一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法及系统

技术领域

本发明涉及构网型变流器技术领域，并且更具体地，涉及一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法及系统。

背景技术

随着新能源发电的不断发展，我国电力系统的电源结构发生了显著变化，传统同步发电设备的占比逐渐减小，而以电压源型变流器(voltage source converter,VSC)接口的电力电子电源渗透率不断升高，进一步挖掘基于VSC的电力电子电源的潜能，是未来电网发展的迫切需要。近年来，构网型(grid forming,GFM)技术作为应对系统转型的一种可行方案，得到了广泛关注。区别于跟网型控制，GFM控制本质为电压源控制模式(voltagecontrol mode,VCM)，通过功率同步的方法，自主形成端口电压幅值与相位，输出系统所需功率，实现并网同步运行。这种塑造同步机并网特性的思路，提升了以VSC接口的电力电子电源的主动支撑能力，保证了电力系统稳定性研究体系的延续，但因此无法回避传统大扰动下的暂态稳定问题。

考虑电力电子设备的硬件过流能力，实际GFM-VSC系统在大扰动下的运行易于受到限幅环节的影响，急需分析具有限幅环节的GFM-VSC暂态稳定特性及提出改善暂态稳定性的方法。

发明内容

本发明提出一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法及系统，以解决如何对限幅环节进行改进，以改善系统的暂态稳定性的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法，所述方法包括：

基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位；

基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数；

基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，以基于限幅环节输出的内环电流参考值增强VSC的暂态稳定性。

优选地，其中所述基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位，包括：

其中，δ

优选地，其中，所述基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数，包括：

其中，P

优选地，其中所述基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，包括：

其中，k

根据本发明的另一个方面，提供了一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制系统，所述系统包括：

功率外环输出相位确定单元，用于基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位；

电流分配系数确定单元，用于基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数；

限幅控制单元，用于基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，以基于限幅环节输出的内环电流参考值增强VSC的暂态稳定性。

优选地，其中所述功率外环输出相位确定单元，基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位，包括：

其中，δ

优选地，其中所述电流分配系数确定单元，基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数，包括：

其中，P

优选地，其中所述限幅控制单元，基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，包括：

其中，k

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

本发明提供了一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法及系统，包括：基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位；基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数；基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，以基于限幅环节输出的内环电流参考值增强VSC的暂态稳定性。本发明在明确了大扰动下易于触发的限幅环节对暂态稳定的影响的机理上，通过附加电流分配系数的方法，改变限幅后d轴与q轴电流的分配，能够有效地提升GFM-VSC系统的暂态稳定特性。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的构网型VSC系统拓扑结构与控制策略示意图；

图3为根据本发明实施方式的构网型控制策略框图；

图4为根据本发明实施方式的的大扰动下电流内环响应过程示意图；

图5为根据本发明实施方式的计及限幅环节影响的GFM-VSC系统P-δ曲线图；

图6为根据本发明实施方式的dq轴电流分配对GFM-VSC系统暂态过程的影响示意图；

图7为根据本发明实施方式的不同电流分配系数kd对限幅后系统传输功率的影响示意图；

图8为根据本发明实施方式的传统与改进策略下GFM-VSC暂态稳定特性对比的仿真波形图；

图9为为根据本发明实施方式的传统与改进策略下GFM-VSC功率波动特性对比的仿真波形图；

图10为根据本发明实施方式的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制系统1000的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

考虑电力电子设备的硬件过流能力，实际GFM-VSC系统在大扰动下的运行易于受到限幅的影响，因此，急需分析具有限幅环节的GFM-VSC暂态稳定特性及提出改善暂态稳定性的方法。为此，本发明分析了限幅环节导致系统暂态失稳的原因，利用故障下dq轴电流分配的影响机制，提出了一种附带电流分配系数的改进限幅方法，有效地增强了系统的暂态稳定性。

图1为根据本发明实施方式的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法，在明确了大扰动下易于触发的限幅环节对暂态稳定的影响的机理上，通过附加电流分配系数的方法，改变限幅后d轴与q轴电流的分配，能够有效地提升GFM-VSC系统的暂态稳定特性。本发明实施方式提供的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法100，从步骤101处开始，在步骤101，基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位。

优选地，其中所述基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位，包括：

其中，δ

在步骤102，基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数。

优选地，其中，所述基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数，包括：

其中，P

在步骤103，基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，以基于限幅环节输出的内环电流参考值增强VSC的暂态稳定性。

优选地，其中所述基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，包括：

其中，k

以图2所示的实际构网型VSC系统为例对本发明进一步的详细说明。如图2所示，VSC系统具体包含了交流侧电网及传输线路、构网型变流器以及直流侧DC/DC与储能设备三部分。所述图1中，电路拓扑部分：u

基于图2所示的GFM-VSC系统的拓扑结构与控制策略及图3所示的具体GFM-VSC的控制策略框图，可导GFM-VSC系统通过线路阻抗注入的功率以及GFM-VSC系统的控制方程，包括：

步骤1-1：如图2所示，GFM-VSC系统通过线路阻抗向电网注入的有功功率P

式中：δ为VSC端口电压与网侧电压的相位差，可称为虚拟功角；θ为线路阻抗的相位；U

步骤1-2：基于如图3所示GFM-VSC系统的控制策略，推导GFM-VSC系统的控制方程如下：

式中：ω

步骤2：基于前述步骤所得模型与GFM-VSC系统的内环控制，推导GFM-VSC的内环dq轴电流并给出典型的限幅环节，具体如下：

步骤2-1：推导GFM-VSC的内环dq轴电流如下：

式中：i

具体大扰动下电流内环dq轴电流的暂态响应过程如图3所示。所述图3中，初始状态(i

步骤2-2：基于设备所允许的电流最大值，给出现有的典型限幅环节如下：

式中：i

步骤3：GFM-VSC在电压控制模式(voltage control mode,VCM)约束下的传输功率功率P

式中：U

步骤4：进一步推导触发限幅环节后，GFM-VSC由VCM转变为CCM约束的传输功率P

式中：U

步骤5：基于前述步骤得到的式5，分析计及限幅环节影响的GFM-VSC系统的有功-功角曲线，如图5所示。

所述图5展示了由式5得到的计及限幅环节影响的GFM-VSC系统的P-δ曲线，实线P

1)故障瞬间：系统由初始运行点t

2)故障持续：由于传输功率突降，控制系统增大ω

3)故障清除及恢复：

①若故障在UEP

②若故障在UEP

综上分析，受限幅环节影响,GFM-VSC的暂态稳定性被大幅削弱，仅在SEP

因此，在本发明中，引入限幅环节的另一项控制自由度：限幅环节中d轴与q轴电流的分配，得到其对大扰动下GFM-VSC系统暂态响应的影响，具体如图6所示；

所述图6给出了dq轴电流分配对大扰动下GFM-VSC系统暂态响应的影响。由图6可以看出，限幅环节中I

因此，本发明基于限幅环节中d轴与q轴电流对大扰动下GFM-VSC系统暂态响应的影响机制，设计附带电流分配系数的改进方法，如下：

式中：k

结合式5和6，得到式7如下，并基于式7分析不同电流分配系数下改进限幅方法对系统功率传输曲线的影响，具体如图7所示；

式中：U

所述图7展示了电流分配系数k

由式7和上述图7的分析可知，随着kd的增大，CCM下传输功率曲线向右平移，增大了系统的暂态稳定区间；同时考虑满足系统稳态功率波动的要求，即GFM-VSC在CCM约束与VCM约束下的传输功率曲线相交于最大功率点P

式中：P

因此，在本发明中，首先基于系统最大波动功率值P

在本发明中，具体的仿真波形如图8和图9所示。所述图8对比了传统限幅策略与改进限幅策略下GFM-VSC的暂态稳定特性。由图所述图8(c1)可以看出，在1.1s故障清除后，GFM-VSC系统被前述分析中CCM下的ASP所吸引，虽然已调整输出有功功率为额定值20kW，但同时会输出大量无功，端口电压幅值甚至上升至1.6pu，无法退出限幅环节，系统暂态失稳。对比所述图8(c2)可以看出，在故障清除后，改进策略下的GFM-VSC系统，可以由CCM状态转换至VCM状态运行，回到周期平衡点；由图所述图8(b2)与(f2)也可以看出，VSC的端口电压与输出功率均回到了额定状态。

所述图9对比了传统限幅策略与改进限幅策略，在电网正常而输出功率波动的工况下，系统的暂态响应过程。所述图9(a1)给出了系统工况：在1.0s-2.0s阶段，设置VSC参考功率20kW；在2.0s-3.0s阶段，输出额定功率阶跃为28kW；在3.0s-4.0s阶段，系统恢复。由所述图9(b1)可以看出，采用传统有功电流优先策略时，系统进入限幅模式后会被ASP吸引导致失稳，无法正常运行；对比所述图9(b2)，采用改进策略分配一定无功电流后，系统能够承受所设置的功率波动，进而继续维持VCM运行。

本发明对于大扰动下易于触发的限幅环节，阐明了其恶化GFM-VSC暂态稳定的机理。在此基础上，仅通过附加电流分配系数的方法，改变限幅后d轴与q轴电流的分配，提升了GFM-VSC系统的暂态稳定特性。

图10为根据本发明实施方式的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制系统1000的结构示意图。如图10所示，本发明实施方式提供的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制系统1000，包括：功率外环输出相位确定单元1001、电流分配系数确定单元1002和限幅控制单元1003。

优选地，所述功率外环输出相位确定单元1001，用于基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位。

优选地，其中所述功率外环输出相位确定单元1001，基于系统稳态下的最大功率波动值确定功率外环输出相位，包括：

其中，δ

优选地，所述电流分配系数确定单元1002，用于基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数。

优选地，其中所述电流分配系数确定单元1002，基于所述功率外环输出相位和最大功率波动值确定电流分配系数，包括：

其中，P

优选地，所述限幅控制单元1003，用于基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，以基于限幅环节输出的内环电流参考值增强VSC的暂态稳定性。

优选地，其中所述限幅控制单元1003，基于所述电流分配系数对限幅环节进行控制，确定限幅环节输出的内环电流参考值，包括：

其中，k

本发明的实施例的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制系统1000与本发明的另一个实施例的增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法100相对应，在此不再赘述。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种增强构网型VSC暂态稳定的限幅控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。