CN110176780B - 一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，当检测到电网故障时，在电压外环与电流内环间加入低压穿越控制策略，所述低压穿越控制策略包括冲击电流的抑制部分与无功电流的补偿部分，将d轴电压外环通过冲击电流的抑制部分处理后连接电流内环，抑制电枢绕组d轴电流分量的冲击；将q轴电压外环的输出与无功电流的补偿部分的输出相加后连接电流内环，通过调节无功调节系数补偿无功功率，支持电网电压恢复；同时重设VSG控制算法模块有功无功环输入，维持虚拟电势幅值、频率不变。

Description

一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法。

背景技术

随着环境问题的日益凸显与化石能源的逐渐枯竭，新能源发电受到越来越多的关注，基于可再生能源的发电单元将会成为电力系统中最重要的电源之一。大面积的新能源发电并网为电网的运行减轻了负担，然而，当电网发生故障导致电压跌落时，新能源发电装置为了自我保护将退出并网，大面积的新能源发电装置脱网运行将使电网发生无法预料的严重事故，因此，新能源发电装置应具备低压穿越能力。

低压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持低电压穿越并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而"穿越"这个低电压时间。LVRT是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，在检测到电网故障时，可以抑制电网故障时的电流冲击。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，当检测到电网故障时，在电压外环与电流内环间加入低压穿越控制策略，所述低压穿越控制策略包括冲击电流的抑制部分与无功电流的补偿部分，将d轴电压外环通过冲击电流的抑制部分处理后连接电流内环，抑制电枢绕组d轴电流分量的冲击；将q轴电压外环的输出与无功电流的补偿部分的输出相加后连接电流内环，通过调节无功调节系数补偿无功功率，支持电网电压恢复。同时重设VSG控制算法模块有功无功环输入，维持虚拟电势幅值、频率不变。

进一步，所述冲击电流的抑制的过程为：在电枢绕组中加入虚拟自感L_vd，计算d轴瞬态电流冲击倍数K及d轴电流增量Δi_d，调节虚拟自感大小，抑制电流冲击；

进一步，所述调节虚拟自感的方法为：

建立电磁暂态关系式：

在电枢绕组中加入虚拟自感L_vd：

上式中的Δi_d将减小至Δi'_d，且Δi'_d为微小的值，得下式：

Δi_d的大幅减小，导致实际的励磁电流增量也要减小至一微小的值。令L_vd正比于d轴电流增量Δi_d，引入电流冲击倍数K，令L_vd＝KnM_fa，则M_fa+L_vd＝(Kn+1)M_fa，代入式(3)，得：

其中，L_ff为励磁绕组的自感；M_fa为定子相绕组与励磁绕组轴线重合时的互感的幅值，Δi_f为虚拟励磁电流瞬态增量，n为与d轴电流增量Δi_d同大小的常数。

进一步，无功电流的补偿过程为：分别输入网点电压U_o和电压跌落幅值ΔU获得无功—电压下垂系数K_Q与无功电流i_q关系；

进一步，获得无功调节系数K_Q与无功电流i_q关系的方法为：

根据已知无功—电压之间的下垂关系、d坐标q坐标无功功率的计算公式和无功电流i_q所需满足的条件，得到无功电流补偿量

其中，U_gq、U_gd为并网点电压d、q轴分量，i_d为并网电流d轴分量，U_N电网额定电压，U电网电压跌落后的幅值；

进一步，无功调节K_Q＝2i_NU_T，随着电压跌落深度U_T的变化，K_Q值动态变化，以满足不同电压跌落深度的无功补偿要求，U_T为并网点电压标幺值，i_N为额定电流。

进一步，所述有功无功环输入设定为：有功环的输入功率为：P_set＝P_e；无功环的输入功率为：Q_set＝Q_e，无功环的输入电压为：U_N＝U₀，其中，P_set为参考有功功率；P_e为VSG输出有功功率，Q_set为参考无功功率；Q_e为VSG输出无功功率,U₀为输出电压有效值；U_N为额定电压有效值。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，该方法可以抑制电网故障时的电流冲击，尤其需要说明的是，本方法可以将任意时刻发生的电流冲击当做初始暂态控制，即使在故障恢复期间再次出现故障，依然可以实时抑制电流冲击。

本方法可以仅仅抑制等效纯直轴电枢反应引起的励磁电流增量，而对无功补偿所引起励磁电流增量不表现抑制，故无功电流可以根据实时情况自由补偿。

由于本方法在削弱d轴电流冲击时，不影响q轴电流变化，故有良好的解耦特性。

附图说明

图1为一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制系统框图；

图2为一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制框图；

图3为VSG有功无功双环重设后的框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，系统包括直流侧电源、3桥臂逆变电路、LCL型滤波电路、功率计算模块、VSG控制算法、电压环模块、LVRT模块、电流环模块、空间矢量脉宽调制(Space VectorPulse Width Modulation，SVPWM)模块。LCL型滤波电路由逆变器侧电感L₁、滤波电容C和网侧电感L₂构成的。当检测到电网发生故障电压跌落时，断开S1，闭合S2、S3，在电压外环与电流内环间连接LVRT模块，切入低压控制策略。低压穿越控制策略包括冲击电流的抑制部分与无功电流的补偿部分，将d轴电压外环通过冲击电流的抑制处理后连接电流内环，抑制电枢绕组d轴电流分量的冲击；将q轴电压外环的输出与无功电流的补偿部分的输出相加后连接电流内环，调节无功调节补偿无功功率，支持电网电压恢复；同时重设VSG控制算法模块有功无功环输入，维持虚拟电势幅值、频率不变。

直流侧电源u_in经过3桥臂逆变电路输出e_a、e_b、e_c到LCL滤波电路，经过LCL滤波之后的电压u_abc/电流i_abc送入功率计算模块，在功率计算模块中利用Clark坐标变换，得出u_α、u_β和i_α、i_β，通过瞬时功率理论计算得到有功功率P_e和无功功率Q_e。计算过程如下：

其中，u_α、u_β为逆变器滤波之后的电压的基波在α、β坐标系下的表达式，i_α、i_β为逆变器滤波后的电流在α、β坐标系下的表达式。

根据同步发电机的机电特性，将有功功率P_e和无功功率Q_e送入VSG控制算法，计算出VSG虚拟电势E^*与相位，在电网正常运行时，开关S1闭合，S2、S3断开，即将该参考电压送入电压电流双环控制系统，建立双环系统数学模型，如下：

其中，

分别为逆变器输出基波电势的d、q轴给定值；L、R分别为滤波器的等效电感和电阻；i_d、i_q为网侧电流的d、q实际值；Δu_d、Δu_q电流内环PI调节器输出值，U_gd、U_gq分别为电网电压d、q轴分量，ω为电网电压角频率。

VSG虚拟电势E^*输入电压环，此时d轴电压外环通过冲击电流的抑制处理后连接电流内环，将q轴电压外环的输出与无功电流的补偿部分的输出相加后连接电流内环。

如图2所示，冲击电流的抑制的过程为：

建立电磁暂态关系如下：

在电枢绕组中加入电枢绕组虚拟自感L_vd，

为了满足式(5)，则Δi_d必须减小至Δi'_d，Δi'_d为一微小的值，可得：

Δi_d的大幅减小，导致实际的励磁电流增量也要减小至一微小的值。引入电流冲击倍数K，令L_vd＝KnM_fa，n为与d轴电流增量同大小的常数，则M_fa+L_vd＝(Kn+1)M_fa，可得出：

其中，L_ff为励磁绕组的自感；M_fa为定子相绕组与励磁绕组轴线重合时的互感的幅值，Δi_f为虚拟励磁电流瞬态增量，n为与d轴电流增量Δi_d同大小的常数。

无功电流的补偿的过程为：

在电网故障期间需要对电网进行无功补偿以支持电网恢复电压，已知无功—电压之间的下垂关系，以及d、q坐标下无功功率的计算公式，如下

无功电流i_q需满足

根据式(9)、(10)可以得出无功电流补偿量：

其中，无功调节K_Q＝2i_NU_T，随着电压跌落深度的变化，K_Q值动态变化，以满足不同电压跌落深度的无功补偿要求，U_T为并网点电压标幺值，i_N为额定电流，U_gq、U_gd为并网点电压d、q轴分量，i_d为并网电流d轴分量，U_N电网额定电压，U电网电压跌落后的幅值。

为了维持虚拟电势幅值、频率固定不变，使电网故障清除后，VSG快速恢复原有特性，本发明还重设VSG控制算法模块有功无功环输入，首先，根据同步发电机的机电特性，建立虚拟同步发电机数学模型：

将虚拟同步发电机数学模型等式左边的值等效为0，设置P_set＝P_e，可令虚拟电势角频率ω不变；设置Q_set＝Q_e，U_N＝U₀，可令虚拟电势幅值不变。

其中，P_set为参考有功功率；P_e为VSG输出有功功率；D_p为阻尼系数；ω为VSG虚拟电势的角频率；Δω为VSG虚拟电势的角频率与参考角频率差值；J为惯性系数；Q_set为参考无功功率；Q_e为VSG输出无功功率；D_q无功—电压下垂系数；U₀为输出电压有效值；U_N为额定电压有效值。

电流环输出的参考电压e_am、e_bm、e_cm输入SVPWM发生模块，最后通过SVPWM调制产生逆变器的控制信号，控制逆变器开关管Q₁～Q₆的通断。

为了更清楚的解释本发明所保护的范围，以下结合本发明的工作流程作进一步解释：

如图2所示为低压穿越控制策略原理图，将

与U_gd的差经过P调节，送入等效励磁增量计算，得出Δi_f，将Δi_f、L_ff、K、Δi_d送入LVRT部分，LVRT部分的具体实施过程为将Δi_f与L_ff相乘后，除以加入虚拟自感后的电枢绕组中的磁感链大小(Kn+1)M_fa，得出d轴电流的参考增量

将d轴电流参考增量

与d轴额定电流

相加，作为电流环的d轴电流参考

d轴电流的突变导致了励磁电流的突变，加入电枢绕组的虚拟自感，抑制d轴的突变电流，例如电网突然发生三相电压跌落故障，并网电流突变为额定电流的5～7倍，根据并网电流的冲击倍数及d轴电流增量，增加电枢绕组一定量的虚拟自感，则电枢电流会相应减小，励磁电流也会随之减小。

将并网点电压U_o进行Clark坐标变换，使其从三相静止坐标系转换至两相旋转坐标系下电压U_gdq，根据电压跌落幅值ΔU，经过下垂计算，得出无功调节系数K_Q，随着电网电压跌落深度的变化，无功调节系数自调节，根据自调节后的无功调节K_Q值进行无功计算，获得无功电流补偿值

将此值与电压外环输出的无功电流相加后作为无功电流参考值，以此调节实际无功电流，向电网补偿无功功率，例如并网点电压跌落50％，加入虚拟自感后，电压外环输出感性无功电流减小至约为0，无功调节系数增大，提高无功电流补偿幅值，根据无功功率计算公式，容性无功功率相应增大。

如图3，将虚拟同步发电机数学模型等式左边的值等效为0，设置P_set-P_e＝0，将有功给定值P_e与有功反馈值P_e比较，将VSG输出角频率ω与给定值ω_n比较，并乘以有功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到角频率输出值，将其积分得到VSG输出虚拟电势的相位θ；同理设置Q_set-Q_e＝0，U_N-U₀＝0，将无功给定值Q_e与无功反馈值Q_e比较，将给定值设计为实际的相电压幅值，再将两者作差并乘以无功下垂系数，其结果经惯性环节后即得到VSG相电压幅值输出值，其值即为故障前VSG输出虚拟电势，将此输出值送入电压电流双环。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，其特征在于，当检测到电网故障时，在电压外环与电流内环间加入低压穿越控制策略，所述低压穿越控制策略包括冲击电流的抑制部分与无功电流的补偿部分，将d轴电压外环通过冲击电流的抑制部分处理后连接电流内环，抑制电枢绕组d轴电流分量的冲击；将q轴电压外环的输出与无功电流的补偿部分的输出相加后连接电流内环，通过调节无功调节系数补偿无功功率，支持电网电压恢复；同时重设VSG控制算法模块有功无功环输入，维持虚拟电势幅值、频率不变

所述冲击电流的抑制过程为：在电枢绕组中加入虚拟自感L_vd，计算d轴瞬态电流冲击倍数K及d轴电流增量Δi_d，调节虚拟自感大小，抑制电流冲击；

所述调节虚拟自感的方法为：

建立电磁暂态关系式：

在电枢绕组中加入虚拟自感L_vd：

上式中的Δi_d将减小至Δi'_d，且Δi'_d为微小的值，得下式：

Δi_d的大幅减小，导致实际的励磁电流增量也要减小至一微小的值，令L_vd正比于d轴电流增量Δi_d，引入电流冲击倍数K，令L_vd＝KnM_fa，则M_fa+L_vd＝(Kn+1)M_fa，代入式(3)，得：

其中，L_ff为励磁绕组的自感；M_fa为定子相绕组与励磁绕组轴线重合时的互感的幅值，Δi_f为虚拟励磁电流瞬态增量，n为与d轴电流增量Δi_d同大小的常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，其特征在于，所述无功电流的补偿过程为：分别输入网点电压U_o和电压跌落幅值ΔU获得无功调节系数K_Q与无功电流i_q关系。

3.根据权利要求2所述的一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，其特征在于，获得无功调节系数K_Q与无功电流i_q关系的方法为：

根据已知无功—电压之间的下垂关系、d坐标q坐标无功功率的计算公式和无功电流i_q所需满足的条件，得到无功电流补偿量

其中，U_gq、U_gd为并网点电压d、q轴分量，i_d为并网电流d轴分量，U_N电网额定电压，U电网电压跌落后的幅值。

4.根据权利要求3所述的一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，其特征在于，所述无功调节系数K_Q＝2i_NU_T，随着电压跌落深度U_T的变化，K_Q值动态变化，以满足不同电压跌落深度的无功补偿要求U_T为并网点电压标幺值，i_N为额定电流。

5.根据权利要求1所述的一种基于补偿电枢绕组虚拟自感的低压穿越控制方法，其特征在于，所述有功无功环输入设定为：有功环的输入功率为：P_set＝P_e；无功环的输入功率为：Q_set＝Q_e，无功环的输入电压为：U_N＝U₀，其中，P_set为参考有功功率；P_e为VSG输出有功功率，Q_set为参考无功功率；Q_e为VSG输出无功功率,U₀为输出电压有效值；U_N为额定电压有效值。

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