面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法

技术领域

本发明涉及电力电子装备并网系统的控制领域，尤其涉及一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

背景技术

随着新能源发电技术的发展，大量电力电子装备接入电力系统，使得现代电力系统的运行极大程度上依赖于并网电力电子变流器的运行特性。然而，与传统同步发电机不同，电力电子变流器主要由功率半导体器件组成。由于功率器件的电流应力限制，变流器的过流容量远低于传统同步发电机。当并网变流器受到故障或者扰动冲击时，大幅突增的过电流极易导致变流器中功率半导体器件损坏，进而影响变流器的安全运行。

为了防止故障下变流器输出电流过大而烧毁设备，在变流器的控制器中通常添加了电流限幅环节以约束输出电流的范围。已有研究表明电流限幅环节会给变流器的暂态同步稳定性带来极大影响。尤其在以功率同步控制、下垂控制和虚拟同步控制等为同步环节的构网型变流器中，电网故障下电流限幅动作通常会导致此类变流器的运行模式发生切换，即由电压源模式切换到电流源模式，给构网型变流器的暂态稳定运行带来新的挑战。

然而，考虑到目前并网变流器的电流限幅依赖工程经验设置为固定值，其目的是设备保护而非系统稳定。因此，在故障工况下，传统基于定值的电流限幅环节无法避免其可能给构网型变流器带来的失同步风险。而根据对构网型变流器的稳定分析，动态调节电流限幅阈值可有效改善构网型变流器的暂态行为。但目前通过电流限幅值的动态调整从而实现构网型变流器暂态稳定控制的研究仍然是一片空白。因此，亟需提出一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以提供解决上述问题或者部分地解决上述问题的一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

本发明实施例提供一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法，所述构网型变流器动态电流限幅方法包括：

对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到所述构网型变流器在故障后的暂态稳定判据；

根据所述暂态稳定判据和器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围；

根据暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下所述构网型变流器的最优饱和电流相位；

基于所述电流限幅设计范围和所述最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值。

可选地，对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到所述构网型变流器在故障后的暂态稳定判据，包括：

根据所述构网型变流器在电网故障下将由电压源模式切换为电流源模式的特性，所述构网型变流器在所述电流源模式下的输出电流等于饱和电流，得到故障前后所述构网型变流器的有功功率计算公式；

令所述构网型变流器在故障前后的有功功率值等于预设有功功率参考值，计算得到所述构网型变流器在故障前电压源模式下的稳定平衡点以及故障后电流源模式下的稳定平衡点和不稳定平衡点各自的公式，并得到为满足平衡点存在性时电流限幅值所需满足的条件式；

建立所述构网型变流器在所述电流源模式下的能量函数；

根据所述能量函数，结合所述故障前的稳定平衡点公式、所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式，得到所述暂态稳定判据。

可选地，所述暂态稳定判据表征由dq轴电流限幅值描述的暂态稳定域；

根据所述暂态稳定判据和器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围，包括：

根据dq轴电流限幅值描述的暂态稳定域，结合所述器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围为：所述构网型变流器在故障后的饱和电流幅值不小于电流临界值，且不大于器件安全边界电流值。

可选地，根据所述暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下所述构网型变流器的最优饱和电流相位，包括：

将所述能量函数和所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式代入所述暂态稳定判据，运算得到所述暂态稳定判据的详细表达式；

对所述详细表达式进行分析，得到所述构网型变流器在所述电流源模式下的初始能量和临界能量之差的最小值对应的饱和电流相位即为所述最优饱和电流相位；

对所述最优饱和电流相位的计算公式采用泰勒展开进行简化，得到所述最优饱和电流相位的近似计算公式。

可选地，基于所述电流限幅设计范围和所述最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值，包括：

采用并网点电压表示所述最优饱和电流相位，对所述最优饱和电流相位的近似计算公式进行变换，得到新计算公式；

基于所述新计算公式，结合所述电流限幅设计范围，得到所述dq轴电流限幅值的设计表达式；

根据所述设计表达式和所述故障深度，实时调节所述dq轴电流限幅值。

可选地，所述构网型变流器在电网故障发生前为电压源模式，并网点电压由控制决定，则在电网故障发生前，并网点电压v

上式中，R

在电网故障发生前，所述构网型变流器运行于电压源模式下的稳定平衡点，所述故障前稳定平衡点通过令所述构网型变流器的有功功率值P等于预设有功功率参考值P

上式中，Z

所述构网型变流器在电网故障发生后切换为电流源模式，并网点电压由电路特性决定，所述构网型变流器的输出电流由所述控制决定，则在所述电流源模式下的输出电流I

上式中，故障后的网侧电阻R

为满足平衡点存在性时，所述电流限幅值需满足的条件式如下：

所述故障后的稳定平衡点公式、所述故障后的不稳定平衡点公式如下：

上式中，Δθ

可选地，建立所述构网型变流器在所述电流源模式下的摇摆方程为：

上式中，ω表示同步环节输出频率，D表示阻尼；

将电流源模式下所述构网型变流器的有功功率P计算公式，代入所述摇摆方程，并令x

其中：

则所述能量函数为：

上式中，λ

在电网发生故障后，若系统动能在工作点运动至所述故障后不稳定平衡点前降为0，则所述构网型变流器将在模式切换下保持稳定；

若所述系统动能在工作点运动至所述故障后不稳定平衡点时仍大于0，则所述构网型变流器的工作点将穿过所述不稳定平衡点并在模式切换下失同步；

在考虑阻尼的情况下，所述构网型变流器的临界能量为动能为0时所述故障后不稳定平衡点的能量，即V

考虑所述构网型变流器在电流源模式下呈现正阻尼D>0，则电流源模式下初始能量V(x

V(x

上式中，x

可选地，所述构网型变流器在故障后的饱和电流幅值I

可选地，将所述能量函数和所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式代入所述暂态稳定判据，运算得到所述暂态稳定判据的详细表达式如下：

上式中，ΔV表示所述初始能量和所述临界能量之差；

由于

且所述初始能量和所述临界能量之差的最小值ΔV出现在

上式中，最优饱和电流相位θ

根据泰勒级数展开所述最优饱和电流相位计算公式中余弦项cos(Δθ

上式中o(y-y

若忽略无穷小量o(y-y

将所述近似计算公式代入所述故障后的稳定平衡点公式和所述故障后的不稳定平衡点公式，得到具有最优饱和电流相位θ

可选地，根据所述故障后的稳定平衡点公式公式，得到所述近似计算公式中的第一项-arccos(2P

基于上式，令P＝P

则，所述新计算公式如下：

上式中，

所述dq轴电流限幅值的设计表达式如下：

上式中，i

本发明提供的面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法，首先对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到构网型变流器在故障后的暂态稳定判据；再根据暂态稳定判据和器件安全范围，获取构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围；根据暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下变流器的最优饱和电流相位；基于电流限幅设计范围和最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值。

本发明并网变流器的电流限幅不再依赖工程经验设置为固定值，而是根据对构网型变流器的稳定分析，结合故障深度实时调整dq轴电流限幅值，以合理分配故障期间注入电网的有功电流和无功电流，根据所设计出的有功、无功电流分配方式，电流源模式下初始工作点即为故障后的稳定平衡点。即：构网型变流器在故障下初始能量最小，且始终满足暂态同步稳定判据ΔV≤0。因此，通过调节电流源模式下构网型变流器的初始工作点以及最小化其初始能量来增强暂态同步稳定性能，从而有效改善构网型变流器的暂态同步稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是目前传统的典型含电流限幅构网型变流器并网系统拓扑结构及控制框图；

图2是本发明实施例一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法的流程图；

图3是本发明实施例中电流限幅设计范围的示意图；

图4是本发明实施例中例举的DCL策略控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

发明人发现，目前并网变流器的电流限幅一般是依赖工程经验设置为固定值，其目的是设备保护而非系统稳定。因此，在故障工况下，传统基于定值的电流限幅环节无法避免其可能给构网型变流器带来的失同步风险。

图1所示为目前典型含电流限幅构网型变流器拓扑结构及控制框图，其采用虚拟同步机控制以实现电网同步。为实现变流器的快速响应，采用电压及电流环路调节电压及电流。电流限幅环节设在电压外环输出侧，以限制电流参考值。电流限幅策略为在dq轴电流参考值处分别限幅，从而使电流峰值不超过电流饱和值I

上式中，i

针对上述问题，发明人创造性的提出了本发明的面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。参照图2，构网型变流器动态电流限幅方法包括：

步骤201：对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到构网型变流器在故障后的暂态稳定判据。

一般情况下，实际的多构网型变流器系统是一个复杂连接的多变流器并网系统，可以将其等效为多变流器统一并入一个公共并网点(Point of Common Coupling，PCC)的星型结构。

首先需要对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性(即暂态特性)进行分析，得到构网型变流器在故障后的暂态稳定判据，这是后续得到构网型变流器动态电流限幅的基础。

为简化分析，本发明实施例中进行以下几项假设：

1)、由于电流环响应速度快于同步环节，可忽略电流环路动态；

2)、由于电流限幅时，电压外环控制失效，可忽略电压环路动态；

3)、忽略电流突增触发限幅环节饱和的过程，因此认为构网型变流器在故障前后运行模式切换发生在故障瞬间。

对于静态特性：

根据构网型变流器在电网故障下将由电压源模式切换为电流源模式的特性，可以分析得到构网型变流器在电流源模式下的输出电流等于饱和电流，进而可以得到故障前后构网型变流器的有功功率计算公式。

一般情况下，构网型变流器在电网故障发生前的运行模式为电压源模式，其并网点电压由控制决定，因此在电网故障发生前，并网点电压v

上式中，R

构网型变流器在电网故障发生后运行模式切换为电流源模式，此时并网点电压由电路特性决定，而构网型变流器的输出电流由控制决定，因此在电流源模式下的输出电流I

上式中，故障后的网侧电阻R

在电网故障发生前，构网型变流器运行于电压源模式下的稳定平衡点，该稳定平衡点通过令故障前构网型变流器的有功功率值P等于预设有功功率参考值P

上式中，Z

为保证系统存在平衡点，可以令故障后构网型变流器的有功功率值等于预设有功功率参考值来求解电流限幅范围，得到构网型变流器的电流限幅值需满足条件式：

在此基础上，根据有功功率计算公式和电流限幅值条件式，计算得到构网型变流器在故障后电流源模式下的稳定平衡点和不稳定平衡点各自的公式，故障后的稳定平衡点公式、故障后的不稳定平衡点公式如下：

上式中，Δθ

对于暂态特性：

由于构网型变流器动态特性与其控制结构相关，根据虚拟同步机控制框图，可类比传统同步发电机建立构网型变流器在所述电流源模式下的摇摆方程为：

上式中，ω表示同步环节输出频率，D表示阻尼。

将电流源模式下构网型变流器的有功功率P计算公式，代入上述摇摆方程，并令x

其中：

则类比传统同步发电机的能量函数构造方法中对阻尼项的处理方式，可建立构网型变流器电流源模式下的能量函数为：

上式中，λ

最后根据能量函数，结合故障前的稳定平衡点公式、故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式，得到暂态稳定判据。具体的：

在电网发生故障后，若系统动能在工作点运动至故障后不稳定平衡点前降为0，则构网型变流器将在模式切换下保持稳定；若系统动能在工作点运动至故障后不稳定平衡点时仍大于0，则所述构网型变流器将穿过所述不稳定平衡点并在模式切换下失同步。

因此在考虑阻尼的情况下，构网型变流器的临界能量为动能为0时不稳定平衡点的能量，即V

考虑到构网型变流器在电流源模式下呈现正阻尼D>0，则电流源模式下初始能量V(x

V(x

上式中，x

由于V

步骤202：根据暂态稳定判据和器件安全范围，获取构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围。

得到暂态稳定判据后，即可根据暂态稳定判据和器件安全范围，获取构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围。

由于三相交流电流通常受到dq轴电压外环输出侧限幅器的约束，因此电流限幅设计范围最好由dq轴电流限幅值来描述，从而为控制设计提供较为直观的指导。

根据前述分析可知，暂态稳定判据表征由dq轴电流限幅值描述的暂态稳定域。另外，由于构网型变流器中功率半导体最大耐受电流的约束，构网型变流器电流限幅值I

结合构网型变流器暂态稳定判据和器件安全范围可知，若要使得运行模式切换下构网型变流器在暂态下保持稳定运行，其电流限幅值需设计在图3中阴影区域内。图3中横坐标为d轴电流限幅值i

图3说明了运行模式切换下构网型变流器的饱和电流幅值I

步骤203：根据暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下构网型变流器的最优饱和电流相位。

在步骤201得到暂态稳定判据后，由于I

具体的：

先将故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式代入暂态稳定判据，运算得到暂态稳定判据的详细表达式。该详细表达式如下：

上式中，ΔV表示初始能量和所述临界能量之差。上式表明，电流源下的初始能量和临界能量之差ΔV与饱和电流相位θ

由于

并且初始能量和临界能量之差的最小值ΔV出现在

上式中，θ

由于上式为一个超越方程，难以直接推导其解析解，因此必须简化上式以获得其近似的解析解。因此对上式最优饱和电流相位的计算公式采用泰勒展开进行简化，得到最优饱和电流相位的近似计算公式。具体的：

根据泰勒级数展开最优饱和电流相位计算公式中余弦项cos(Δθ

上式中o(y-y

若忽略无穷小量o(y-y

将上式近似计算公式代入故障后的稳定平衡点公式和不稳定平衡点公式，得到具有最优饱和电流相位θ

此外，考虑到饱和电流相位θ

步骤204：基于电流限幅设计范围和最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值。

得到最优饱和电流相位后，考虑到电网故障的随机性，构网型变流器的最优饱和电流相位在故障深度不同的情况下会发生变化。因此，本发明实施例中设计一种可根据电压跌落深度(即故障深度)主动调节有功和无功电流的DCL(动态电流限幅)策略，以提高暂态同步稳定性。

考虑到DCL策略不仅要确保设备的安全，还要保证构网型变流器的暂态同步稳定性，因此dq轴电流限幅应通过最优饱和电流相位来设计。然而，在实际工程无法测量电网电压V

根据故障后的稳定平衡点公式，得到近似计算公式中的第一项-arccos(2P

基于上式，令P＝P

则，最优饱和电流相位的新计算公式如下：

上式中，

基于上述新计算公式，结合电流限幅设计范围，得到dq轴电流限幅值的设计表达式如下：

/>

上式中，i

最后根据上述dq轴电流限幅值的设计表达式和故障深度，实时调整dq轴电流限幅值，已达到有效改善构网型变流器的暂态同步稳定性的目标。

上述DCL策略可以结合图4所示的DCL策略控制框图得到更好的理解。图中

通过上述示例，本发明提供的面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法，并网变流器的电流限幅不再依赖工程经验设置为固定值，而是根据对构网型变流器的稳定分析，结合故障深度实时调整dq轴电流限幅值，以合理分配故障期间注入电网的有功电流和无功电流，根据所设计出的有功、无功电流分配方式，电流源模式下初始工作点即为故障后的稳定平衡点。即：构网型变流器在故障下初始能量最小，且始终满足暂态同步稳定判据ΔV≤0。因此，通过调节电流源模式下构网型变流器的初始工作点以及最小化其初始能量来增强暂态同步稳定性能，从而有效改善构网型变流器的暂态同步稳定性。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。