一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法。目前，逆变器的稳定性研究主要集中于微网中逆变器的小干扰稳定性的研究，而对其在大干扰下的暂态稳定问题研究相对较少，其稳定机理尚不清晰。本发明针对逆变器电流饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用在虚拟同步控制中引入无功功率附加暂态控制的方法，使逆变器在电流饱和的暂态过程中具有可达的稳定平衡点，保证逆变器在大干扰下的同步稳定性。本发明解决了逆变器电流内环饱和而可能导致的系统在暂态过程中不存在稳定平衡点的技术问题，防止了逆变器进入电流源模式后发生虚拟功角暂态失稳。
【专利说明】
-种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的誓态控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及电网虚拟同步控制逆变器(指虚拟同步机或下垂控制逆变器）的控制 方法，尤其是一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着风力、光伏等可再生能源的快速发展，国内建立了 W逆变器为并网接 口的大型风力、光伏电站，因此，逆变器的稳定性对电网的安全运行有重要意义。
[0003] 虚拟同步控制(包括虚拟同步机控制和下垂控制）使得逆变器呈现出电压源的特 性，在实际中得到广泛的应用，尤其是新能源接入微网或弱电网时，虚拟同步控制可为系统 提供电压和频率支撑。研究表明，由于逆变器内部的限流控制，在大干扰下逆变器会因电流 的限幅而稱变成一个电流源，该特性使得逆变器的失稳过程更加复杂。
[0004] 目前，逆变器的稳定性研究主要集中于微网中逆变器的小干扰稳定性的研究，而 对其在大干扰下的暂态稳定问题研究相对较少(指功角稳定或同步稳定），其稳定机理尚不 清晰。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中含有=环控制(虚拟同步控制-电压外环-电流内环)逆变器 因电流发生饱和而导致的逆变器虚拟功角容易失稳且稳定裕度降低的技术问题，本发明提 供一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法，当逆变器电流饱和时，通过 修正虚拟同步控制策略，使逆变器达到合适的平衡点，防止逆变器进入电流源模式后失去 稳定。
[0006] 本发明采用的技术方案如下:一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控 制方法，针对逆变器电流饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用在虚拟同步控制中引入无功 功率附加暂态控制的方法，使逆变器在电流饱和的暂态过程中具有可达的稳定平衡点，保 证逆变器在大干扰下的同步稳定性。
[0007] 本发明针对逆变器电流内环饱和而可能出现的系统在暂态过程中不存在稳定平 衡点的问题，采用在暂态过程中修正虚拟同步控制的方法，使逆变器在电流饱和的暂态过 程中达到合适的平衡点，防止逆变器进入电流源模式后失去暂态稳定。
[000引进一步，通过设置无功功率的暂态给定值，使逆变器在电流饱和时输出设定的无 功功率为电网提供电压支撑，并使逆变器的虚拟功角达到稳定的平衡点，避免逆变器进入 电流模式而失去稳定。
[0009]进一步，所述逆变器的输出角频率《^通过^下方式控制：
[001 0]当Imag Umax时，输出角频率W *采用正常虚拟同步控制：
[0011] O *-O g=Mp X (P〇-扣），
[001^ 其中，Imag为逆变器的输出电流幅值，Imax为逆变器的限流设定值，W項逆变器的 输出角频率，Og是角频率设定值，Mp是虚拟同步控制的阻尼系数，扣是逆变器输出有功功率 的实际值，Po是逆变器输出有功功率的给定值.
[OOU]当ImagMmax时，输出角频率"嗔用含暂态控制项的修正虚拟同步控制：
[0014] W *-W g = Mp X (Po-扣+Sassist)
[001 引 Sassist=化SP+Ksi/s) X (跑-Qassist)
[0016]其中，《^是逆变器的输出角频率，《8是角频率设定值，1。是虚拟同步控制的阻尼 系数，扣是逆变器输出有功功率的实际值，Pd是逆变器输出有功功率的给定值，Sassist是修正 虚拟同步控制的暂态控制项，化是逆变器输出无功功率的实际值，Qassist是逆变器无功功率 的暂态给定值，Ksp是PI调节器的比例系数，Ksi是PI调节器的积分系数，S表示复数域频率。 [00 17]进一步，通过对所述角频率差（w*-wg)积分获得虚拟功角S'。
[0018] 本发明具有的有益效果是:本发明解决了逆变器电流内环饱和而可能导致的系统 在暂态过程中不存在稳定平衡点的技术问题，通过采用修正虚拟同步控制策略，使系统达 到合适的平衡点，防止了逆变器进入电流源模式后发生虚拟功角暂态失稳。
[0019] 本发明的控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，也可进一步推广运用 于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，用于提高系统暂态稳定性。
【附图说明】
[0020] 图1为单逆变器并入无穷大电网的系统控制结构图。
[0021] 图2为采用传统虚拟同步控制时逆变器的虚拟功角特性曲线（图中的虚线表示饱 和虚拟功角曲线，实线表示非饱和虚拟功角曲线）。
[0022] 图3为本发明针对提高逆变器同步稳定性的暂态控制方法基本框图。
[0023] 图4为本发明中逆变器电流饱和下无功功率与虚拟功角的关系曲线及其对应工况 下的逆变器饱和虚拟功角特性。
[0024] 图5为本发明实施例仿真验证中外界电压下跌期间采用暂态控制方法下逆变器的 虚拟功角轨迹。
[0025] 图6为本发明实施例仿真验证中外界电压下跌期间采用暂态控制方法下逆变器的 dq轴电压分量的变化曲线。
[0026] 图7为实施例仿真验证中外界电压下跌期间采用暂态控制方法下逆变器的有功功 率与无功功率的变化曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0028] 本发明的原理如下：
[0029] 可再生能源接入弱电网或微电网时，作为并网接口的逆变器经常采用"虚拟同步 控制-电压外环-电流内坏'的立环控制器，且采用基于dq坐标变换的矢量控制。其中，电压 外环设定电压q轴分量Vq的给定值为零，使逆变器的输出电压综合矢量F定位在d轴上。典型 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。
[0030] 表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明
[0031]
[0
[0033] 在dq坐标下，图I中逆变器的状态方程为：
[0034]
Cl)
[0035] 其中，Lz为线路电感，其余变量的定义及物理意义如附录表1所示。
[0036] 虚拟同步控制的电压方程如式（2)所示，将虚拟同步的频率方程写为式（3)的形 式，其中V为逆变器输出电压综合矢量F的幅值。
[0037] V-Vo = kQX (Qo-化）（2)
[003引 A O = o*-0g = kpX (Po-扣）（3)
[0039] 令为d轴与无穷大电网的电压矢量伊间的夹角，它可看成是逆变器的功角，也即 虚拟功角。结合式(3)可得：
[0040] dS'/dt= A O =kpX (Po-扣）（4)
[0041] 本发明主要针对在大干扰下，虚拟功角S/的运动变化。为此，对逆变器的电磁暂态 过程与控制的暂态响应过程作简化：
[0042] 假设1:不考虑系统中的谐波分量与负序、零序分量；
[0043] 假设2:稳态下逆变器输出电压矢量F定位在d轴，且W单位功率因素运行；
[0044] 假设3:不计线路与滤波电感的电阻，不考虑滤波电感与线路的电磁暂态，即
中忽略LCL滤波器中的电容电流影响；
[0045] 假设4:考虑逆变器的内环控制带宽足够大，从而可不计逆变器的控制中电流内环 的暂态过程，即认为电流内环的给定值等于实际值；
[0046] 假设5:不考虑虚拟同步电压控制导致电压降低的情况，认为|#| =Te (即逆变器输 出电压幅值为Vo);
[0047] 逆变器输出功率表达式为：
[004引
（5)
[0049] 其中，ReO表示取括号内矢量的实部，}表示I的共辆复数。
[0050] 上述推导没有考虑逆变器输出电流的限幅控制，故由上式得到的是逆变器输出电 流不饱和时的虚拟功角特性曲线(本发明中简称为"非饱和虚拟功角曲线"），如图2所示，在 [0，n]中存在A和B两个平衡点，其中A点是稳定平衡点，B点是不稳定平衡点。
[0051] 由于过电流会导致逆变器损坏，因此常在控制中对逆变器的输出电流幅值进行限 审IJ。常用的逆变器电流限幅方式有d，q轴电流比例限幅和d，q轴电流动态限幅。假定逆变器 采用d轴电流优先的限幅方式(若采用其它的限幅方式，其分析过程和方法也类似）。
[0052] 为分析d，q轴电流动态限幅方式下系统的大干扰稳定问题，记d轴电压外环的PI调 节器输出为j,r，q轴为
在d轴电流优先的限幅方式下，限幅环节 的电流给定输出信号为：
[0化3] )>
[0054] (7)
[0055] 由式（6)和（7)可W看出：当Imag Umax时，限幅调节不起作用；当Imag>Imax时，有： /| = 4。、Dd轴电流优先的限幅方式可W使Id保持优先增大并达到Imax。
[0056] 当电流达到最大值时(根据假设4可知，此时对应电流参考值达到上限），此时逆变 器将变巧一个由流源。巧化.考庶饰巧后带巧盤的输出功莖九：
[0057]
(致）
[005引其中，Psm表示输出电流饱和时逆变器输出有功功率的最大值。
[0059]由式(8)可得逆变器电流饱和下的虚拟功角特性曲线（由于考虑了逆变器电流饱 和，故本发明中称之为"饱和虚拟功角曲线"），如图2所示，在[-JI，31 ]中存在C和D两个平衡 点，其中C点是稳定平衡点，D点是不稳定平衡点。 幽] (9)
[0060] 修巿的庶拟同巧方巧的巧式域表试式为：
[0062]
[0063] i流参考值幅值,Mp是虚拟同步巧制 的阻尼系数，扣是逆变器输出有功功率的实际值，Pd是逆变器输出有功功率的给定值，Sassist 是修正虚拟同步控制的暂态控制项，跑是逆变器输出无功功率的实际值，Qassist是逆变器无 功功率的暂态给定值，Ksp是PI调节器的比例系数，Ksi是PI调节器的积分系数，S表示复数域 频率。对应的控制框图可参见图3,在逆变器的控制过程中设置限幅值Imax,在逆变器的输出 电流幅值Imag超过限幅值ImaJ寸，采用修正虚拟同步控制策略，使系统的稳定平衡点由化= Qassist确定，从而将逆变器的虚拟功角控制在可达的稳定平衡点。
[0064] 式(9)中暂态控制项Sassist可W视为逆变器输出无功功率化与无功功率的暂态给 定值Qassist的差经过PI调节器后的输出。由式(9)可W看出，当逆变器电流饱和W后，修正的 虚拟同步方程将使无功功率化控制在Qassist，一方面可W向系统提供无功功率W支撑电压， 另一方面可W使系统达到稳定的平衡点。
[0065] 当逆变器电流饱和且定位于d轴上时，其无功功率表达式为：
[0066]
(10)
[0067] 式（10)中化与的关系如图4所示，结合公式(9)可知，电流饱和时系统有两个平 衡点Ei和E2,其中Ei为稳定平衡点，E2为不稳定平衡点。在暂态同步控制的作用下，当电流饱 和时，从图4可W看出Qassist的取值范围是
[0068]
(Ii)
[0069] 此时逆变器的输出有功功率可从将Ei点对应的虚拟功角扣/1代入式(8)，即为图4 中饱和虚拟功角曲线上Ei对应的有功功率。
[0070] 从上可知，应用修正的虚拟同步方程后，逆变器输出有功不再受到扣=Po的约束， 即使外界电压跌落，使|t>|x心、</?,，只要Qassist的取值满足式(11)，系统仍具有可达到的稳定 平衡点。
[0071 ]实施例
[0072] W单逆变器并入无穷大系统(如图1所示)为例，W单机无穷大系统进行仿真，电流 采用d轴电流优先的限幅方式，其限幅值为Imax=I.05,仿真使用的其余参数见表2。逆变器 WP〇 = 0.7p.u.启动，在t = 2s时外界电压的幅值从1.化.U.跌落到0.7p.u.并在t = 8s时 重新恢复到1.化.U.，W传统的虚拟同步控制（即在过电流时不采用修正的虚拟同步方程） 作为对照组，测试所提出的提高逆变器同步稳定性的暂态控制方法的有效性。
[0073] 表2实施例仿真验证中部分系统变量的参数值
[Opi"
[0(
[0076] 图5给出当t = 2s时外界电压的幅值[)从I.化.U.跌落到0.7p.u.并在t = 8s时重新 恢复到1.化.U.期间逆变器的虚拟功角轨迹，可W看出，在传统虚拟同步控制下逆变器发生 虚拟功角暂态失稳，而在具有暂态控制的暂态虚拟同步控制下逆变器在暂态过程中可W到 达稳定平衡点，并在外界电压恢复时返回原来的运行点A。
[0077] 图6-7给出了当t = 2s时外界电压的幅值|l>|从1.化.U.跌落到0.7p .U.并在t = Ss时 重新恢复到1.化.U.期间逆变器的dq轴电压分量W及有功无功功率的变化曲线。可W看出， 当外界电压跌落，逆变器电压外环饱和失效，当不应用暂态同步控制策略时，逆变器将发生 逆变器将发生虚拟功角暂态失稳，其dq轴电压分量、有功功率和无功功率将不断振荡。而应 用暂态同步控制策略时，逆变器在暂态过程中各变量可W保持稳定，当外界电压恢复时，将 重新返回原来的运行点，并且逆变器可W向提供给定的无功功率支撑。
[0078] 由此，基于在普通虚拟同步控制的作用下逆变器将因为电流的限幅而使稳定裕度 下降的研究，本发明分析了普通虚拟同步控制方法下逆变器的虚拟功角特性，然后在虚拟 同步控制中引入暂态控制项，使逆变器在电流饱和的暂态过程中到达稳定的平衡点，避免 逆变器进入电流源运行模式后发生暂态失稳，具有突出显著的技术效果，而且本方法不改 变虚拟同步控制的功率均分特性。
[0079] 根据逆变器失稳的机理，本发明的暂态控制方法也可应用于其他采用电压外环-电流内环(双环控制）的逆变器，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等 大干扰场景，提高系统暂态稳定性。
[0080] 上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，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
【主权项】
1. 一种提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法，其特征在于:针对逆变 器电流饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用在虚拟同步控制中引入无功功率附加暂态控制 的方法，使逆变器在电流饱和的暂态过程中具有可达的稳定平衡点，保证逆变器在大干扰 下的同步稳定性。2. 根据权利要求1所述的提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法，其特 征在于:通过设置无功功率的暂态给定值，使逆变器在电流饱和时输出设定的无功功率为 电网提供电压支撑，并使逆变器的虚拟功角达到稳定的平衡点，避免逆变器进入电流模式 而失去稳定。3. 根据权利要求1所述的提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法，其特 征在于:所述逆变器输出的角频率ω $通过以下方式控制： 当I胃dm』寸，输出的角频率ω $采用正常虚拟同步控制： ω *- ω g=Mp X (Ρο_Ρε)， 其中，I胃为逆变器的输出电流幅值，Imax为逆变器的限流设定值，ω堤逆变器输出的角 频率，cog是角频率设定值，ΜΡ是虚拟同步控制的阻尼系数，ΡΕ是逆变器输出有功功率的实际 值，Ρ〇是逆变器输出有功功率的给定值； 当I胃Mm』寸，输出角频率ω $采用含暂态控制项的修正虚拟同步控制： ω *- ω g=Mp X (P〇-PE+Sassist) Sassist- (KsP+Ksi/s) X (Qe-Qassist) 其中，是逆变器输出的角频率，cog是角频率设定值，MP是虚拟同步控制的阻尼系数， Pe是逆变器输出有功功率的实际值，P。是逆变器输出有功功率的给定值，Sassist是修正虚拟 同步控制的暂态控制项，Qe是逆变器输出无功功率的实际值，Q assist是逆变器无功功率的暂 态给定值，KSP是PI调节器的比例系数，1(51是?1调节器的积分系数，s表示复数域频率。4. 根据权利要求3所述的提高虚拟同步控制逆变器同步稳定性的暂态控制方法，其特 征在于:通过对所述角频率差（c〇tcog)积分获得虚拟功角δ'。
【文档编号】H02J3/38GK105826949SQ201610341322
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】吴跨宇, 辛焕海, 黄林彬, 黄晓明, 楼伯良, 卢岑岑, 陆海清, 卢嘉华, 熊鸿韬, 沈轶君, 房乐
【申请人】国网浙江省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司, 浙江大学