塔架12上；以及转子18，耦合到机舱16。转子18包括：可旋转毂20；以及至少一个转子叶片22，耦合到毂20并且从毂20向外延伸。例如，在所示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。但是在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个转子叶片22。每个转子叶片22可围绕毂20隔开，以促进旋转转子18，以使得动能能够从风转为可使用机械能并且随后转为电能。例如，毂20可以可旋转地耦合到定位在机舱16内的电动发电机24(图6)以准许电能被产生。
风力涡轮10还可包括集中在机舱16内的风力涡轮控制器26。但是，在其他实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其他组件内或者风力涡轮10之外的位置处。此外，控制器26可在通信上耦合到风力涡轮10的任何数量的组件，以便控制这类组件的操作和/或实现校正或控制动作。因此，控制器26可包括计算机或者其他适合的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可包括适合的计算机可读指令，所述计算机可读指令在被实现时将控制器26配置成执行各种不同功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号。相应地，控制器26一般可配置成控制各种操作模式(例如启动或关机序列)、对风力涡轮和/或风力涡轮10的单独组件调低或调高额定值。
现在参照图6，示出图4中所示出的风力涡轮10的机舱16的一个实施例的简化内部视图。如所示出的，发电机24可被设置在机舱16内并且被支承在机座(bedplate)46顶上。一般来说，发电机24可被耦合到转子18，以用于从由转子18生成的旋转能量来产生电力。例如，如所示出实施例中所示的，转子18可包括被耦合到毂20以用于与其进行旋转的转子轴34。转子轴34又可通过齿轮箱38可旋转地耦合到发电机24的发电机轴36。如一般所理解的，转子轴34可响应于转子叶片22和毂20的旋转而向齿轮箱38提供低速高转矩输入。齿轮箱38然后可配置成将低速高转矩输入转换成高速低转矩输出，以驱动发电机轴36并且因此驱动发电机24。
风力涡轮10也可以包括通信上耦合到风力涡轮控制器26的一个或多个俯仰驱动机构32，其中(一个或多个)每个俯仰调整机构32配置成使俯仰轴承40旋转并且因此使(一个或多个)单独转子叶片22围绕其相应俯仰轴线28旋转。另外，如所示出的，风力涡轮10可包括一个或多个偏航驱动机构42，所述偏航驱动机构配置成变化机舱16相对于风的角度(例如通过接合被布置在风力涡轮10的机舱16与塔架12之间的风力涡轮10的偏航轴承44)。
另外，风力涡轮10还可包括一个或多个传感器66、68，以用于监测风力涡轮10的各种风条件。例如，风力涡轮10附近的传入风向30、风速或者任何其他适合的风条件可诸如通过使用适合的天气传感器66被测量。适合的天气传感器可包括例如光检测和测距(“LIDAR”)装置、声检测和测距(“S0DAR”)装置、风速计、风向标、气压计、雷达装置(诸如多普勒雷达装置)或者本领域中现在已知或以后开发的能够提供风向信息的任何其他感测装置。还有的另外的传感器68可被利用以测量如本文中所述的风力涡轮10的附加操作参数，诸如电压、电流、振动等。
现在参照图7，根据本公开的方面示出风力涡轮功率***100的一个实施例的示意图。虽然本公开将在本文中一般参照图7中所示出的***100来描述，但使用本文中所提供的公开的本领域的那些普通技术人员应当理解，本公开的方面也可以可适用于其他功率生成***中，以及如上所述的，本发明并不局限于风力涡轮***。
在图7的实施例中并且如所述的，风力涡轮10(图5)的转子18可选地可被耦合到齿轮箱38，所述齿轮箱又被耦合到发电机102，所述发电机可以是双馈感应发电机(DFIG)。如所示出的，DFIG 102可被连接到定子母线104。此外，如所示出的，功率转换器106可经由转子母线108被连接到DFIG 102，并且经由线路侧母线110被连接到定子母线104。因此，定子母线104可从DFIG 102的定子来提供输出多相功率(例如三相功率)，以及转子母线108可从DFIG 102的转子来提供输出多相功率(例如三相功率)。功率转换器106还可包括转子侧转换器(RSC)112和线路侧转换器(LSC)114。DFIG 102经由转子母线108来耦合到转子侧转换器112。另外，RSC 112经由DC链路116来耦合到LSC 114，跨所述DC链路116的是DC链路电容器118。LSC 114又被耦合到线路侧母线110。
RSC 112和LSC 114可配置用于使用一个或多个开关装置(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件)的三相脉宽调制(PWM)布置中的正常操作模式。另外，功率转换器106可被耦合到转换器控制器120，以便控制如本文中所述的转子侧转换器112和/或线路侧转换器114的操作。应当注意，转换器控制器120可配置为功率转换器106与涡轮控制器26之间的接口，并且可包括任何数量的控制装置。
在典型配置中，还可包括各种线路接触器和电路断路器(包括例如电网断路器122)以用于在连接到负载(诸如电力网124)以及从负载断开期间隔离如对于DFIG 102的正常操作所必需的各种组件。例如，***电路断路器126可将***母线128耦合到变压器130，所述变压器可经由电网断路器122被耦合到电力网124。在备选实施例中，熔丝可取代电路断路器中的一些或所有电路断路器。
在操作中，通过旋转转子18在DFIG 102处所生成的交流功率经由由定子母线104和转子母线108限定的双路径被提供到电力网124。在转子母线侧108上，正弦多相(例如三相)交流(AC)功率被提供到功率转换器106。转子功率侧转换器112将从转子母线108所提供的AC功率转换为直流(DC)功率，并且向DC链路116提供DC功率。如一般理解的，转子侧功率转换器112的桥式电路中使用的开关元件(例如IGBT)可被调制，以将从转子母线108所提供的AC功率转换为适合于DC链路116的DC功率。
另外，线路侧转换器114将DC链路116上的DC功率转换为适合于电力网124的AC输出功率。特别是，线路侧功率转换器114的桥式电路中使用的开关元件(例如IGBT)能够被调制，以将DC链路116上的DC功率转换为线路侧母线110上的AC功率。来自功率转换器106的AC功率能够与来自DFIG 102的定子的功率相组合，以提供具有基本上保持处于电力网124的频率(例如50Hz或60Hz)的频率的多相功率(例如三相功率)。
附加地，风力涡轮功率***100中可包括各种电路断路器和开关(诸如电网断路器122、***断路器126、定子同步开关132、转换器断路器134和线路接触器136)以连接或断开对应母线，例如当电流流动过量并且可损坏风力涡轮功率***100的组件时或者出于其他操作考虑。风力涡轮功率***100中还可包括附加保护组件。
此外，功率转换器106可经由转换器控制器120从例如本地控制***176来接收控制信号。控制信号尤其可基于风力涡轮功率***100的所感测状态或操作特性。通常，控制信号提供对功率转换器106的操作的控制。例如，以DFIG 102的所感测速度的形式的反馈可用来控制来自转子母线108的输出功率的转换，以保持正确和平衡的多相(例如三相)功率供应。来自其他传感器的其他反馈也可由(一个或多个)控制器120、26用来控制功率转换器106，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，可生成开关控制信号(例如IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和电路断路器信号。
功率转换器106还对于例如毂20和转子叶片22处的风速中的变化来补偿或调整来自转子的三相功率的频率。因此，机械和电转子频率被去耦，并且基本独立于机械转子速度来促进电定子和转子频率匹配。
在一些状态下，功率转换器106的双向特性以及具体来说的LSC 114和RSC 112的双向特性促进将所生成电功率中的至少一些电功率反馈到发电机转子中。更具体来说，电功率可从定子母线104传送到线路侧母线110，以及随后通过线路接触器136并且到功率转换器106中，具体地到LSC 114中，其充当整流器并且将正弦三相AC功率整流成DC功率。DC功率被传送到DC链路116中。电容器118通过促进有时与三相AC整流关联的DC纹波的减轻来促进减轻DC链路电压幅值变更。
DC功率随后被传送到RSC 112，所述RSC通过调整电压、电流和频率将DC电功率转换成三相正弦AC电功率。这个转换经由转换器控制器120被监测和控制。所转换的AC功率经由转子母线108从RSC 112传送到发电机转子。以这种方式，通过控制转子电流和电压来促进发电机无功功率控制。
现在参照图8，本文中所述的风力涡轮功率***100可以是风电场150的部分。如所示出的，风电场150可包括多个风力涡轮152(包括以上所述的风力涡轮10)和总场级控制器156。例如，如所示出实施例中所示的，风电场150包括十二个风力涡轮，包括风力涡轮10。但是，在其他实施例中，风电场150可包括任何其他数量的风力涡轮，诸如少于十二个风力涡轮或者大于十二个风力涡轮。在一个实施例中，多个风力涡轮152的涡轮控制器例如通过有线连接(诸如通过经过适合的通信链路154(例如适合的线缆)连接涡轮控制器26)在通信上耦合到场级控制器156。备选地，涡轮控制器可通过无线连接(诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议)在通信上耦合到场级控制器156。在另外的实施例中，场级控制器156配置成向和从各种风力涡轮152发送和接收控制信号，诸如例如，跨风场150的风力涡轮152分配实际和/或无功功率需求。
现在参照图9，示出根据本公开的示例方面的可被包括在控制器(诸如本文中所述的涡轮控制器26、转换器控制器120和/或场级控制器156中的任一个)内的适合组件的一个实施例的框图。如所示出的，控制器可包括一个或多个处理器158、计算机或其他适合的处理单元及(一个或多个)关联的存储器装置160，所述存储器装置可包括适合的计算机可读指令，所述指令在被实现时将控制器配置成执行各种不同的功能，诸如接收、传送和/或执行风力涡轮控制信号(例如执行本文中所公开的方法、步骤、计算和诸如此类)。
如本文中所使用，术语“处理器”不仅指本领域中被称为被包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。附加地，(一个或多个)存储器装置160一般可包括(一个或多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他适合的存储器元件。
(一个或多个)这样的存储器装置160一般可配置成存储适合的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由(一个或多个)处理器158实现时将控制器配置成执行如本文中所述的各种功能。附加地，控制器还可包括通信接口162，以促进控制器与风力涡轮10的各种组件之间的通信。接口能够包括一个或多个电路、端子、引脚、接触部、导体或者用于发送和接收控制信号的其他组件。此外，控制器可包括传感器接口164(例如一个或多个模拟到数字转换器)，以准许从传感器66、68所传送的信号被转换为能够由(一个或多个)处理器158所理解和处理的信号。
现在参照图10，示出根据本公开的用于提供风力涡轮的双馈发电机的电网形成控制的***200的一个实施例的示意图。更具体来说，如所示出的，***200可包括本文中所述的图6的相同特征中的许多特征，其中组件具有表示相似组件的相同附图标记。此外，如所示出的，***200可包括用于控制线路侧转换器的控制结构，所述控制结构与图7中所示出的控制结构类似。
此外，如所示出的，线路侧转换器控制结构可包括DC调节器212和线路电流调节器214。DC调节器212配置成生成线路电流调节器214的线路侧电流命令。线路电流调节器214然后生成用于调制器218的线路侧电压命令。调制器218还从锁相环路216接收输出(例如锁相环路角)，以生成线路侧转换器114的一个或多个栅极脉冲。锁相环路216通常使用电压反馈信号来生成其输出。
此外，如所示出的，***200还可包括用于使用电网形成特性来控制转子侧转换器112的控制结构。特别是，如图10中所示出的，***200可包括用于提供这类电网形成特性的定子电压调节器206。另外，如所示出的，***200可包括电网电压/VAR调节器202、惯性功率调节器204、转子电流调节器208和调制器210。
在实施例中，电网电压/VAR调节器202从场级控制器156接收电压参考(例如VT_REF)，并且生成定子电压幅值命令(例如VS_Mag_Cmd)，而惯性功率调节器从涡轮控制器26接收功率参考，并且生成定子电压角命令(例如VS_Ang1e_Cmd)。更具体来说，在实施例中，如所示出的，定子电压调节器206根据双馈发电机120的定子电压幅值命令、定子电压角命令和/或定子电流反馈信号240确定一个或多个转子电流命令(例如IRCmdy和IRCmdx)。应当理解，定子反馈电流240是外部连接的功率***(即，电网)的特性的强指示符。因此，定子反馈电流240能够用作反馈信号，以将定子电压对电网性质的变更的响应去耦。在PCT/US2020/013787(标题为“System and Method for Providing Grid-Forming Control fora Doubly-Feb Wind Turbine Generator”)中进一步解释和描述与定子电压调节器206相关的另外的细节，所述PCT/US2020/013787通过引用全部并入到本文中。
现参考图11-图13，本公开涉及用于在大扰动期间控制可连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的方法300、350和***400。如本文所使用的，大扰动通常可指但不限于以下严重实例：(1)孤岛或并网时对称或不对称的线对地或线对线故障，其中故障位于逆变器本地或电气远处，(2)并网时公用电网电压幅值的逐渐上升或逐渐下降或下降或上升，(3)并网时公用电网相位角的逐渐上升或逐渐下降，(4)当孤岛或并网时分配或传输线路的损失，(5)当孤岛或并网时另一个重要的电网形成源的意外损失，(6)恒定功率负载、恒定电流负载、恒定阻抗负载或机器负载的大阶跃，或当孤岛或并网时包括任何上述负载类型的复合负载的大阶跃，和/或(7)与意外孤岛事件相关的负载的大阶跃，即从并网到孤岛状态的意外转变或意外的同步事件，即从孤岛到并网状态的意外转变，以及本领域现在或以后已知的任何其他严重的电网事件。
具体参照图11，示出根据本公开的用于在大扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的方法300的实施例的流程图。应当领会，所公开的方法300可以利用具有任何合适配置的任何合适的基于逆变器的资源来实现。例如，在若干实施例中，基于逆变器的资源可以是风力涡轮功率***(例如，具有如图10所示的全转换功率***或双馈功率转换***，或者在某些其他位置而不是定子处调节电压的双馈***，或者调节磁通量的双馈***，或者使用线路侧逆变器而不是转子侧逆变器来调节电网或定子电压的双馈***)、太阳能逆变器、能量存储***、STATC0M、水电***或者本文中所述或本领域中已知的任何其他基于逆变器的***。另外，尽管图11出于说明和讨论的目的描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的本公开，本领域的技术人员将领会到，在不背离本公开的范围的情况下，本文中所公开的方法的各种步骤能够按照各种方式被省略、重新布置、组合和/或调适。
首先参考图11，响应于扰动的开始，如(302)处所示，方法300包括在基于逆变器的资源的网络之中采用***级过载穿越算法。更具体地，在实施例中，如(304)处所示，***级过载穿越算法包括经由***级过载穿越控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于基于逆变器的资源中的一个或多个的修改的参数集。此外，如(306)处所示，方法300包括经由***级过载跨越控制模块将修改的参数集传输至基于逆变器的资源中的一个或多个。此外，如(308)处所示，方法300包括经由与***级过载穿越控制模块通信耦合的基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个本地控制器，在由一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活修改的参数集。在特定实施例中，自动激活修改的参数集可包括在扰动的持续期间内和在扰动之后的时间段内快速重新参数化基于逆变器的资源中的一个或多个的一个或多个参数。
参考图12，示出根据本公开的用于在大扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的方法350的另一详细实施例的流程图。类似于图11的方法300，应当领会，图12的公开方法350可以利用具有任何合适配置的任何合适的基于逆变器的资源来实现。例如，在若干实施例中，基于逆变器的资源可以是风力涡轮功率***(例如，具有如图10所示的全转换功率***或双馈功率转换***，或者在某些其他位置而不是定子处调节电压的双馈***，或者调节磁通量的双馈***，或者使用线路侧逆变器而不是转子侧逆变器来调节电网或定子电压的双馈***)、太阳能逆变器、能量存储***、STATCOM、水电***或者本文中所述或本领域中已知的任何其他基于逆变器的***.此外，在实施例中，应该理解的是，方法350可以针对包含电网形成IBR的功率***或者包含电网形成IBR和基于同步机的源的混合的功率***来实现。在其他实施例中，在用于在大扰动期间控制连接到功率电网的IBR的网络的方法中，受控IBR的网络可以部分或全部由电网跟踪IBR组成。
另外，图12出于说明和讨论的目的描绘以特定顺序执行的步骤，但是本文讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中所提供的本公开，本领域的技术人员将领会到，在不背离本公开的范围的情况下，本文中所公开的方法的各种步骤能够按照各种方式被省略、重新布置、组合和/或调适。
具体而言，如(352)处所示，方法350包括计算修改的虚拟阻抗XVE。如(354)处所示，方法350包括初始化修改的参数集(例如，包括P0E、τPE和mfE)。如(356)处所示，对于每个情形‘y’，方法350包括生成***范围的能量函数，例如李亚普诺夫函数Vy。此外，如(358)处所示，对于每个情形‘y’，方法350包括确定临界能量Vy，cr。此外，如(360)处所示，对于每个情形‘y’，方法350包括确定事件后能量Vy，p-e。另外，如(362)处所示，对于每个情形‘y’，方法350包括将Vy，p-e与Vy，cr比较。因此，如(364)处所示，对于任何‘y’：Vy，p-e＞Vy，cr，方法350包括递减P0E。此外，在递减P0E之后，方法350包括在(356)处重新开始。备选地，如(366)处所示，对于任何‘y’：Vy，p-e＜Vy，cr，方法350包括将用于修改的有功功率设定点P0E、时间常数τPE和频率下垂增益mfE的最终值传输到IBR，假设在该特定实施例中，网络中的IBR中的所有IBR都是电网形成的。
此外，在图12所示的实施例中，假设通过将修改的功率测量时间常数τPE除以修改的频率下垂增益来计算电网形成IBR的有效虚拟惯性参数，并且电网形成IBR的有效虚拟阻尼参数与修改的频率下垂增益mfE成反比，其中虚拟惯性参数乘以电网形成IBR的测量有功功率，以确定命令频率的变化率，并且虚拟阻尼参数乘以命令频率的变化率，以确定要从有功功率调度中减去的偏移，其与图3中所示的惯性功率调节器的典型实现一致。
备选地，在另一个实施例中，可将修改的虚拟惯性参数和修改的虚拟阻尼参数传输至电网形成IBR，而不是传输修改的时间常数τPE和修改的频率下垂增益mfE。在网络中的IBR中的一些或所有IBR是电网跟踪的情况下，虚拟惯性和虚拟阻尼参数(而不是时间常数τPE和频率下垂增益mfE)可以传输到电网跟踪IBR，其中用于电网跟踪IBR的虚拟惯性参数基于测量的频率变化率确定有功功率注入的命令幅值，并且虚拟阻尼参数基于测量的频率变化确定有功功率注入的命令幅值。在一些实施例中，在基于同步机器的资源也存在于包含IBR的同一功率电网中的情况下，本文描述的方法中的所有步骤(包括例如(356)、(358)和(360))可根据需要在任何等式和计算中包括那些基于同步机器的资源的实际惯性、阻尼、阻抗和功率调度的适当表示。
相对于图13-图18，可更好地理解本公开的方法300、350和过载穿越控制***400。具体地，如图13中所示，***400可以包括用于IBR中的一个或多个IBR的本地控制器402。因此，如所示，(一个或多个)本地控制器402通常可以具有过载检测模块404、本地过载穿越控制模块406、虚拟阻抗模块408、P对f下垂+虚拟惯性模块410、有功/无功功率计算模块412和***级过载穿越控制模块414，它们将在下文中进一步解释和描述。
在这样的实施例中，本地IBR控制器402内的过载检测模块404配置成快速检测一种或多种类型的过载状况，包括但不限于由IBR经历的过电流、过功率(例如有功功率和/或无功功率过载)和/或过载状况。备选地，过载检测模块404可检测尚未导致过载的严重电网事件，但是如果不立即采取控制措施，其很有可能导致过载状况。如本文所使用的，过载状况通常被定义为其中对于感兴趣的变量(例如，电流、有功功率、无功功率或由IBR产生或吸收的能量)已经超过阈值的状况，并且如果那个变量在任何显著量的时间内保持在那个阈值之上，则IBR将离线跳闸。通常，修改的参数集的激活时间对应于与那个IBR相关联的本地控制器402检测到过载或严重电网事件的时刻，这可能是在足够严重的电网事件的初始时刻。阈值可以由过载检测模块404以在线方式确定，并根据操作状况(例如，太阳辐照度)偶尔更新。
在实施例中，例如，IBR的电流阈值可由IBR的最大持续电流额定值给出。此外，IBR的瞬时有功功率阈值可通过对在那个时刻连接到dc母线的IBR的估计有功功率能力求和来计算(例如，PV面板最大功率点加上电池能量存储SOF加上超级电容器SOF的和，如果这些源存在的话)。能量阈值可通过对在那个时刻连接到dc母线的IBR的估计能量进行求和来计算，包括存储在IBR内部的任何dc母线电容内或在IBR之间共享的能量(例如，存储在IBR的dc母线电容中的能量、转子叶片的惯性、连接到dc母线的发电机的转子惯性、超级电容器能量可用性、电池能量存储能量可用性等)。
仍参考图13，本地过载穿越控制模块406配置成一旦由过载检测模块404检测到过载或严重电网事件，就激活本地控制器402内的IBR的修改的参数集。在检测到过载或可能导致过载的严重电网事件时，(一个或多个)IBR配置成使用其本地过载穿越控制模块406，以使用其修改的参数集(先前从***级过载穿越控制模块传输的最新集)中包括的值，立即重新参数化其本地频率、电压和虚拟阻抗控制函数。在这样的情况下，修改的参数集中的所有参数同时替换其在标称参数集中的对应参数。如果由那个IBR没有检测到过载或严重事件，则继续使用标称操作参数。本地控制器402将修改的参数集内的各种修改的参数分配给适当的子模块，或者向其他子模块发送信号以激活已经分配给子模块的修改的参数。
仍参考图13，虚拟阻抗模块408配置成在IBR的端子处仿真虚拟阻抗。该虚拟阻抗将用于限制IBR的输出，并且其激活实现以下功能中的一个或多个功能：电流限制、有功功率限制、无功功率限制和能量限制。此外，在实施例中，仿真虚拟阻抗具有高X/R比，以证明由***级过载穿越控制模块414使用基于能量的稳定性分析的合理性。
如果虚拟阻抗模块408接收设置为‘1’的OLC_使能信号416，则模块408在IBR端子的电压幅值和角度中产生电流相关的偏移。以这种方式产生的端子电压降和角度偏移将看起来类似于如果具有固定实部和虚部的实际阻抗与IBR端子串联时会出现的情况。相反，如果虚拟阻抗模块408接收到设置为‘0’的OLC_使能信号416，则电压幅值和角度偏移斜变回到它们的初始值。在典型的实施例中，例如在网络中的IBR是电网形成的情况下，虚拟阻抗模块可以基于IBR的测量输出电流来计算电压降。在其他实施例中，例如，在一个或多个IBR是电网跟踪的情况下，电网跟踪IBR内的虚拟阻抗模块可以根据本地测量的电网电压来计算电流命令中的偏移。
在实施例中，P对f下垂+虚拟惯性模块410可从有功/无功功率计算模块接收瞬时有功功率P，可使用具有时间常数Tau_P的单极低通滤波器对其进行滤波，以产生滤波信号Pf。因此，如所示，P对f下垂+虚拟惯性模块410输出频率f*418，其可以根据滤波的有功功率计算如下：f*＝f_0+m_f*(P_0-Pf)，其中P_0是有功功率调度设定点，f_0是频率设定点，m_f是频率下垂增益。可以采用或可以不采用作为无功功率测量函数的电压降。如果P对f下降+虚拟惯性模块410接收到设置为‘1’的OLC_使能信号420，则模块410将P_0、m_f、Tau_P设置为它们的修改值。相反，如果P对f下降+虚拟惯性模块410接收到设置为‘0’的OLC_使能信号420，则该模块将P_0、m_f、Tau_P斜变回到它们的初始值。
仍参考图13，***级过载穿越控制模块414可位于监督级，并且可配置成确定和分配其管辖范围内的每个IBR(包括至少一个IBR，并且可能包括任意数量的IBR)的修改的参数集422、424、426、428等。更具体地，在实施例中，***级过载穿越控制模块414配置成经由通信链路将修改的参数集(例如，标记为422、424、426、428)和任何其他相关信息(例如参数重置命令信号)从其传输到各个本地IBR。在这样的实施例中，通信链路可以是光纤、无线和/或有线通信硬件)。此外，使用该通信链路，特定于IBR的电流、瞬态功率和瞬态能量容量从每个IBR传送到***级过载跨越控制模块414。
由***级过载穿越控制模块414向每个IBR发布的(一个或多个)修改的参数集422、424、426、428可包括例如以下控制参数中的一个或多个：修改的有功功率调度设定点P-0、修改的无功功率调度设定点Q-0、修改的虚拟阻尼参数(或频率下降斜率参数)、修改的滤波器时间常数或虚拟惯性参数、用于过载限制的虚拟电抗、电压幅值参考设定点或任何其他合适的控制。对于每个IBR，在过载检测模块404检测到过载或严重电网事件的情况下，这些修改的参数充当常规控制参数的替代。
在定期间隔，***级过载穿越控制模块414执行***级分析，以确定每个IBR在IBR内的过载检测模块404检测到过载或严重电网事件时将使用的(一个或多个)修改的参数集422、424、426、428。例如，在实施例中，在线分析可以是如下所述的迭代算法，包括连续执行的几个步骤：
更具体而言，在实施例中，对于每个IBR，考虑到最严格的穿越要求(例如，相位跳跃要求)，电流或有功功率过载状况下使用的虚拟电抗可设置成由IBR的最大持续电流额定值确定的值。例如，在实施例中，最坏情况的相位跳跃要求可以是180度，并且在这种情况下，虚拟电抗应该被初始化为每单位2的值，使得IBR将被限流为每单位最大1。在这样的实施例中，每单位2的虚拟电抗确保到IBR端子处的栓接三相故障中的高达每单位0.5的无功功率注入。
在某些实施例中，IBR可通过首先使用比上述过载虚拟电抗更大的过载虚拟电抗来解决瞬态能量过载事件。这个过载虚拟电抗足够大，以便有效地消除来往于电网的有功功率传送。如果那个IBR的能量储备在电网事件期间耗尽或完全充满，则那个IBR将不得不激活该过载虚拟电抗，以在消除足够长的时间来往于电网的有功功率的传送，以便使用内部机制将其能量储备充电或放电回到50％的充电状态(SOC)。一旦能量储备恢复到50％SOC，更大的虚拟电抗可以逐渐移除，或者切换到用于电流或有功功率过载的虚拟电抗的标称值，直到实现同步。一旦实现同步，***级过载穿越控制模块414可以发送重置信号来停用虚拟电抗。
对于每个IBR，修改的有功功率设定点P-0可初始化为等于以下三个值中的最低值的值：(a)IBR的有功功率容量，(b)在事件后的情形中，能够可能通过为那个IBR选择的虚拟电抗传输的估计最大有功功率，和/或(c)在严重电网事件期间(以及紧随其后的若干秒钟内)的有功功率注入的期望值。
在这样的实施例中，IBR的有功功率通常定义为dc母线生成的组合可用有功功率(如果存在)与连接至dc母线的任何补充储能源的有功功率之和。例如，在实施例中，有功功率容量可以是目前可从dc耦合太阳能PV获得的功率加上dc母线上的补充dc耦合能量存储源的功率额定值，假设IBR本身能够处理dc母线源和补充能量存储储备的组合有功功率。
在***400内存在无限母线的情况下(即，***400在事件之前连接到大容量功率***，且在电网事件期间不会变成孤岛，或***400在电网事件期间变成电网连接)，可传输的最大有功功率约等于P0＝V2/X，其中X为上述虚拟电抗，并且V为标称电网电压幅值)。如果大容量功率***(无限母线)不存在于事件后***中，可传输的最大有功功率可能是由其他IBR用于限流的虚拟电抗的函数。
对于每个IBR，修改的虚拟惯性(或功率测量滤波器时间常数)可设置在由那个IBR可用的能量存储量确定的值。在这样的实施例中，假设在电网事件之前，能量存储储备最初处于50％SOC。例如，如果在输出等于其修改的有功功率设定点的有功功率一段时间(例如，2秒)之后，IBR将其能量存储储备从50％完全耗尽到0％(或者将其能量储备从50％填充到100％)，则虚拟惯性可被编程为使得在最坏情况预期频率变化率(ROCOF)事件期间呈现给电网的能量完全耗尽该内部能量储备。该最坏情况的ROCOF可以包括ROCOF的幅值(例如，1Hz/秒)和ROCOF幅值保持恒定的事件持续时间(例如，2s)。
此外，对于每个IBR，修改的虚拟阻尼可相对于其标称值以相当大的系数(例如，3x)减少，以使阻尼与虚拟惯性相比可忽略不计。通常应该理解的是，对于一些控制结构，将虚拟阻尼以相当大的系数(例如3x)减少可以等同于将频率下降增益以相当大的系数增加。
此外，在实施例中，可识别应急和事件后情形的集合。应急可以包括本文描述的关于服务器电网事件的任何事件。例如，在实施例中，应急可以是无限母线处的栓连接的相对地故障或例如大约30度的相角跳跃。在另一个的实施例中，事件后情形可以是与故障前***相同的事件后***。在另外的实施例中，又一个事件后情形可以包括备选的网络拓扑，其中一个或多个源(包括无限母线)已经从网络断开并且不再存在于***400中。
在某些实施例中，可为每个事件后情形生成***范围能量函数，例如李亚普诺夫函数。在这样的实施例中，***范围能量函数‘V’可以包括‘动能’(KE)函数和‘势能’(PE)函数的总和(V＝KE+PE)。此外，应当理解，***范围能量函数可以作为相关IBR控制参数以及与***中可能包括基于同步机器的资源的其他资源的控制或行为相关联的任何相关参数的函数来生成。
此外，在实施例中，可为一个或多个事件后情形确定临界***能量V_cr。在这样的实施例中，V_cr被定义为***400的最大允许事件后‘势能’。如果***400的能量可以保持在该值以下，则可以确保***400的大信号稳定性。在这样的实施例中，每个事件后情形可以具有不同的V_cr。此外，可以假设仍然连接在事件后***中的所有IBR将仍然具有在事件后状况下激活的它们相应的虚拟电抗，并且虚拟电抗使寄生网络电抗相形见绌。
在附加实施例中，用于给定事件后情形的V_cr可由控制不稳定平衡点处的PE函数值确定。为了确定临界能量V_cr，必须确定对应于控制不稳定平衡点(CUEP)的一组IBR角度。例如，图14示出示例三源***，而图15示出在图14中三源***的CUEP的多步计算中使用的势能(PE)表面的地形图500。更具体地，如图15中所示，三电源***的故障后势能表面被绘制为相对于无限母线的逆变器角度的函数。该势能表面可以使用***范围能量函数的势能分量来计算。由于势能是电网电压幅值、逆变器功率调度、L-C-L滤波器和网络电抗以及由IBR用于过电流限制的虚拟电抗幅值的函数，所以该表面可以作为***状况的函数而显著变化。在图15的情况下，在清除其中电网电压已经下降到0.2每单位的故障之后，电网电压恢复到1.0每单位的情况下，针对事件后状况绘制势能表面。
因此，CUEP的计算可在三个步骤中执行，包括：(1)电网事件动态的数值积分，直到跨越PE表面的脊线(例如，线502)，(2)沿着PE表面的脊线追踪PE函数的梯度，以确定用于同伦方法的可接受的初始起始点(例如，线504)，和(3)应用同伦方法以精确定位UEP(例如，线506)。另外，图15还展示使用功率流分析来确定稳定平衡点508，使用第二功率流分析来确定用于数值积分510的初始状况，对事件动态502进行数值积分，跟踪PE表面512的梯度，以及使用同伦分析方法506(本文更详细地描述)来确定控制不稳定平衡点514。此外，如所示，线516展示在假设的电网事件期间***的轨迹。
虽然如果仅有两个IBR(如图14中所示)，势能表面可容易地可视化，但应理解，该规程可推广至任意数量的IBR(从1到‘n’)，在所述情况下，PE函数描述超空间中任意维度的表面。一旦找到CUEP，就可以使用PE函数计算出那个点的势能。
在本文识别的应急和事件后情形的上下文中，可针对每个事件后情形调查每组应急。因此，在实施例中，对于每个应急，可以计算事件后的总***能量。对于与给定应急相关联的每个事件后情形，对于应急中的任何应急，在预期清除时间范围的开始，确定是否超过V_cr(以及潜在地失去同步)。例如，清除时间可以是(一个或多个)保护装置清除故障所需的时间。在实施例中，在相角阶跃应急的情况下，事件后***可以在阶跃的瞬间开始，并且清除时间为零。为了研究，从事件开始时间到清除时间的IBR的动态的数值积分可以例如使用机电动态的简化降阶***来计算，如下所述并标记为等式(5)。因此，在清除时间，使用PE函数，IBR角度中的最终集合可用于计算事件后***的总***能量(TSE)。
0＝L2(PI-PN(δ，V))
0＝QL(V)-QN，L(δ，V) 等式(5)
其中
/>
单位矩阵的1到m行
单位矩阵的m+1到n行。
如果由TSE在事件后***的初始时刻超过V_cr，则每个IBR的修改的功率调度水平P_0_m的绝对值可递增减少。另外，可以重复本文上面描述的数值积分。此外，在实施例中，可以重复这样的步骤，直到对于这种应急和事件后情形的组合，V_cr没有被超过。在备选实施例中，如果由TSE没有超过V_cr，但是在电网事件期间超过任何IBR的能量储备，则***400配置成递增地降低那个IBR的虚拟惯性或虚拟阻尼，并重复上文针对这种应急和事件后情形的组合描述的数值积分。
一旦对每个事件后情形评估了所有应急，且对于任何应急和事件后情形均未超过V_cr和能量限制，可通过***级过载穿越模块414向各种IBR发布修改的参数集，以在应急情况下使用。
在特定实施例中，应急可任选地包括由两个或更多个IBR同时或交错应用虚拟电抗。此外，在实施例中，应急还可以包括由于那个IBR过载事件而导致的IBR的暂时丢失。在特定实施例中，对于不激活其虚拟电抗的IBR，可以假设相干性。
在***级过载穿越模块414管辖范围下由任何IBR已触发过载保护的情况下，***级过载穿越模块414配置成监测电网状况，以确定(一个或多个)IBR何时可安全地停用其相应的虚拟电抗。例如，一旦电压和频率(如由***级过载穿越模块414或个体的本地过载穿越控制模块406测量)已经保持在合理的界限内达指定的时间段，***级过载穿越模块414可以决定IBR移除其相应的虚拟电抗是安全的，并且由此估计IBR已经达到稳定的动态平衡。***级过载穿越模块414然后可以向(一个或多个)IBR发送重置信号，使得每个IBR可以各自逐渐返回到其标称控制值。
在这样的实施例中，对于给定的IBR，可同时改变以下控制参数和设定点：(1)以关于降低任何动态瞬变的潜在可能性的这样的方式可理想地移除虚拟电抗，(2)可将有功功率测量滤波器时间常数/虚拟惯性步进回其标称值，(3)可将频率下降增益/虚拟阻尼步进回其标称值，以及(4)可将有功功率设定点步进回其事件前值，或新的期望有功功率设定点。在这样的实施例中，IBR将平滑地斜升到这个有功功率设定点。还应该理解，惯性有功功率注入是频率变化率的函数。因此，由于***400处于稳定的平衡状态，并且频率是恒定的，所以将不存在由于虚拟惯性的阶跃变化而导致的有功功率瞬变。此外，阻尼有功功率注入是频率偏差的函数。因此，如果稳态事件后***频率已经明显偏离事件前***频率，如果需要，频率下降增益的阶跃可以与频率设定点的阶跃变化同时执行，以便消除有功功率注入的任何变化。
在生成的有功功率(例如，太阳辐照度或风速的变化)或网络状况(例如，确定IBR已与网络断开)发生任何变化时，前述过程可由***级过载穿越模块414重复，包括生成***范围能量函数(例如李亚普诺夫函数)，计算V-cr和应急分析。因此，在这样的实施例中，一旦分析完成，由***级过载穿越模块414可以发布新的修改的参数集。
因此，本公开的方法和***旨在作为整体***级过载穿越策略，其解决IBR的自我保护、稳定性和最优性。特别是，如果电流、有功功率或电能的任何值超过预定义的阈值，则利用虚拟阻抗立即限制这些值，从而实现自我保护。有功功率和电流限制经由激活标称虚拟电抗值来解决。相比之下，能量限制可以如下处理：(i)可以使用更大的虚拟电抗来消除所有电网有功功率传输并允许能量储备的再充电或放电，然后逐渐停用虚拟电抗或将虚拟电抗幅值逐渐降低到将允许稳定同步的值，从而解决由本文所述的应急分析没有解决的意外能量限制；(i i)在通过由一个或多个IBR触发虚拟电抗而导致过载事件的情况下，可以通过在本文所述的应急分析中检查这种情况发生的可能性并适当降低一个或多个源的虚拟惯性来防止能量限制。虚拟阻尼的减少简化了控制方式，因为在确定瞬态有功功率或瞬态能量是否可能超过阈值时将不必考虑阻尼功率。
关于稳定性，对于评估的应急和事件后情形中的所有评估的应急和事件后情形，通过该策略确保所有IBR收敛至稳定的同步平衡，因为总***能量不超过V_cr。由于用于提供这种保证的***范围能量函数分析适用于非线性***，因此上述稳定性保证即使对于传统小信号稳定性分析范围之外的非常大的扰动也是有效的。瞬态期间虚拟阻尼的减少确保***范围能量函数方法的适用性。
关于最优性，本公开允许不间断注入用户指定的有功和无功功率，以在任何类型的严重电网事件期间支持电网。此外，本文描述的应急分析通过在严重电网事件期间或之后尽可能允许有功和无功功率注入来提供最优性。
在其他实施例中，***级过载穿越模块414可为集中式控制器，或分布在各种IBR之中的多个模块。在后一种情况下，IBR可以执行确定每个IBR的修改的参数集所需的分析。
现在将更详细地描述逆变器网络的降阶建模和***范围能量函数分析。具体而言，包含任意数量的IBR和/或同步机器(可选地包括无限母线，与图14中的***一样)的未简化功率***的慢时间尺度(即，＞100ms)非线性动态可以使用如上关于等式(5)所述的向量值非线性微分代数等式的紧凑集合来建模。
在这样的实施例中，网络具有m个源(包括IBR和无限母线，如果存在的话)，以及一条或多条传输线。网络有n个节点，包括源节点和PQ节点。网络的节点1至m被定义为源节点。源节点对应于无限母线(如果存在的话)或与IBR内部电压相关的假想节点。IBR的内部电压定义为任何虚拟阻抗后的电压(即，如果没有施加虚拟阻抗，则为逆变器端子处的电压)。节点m+1到n对应于PQ(负载母线)节点。V表示节点电压幅值，VL表示PQ节点电压幅值，δ表示相对于与***频率同步旋转的参考系的节点电压角，A表示未简化网络导纳矩阵Y的网络邻接矩阵，并且b1表示与该未简化网络相关的电纳矢量。P0表示逆变器有功功率调度设定点的向量，mf表示逆变器控制器P-f下降斜率的向量，τP表示逆变器控制器功率滤波器时间常数的向量(其中Pf表示滤波的有功功率)，并且PL表示PQ节点处负载的有功功率。
此外，如由等式(5)所示，重点关注IBR和(可能)无限母线之间的控制相关动态相互作用。假设网络的电磁动态(包括例如变压器漏电感、逆变器线路滤波器和分配***的寄生电感)以无限快的速率衰减，并且从而表示为代数约束。对于常见的电网形成控制结构，这种基于时间尺度分离的降阶通常可以通过奇异摄动论证严格证明适用于IBR网络。众所周知的电网形成控制结构内固有存在的虚拟惯性和虚拟阻尼分别由M和D明确表示。此外，如由等式(5)所表示的，网络可能不一定是Kron缩减的：即，网络的结构可以被保留，并且诸如图14中的节点5-7之类的负载节点被完全表示。任意数量的IBR和任意网络连接(包括网状、放射状和组合)可以由等式(5)表示。
在另外的实施例中，等式(5)的***范围能量函数(例如李亚普诺夫函数)可由传统上与等式(5)中的惯性和阻尼项M和D相关联的物理能量概念激发(motivate)。因此，等式(5)的李亚普诺夫函数候选可以由下面的等式(6)给出：
其中动能项VKE由下面的等式(7)表示：
以及由下面的等式(8)表示的势能项VPE：
在等式(5)-(8)中，Bvr是对应于其中一个或多个虚拟电抗已启用用于过载穿越的应急的Kron缩减网络电纳矩阵，并且P0vr、τvr和mfvr，i分别表示修改的有功功率调度设定点、低通滤波器时间常数和频率下降增益的向量。上述设定点和控制变量在由IBR检测到过载时步进到预定的应急值，在事件期间保持恒定，并且然后在检测到稳定的事件后平衡时步进回到它们的标称值。
Bvr的元素Bvr，ij表示源i和源j之间的线路的电纳，并且Gvr，ii表示Kron缩减后逆变器i的端子处的有效负载的电导。在这样的实施例中，可以证明等式(6)是有用的李亚普诺夫函数候选，即，对于操作区域，等式(6)满足正定性的所需条件V)t)＞0，并且其时间导数满足负半定性的条件
在另外的实施例中，应理解，等式(6)是在由等式(5)表示的模型的上下文中提出的，并继承了与等式(5)相关联的所有简化假设。其中这些假设中的最重要的假设是转移电导可以忽略不计。在Kron缩减网络的情况下，即使在高网络X/R比的情况下，这种假设也不总是正确的。忽略负载的存在，应该注意的是，等式(5)和(6)将用于事件后状况的分析，其中***400已经恢复，并且由(一个或多个)本地控制器402使用的虚拟电抗可以大大超过寄生分配线路电抗和电阻，以及网络内的变压器泄漏电感。如果IBR的L-C-L或L-C滤波器电感的串联电抗与其虚拟电抗相比不可忽略，则可以通过将其添加到虚拟电抗来解决。由于虚拟电抗被假设为使网络电抗和电阻相形见绌，所以存在‘虚拟星形’未缩减网络拓扑，其可以被Kron缩减并用于李亚普诺夫函数或功率潮流计算。
在附加实施例中，***400配置成确定CUEP和相关联势能。在这样的实施例中，Te表示电网事件的发起时间(例如，故障发生的时间)，Tec表示电网事件或扰动结束的时间(例如，故障被清除的时间)。在传统的功率***暂态稳定性分析中，‘事件后’通常是指电网事件结束后的时间段(例如，清除故障)，而‘事件后状况’是指t＞Tec时的***状况。此外，其中/>和/>表示等式(5)的稳定事件后平衡点。同样，/>表示等式(5)的事件后CUEP。/>
因此，***400配置成确定特别地，频率状态在不稳定平衡工作点处是零矢量：/>因此，以下步骤仅集中于确定事件后控制不稳定运行点(δu)的角度状态。由VPE(δ)定义的n维势能表面将用于δu求解。即使除了等式(6)之外的备选***范围能量函数最终被用于稳定性分析，使用李亚普诺夫函数等式(6)的势能分量来确定控制不稳定平衡点仍然是实用的，如下所述。
对于事件后情形，***400可确定事件后电纳矩阵，包括虚拟电抗，并执行Kron缩减以确定缩减的电纳矩阵，其可用于能量函数中，以计算总***能量和势能。为了确定邻接矩阵和电纳向量，***400配置成使用Y＝G+jB来表示对应于所考虑的事件后情形和应急的未缩减导纳矩阵。根据定义，应急需要为一个或多个IBR激活虚拟电抗。因此，B的元素必须增加以容纳一个或多个虚拟电抗。
通过对Y执行Kron缩减来确定缩减的电纳矩阵。在这样的实施例中，可以使用如下所述的等式(9)-(12)来构建多个矩阵：
AK＝Y(1：m，1：m) 等式(9)
BK＝Y(1：m，m+1：n) 等式(10)
CK＝Y(m+1：n，1：m) 等式(11)
DK＝Y(m+1：n，m+1：n) 等式(12)
因此，可使用以下等式(13)确定以下Kron缩减导纳矩阵：
Bvr其中代表考虑虚拟电抗的Kron缩减电纳矩阵，其可用于以下分析。
更具体而言，在实施例中，***400配置成运行事件后网络的功率流，以确定事件后稳定平衡。在这样的实施例中，稳定平衡的识别是利用等式(6)中阐述的能量函数的先决条件。
此外，在实施例中，其中由等式(5)表示的模型被缩减，其中Y＝Yvr，并且P0vr、τw和mfvr用作控制设定点和参数。所得的非线性向量值微分等式组是等式(14)：
其中
其中Avr和blvr分别是关联矩阵和与Yvr相关联的电纳向量；惯性和阻尼项Mvr和Dvr使用τvr和mfvr重新评估；并且PLr表示在Kron缩减之后出现在每个源节点处的有功功率负载的近似值。在这样的实施例中，在Kron缩减之后，源的数量m和节点的数量n可以是相同的(例如，m＝n)，因此L1可以从等式(14)中去掉，因为它变成单位矩阵。
在特定实施例中，(一个或多个)本地控制器402可在事件开始时(即，检测到过载后立即)执行有功功率调度设定点从P0到P0vr的阶跃变化，且该设定点将不会偏离P0vr，直到首次达到平衡。对于预期在所考虑的应急期间采用虚拟电抗的IBR，P0的对应元素从其标称值减少到P0vr，与***级过载穿越控制模块414和上述***范围能量函数方法一致。
因此，可使用由IBR在考虑应急期间使用的修改的功率调度设定点向量P0vr对等式(14)进行功率流分析。换句话说，应该利用Bvr、P0vr和PLr的知识找到稳定的事后平衡。还应该理解，等式(5)的功率流分析也可以用于识别相同的稳定平衡。
在另外的实施例中，IBR可视为PV节点，其中逆变器‘i’”的有功功率注入等于其设定值P0vr，i，并且节点i∈(1，2，...，m-1，m)处逆变器的电压幅值等于V的前‘m’个元素。根据网络大小，在实施例中，可使用高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫森法或两者的互补组合来确定δs和Vs。例如，在某些实施例中，确定δs和Vs经由高斯-塞德尔方法，例如，可以使用下面的等式(15)：
其中表示节点k处的电压相量，并且P和Q分别表示那个节点处注入的净有功和无功功率。‘平稳启动’猜测可用作功率流分析的起点：即，所有电压可假设为每单位一个，并且所有角度可假设为零。
在附加实施例中，***400进一步配置成确定‘故障上’动态的吸引区出口点。在这样的实施例中，当***400退出稳定平衡(势能“井”)周围的吸引区域时，***400可以运行数值积分以获得电网事件期间的***轨迹。虽然实际上事件(例如故障)可能在退出之前被清除，但为了识别不稳定平衡的位置，暂时假定情况并非如此。
因此，在这样的实施例中，为了在采用数值积分之前初始化***400的动态状态，可针对其中使用标称控制设定点和参数且未采用虚拟电抗的情况，对事件前网络重复与等式(15)相关联的功率流。
可使用显式或隐式方法进行数值积分，以确定在t＞Te内的ω(t)和δ(t)，其中以下等式(16)中提供原始前向欧拉方法：
其中，ΔT是用于数值积分的时间步长。
在使用等式(17)进行数值积分时，沿ω(t)和δ(t)的轨迹的势能函数的峰值被数值确定。这可以通过评估沿着如下等式(18)和(19)的ω(t)和δ(t)的轨迹的势能函数等式(8)的一阶和二阶时间导数的数值近似来实现：
当VPE’为负时，在该点δRL1发生的VPE’的第一个零交叉应对应于势能‘脊线’的交叉，即围绕稳定平衡的势能‘阱’的离开。
根据分析势能(PE)函数的梯度，近似定位控制不稳定平衡的实用方法是要从使用等式(18)和(19)发现的点δRL1开始，追踪势能表面的脊线。这可以通过在等式(20)的方向上行进来实现，势能函数的负梯度如下所示：
假设脊线的势能在控制不稳定平衡的方向上下降，并假设脊线附近的势能表面足够平滑，等式(20)中定义的最陡向下倾斜方向(即负梯度)应平行于脊线并在控制不稳定平衡点的方向上。此外，使用等式(20)的脊线追踪可以通过检查等式(20)的范数的二阶导数来终止。沿着使用等式(20)勾画的轨迹获得的负梯度幅值的二阶数值导数的零交叉指示鞍点是接近的。
此外，在实施例中，负梯度幅值的二阶数值导数由下式(22)给出，其中‘k’表示沿由上式(20)定义的样本点。
等式(22)与零相交的点可定义为δRL2，并提供应用基于同伦的方法求解控制不稳定平衡点的起点。
在另外的实施例中，Kron缩减向量微分等式(14)的修改版本在以下等式(23)中提供。因此，可以容易地观察到，如果等式(23)处于平衡状态并且ωu＝0，那么等式(5)的缩减版本也将处于平衡状态。
在这样的实施例中，***400配置成求解0＝F(δu)的解δu。因此，在同伦分析方法中，函数G(λ)(具有已知解)和参数λ被***到等式(23)中以创建修改的***，如下面的等式(24)所示：
H(δ，λ)＝(1-λ)F(δ)+λG(δ)＝0 等式(24)
注意到，如果λ＝1：
H(δ，λ)＝H(δ，1)＝G(δ)
相比之下，如果λ＝0：
H(δ，λ)＝H(δ，0)＝F(δ)
在λ＝1的情况下，H(δ，λ)的解是已知的，因为在那个值下，H(δ，λ)＝G(δ)解是已知的。
在这样的实施例中，存在多个选项用于G(δ)的选择。例如，在涉及‘固定点’方法的实施例中，可以使用等式(25)：
G(δ)＝δ-δ0 等式(25)
一旦G(δ)被选择，就必须选择足够接近解的起点δ0。因此，在实施例中，通过观察等式(22)的零交叉而较早获得的控制不稳定平衡点δRL2的估计可以服务于这个目的。
此外，在实施例中，可重复计算(例如，使用牛顿法或信赖域法)H(δ，λ)＝0的解，因为λ可以从1到0递增减少。因此，在λk+1＜λk的特定实施例中，在上述重复的解确定中，对于H(δ，λk)＝0获得的解δ可以用作牛顿法应用到H(δ，λk+1)＝0的起点。一旦λ充分递减使得它达到零，就可以得到H(δ，0)＝F(δ)＝0的解δu。
现在参考图16-图18，提供故障电流限制的虚拟阻抗的不同应用的势能表面的多个曲线图。具体而言，如图16中所示，示出势能表面的曲线图600，其中，在故障清除后不久，由IBR没有实现用于故障电流限制的虚拟阻抗。因此，如所示，在没有实现虚拟阻抗的情况下，势能表面由多个容易识别的势能井602组成。每个势能阱602可以被解释为非线性动态***的稳定平衡的吸引区域。特别地，稳定平衡点在每个井602的底部。在图16中，使用线604绘制紧接着故障清除之后的作为时间的函数的***采用的事件后路径。就在故障被清除之后，***的初始操作点被标记为606，并且在每个模拟结束时的最终操作点被标记为608。因此，如果线604终止于势能阱602底部的稳定平衡处，这意味着非线性***的同步性已经保持。另一方面，如果事件发生后，***的路径越过势能阱602的脊线，这意味着同步性已经(至少暂时)丧失，即已经发生大信号不稳定性。因此，图16展示当事件之后由IBR没有实现虚拟阻抗时，路径相对较短，同步被成功地保持，并且没有大信号不稳定性。
在某些实施例中，其中自我保护为最高优先级，IBR必须在事件期间和紧接事件之后采用大虚拟阻抗进行故障电流限制。此外，应该注意的是，虚拟电抗将可能紧接故障事件之后仍然存在，原因如下：本地控制器402最可能不能准确预测或测量故障何时被成功清除，并且因此将不能准确知道何时移除虚拟阻抗。此外，即使故障的清除能够被每个IBR准确地检测到，虚拟阻抗的立即且不协调的移除也可能导致IBR之间的大量有功功率传输，因为在故障事件期间IBR之间的相对电压角将可能已经无限制地增加。因此，这样的控制动作将可能导致重复过电流事件的不期望的限制循环，从而需要重复地重新施加虚拟阻抗。因为可以假设虚拟阻抗必须在事件后***状况下保持接合，至少直到达到稳定平衡，所以必须重新绘制势能表面，以反映备选***状况。
图17示出在应用用于故障电流限制的虚拟阻抗的情况下，事件后势能(PE)表面702的示例的曲线图700。在这种情况下，势能阱604变得更难辨别，并且吸引区域变得更小。因此，图17展示使用虚拟阻抗进行故障电流限制的重要的意外后果，因为可能存在事件后失步的重大风险，这可能会阻止返回到稳定平衡，并导致IBR之间的大规模循环有功功率传输。因此，图18示出在由IBR实现更大量的虚拟阻抗的情况下事件后势能表面802的示例的曲线图800。在这种情况下，发生了失步，并且在模拟结束时没有达到稳定的平衡。
因此，图17和图18突出势能表面在确定***400对失去同步的敏感性中的相关性，并促使将李亚普诺夫函数分析作为本文所述***级过载跨越控制技术的组成部分。李亚普诺夫稳定性分析技术可用于预测故障清除后***400的总动能和势能是否足以引起失步。可以计算稳定平衡点周围井边最低点的势能，即最近的不稳定平衡点(UEP)。所提出的控制技术试图逼近不稳定平衡点(UEP)的位置，计算那个UEP处的势能，并调整逆变器控制参数以降低初始故障后***能量，从而保证同步性不会丧失，同时通过使用足够的虚拟阻抗来保护IBR免受过电流。
本发明的各种方面和实施例通过下列编号条款来限定：
条款1.一种用于在扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的方法，所述方法包括：
响应于所述扰动的开始而在基于逆变器的资源的所述网络之中采用***级过载穿越算法，其中所述***级过载穿越算法包括：
经由***级过载穿越控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的参数集；
经由所述***级过载穿越控制模块将所述修改的参数集传输到所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源；以及
经由与所述***级过载穿越控制模块通信耦合的所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的一个或多个本地控制器，在由所述一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活所述修改的参数集，其中自动激活所述修改的参数集包括在所述扰动的持续期间内和在所述扰动之后的时间段内快速重新参数化所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的一个或多个参数，以便将基于逆变器的资源的所述网络从扰动前稳定状态转变到扰动后稳定状态。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集还包括：
考虑到一个或多个最严格的穿越要求，将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的虚拟电抗设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最大持续电流额定值确定的值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的有功功率设定点设置成等于以下中的一个的最小的值：所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的有功功率容量；在扰动后情形中能够有可能通过为所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源中的一个基于逆变器的资源选择的所述虚拟电抗传输的估计最大有功功率；或者所述扰动期间和紧接所述扰动之后的有功功率注入的期望值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟惯性或功率测量滤波器时间常数中的至少一个设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源可用的能量存储量确定的值；以及
调节用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟阻尼，以提高在所述扰动期间所述基于逆变器的资源减少过载状况或保持同步的可能性。
条款3.根据条款2所述的方法，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集进一步包括：
识别事件后情形和应急事件的集合；
为所述事件后情形中的每个生成***范围的能量函数；
确定用于所述事件后情形中的一个或多个的临界***能量，所述临界***能量是所述网络的最大允许事件后势能；
对于与给定应急事件相关联的每个事件后情形，确定是否超过所述临界***能量，从而在清除时间的开始时指示对于所述应急事件中的任何的同步损失；
在所述清除时间时，使用所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最终角度集合来计算所述扰动已经清除之后所述网络的总***能量；
确定所述临界***能量是否被所述总***能量超过；
如果在所述扰动已经清除之后，所述临界***能量被所述网络中的总***能量超过，则递增地减小用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的有功功率设定点的绝对值，直到所述临界***能量不再被所述总***能量超过，并且如果所述临界***能量没有被所述总***能量超过，但是在所述扰动期间所述基于逆变器的资源中的任何基于逆变器的资源的能量储备被超过，则递增地减小那个基于逆变器的资源的所述修改的虚拟惯性或所述修改的虚拟阻尼；以及
一旦针对每个事件后情形评估了所有应急事件，并且对于所述应急事件和事件后情形中的任何都没有超过所述临界***能量和能量限制，就确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集。
条款4.根据条款3所述的方法，其中，所述扰动和应急事件的所述集合中的至少一个包括下列中的一个：孤岛或并网时的对称或非对称线对地或线对线故障、无限母线处的相对地故障、由所述基于逆变器的资源中的两个或更多个同时或交错施加虚拟电抗、由于用于那个基于逆变器的资源的过载事件而导致的所述基于逆变器的资源中的一个基于逆变器的资源的暂时损失、并网时所述功率电网的电压幅值的负载阶跃、下降或上升、并网时所述功率电网的相位角的负载阶跃或跳跃、孤岛或并网时分配或传输线路的损耗、孤岛或并网时另一重要源的意外损耗、恒定功率负载的大阶跃、恒定电流负载、恒定阻抗负载或机器负载或当孤立或并网时它们的组合、有意或无意的孤岛事件和/或有意或无意的同步事件。
条款5.根据条款4所述的方法，其中，所述事件后情形包括以下中的至少一个：(1)与事件前***相同的事件后***，其中所述基于逆变器的资源或所述功率电网中的一个或多个已经从所述网络断开并且不再存在的备选网络拓扑。
条款6.根据条款3-5所述的方法，其中，所述***范围能量函数包括动能(KE)函数和势能(PE)函数的总和。
条款7.根据条款6所述的方法，其中，确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量还包括：
确定控制不稳定平衡点(CUEP)；以及
使用所述PE函数确定所述CUEP处的势能，以确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量。
条款8.根据条款7所述的方法，其中，确定所述CUEP还包括：
计算电网事件动态的数值积分，直到跨越由所述PE函数定义的PE表面的脊线；
沿着所述PE表面的所述脊线追踪所述PE函数的梯度，以确定用于同伦方法的可接受的初始起始点；以及
应用所述同伦方法以便定位所述CUEP。
条款9.根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括：
经由所述***级过载穿越模块监测一个或多个电网状况，以确定何时对一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的；以及
在确定所述一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的时，经由所述***级过载穿越模块向所述一个或多个基于逆变器的资源发送重置信号，以去激活所述修改的参数集并返回到标称操作参数。
条款10.根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，由所述一个或多个基于逆变器的资源本地确定的所述时间对应于本地控制器检测到过载状况的时刻，所述过载状况指示所述扰动的所述开始。
条款11.根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个基于逆变器的资源的所述网络还包括多个基于逆变器的资源，并且其中所述修改的参数集内的一个或多个参数在所述多个基于逆变器的资源之中可以是不同的。
条款12.根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括如果没有检测到扰动，则经由所述一个或多个本地控制器使用标称操作参数继续操作所述一个或多个基于逆变器的资源。
条款13.根据前述条款中任一项所述的方法，其中，所述基于逆变器的资源是风力涡轮、能量存储***或太阳能***中的一种。
条款14.一种用于在扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的***，所述***包括：
***级过载穿越控制模块，其用于控制所述***；和
多个本地控制器，其通信地耦合到所述***级过载穿越控制模块，以用于控制所述基于逆变器的资源，所述***级过载穿越控制模块包括被配置成执行多个操作的至少一个处理器，所述多个操作包括：
响应于所述扰动的开始而在基于逆变器的资源的所述网络之中采用***级过载穿越算法，其中所述***级过载穿越算法包括：
使用定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的参数集；以及
将所述修改的参数集传输到所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的多个本地控制器，
所述多个本地控制器配置成在由所述一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活所述修改的参数集，其中自动激活所述修改的参数集包括在所述扰动的持续期间内和在所述扰动之后的时间段内快速重新参数化所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的一个或多个参数，以便将基于逆变器的资源的所述网络从扰动前稳定状态转变到扰动后稳定状态。
条款15.根据条款14所述的***，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集还包括：
考虑到一个或多个最严格的穿越要求，将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的虚拟电抗设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最大持续电流额定值确定的值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的有功功率设定点设置成等于以下中的一个的最小的值：所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的有功功率容量；在扰动后情形中能够有可能通过为所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源中的一个基于逆变器的资源选择的所述虚拟电抗传输的估计最大有功功率；或者所述扰动期间和紧接所述扰动之后的有功功率注入的期望值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟惯性或功率测量滤波器时间常数中的至少一个设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源可用的能量存储量确定的值；以及
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟阻尼相对于标称虚拟阻尼值以相当大的系数减少，以使所述修改的虚拟阻尼与所述修改的虚拟惯性相比可以忽略。
条款16.根据条款15所述的***，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集还包括：
识别事件后情形和应急事件的集合；
为所述事件后情形中的每个生成***范围的能量函数；
确定用于所述事件后情形中的一个或多个的临界***能量，所述临界***能量是所述网络的最大允许事件后势能；
对于与给定应急事件相关联的每个事件后情形，确定是否超过所述临界***能量，从而在清除时间的开始时指示对于所述应急事件中的任何的同步损失；
在所述清除时间时，使用所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最终角度集合来计算所述扰动已经清除之后所述网络的总***能量；
确定所述临界***能量是否被所述总***能量超过；
如果在所述扰动已经清除之后，所述临界***能量被所述网络中的总***能量超过，则递增地减小用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的有功功率设定点的绝对值，直到所述临界***能量不再被所述总***能量超过，并且如果所述临界***能量没有被所述总***能量超过，但是在所述扰动期间所述基于逆变器的资源中的任何基于逆变器的资源的能量储备被超过，则递增地减小那个基于逆变器的资源的所述修改的虚拟惯性或所述修改的虚拟阻尼；以及
一旦针对每个事件后情形评估了所有应急事件，并且对于所述应急事件和事件后情形中的任何都没有超过所述临界***能量和能量限制，就确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集。
条款17.根据条款16所述的***，其中，所述***范围能量函数包括动能(KE)函数和势能(PE)函数的总和。
条款18.根据条款17所述的***，其中，确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量还包括：
确定控制不稳定平衡点(CUEP)；以及
使用所述PE函数确定所述CUEP处的势能，以确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量。
条款19.根据条款18所述的***，其中，确定所述CUEP还包括：
计算电网事件动态的数值积分，直到跨越由所述PE函数定义的PE表面的脊线；
沿着所述PE表面的所述脊线追踪所述PE函数的梯度，以确定用于同伦方法的可接受的初始起始点；以及
应用所述同伦方法以便定位所述CUEP。
条款20.根据条款14-19所述的***，还包括：
经由所述***级过载穿越模块监测一个或多个电网状况，以确定何时对一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的；以及
在确定所述一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的时，经由所述***级过载穿越模块向所述一个或多个基于逆变器的资源发送重置信号，以去激活所述修改的参数集并返回到标称操作参数。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包含制作和使用任何装置或***，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于在扰动期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的网络的方法，所述方法包括:
响应于所述扰动的开始而在基于逆变器的资源的所述网络之中采用***级过载穿越算法，其中所述***级过载穿越算法包括:
经由***级过载穿越控制模块使用定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的参数集；
经由所述***级过载穿越控制模块将所述修改的参数集传输到所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源；以及
经由与所述***级过载穿越控制模块通信耦合的所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的一个或多个本地控制器，在由所述一个或多个本地控制器本地确定的时间自动激活所述修改的参数集，其中自动激活所述修改的参数集包括在所述扰动的持续期间内和在所述扰动之后的时间段内快速重新参数化所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源的一个或多个参数，以便将基于逆变器的资源的所述网络从扰动前稳定状态转变到扰动后稳定状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集还包括:
考虑到一个或多个最严格的穿越要求，将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的虚拟电抗设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最大持续电流额定值确定的值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的有功功率设定点设置成等于以下中的一个的最小的值:所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的有功功率容量；在扰动后情形中能够有可能通过为所述基于逆变器的资源中的所述一个或多个基于逆变器的资源中的一个基于逆变器的资源选择的所述虚拟电抗传输的估计最大有功功率；或者所述扰动期间和紧接所述扰动之后的有功功率注入的期望值；
将用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟惯性或功率测量滤波器时间常数中的至少一个设置成由所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源可用的能量存储量确定的值；以及
调节用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的修改的虚拟阻尼，以提高在所述扰动期间所述基于逆变器的资源减少过载状况或保持同步的可能性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用所述定期更新的***级分析来确定所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集进一步包括:
识别事件后情形和应急事件的集合；
为所述事件后情形中的每个生成***范围的能量函数；
确定用于所述事件后情形中的一个或多个的临界***能量，所述临界***能量是所述网络的最大允许事件后势能；
对于与给定应急事件相关联的每个事件后情形，确定是否超过所述临界***能量，从而在清除时间的开始时指示对于所述应急事件中的任何的同步损失；
在所述清除时间时，使用所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的最终角度集合来计算所述扰动已经清除之后所述网络的总***能量；
确定所述临界***能量是否被所述总***能量超过；
如果在所述扰动已经清除之后，所述临界***能量被所述网络中的总***能量超过，则递增地减小用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的有功功率设定点的绝对值，直到所述临界***能量不再被所述总***能量超过，并且如果所述临界***能量没有被所述总***能量超过，但是在所述扰动期间所述基于逆变器的资源中的任何基于逆变器的资源的能量储备被超过，则递增地减小那个基于逆变器的资源的所述修改的虚拟惯性或所述修改的虚拟阻尼；以及
一旦针对每个事件后情形评估了所有应急事件，并且对于所述应急事件和事件后情形中的任何都没有超过所述临界***能量和能量限制，就确定用于所述基于逆变器的资源中的一个或多个基于逆变器的资源的所述修改的参数集。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述扰动和应急事件的所述集合中的至少一个包括下列中的一个：孤岛或并网时的对称或非对称线对地或线对线故障、无限母线处的相对地故障、由所述基于逆变器的资源中的两个或更多个同时或交错施加虚拟电抗、由于用于那个基于逆变器的资源的过载事件而导致的所述基于逆变器的资源中的一个基于逆变器的资源的暂时损失、并网时所述功率电网的电压幅值的负载阶跃、下降或上升、并网时所述功率电网的相位角的负载阶跃或跳跃、孤岛或并网时分配或传输线路的损耗、孤岛或并网时另一重要源的意外损耗、恒定功率负载的大阶跃、恒定电流负载、恒定阻抗负载或机器负载或当孤立或并网时它们的组合、有意或无意的孤岛事件和/或有意或无意的同步事件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述事件后情形包括以下中的至少一个:(1)与事件前***相同的事件后***，其中所述基于逆变器的资源或所述功率电网中的一个或多个已经从所述网络断开并且不再存在的备选网络拓扑。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述***范围能量函数包括动能(KE)函数和势能(PE)函数的总和。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量还包括:
确定控制不稳定平衡点(CUEP)；以及
使用所述PE函数确定所述CUEP处的势能，以确定用于所述事件后情形中的一个或多个的所述临界***能量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述CUEP还包括:
计算电网事件动态的数值积分，直到跨越由所述PE函数定义的PE表面的脊线；
沿着所述PE表面的所述脊线追踪所述PE函数的梯度，以确定用于同伦方法的可接受的初始起始点；以及
应用所述同伦方法以便定位所述CUEP。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括:
经由所述***级过载穿越模块监测一个或多个电网状况，以确定何时对一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的；以及
在确定所述一个或多个基于逆变器的资源去激活所述修改的参数集是安全的时，经由所述***级过载穿越模块向所述一个或多个基于逆变器的资源发送重置信号，以去激活所述修改的参数集并返回到标称操作参数。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述一个或多个基于逆变器的资源本地确定的所述时间对应于本地控制器检测到过载状况的时刻，所述过载状况指示所述扰动的所述开始。
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