一种电网故障下并网变流器韧性评估方法与流程

本发明涉及一种并网变流器评估方法，具体是一种电网故障下并网变流器韧性评估的方法。

背景技术：

随着新能源发电、微网、高压直流输电等交直流混合系统的广泛应用，作为其中功率交换接口的电力电子变流器装置由于其稳定直流母线电压、降低交流电流谐波含量的作用，逐步在电力系统领域中得到越来越多的使用。其中，三相电压源型变流器(VSC)具有稳定性高，功率因数可控等优点，广为应用，是一种非常具有代表性的接口变流器装置。

由于并网变流器中含有对电流处理能力较弱的半导体开关，并且变流器装置控制环节及交直流混合系统中故障都具有多样性，因而并网变流器对电网故障的响应与传统电机大不相同，故障类型、电网结构、或者故障位置的不同都会使其产生不同的响应行为。另外由于变流器中正弦脉宽调制(SPWM)及控制环路引入的非线性，导致系统容易进入非正常的工作状态。

然而，在实际工程应用中，电网侧故障通常会很大程度上影响VSC的稳定运行，因而电网对接口变流器的运行要求极为严格。世界各国对并网变流器接入电网制定了相应的并网导则，但是，这些并网导则对并网变流器可以承受冲击的能力并没有给出任何指标要求。现有文献中对变流器的研究多为在理想电网下对VSC的稳态进行研究以及在故障下对系统控制方法加以改进，因而很少有研究关注电网故障冲击下VSC的运行行为。还有文献立足于在小扰动下对变流器小信号稳定性进行分析，也有文献对三相VSC系统进行大信号分析研究了VSC的非线性分岔现象等，但均未着重关注并网电力电子装置在电网故障期间运行行为，也未能从设计角度提出有效的准则对并网变流器承受电网故障冲击的能力进行评估与设计。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种电网故障下并网变流器韧性(Resiliency)评估的方法。即以变流器耐受故障能力作为其韧性评估指标，判断变流器在突发故障条件下是否能保证电力电子器件不损坏，维持系统运行；并保证变流器控制环不受冲击影响，故障结束后快速恢复正常工作状态；更进一步，对系统恢复稳态提供支撑。

一种电网故障下并网变流器韧性评估的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A、建立电力系统预想事故集，判断故障类型，并设计出满足性能指标要求的变流器模型，具体包括：

步骤A1：划分出面向电力电子装置安全评估的电网预想事故集，判断出故障的具体类型，具体是，首先按各种典型故障对变流器工作点的影响将电网故障划分为过电流故障、过电压故障、频率波动故障、相位跳变故障及零序或负序电流突变故障，再根据工作点变化规律将其详细划分为瞬变故障和缓变故障，最后根据故障能否自动恢复将故障划分为瞬时故障和永久故障，从而判断出故障的具体类型；

步骤A2：在满足性能指标要求的条件下，确定变流器的关键参数，并初步设计出一个合理的三相电压源型并网变流器模型；

步骤B、分析电网故障下变流器的响应，并分别计算出电流环的传输曲线及电压环稳定性判据，具体包括：

步骤B1：表示出系统dq解耦后的状态方程，对系统进行电流内环分析，并计算出电流环传输曲线，从而确定IGBT开关器件的电压和电流等级，具体是，首先根据同步旋转坐标函数，将VSC模型转化到dq旋转坐标系下，确定其状态方程；然后当电感等效电阻R_s较小时，系统会在输出电流i_o进入饱和前先进入非线性阶段，此时系统调制比m可以视作无穷大，控制电压v_d及v_q达到其上限V_g,max，此时内环电流i_d达到其临界值：

对于任意i_d,ref>i_d,critical，系统处于过调制状态，其功率因数不再为单位功率因数；

过调制状态下的内环电流i_d关于i_d,ref的表达式在发明说明书中记为i_d＝h_d(i_d,ref)，由此可得内环电流关于对电流参考值的方程：

由公式(2)便可以画出d轴电流i_d与参考电流i_d,ref的传递关系曲线；

步骤B2：根据系统的控制框图，对系统进行电压外环分析，并得出电压环稳定性判据，具体是，首先根据并网系统的控制框图，可知电流参考值由以下方程给出：

i_d,ref＝g_v(e_v)＝k_pe_v+k_i∫e_vdt (3)

其中，e_v＝V_dc,ref-v_dc；

结合系统状态方程和公式(5)可以得到电压环路的状态方程：

对方程进行线性化处理，并整理之后可得外环电压的特征方程为：

对此电压环特征方程求解，可以得出外环电压特征方程的根轨迹，根据根轨迹中是否有特征根处于右半平面，判断系统是否稳定，此即为电压环稳定性判据；

步骤C、计算出电网扰动下变流器关于关键参数的韧性边界条件，从而判断此变流器是否耐受该故障类型，对变流器韧性进行评估；

步骤D、经过步骤C对初始参数下变流器韧性的评估后，如若此参数下变流器不满足其韧性边界条件，即变流器对故障不具耐受能力，返回步骤A2中初始设计变流器模型时对变流器电压环路增益、电流回路增益、直流侧电容参数进行反复修改，使变流器电压环路增益、电流回路增益、直流侧电容参数全部满足变流器的韧性边界条件，获得满足耐受电网故障的设计方案；

B2：根据系统的控制框图，对系统进行电压外环分析，并得出电压环稳定性判据。

本发明将首先变流器韧性定义为变流器耐受故障能力，结合变流器在电网故障下的瞬态响应，利用电流传输曲线和电压环稳定性分析计算出扰动的韧性边界条件，从而对变流器韧性进行评估，还可进一步地将评估结果应用到并网变流器装置的设计中来。与现有技术相比，

在上述的一种电网故障下并网变流器韧性评估的方法，所述步骤C中，变流器韧性

评估解析方程的推导分析以及变流器韧性边界曲线的绘制；

故障出现后，由电容上的能耗可列出电容上的能量方程、能量损失表达式及电容上的全响应方程可以得出故障时间内v_dc随时间的变换函数v_dc(t)；

再结合公式(5)可以得出参考电流在故障时间段随时间的变换函数：

i_d,ref(t)＝g_v(e_v)＝g_v(V_dc,ref-v_dc(t)) (6)

由此，可以给出变流器韧性评估解析方程：

其中u>0，表明变流器自身韧性能承受该类故障；而u<0，表明变流器自身韧性不能承受该类故障；通过变流器韧性评估解析方程，可以作出以变流器韧性关键参数为坐标系的变流器韧性边界曲线。

本发明具有以下优点和有益效果：1、推导出变流器韧性评估解析方程来对变流器耐受故障的能力进行判断，为并网变流器系统稳定性分析提供较为直观的依据，并为提高系统稳定性提供重要参考。2、将评估结果可以应用到并网变流器装置的设计中去，本发明的韧性评估方法能够对并网变流器的设计给出一定的指导。

附图说明

图1为本发明电网故障下并网变流器韧性评估与设计的流程示意图。

图2为本发明三相电压源型变流器拓扑结构图。

图3为本发明并网变流器双环控制图。

图4为本发明变流器d轴电流i_d与参考电流i_d,ref的传输曲线。

图5a为以电压环路增益k_vp和直流侧电容C为坐标系，改变功率损耗等效电阻R_s的变流器韧性边界曲线。

图5b为以电压环路增益k_vp和直流侧电容C为坐标系，改变负载R_L的变流器韧性边界曲线。

图5c为以电压环路增益k_vp和负载R_L为坐标系，改变直流侧电容C的变流器韧性边界曲线。

图5d为以电压环路增益k_vp和负载R_L为坐标系，改变功率损耗等效电阻R_s的变流器韧性边界曲线。

图5e为以直流母线电压C和负载R_L和为坐标系，改变电压环路增益k_vp的变流器韧性边界曲线。

图5f为以直流母线电压C和负载R_L和为坐标系，改变功率损耗等效电阻R_s的变流器韧性边界曲线。

图6为本发明搭建的含三相电压源型变流器的电网仿真系统。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明电网故障下并网变流器韧性评估与设计的流程示意图，所述方法包括如下步骤：

A：建立电力系统预想事故集，判断故障类型，并设计出满足性能指标要求的变流器模型，所述步骤A具体包括以下步骤：

A1：划分出面向电力电子装置安全评估的电网预想事故集：首先按各种典型故障对变流器工作点的影响将电网故障划分为过电流故障、过电压故障、频率波动故障、相位跳变故障及零序或负序电流突变故障，再根据工作点变化规律将其详细划分为瞬变故障和缓变故障，最后根据故障能否自动恢复将故障划分为瞬时故障和永久故障，从而判断出故障的具体类型。面向电力电子装置安全评估的电网预想事故划分如表1所示；

表1 面向电力电子装置安全评估的电网预想事故划分

A2：在满足性能指标要求的条件下，确定变流器的关键参数，并初步设计出一个合理的三相电压源型并网变流器模型；

B：分析电网故障下变流器的响应，并分别计算出电流环的传输曲线及电压环稳定性判据，所述步骤B具体为：

B1：表示出系统dq解耦后的状态方程，对系统进行电流内环分析，并计算出电流环传输曲线，从而确定IGBT开关器件的电压和电流等级。

首先根据图2所示的三相电压源型变流器的拓扑结构图，采用开关平均模型，可以得到三相电压源变流器在abc三相坐标系下数学模型：

根据同步旋转坐标函数，将VSC转化到dq旋转坐标系下，其状态方程如下：

当电感等效电阻R_s较小时，系统会在输出电流i_o进入饱和前先进入非线性阶段，此时系统调制比m可以视作无穷大，控制电压v_d及v_q达到其上限：

此时内环电流i_d达到其临界值：

对于任意i_d,ref>i_d,critical，系统处于过调制状态，其功率因数不再为单位功率因数。因而，为求电流环传输曲线，这里需要将内环电流关于参考电流的表达式进行分段考虑。

当变流器进入稳定工作状态时，控制环误差量占控制电压的主导部分，则有：

由公式(6)(8)可推出，在dq同步旋转坐标系下时，当调制比m＞1时，控制电压v_d,q将达到的饱和值：

又根据系统状态方程的公式(3)(4)，令其微分值为零，可得控制电压v_d,q的饱和值同时也满足公式：

v_d,saturated＝ω_lLi_q-R_si_d+v_d (18)

v_q,saturated＝-ω_lLi_d-R_si_q+v_q (19)

则联立式(9)-(12)可得过调制状态下的内环电流i_d、i_q关于i_d,ref的表达式。因其表达式较为复杂，这里将其简写为方程i_d＝h_d(i_d,ref)及i_q＝h_q(i_d,ref)，由此可得内环电流关于对电流参考值的方程：

由功率平衡方程，可以得出稳态下的电流传输方程，为简化方程，系统损失仅考虑电感等效电阻部分：

P_load＝P_input-P_loss (22)

由公式(13)便可以画出d轴电流i_d与参考电流i_d,ref的传递关系曲线，如图4所示。由传递关系曲线可知，随着参考电流i_d,ref的增大，d轴电流i_d随之增大并达到最大值，其后与参考电流呈反比。对公式(13)求导即可算出d轴电流i_d最大值：

i_d,max＝h_d(h'_d(i_d,ref)＝0) (24)

根据d轴电流最大值，可以知道交流电流最大幅值，那么继而可以确定出能承受故障的IGBT开关器件的电压和电流等级。

B2：根据系统的双环控制框图，如图3所示，对系统进行电压外环分析，并得出电压环稳定性判据。

根据并网系统的控制框图，可知电流参考值由以下方程给出：

i_d,ref＝g_v(e_v) (25)

e_v＝V_dc,ref-v_dc (26)

g_v(e_v)＝k_pe_v+k_i∫e_vdt (27)

结合公式(3)(13)(14)(18)可以得到电压环路的状态方程：

对方程进行线性化处理，得出其小信号模型：

其中v_dc可近似为V_dc,ref，根据公式可以得到：

则外环电压的特征方程为：

对此电压环特征方程求解，可以得出外环电压特征方程的根轨迹，根据根轨迹中是否有特征根处于右半平面，判断系统是否稳定。

C：计算出电网扰动下变流器关于关键参数的韧性边界条件，从而判断此变流器是否耐受该故障类型，对变流器韧性进行评估。

首先根据电容上的能量方程、能量损失表达式及电容上的全响应方程可以得出故障时间内v_dc随时间的变换函数，然后推出变流器韧性评估解析方程，接着通过变流器韧性评估解析表达式的正负性，确定出扰动的韧性边界条件，从而判断变流器自身韧性能否承受该类故障。

故障出现后，并网侧电压v_sd的降低造成有功功率损失，无法满足负载的功率需求，电容上的能量会被消耗以补充这种损失。可以列出电容上的能量方程为：

其中V_dc0代表故障发生时t₀时刻的直流电压幅值，V_dc1代表故障结束时t₁时候的直流电压幅值，E_loss为有功功率损失对故障时间的积累。

根据以上故障过程分析，可知并网侧电压v_sd会在极短时间内降至接近0V，为了简化计算，可将其视作在t₀瞬降至0V，则能量损失可以表示为：

E_loss＝v_sdi_d(t₁-t₀) (33)

其中并网侧电压v_sd及d轴电流均为故障发生时t₀时刻的电压、电流，即其值为稳态时的幅值。

根据电容上的全响应方程，有：

联立公式(25)-(27)可以得出故障时间内v_dc随时间的变换函数。

则根据公式(18)可以得出参考电流在故障时间段随时间的变换函数：

i_d,ref(t)＝g_v(e_v)＝g_v(V_dc,ref-v_dc(t)) (35)

由此，可以给出变流器韧性评估解析方程：

其中u>0，表明变流器自身韧性能承受该类故障；而u<0，表明变流器自身韧性不能承受该类故障。通过变流器韧性评估解析方程，可以作出在故障深度为60％，故障持续时间为50ms时，以电压环路增益k_vp，负载R_L，功率损耗等效电阻R_s以及直流母线电压C等变流器韧性关键参数为坐标系的变流器韧性边界曲线，如图5所示。

D：在变流器对故障不具耐受能力时，可返回初始设计对变流器参数进行反复修改，终可得到满足耐受电网故障的设计方案。

为进一步阐释本发明变流器韧性评估方法的正确性，在MATLAB/simulink仿真平台中，变压器、电源及阻抗模块搭建如图6所示的三相交流电网系统，该系统包含公共电网(等效为电压源)，传输线(包含线路阻抗)，断路器，非理想变压器，各级母线，待研究的三相电压源变流器，其他本地负荷(等效为恒功率负载)等，其中采用通用桥式电路构建如图2所示三相电压源型变流器，并搭建图3所示的电压电流双环控制。三相电压源型变流器参数如表2所示。

表2 三相电压源型变流器参数

通过逐周期仿真对系统的响应进行仿真验证，通过改变变流器韧性关键参数，可以由仿真波形分析出变流器韧性的变化趋势，其参数改变对变流器韧性影响如表3所示。可以发现当变流器采用不同的设计参数时，对于故障的耐受程度是不同的，表3的结果与变流器韧性评估解析方程绘制出的变流器韧性边界曲线结果一致，这也验证了本发明电网故障下并网变流器韧性评估方法的正确性。

表3 参数改变对变流器韧性影响

本发明电网故障下并网变流器的韧性评估还可进一步应用于变流器的设计过程，若初始设计的变换器不满足其耐受冲击能力的要求，可使设计人员返回初始设计进行数据修改，经过设计迭代过程，最终能够给出满足耐受电网故障的并网变流器设计方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。