一種針對下垂控制逆變器的增強型限流控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種針對下垂控制逆變器的控制方法，尤其是涉及了一種針對下垂控 制逆變器的增強型限流控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，風(fēng)力、光伏等可再生能源得到了快速發(fā)展，國內(nèi)建立了以逆變器為接口的 大型風(fēng)力、光伏電站，因此，逆變器的穩(wěn)定性對電網(wǎng)的安全運行有重要意義。
[0003] 下垂控制使得逆變器呈現(xiàn)出電壓源的特性，在實際中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是新 能源接入微網(wǎng)或弱電網(wǎng)時，下垂控制可為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。研究表明，由于逆變器 內(nèi)部的限流控制，在大干擾下逆變器會因電流的限幅而褪變成一個電流源，該特性使得逆 變器的失穩(wěn)過程更加復(fù)雜。
[0004]目前，逆變器的穩(wěn)定性研究主要集中于微網(wǎng)中逆變器的小干擾穩(wěn)定性的研究，而 對其在大干擾下的暫態(tài)穩(wěn)定問題研究相對較少（本發(fā)明研究的內(nèi)容特指功角穩(wěn)定或同步 穩(wěn)定），其穩(wěn)定機理尚不清晰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中若三環(huán)控制（下垂控制-電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)）逆變器的 電流內(nèi)環(huán)發(fā)生飽和，則逆變器的虛擬功角容易失穩(wěn)且穩(wěn)定裕度會降低的技術(shù)問題，本發(fā)明 提出了一種針對下垂控制逆變器的增強型限流控制方法，過流時緊急降低逆變器輸出頻率 調(diào)節(jié)虛擬功角，防止逆變器電流飽和，從而保持逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案采用：
[0007] 本發(fā)明針對逆變器電流內(nèi)環(huán)飽和導(dǎo)致的虛擬功角失穩(wěn)問題，采用加入電流限幅的 方法，增強逆變器中的限流以不影響逆變器穩(wěn)態(tài)性能，通過緊急降低逆變器輸出頻率調(diào)節(jié) 虛擬功角，防止逆變器電流飽和，從而保持逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定。
[0008] 如圖3所示，在逆變器的控制過程中設(shè)置限幅值Ilinut(如設(shè)置為等于內(nèi)環(huán)電流限 幅值），在逆變器輸出電流幅值Img超過限幅值IllMt時，馬上降低逆變器頻率，使虛擬功角 減小，從而使逆變器輸出電流降低，重新回到非飽和功角曲線上運行，避免逆變器進入電流 源模式運行而失去穩(wěn)定。
[0009] 所述逆變器的輸出角速度通過以下方式控制：
[0010] 當(dāng)1_〈 =Ilinut時，輸出角速度ω凍用正常下垂控制：
[0011] ω*=ωrefo=ωg-kp(PE-P0)
[0012] 其中，是逆變器輸出的角速度，ω。是逆變器的角速度給定值，ωg是無窮大 電網(wǎng)的角速度，kP是正常下垂控制時比例積分控制器的比例參數(shù)，ΡΕ是逆變器輸出有功功 率的實際值，Ρ。是逆變器輸出有功功率的給定值；
[0013] 當(dāng)Ι_>Ι1ιηι1?時，輸出角速度ω$采用以下緊急限流措施：
[0014]
[0015]其中，〇^是逆變器輸出的角速度，ω_是逆變器的角速度給定值，Κρ1ιηι是緊急 限流措施下比例積分控制器的比例參數(shù)，Kllini是緊急限流措施下比例積分控制器的積分參 數(shù)，Tls是濾波器的時間常數(shù)，s表示復(fù)數(shù)頻率。
[0016] 本發(fā)明加入了濾波環(huán)節(jié)是為了避免系統(tǒng)參考頻率突變，抑制系統(tǒng)過渡過程中的震 蕩。由于采用了比例積分控制，緊急限流措施啟動后，逆變器的輸出頻率將持續(xù)降低，直到 輸出電流幅值不超過IllMt。此外，緊急限流措施僅在逆變器過電流時啟動，并不會影響逆變 器的正常運行特性。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明解決了逆變器電流內(nèi)環(huán)飽和導(dǎo)致的虛擬功角失穩(wěn)的技術(shù)問題，通過緊急降 低逆變器的輸出頻率來調(diào)節(jié)逆變器的虛擬功角，從而控制逆變器的輸出電流，避免其進入 電流源失穩(wěn)模式，并且方法并不改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行特性。
[0019] 本發(fā)明控制方法也可應(yīng)用于其他采用雙環(huán)控制的逆變器，如虛擬同步機等，也可 進一步推廣運用于多機被動孤網(wǎng)、孤網(wǎng)大負荷投切等大干擾場景，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的單逆變器并入無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明中針對下垂控制逆變器提出的增強型限流控制策略框圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明的單逆變器并入無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)中各角度的定義示意圖。
[0023] 圖4為本發(fā)明示例中逆變器輸出電流不飽和時的穩(wěn)態(tài)虛擬功角特性曲線。
[0024] 圖5為本發(fā)明示例中逆變器輸出電流飽和時的穩(wěn)態(tài)虛擬功角特性曲線。
[0025] 圖6為本發(fā)明示例中逆變器暫態(tài)過程中的矢量圖。
[0026] 圖7為本發(fā)明示例中暫態(tài)下逆變器的非飽和虛擬功角曲線與飽和虛擬功角曲線。
[0027]圖8本發(fā)明示例中逆變器功率指令發(fā)生階躍后考慮暫態(tài)虛擬功角曲線偏移的虛 擬功角軌跡圖。
[0028] 圖9為實施例仿真驗證中采用增強型限流控制時逆變器暫態(tài)虛擬功角曲線偏移 量。
[0029] 圖10為實施例仿真驗證中采用增強型限流控制時逆變器輸出頻率曲線。
[0030] 圖11為實施例仿真驗證中采用增強型限流控制時逆變器暫態(tài)虛擬功角軌跡圖。
[0031] 圖12為實施例仿真驗證中采用增強型限流控制時逆變器有功功率階躍響應(yīng)。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0033] 本發(fā)明的原理如下：
[0034] 可再生能源接入弱電網(wǎng)或微電網(wǎng)時，作為并網(wǎng)接口的逆變器經(jīng)常采用"功率下 垂-電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)"的三環(huán)控制器，且采用基于dq坐標(biāo)變換的矢量控制。其中， 電壓外環(huán)設(shè)定電壓q軸分量Vq的給定值為零，使逆變器的輸出電壓綜合矢量f定位在d軸 上。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，部分變量的定義及物理意義如下表1所示。
[0035]表1本發(fā)明附圖中部分系統(tǒng)變量的符號定義與說明
[0038] 在dq坐標(biāo)下，圖1中逆變器的狀態(tài)方程為：
[0039]
[0040] 其中，U為線路電感，其余變量的定義及物理意義如附錄表1所示。
[0041] 無功功率一電壓下垂控制方程如式（4)所示，將有功功率一頻率下垂方程寫為式 (7)的形式，其中V為逆變器輸出電壓綜合矢量，的幅值。
[0042]V-V〇=kQX(Q〇-Qe) (4)
[0043]Λω=co*-cog=kPX(P0-PE) (5)
[0044] 令δ'為d軸與無窮大電網(wǎng)的電壓矢量#間的夾角，它可看成是逆變器的功角， 也即虛擬功角。結(jié)合式（5)可得：
[0045]
[0046] 上述式（4)-(6)中變量的定義及物理意義如附錄表1所示，相關(guān)的示意圖如圖3 所示。根據(jù)圖3可得虛擬功角曲線的偏移量α、β如式（7)和式（8):
[0049] 本文主要分析在大干擾下，虛擬功角δ^的運動變化。為此，對逆變器的電磁暫態(tài) 過程與控制的暫態(tài)響應(yīng)過程作簡化：
[0050] 假設(shè)1 :不考慮系統(tǒng)中的諧波分量與負序、零序分量；
[0051] 假設(shè)2 :穩(wěn)態(tài)下逆變器輸出電壓矢量#定位在d軸，且以單位功率因素運行；
[0052] 假設(shè)3 :不計線路與濾波電感的電阻，不考慮濾波電感與線路的電磁暫態(tài)，
[0053]
并忽略LCL濾波器中的電容電流影響；
[0054] 假設(shè)4:考慮逆變器的內(nèi)環(huán)控制帶寬足夠大，從而可不計逆變器的控制中電流內(nèi) 環(huán)的暫態(tài)過程，即認為電流內(nèi)環(huán)的給定值等于實際值；
[0055] 假設(shè)5 :不考慮Q-V下垂導(dǎo)致電壓降低的情況，認為|?= ^ (即逆變器輸出電壓幅 值為V。）；
[0056] 假設(shè)6 :不失一般性，文中分析的大干擾來自有功功率指令Ρ。階躍（對其他類型大 干擾導(dǎo)致運行點偏移，分析過程和結(jié)論也適用）。
[0057]由上述假設(shè)可將式（3)簡化為：
[0058]
[0059] 將綜合矢量穴?λ/表示為如下的復(fù)數(shù)：
[0060]
[0061] 其中，j表示虛部。
[0062] 聯(lián)立式（9)與式（10)可得式（11):
[0063]
[0064] 逆變器輸出功率表達式為：
[0065]
[0066] 其中，Re()表不取括號內(nèi)矢量的實部。
[0067]聯(lián)立式（7)與式（12)得逆變器虛擬功角特性方程：
[0068]
[0069] 當(dāng)逆變器處于穩(wěn)態(tài)時，Vq= 0,由式（7)可得α= 0,此時可將式（13)寫為：
[0070]PE=Pumsinδ' (14)
[0071] 其中，表示輸出電流不飽和時逆變器輸出有功功率的最大值。
[0072] 上述推