基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法与流程

本发明涉及电网并网点电压控制领域，尤其涉及一种基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法。

背景技术：

随着现有资源的逐渐减少以及环境保护要求的提高，国家对于新能源的发展给予了大力支持，但是随着分布式能源的快速发展，其带来益处的同时也给电网的安全运行带来了一定的影响。在分布式发电的行列中，风能作为一种清洁能源，没有副产物，不存在环境污染等优点而被快速应用，但风电机组发电取决于是否有风，因此风力发电具有随机性和间歇性，风电机组有功出力随风速随机变化，风电汇集系统有功潮流变化幅度较大，引起汇集系统较大幅度的无功损耗变化和电压变化。随着电压的大幅波动，各风电场相继对其无功设备进行投切或调整操作，可能会引起汇集系统电压的继续大幅波动，运行的控制难度进一步增大，从而导致主频率下降，风电机组不能正常运行直至脱网。与此类似，光伏发电也会因为其天气原因导致并网点电压不稳定，严重情况下也存在脱网的风险。

通过对以上分布式能源发电出现的问题进行分析发现，在主要外界条件发生变化时，其会存在一定时间的低电压运行情况，在风电机组及光伏机组不具备低电压穿越能力或者低电压穿越能力不够时会出现脱网的问题。脱网问题是近些年来分布式能源持续快速发展过程中共性、普遍存在的问题积累后的爆发，其对电力系统安全稳定运行造成较大影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法，以实现在分布式发电过程中出现电压波动时保证并网点的电压稳定，辅助机组实现低电压穿越，避免出现脱网问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法，包括如下步骤：

s1、确定虚拟同步机的拓扑；

s2、确定虚拟同步机的基本控制策略，所述虚拟同步机的基本控制策略包括内部虚拟同步机的控制策略及直流接口的控制策略；

s3、以虚拟同步机的拓扑及虚拟同步机的基本控制策略为基础先进行低电压穿越检测；

s4、根据低电压穿越检测结果确定功率指令变更策略及判断是否进行闭锁下垂控制；

s5、并网点电压波动时电流环输入限幅。

作为优选，在步骤s1中，所述虚拟同步机的拓扑从电网到直流接口，依次经过lc滤波电路、三相全桥双向dc-ac变流器、直流电容和双向dc-dc变流器。

作为优选，在步骤s2中，所述内部虚拟同步机的控制策略包括dc-ac变流器的控制方法，所述dc-ac变流器的控制方法包括根据电机的转子惯性及阻尼特性构建虚拟同步机控制策略中的有功控制环节，得出其二阶数学模型：

其中，pm为有功功率参考值，pe为虚拟同步机实际吸收有功功率，δ为虚拟同步机的功角，ωn为额定角频率，δω为虚拟同步机角频率相对于ωn的偏差，j为转动惯量，d为阻尼系数；

根据电机的励磁调节特性构建虚拟同步机控制策略中的无功控制环节，得出其数学模型：

其中，qm为无功功率参考值，qe为虚拟同步机实际吸收的无功功率，un为额定电压有效值，e为虚拟内电势，δe为e相对于un的偏差，k为无功功率积分系数。

作为优选，在步骤s2中，所述直流接口的控制策略包括所述双向dc-dc变流器采用电压电流双闭环pi控制方法。

作为优选，在步骤s3中，所述低电压穿越检测包括取电网电压正序分量幅值作为低电压穿越检测的比较量，当时，启动低电压穿越标志信号：son＝1，虚拟同步机进入低电压穿越模式；当时，son＝0，处于低电压穿越的备用状态，可由下式计算：

其中，ud+为dq坐标系中d轴电压，uq+为dq坐标系中q轴电压。

作为优选，在步骤s4中，所述功率指令变更策略包括通过对电网电压正序分量幅值的检测并与给定值进行比较，确定在不同偏离情况下进入不同的低电压穿越模式。

作为优选，在步骤s4中，所述闭锁下垂控制包括设置无功功率指令变更开关s1，有功功率指令变更开关s2和下垂控制开关s3，其中开关s1、s2、s3受son控制，若son＝0，开关的位置均为0位置，功率指令与下垂控制均处于正常模式；若son＝1，开关s1、s2、s3均处于位置1，完成功率指令及下垂控制的闭锁。

作为优选，在步骤s5中，所述并网点电压波动时电流环输入限幅为：

其中，imax为开关器件最大连续电流，iq+为dq坐标系中的q轴电流，id+为dq坐标系中的d轴电流。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法通过对虚拟同步机的控制使得并网点出现电压波动时，辅助利用分布式能源发电的机组实现低电压穿越，减少其出现脱网的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一个虚拟同步机拓扑图；

图2为本发明实施例提供的一个风机与虚拟同步机相连拓扑图；

图3为本发明实施例提供的一个虚拟同步机控制策略结构图；

图4为本发明实施例提供的一个dc-dc的电压电流双闭环pi控制框图；

图5为本发明实施例提供的一个低电压穿越模式功率指令变更示意图；

图6为本发明实施例提供的一个虚拟同步机低电压穿越的控制流程图。

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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6，本发明实施例提供一种基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法，包括确定虚拟同步机的拓扑及虚拟同步机的基本控制策略，所述虚拟同步机的基本控制策略包括内部虚拟同步机的控制策略及直流接口的控制策略；

以虚拟同步机的拓扑及虚拟同步机的基本控制策略为基础确定虚拟同步机低电压穿越的控制方法，其包含低电压穿越检测、功率指令变更策略、闭锁下垂控制及并网点电压波动时电流环输入限幅。本发明提供的基于虚拟同步机低电压穿越的控制方法通过对虚拟同步机的控制使得并网点出现电压波动时，辅助利用分布式能源发电的机组实现低电压穿越，减少其出现脱网的问题。

作为优选，所述虚拟同步机的拓扑从电网到直流接口，依次经过lc滤波电路、三相全桥双向dc-ac变流器、直流电容和双向dc-dc变流器。

如图1，该图为虚拟同步机的拓扑图，其主要由lc滤波电路(l1及c1)、三相全桥双向dc-ac变流器(q1及q6)、直流电容(cdc)和直流接口(即图1中的直流端口)组成。

如图2，本发明通过把利用分布式能源发电的机组(以风机为例)输出直流的端口与虚拟同步机的直流输入端口相接，以实现虚拟同步机对并网点电压的控制。

作为优选，对虚拟同步机的控制实际是对dc-ac变流器的控制，如图3所示，其中svpwm为空间矢量脉宽调制。图中有功控制环节模拟了电机转子惯性及阻尼特性，通过同步电机二阶模型得出，具体如下：

其中，pm为有功功率参考值；pe为虚拟同步机实际吸收有功功率；δ为虚拟同步机的功角；ωn为额定角频率；δω为虚拟同步机角频率相对于ωn的偏差；j为转动惯量；d为阻尼系数。

图中无功控制环节模拟同步电机励磁调节惯性，主要由一个积分环节构成，确保功率无差控制，具体如下：

其中，qm为无功功率参考值；qe为虚拟同步机实际吸收的无功功率；un为额定电压有效值；e为虚拟内电势；δe为e相对于un的偏差；k为无功功率积分系数，使无功功率具备合适的响应速度。pe和qe通过瞬时功率理论计算获得。

图中的下垂控制环节使得虚拟同步机自动响应电网频率和电压的变化以调整有功及无功功率的参考值，参加电网的调频调压，具体如下：

其中，ωg为电网角频率；ug为电网电压有效值；pset为负荷额定有功功率；qset为负荷额定无功功率；kf为频率调节系数；kv为电压调节系数。本文在下垂环节中加入饱和限幅环节，以防虚拟同步机功率超过开关器件自身允许容量。

作为优选，所述直流接口的控制策略包括所述双向dc-dc变流器采用电压电流双闭环pi控制方法。

直流接口通过双向dc-dc变流器接口与虚拟同步机中dc-ac变流器的直流侧连接。双向dc-dc变流器控制以稳定直流电压udc为目标，采用目前较为成熟且广泛使用的电压电流双闭环pi控制策略，请参照附图4，其中和udc分别为直流电压额定值与实际值；和il分别为直流侧电感电流参考值与实际值。通过合理选取pi控制器参数可实现对分布式能源发电机组端电压稳定控制。

作为优选，所述低电压穿越检测包括取电网电压正序分量幅值作为低电压穿越检测的比较量，当时，启动低电压穿越标志信号：son＝1，虚拟同步机进入低电压穿越模式；当时，son＝0，处于低电压穿越的备用状态，可由下式计算：

其中，ud+为dq坐标系中d轴电压，uq+为dq坐标系中q轴电压。

针对由于分布式能源的接入导致的电网波动或电网发生的不对称故障，取电网电压正序分量幅值作为低电压穿越检测的比较量，并使得(标幺值)时启动低电压穿越标志信号：son＝1，虚拟同步机进入低电压穿越模式；退出低电压穿越的标志信号为：soff＝0。当(标幺值)时，son＝0(处于低电压穿越的备用状态)，本发明采用了两阶的控制信号，即son与soff，是否退出低电压穿越由soff值确定。当该系统一直处于备用状态；当时对其进行调控并退出低电压穿越，再经过判断后观察其是否满足要求，不满足继续调控，满足将会开启低电压穿越的备用状态，为下一次调控准备，相比较于传统的方式，该种控制更加的快速有效，不再是简单的进入退出。可由下式计算：

其中，ud+为dq坐标系中d轴电压，uq+为dq坐标系中q轴电压。

作为优选，所述功率指令变更策略包括通过对电网电压正序分量幅值的检测并与给定值进行比较，确定在不同偏离情况下进入不同的低电压穿越模式。

为使虚拟同步机在故障期间利用自身开关器件电流额定容量向电网提供尽可能多的无功支撑，低电压穿越模式下无功功率指令为：

其中，为虚拟同步机额定电流的幅值，一般取开关器件最大连续电流imax的一半。

当分布式能源发电机组处于逆功率状态，并网点电压出现较小偏离时有功功率的指令变更，虚拟同步机持续吸收一定的有功功率，等效增大系统减速面积，可降低故障切除后系统功角失稳的概率。除此之外，虚拟同步机作为分布式能源接入电网的接口，在系统轻度故障且系统有功容量允许的条件下，保证发电机组不脱网。

当并网点的电压偏离较大，使得位于区间[uth，0.9)时，在确保虚拟同步机输出无功功率的基础上，充分利用开关器件的最大连续电流的允许值(一般可取0.8imax)，来使得虚拟同步机持续吸收有功功率其中可表示为：

其中，smax为虚拟同步机最大允许容量。

在此期间若pn为额定功率，则令以避免并网点电压波动时有功功率的变更使得虚拟同步机的直流母线电压突升。此外，为避免电网故障时虚拟同步机持续吸收有功功率可能导致电网有功功率不足、频率越限的情况，uth的取值应满足以下条件：

在电网内负荷功率不变的情况下，电网电压由额定值突降至uth的2s(虚拟同步机低电压穿越要求最长时限)内，电网频率不低于系统允许下限。其中，uth可取0.5(标幺值)。

当并网点的电压偏离很大时，为了避免虚拟同步机持续吸收有功功率导致其与系统之间的功角进一步扩大，出现功角失稳的情况，在时，令

作为优选，如图5，所述闭锁下垂控制包括设置无功功率指令变更开关s1，有功功率指令变更开关s2和下垂控制开关s3，其中开关s1、s2、s3受son控制，若son＝0，开关的位置均为0位置，功率指令与下垂控制均处于正常模式；若son＝1，开关s1、s2、s3均处于位置1，完成功率指令及下垂控制的闭锁。

作为优选，考虑到虚拟同步机的具有一定的惯性，功率给定值变更后需要一定的响应时间。为避免在功率惯性响应阶段输出电流超过imax，在虚拟同步机电流环输入处增加限幅环节。本发明将电流幅值限制设置为0.8imax。同时考虑到低电压穿越阶段虚拟同步机提供无功功率支撑的重要性，因此电流环限幅环节设计如下：

其中，iq+为dq坐标系中的q轴电流，id+为dq坐标系中的d轴电流。虚拟同步机低电压穿越的控制流程如图6。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。