申请/专利权人：浙江大学

申请日：2017-11-21

公开（公告）日：2020-05-19

公开（公告）号：CN107732973B

主分类号：H02J3/38(20060101)

分类号：H02J3/38(20060101);H02J3/48(20060101);H02J3/50(20060101);H02J3/16(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.05.19#授权;2018.03.20#实质审查的生效;2018.02.23#公开

摘要：本发明公开了一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法。在弱网远端严重电压故障发生时，逆变器中将有功电流控制目标量和无功电流控制目标量切换到零，然后设计逆变器的有功电流控制目标量和无功电流控制目标量输入，进行暂态过渡，并且优化锁相环、电流内环和电压前馈参数，改善低电压穿越时逆变器稳定性和动态控制性能。本发明能避免弱网下远端发生严重电压跌落故障时逆变器失稳，能有效恢复逆变器端电压并使逆变器注入一定有功功率用于支撑电网频率，可应用于弱网下以逆变器为接口的新能源电站并网系统远端发生严重电压故障时，实现逆变器系统低电压穿越。

主权项：1.一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于：包括以下步骤：在弱网远端严重电压故障发生时，逆变器中将有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref切换到零，然后设计逆变器有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref输入，进行暂态过渡，并且优化锁相环、电流内环和电压前馈参数，改善低电压穿越时逆变器稳定性和动态控制性能；所述设计逆变器有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref输入，进行暂态过渡，具体为：首先，利用积分控制得到无功电流幅值参考值I′qref，同时利用递推最小二乘法辨识获得交流电网等效电压E和等效阻抗X∑进而计算获得有功电流幅值参考值I′dref；然后，采用离散型自抗扰控制器对无功电流幅值参考值I′qref和有功电流幅值参考值I′dref处理获得用于输入逆变器的有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref。

全文数据：针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法技术领域[0001]本发明涉及电气信息技术领域，具体为一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法。背景技术[0002]随着光伏、风能等可再生能源发电大量接入电力系统，国内外对可再生能源发电并网提出应具备低电压穿越能力。此外，在电压跌落期间，并网导则要求风电场、光伏电站注入与电压跌落成一定比例的无功电流以支撑电网电压，剩余容量则以有功的形式发出，以防止电网出现大的有功缺额而影响系统频率稳定。[0003]并网导则通常以交流电网为强网（即线路感抗值较小作为前提，要求逆变器具备一定低电压穿越能力。然而，我国可再生能源并网呈现远距离、大规模、高度集中的特点，电网侧通常为弱电网（即线路感抗值较大）。不同于强网中近端公共连接点处电压跌落故障，弱电网中当电压跌落故障发生在远端电网侧时，受线路高感抗值的影响，逆变器端电压跌落较小，典型低电压穿越控制策略可能存在不适用的风险，使得逆变器存在失稳新问题。[0004]目前，关于逆变器低电压穿越过程的研究主要集中在小干扰稳定分析与静态稳定分析方面，而在设计适用于弱网下远端严重电压跌落故障时逆变器系统低电压穿越控制方法方面，研究甚少。发明内容[0005]为解决上述问题，本发明提出了一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，能有效恢复逆变器端电压并使逆变器注入一定有功功率用于支撑电网频率。[0006]本发明的技术方案采用如下步骤：[0007]在弱网远端严重电压故障发生时，逆变器中将有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqrrf切换到零，然后设计逆变器有功电流控制目标量Idrrf和无功电流控制目标量Iqrrf输入，进行暂态过渡，并且优化锁相环、电流内环和电压前馈参数，改善低电压穿越时逆变器稳定性和动态控制性能。[0008]本发明中，当弱网远端电压跌落到0.2P.U.以下认为是弱网远端严重电压故障。所述低电压穿越是指针对弱网远端严重电压故障场景下的电压穿越。[0009]所述设计逆变器有功电流控制目标量Idrrf和无功电流控制目标量Iqrrf输入，进行暂态过渡，具体为：[0010]首先，利用积分控制得到无功电流幅值参考值Vqre3f以实现端电压无差调节，同时利用递推最小二乘法辨识获得交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ进而计算获得有功电流幅值参考值I'dref；[0011]然后，采用离散型自抗扰控制器对无功电流幅值参考值Vqrrf和有功电流幅值参考值I处理获得用于输入逆变器的有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqrrf，以实现暂态过渡过程。[0012]所述的利用积分控制得到无功电流幅值参考值I'qrrf，具体采用以下公式：[0013]I7Qref=JkiVt-Vtrefdt[0014]其中，ki为积分系数，I为逆变器注入无功电流幅值参考值，Vt为逆变器端电压，Vtrrf为参考端电压，具体实施中选为0.9pu，t表示时间。[0015]所述的利用递推最小二乘法辨识获得交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ进而计算获得有功电流幅值参考值I'drrf，具体采用以下方式：[0016]1建立交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ之间的等式关系：[0017]Vtd=Vt=E-XElq[0018]其中，Vtd为逆变器端电压d轴电压分量，E为交流电网等效电压，ΧΣ为交流电网等效感抗，Iq为滤波电感q轴电流分量；[0019]2采用以下公式计算t时刻的待求参数向量Θt:[0020][0021]式中，Θ⑴为t时刻待求参数向量，Θ⑴=[EΧς]Τ;Θt-Ι为t-Ι时刻参数向量;y⑴为t时刻输出向量，y⑴等于t时刻的逆变器端电压d轴电压分量Vtd，S卩y⑴=Vtd⑴，Vtdt表示t时刻的Vtd，Vtd采用上面步骤1计算获得，φί为t时刻的测量向量，山⑴表示t时刻滤波电感q轴电流分量，Id⑴表示t时刻滤波电感d轴电流分量，Idt-Ι表示t-Ι时刻滤波电感d轴电流分量;P⑴为t时刻协方差的逆矩阵;Pt-l为t-Ι时刻协方差的逆矩阵；[0022]式中Id⑴-Idt-Ι为附加扰动项，用于加速算法收敛速度，使得该项迅速收敛到0〇[0023]3当发生严重电压跌落故障时，触发辨识。[0024]若待求参数向量Θ⑴不满足max{0⑴-Θt-Ι}1θΛ重复步骤2进行递推计算；[0025]若待求参数向量Θt满足max{0⑴-Θt-1}1θΛ输出待求参数向量Θ⑴作为辨识结果，获得辨识结果中的交流电网等效电压E和交流电网等效感抗ΧΣ;[0026]4采用以下公式计算有功电流幅值参考值Vdrrf:[0027]I7dref=O-SEAEo[0028]具体实施中，网络侧线路逆变器d轴电流分量最大允许注入值Idmax为：[0029]Ι!·χ=ΕΧΣ。[0030]所述的采用离散型自抗扰控制器对无功电流幅值参考值Vqref和有功电流幅值参考值I处理获得用于输入逆变器的有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqrrf，具体采用以下方式：[0031]首先，建立以下公式的离散型自抗扰控制器：[0033]其中，V1t为离散型自抗扰控制器的输出，即为期望轨迹;V2t为^⑴的导数，h表示采样步长，t表示以h为时间间隔的第t时刻，r为限幅幅值;Π和ho分别为控制器fhanV1t-Vt，V2⑴，rQ，hQ内部的增益参数和步长参数，V⑴为离散型自抗扰控制器的输出，即为Vi⑴的期望值;fhanVIt-Vt，V2t，r〇，h表示最速控制综合函数，具体采用书籍《自抗扰控制技术:估计补偿不确定因素的控制》中第69页方法。[0034]本发明的离散型自抗扰控制器自主设计平滑过渡过程，解决了参考点跟踪可能出现的超调问题。[0035]然后，逆变器注入有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref过渡过程：将有功电流幅值参考值I作为离散型自抗扰控制器的输入Vt，S卩Vt=I'drrft，通过离散型自抗扰控制器处理后的输出为有功电流控制目标量Idref，即Idref⑴=V1⑴；将无功电流幅值参考值Vqrrf作为另一个离散型自抗扰控制器的输入，（t，即，（t=Vqre3ft，通过离散型自抗扰控制器处理后的输出t作为逆变器注入无功电流控制目标量Iqref，即Iqreft=V’l⑴。[0036]低电压穿越时，锁相环频带降低有助于提升系统阻尼，但是这会导致锁相环锁相效果变差。考虑到发生严重低电压故障时，初期逆变器端电压可能会因为远端电压突变出现振荡，这时应该以提升系统阻尼为主；当逆变器端电压恢复到一定程度时，随着无功电流的注入，系统稳定性得到一定提高，这时可以以提高锁相环性能为主，因此本发明采用下面方式对锁相环、电流内环和电压前馈参数进行了特殊优化。[0037]所述的锁相环、电流内环和电压前馈参数包括锁相环积分系数Icijj11和比例系数kP_Pn，电流内环积分系数lu_a。。和比例系数匕_3。。，电压前馈系数af，具体采用以下方式进行优化：[0038]a自适应优化锁相环参数:利用逆变器端电压幅值信号Vt采用以下公式实时优化锁相环参数：[0040]式中：IVt|为端电压幅值绝对值，kgniun分别为优化前的锁相环比例系数和积分系数，分别为优化后的锁相环比例系数和积分系数；[0041]通过上述公式优化可以在电压故障初期减小锁相环带宽，增加系统阻尼，提高故障初期逆变器系统稳定性，同时在电压恢复过程中，逐渐增加锁相环带宽，提高锁相环跟踪速度，改善动态性能。[0042]b优化电流内环参数:调整电流内环比例系数kP_cc和积分系数ki_acc使得电流内环频带在300Hz〜350Hz范围内；[0043]c优化电压前馈环节参数:减小电压前馈环节参数af到0.002〜0.1之间。[0044]本发明的有益效果是：[0045]本发明能避免弱网下远端发生严重电压跌落故障时逆变器失稳，且本发明能有效恢复逆变器端电压并使逆变器注入一定有功功率用于支撑电网频率，其控制方法可应用于弱网下以逆变器为接口的新能源电站并网系统远端发生严重电压故障时，实现逆变器系统低电压穿越。附图说明[0046]图1为本发明的逆变器典型低电压穿越控制框图和等效电路。[0047]图2为本发明的逆变器改进低电压控制策略框图。[0048]图3为本发明的递推最小二乘算法计算流程框图。[0049]图4为本发明实施例仿真验证中乂[=0.8口11，1^=44=0.2口11时逆变器端电压响应曲线。[0050]图5为本发明实施例仿真验证中采用提出的新型低电压穿越控制策略时逆变器端电压和输出有功功率响应曲线。具体实施方式[0051]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。[0052]本发明的原理如下：[0053]逆变器的典型低电压穿越控制策略及其结构如图1所示，部分变量的定义及物理意义如下表1所示。其中，低电压穿越LowVoltageRide-Through,LVRT控制策略包括：电流控制环节和电流dq轴控制目标量两部分。其中系统主要参数数值如表2所示。[0054]表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明「00551[0056]电流控制环节动态数学模型：[0058]式中：等式右边第一项为常规电流内环PI控制环节，等式右边第二项为电流前馈补偿项，等式右边第三项为电压前馈。[0059]电流dq轴控制目标量为：[0062]式中：IqrefQ为故障前控制模式下q轴电流控制目标量，Vt为逆变器端电压幅值，k为增益系数，为d轴电流控制目标量上限，Imax为逆变器电流容量不失一般性，这里取为1·22pu〇[0063]表2Simulink仿真参数[0064][0065]本发明所提新的低电压控制方法是在典型低电压穿越控制策略基础上做的改进，如图2所示，具体改进包括：[0066]1更改q轴电流控制目标量Iqre3f。远端严重电压跌落故障发生时，q轴电流控制目标量变为〇。通过积分环节生成逆变器注入无功电流幅值参考值I'qref，I'qref经过离散型自抗扰控制器，生成q轴电流控制目标量Iqrrf。具体实施步骤包括：[0067]首先，经过积分环节生成逆变器注入无功电流幅值参考值I^ref，如下式：[0068]I7Qref=JkiVt-Vtrefdt⑷[0069]式中，为积分系数，这里取为5,Vt逆变器端电压，Vtref为参考端电压，这里选为0.9pu。积分控制用于实现端电压的无差调节。[0070]离散型自抗扰控制器具体公式如下：[0072]其中，V1t称为期望轨迹，即控制器的输出，V2t为^t的导数;h表示采样步长;t表示以h为时间间隔的第t时刻;r为限幅幅值;mho为控制器内部参数;V⑴为V1⑴的期望值，即控制器的输入，这里令Vt=IVef;fhanVit-Vt，V2t，r〇，h表示最速控制综合函数。[0073]2更改d轴电流控制目标量Idref。远端严重电压跌落故障发生时，d轴电流控制目标量变为O。通过辨识远端电网等效电压E和等效感抗ΧΣ，确定逆变器d轴注入电流最大允许值Idmax，从而设计逆变器注入有功电流幅值参考值IVef，IVef经过离散型自抗扰控制器，生成d轴电流控制目标量Idrrf。具体实施步骤包括：[0074]首先，需要辨识远端电网等效电压E和等效感抗ΧΣ。在此前需作一定的假设，得到等效电压E和等效感抗ΧΣ的等式关系。[0075]假设1:发生严重电压跌落故障时，逆变器迅速切换到低电压穿越模式，d轴参考电流切换到〇，q轴参考电流由等式⑷和等式5共同决定；[0076]假设2:在假设1前提下，忽略电流内环时间尺度动态，滤波电感d轴电流和q轴电流近似等于参考值，滤波电感和网络侧等效电感d轴电流迅速收敛到0大量仿真发现，仿真结果符合假设2;[0077]假设3:由于滤波电容比较小，这里近似认为滤波电感上d轴和q轴电流与网络侧等效电感上d轴和q轴电流动态相等。[0078]在准稳态前提下，网络侧线路存在等式关系：[0080]其中，Id。和Iq。分别为网络侧流过的d轴和q轴电流;ΧΣ为网络侧等效感抗;Ed和EAv别为网络侧等效电压在d轴和q轴分量。[0081]基于假设1和假设3前提下，等式⑶化简为：[0082]Vtd=Vt=E-XElq7[0083]上述公式⑵表示网络侧等效电压E和线路等效电抗ΧΣ的近似等式关系。[0084]这里采用递推最小二乘法辨识等效电压E和线路等效电抗ΧΣ，算法只需要采集本地信息逆变器端电压d轴分量Vtd和滤波电感q轴电流分量Iq。[0085]具体实施中，初始值设为：θ〇=[0l]T，P〇=diag{100100}，采样周期设为0.005s。当发生严重电压跌落故障时，触发辨识，当待求参数向量Θ⑴满足!^以0〇-0卜1}le，寸，输出此时Θ⑴，即为辨识结果。具体辨识步骤如图⑶所示。[0086]具体取注入有功电流幅值参考值I为：[0087]ΐν0Ϊ=〇·8ΕΧΣ8[0088]将注入d轴电流幅值参考值I作为离散型自抗扰控制器5输入，令离散型自抗扰控制器输出为逆变器d轴注入电流参考值Idref。[0089]3优化锁相环、电流内环、电压前馈系数。采用以下公式进行锁相环参数自适应调-K-T：[0091]其次，优化电流内环参数:选择电流内环比例参数为kP_ac^=l和积分参数为ki_a。。=15〇[0092]最后，优化电压前馈环节参数:减小电压前馈环节参数af，提升系统小干扰稳定性，设置为0.002。[0093]本发明的具体实施例如下：[0094]为验证所提控制策略有效性，在MATLABSimulink环境下对图1所示系统进行仿真。逆变器常规控制模式为“有功交流电压”控制模式，故障前系统稳定运行于Pe=0.6pu和Vt=Ipu，t=3s时发生远端电压跌落故障。主要参数详见表3。[0095]图4给出线路阻抗ΧΣ=0.8ριι，增益系数为k=4,电压跌落程度为E=0.2pu时逆变器端电压波形响应曲线。由图4可以看出逆变器端电压在0.9pu附近上下振荡，造成逆变器控制模式在故障前控制模式与典型低电压控制模式来回切换，逆变器失稳。[0096]图5给出装有本发明提出的低电压穿越控制方法的逆变器，在线路阻抗ΧΣ=0.8pu，电压跌落程度为E=0.2pu时，逆变器端电压和输出有功功率波形响应曲线。当t=10.08s时，递推最小二乘法收敛，辨识得到的E〜0.17pu和X〜0.67pu，计算得Idref〜0.20pu，触发逆变器d轴电流参考值切换到离散型自抗扰控制器输出。观察图5可知，故障期间，逆变器端电压恢复到指定值〇.9pu，逆变器向电网注入0.ISpu的有功功率，说明所提控制方法的有效性。[0097]以上对本发明所提一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来解释说明本发明的方法和核心思想，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

权利要求：1.一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于包括以下步骤:在弱网远端严重电压故障发生时，逆变器中将有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqrrf切换到零，然后设计逆变器有功电流控制目标量Idrrf和无功电流控制目标量Iqrrf输入，进行暂态过渡，并且优化锁相环、电流内环和电压前馈参数，改善低电压穿越时逆变器稳定性和动态控制性能。2.根据权利要求1所述的一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于:所述设计逆变器有功电流控制目标量Idrrf和无功电流控制目标量Iqrrf输入，进行暂态过渡，具体为：首先，利用积分控制得到无功电流幅值参考值Vqrrf，同时利用递推最小二乘法辨识获得交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ进而计算获得有功电流幅值参考值Vdrrf;然后，采用离散型自抗扰控制器对无功电流幅值参考值Iqrrf和有功电流幅值参考值Idref处理获得用于输入逆变器的有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref。3.根据权利要求2所述的一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于:所述的利用积分控制得到无功电流幅值参考值I，具体采用以下公式：Iqref—kiVt-Vtrefdt其中，ki为积分系数，Iqrrf为逆变器注入无功电流幅值参考值，Vt为逆变器端电压，Vtrrf为参考端电压，t表示时间。4.根据权利要求2所述的一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于:所述的利用递推最小二乘法辨识获得交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ进而计算获得有功电流幅值参考值I，具体采用以下方式：1建立交流电网等效电压E和等效阻抗ΧΣ之间的等式关系：Vtd=Vt=E-XElq其中，Vtd为逆变器端电压d轴电压分量，E为交流电网等效电压，ΧΣ为交流电网等效感抗，Iq为滤波电感q轴电流分量；2采用以下公式计算t时刻的待求参数向量Θt:式中，θ⑴为t时刻待求参数向量，Θ⑴=[EΧς]Τ;Θt-Ι为t-Ι时刻参数向量;y⑴为t时刻输出向量，y⑴等于t时刻的逆变器端电压d轴电压分量Vtd，即yt=Vtdt，Vtd⑴表示t时刻的Vtd，为t时刻的测量向量，，Iq⑴表示t时刻滤波电感q轴电流分量，Idt表示t时刻滤波电感d轴电流分量，Idt-Ι表示t-Ι时刻滤波电感d轴电流分量;P⑴为t时刻协方差的逆矩阵;Pt-Ι为t-Ι时刻协方差的逆矩阵；3若待求参数向量Θ⑴不满足max{0⑴-Θt-l}〈le^3,重复步骤2进行递推计算；若待求参数向量9t满足max{0t-0t-l}〈le^3,输出待求参数向量Θt作为辨识结果，获得辨识结果中的交流电网等效电压E和交流电网等效感抗ΧΣ;4采用以下公式计算有功电流幅值参考值IIVef=O-SEAh5.根据权利要求2所述的一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于:所述的采用离散型自抗扰控制器对无功电流幅值参考值Vqrrf和有功电流幅值参考值Idref处理获得用于输入逆变器的有功电流控制目标量Idref和无功电流控制目标量Iqref，具体米用以下方式：首先，建立以下公式的离散型自抗扰控制器：其中，V1t为离散型自抗扰控制器的输出，V2t为^⑴的导数，h表示采样步长，t表示以h为时间间隔的第t时刻，r为限幅幅值;ro和ho分别为控制器fhanVit-Vt，V2⑴，ro,ho内部的增益参数和步长参数，V⑴为离散型自抗扰控制器的输出；fhanV1t-V⑴，V2⑴，ro,ho表示最速控制综合函数。然后，将有功电流幅值参考值Idrrf作为离散型自抗扰控制器的输入Vt，通过离散型自抗扰控制器处理后的输出为有功电流控制目标量Idref;将无功电流幅值参考值IVef作为另一个离散型自抗扰控制器的输入t，通过离散型自抗扰控制器处理后的输出t作为逆变器注入无功电流控制目标量Iqref。6.根据权利要求1所述的一种针对弱网远端严重电压故障的逆变器低电压穿越控制方法，其特征在于:所述的锁相环、电流内环和电压前馈参数包括锁相环积分系数1α_ρ11和比例系数kP_Pn，电流内环积分系数ki_a。。和比例系数kP_a。。，电压前馈系数af，具体采用以下方式进行优化：a自适应优化锁相环参数:利用逆变器端电压幅值信号Vt采用以下公式实时优化锁相环参数：式中：IVtI为端电压幅值绝对值，kp_pllAljjll分别为优化前的锁相环比例系数和积分系数，分别为优化后的锁相环比例系数和积分系数；b优化电流内环参数:调整电流内环比例系数kP_。。和积分系数ky。。使得电流内环频带在300Hz〜350Hz范围内；c优化电压前馈环节参数:减小电压前馈环节参数af到0.002〜0.1之间。

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