VSG谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法与流程

本发明涉及vsg的电能质量领域，特别是一种vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法。

背景技术：

虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，vsg)技术通过引入虚拟惯量和阻尼来模拟同步机的特性，可为电网提供必要的频率和电压支撑，对提升新能源发电接入电网的友好性具有重要意义。现阶段vsg的研究多集中于惯性、动态特性、稳定性等问题，对其电能质量问题的研究工作较少。然而，基于电力电子装置的新能源发电系统主要位于偏远地区，电网电流会随着非线性负载/发电机的渗透率增加而逐渐畸变，并且在电网发生短路故障时端电压会严重跌落。当电网电流畸变或故障电流过大时，电网电能质量和系统稳定性无法保证，这将严重限制vsg的发展和应用。

对于本地非线性负载引入的谐波电流，通常采用同幅度、反相位的电流控制型谐波补偿方法来抵消该谐波电流。但是，vsg大多采用直接电压式控制，无内电流和交流电压控制环，因此电流控制型谐波补偿方法难以直接实施。若采用引入pcc电压负前馈以减小逆变器输出阻抗的电压控制型谐波抑制方法，可以使非线性负载谐波电流大多被vsg吸收，从而减小电网谐波电流。但现有谐波抑制方法均在电网无故障条件下分析，未考虑谐波阻抗重塑对电网对称短路故障下系统低电压穿越能力的影响，特别对于无电压和电流控制环的vsg。

对于电网短路故障下的故障冲击电流，主要采用电流控制型或直接功率控制型故障电流抑制方法来限制输出电流峰值。但vsg是电压开环控制，无内电流控制环，此类方法难以实施。而模式切换控制能在故障瞬间切换至电流闭环控制以抑制故障冲击电流，但故障检测延时会导致过大的暂态故障电流和故障恢复电流。虚拟阻抗法通过增加故障点至vsg的等效阻抗来限制暂态故障电流，但考虑到电网故障的随机性，虚拟阻抗需一直投入到控制系统中，否则故障检测延时会导致暂态故障电流过大。但是，电网正常工况下的并网电流质量会受到虚拟阻抗的影响，这不利于电网正常下的谐波电流抑制。

因此，电网正常工况下谐波电流的抑制与电网短路故障下故障冲击电流的限制对vsg输出阻抗的要求是相互制约的，对于无电压和电流控制内环的vsg更是难以折衷这对矛盾关系，这关系到vsg接到非理想电网的适应性与友好性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法，解决vsg接到非理想电网时谐波电流抑制与故障冲击电流抑制相互矛盾的难题，提升vsg接到非理想电网的适应性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法，vsg的输出端经线路阻抗接到非理想电网；所述vsg和非线性负荷均接在公共母线上；电网对称短路故障发生于公共母线与电网侧之间；包括以下步骤：

1)对vsg输出电压uo和vsg逆变侧电流io进行采样，并通过瞬时功率计算，得出vsg输出有功功率pe和无功功率qe；

2)利用有功功率pe和无功功率qe得到vsg内电势有效值em与相角θ；

3)将vsg内电势有效值em与故障点基波电压有效值usb之间限幅，即|em-usb|≤δumax，那么vsg内电势有效值em满足usb-δumax≤em≤usb+δumax，重塑所述非理想电网到vsg的基频阻抗zsum,eqf，得到输出电压的基波指令

其中，δumax为em与usb之差的最大值；

4)在所述公共母线与所述非理想电网间置入一个无源支路，即串联小的电感ls，用于引入附加的电压变量us；

5)对所述公共母线电压upcc进行谐波检测，对附加电压us进行故障检测，分别获得upcc的主要次谐波分量upcch和us的故障分量usf，表示为：

其中，s为拉普拉斯因子，gh(s)表示谐波分量提取中的等效传递函数，gf(s)表示故障分量提取中的等效传递函数，分别表示为：

其中，n为主要谐波次数，ωn为基波角频率，ξ为阻尼因子，ωc为截止频率，k为增益，ωc1为截止频率，|gh(jnωn)|＝|gf(jωc1)|＝1；

6)对故障分量usf通过适当的正反馈来重塑所述非理想电网到vsg的中高频阻抗zsum,eqh，对主要次谐波分量upcch通过适当的负前馈来重塑所述公共母线到vsg的输出阻抗zout,eq，得到输出电压的高频指令其传递函数为：

其中，-x是upcch的前馈系数，表现为负前馈；而y是usf的前馈系数，表现为正前馈；

7)将输出电压基波指令与输出电压高频指令相加，得到vsg的控制信号

8)控制信号经spwm调制获得驱动信号。

步骤6)中，公共母线到vsg的输出阻抗zout,eq及所述非理想电网到vsg的中高频阻抗zsum,eqh分别为：

其中：zout为公共母线到vsg的原始输出阻抗，zsum为所述非理想电网到vsg的原始阻抗，fb＝zg/(zg+sls)，zg为电网阻抗。

x和y满足下列关系式：

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法，解决了vsg接到非理想电网的电能质量问题。电网正常运行时，通过减小公共母线到vsg的谐波阻抗，使非线性负载谐波电流大多被vsg单元吸收，有效抑制并网谐波电流。电网发生三相对称短路故障时，通过增大所述非理想电网到vsg的中高频阻抗和基频阻抗，限制暂态故障电流和稳态基频故障电流的大小。同时，所提故障电流限制方法没有受到谐波电流抑制方法的影响。

附图说明

图1为本发明一实施例vsg接到非理想电网的系统结构图；

图2为本发明一实施例vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法；

图3为本发明一实施例改进型vsg控制方法；

图4为本发明一实施例仅考虑非线性负载下所提方法的谐波域等效电路；

图5为本发明一实施例仅考虑电网对称短路故障下所提方法的中高频阻抗电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例所述vsg的输出端经线路阻抗接入所述非理想电网；所述vsg与所述电网相交于pcc；所述pcc作为非线性负载的接入端；电网对称短路故障发生于所述电网和所述pcc之间。其中，zg表示电网阻抗，zline表示线路阻抗，zv表示vsg滤波阻抗，ug表示电网电压，uf表示电网故障点电压，upcc表示pcc电压，uv表示vsg输出电压，udc表示直流侧电压，ig表示并网电流，io表示vsg输出电流，iloadh表示非线性负载谐波电流。

如图2所示，本发明一实施例vsg谐波电流与故障冲击电流协同抑制方法，主要包括无源支路、有源支路和改进型vsg控制来设计vsg的输出阻抗与电网侧阻抗。其中，无源支路通过在pcc和电网之间置入一个小电感ls(如0.2mh)来引入一个额外的电压前馈变量us，无源电感ls与滤波器是分离开的，因此，减小滤波器电感至lv1＝lv-ls。这样，系统总的滤波电感没有改变，系统的功率损耗可以认为是不变的。在此基础上，有源支路通过谐波提取法和高通滤波器分别提取出upcc的主要次谐波分量upcch和us的故障分量usf，并通过适当的负、正前馈来分别重塑pcc到vsg的输出阻抗zout,eq以及电网侧到vsg的中高频阻抗zsum,eqh，从而抑制网侧谐波电流和暂态故障电流。最后，改进型vsg控制重塑电网侧到vsg的基频阻抗zsum,eqf，从而限制稳态基频故障电流。

通过谐波提取法提取出upcc的主要次谐波分量upcch，通过高通滤波器提取出us的故障分量usf，其表达式为：

其中，s为拉普拉斯因子，gh(s)表示谐波分量提取中的等效传递函数，gf(s)表示故障分量提取中的等效传递函数，分别表示为：

其中，n为主要谐波次数，ωn为基波角频率，ξ为阻尼因子，ωc为截止频率，k为增益，ωc1为截止频率，|gh(jnωn)|＝|gf(jωc1)|＝1；

通过upcch和usf前馈来获取vsg的高频电压指令值其表达式为：

其中，-x是upcch的前馈系数，呈负前馈，而y是usf的前馈系数，呈正前馈。

如图3所示，本发明一实施例改进型vsg控制方法，其中，em为vsg基波电动势有效值，usb为故障点基波电压有效值，ωv为基波角频率，θ为基波电动势相位，限幅器限制em与usb之间的电压差在[-δumax,δumax]范围内，从而限制了uv与us的基波分量uvb与usb之间的电压差，来抑制vsg的稳态故障电流。其中，δumax的约束条件为：

δumax≤1.5iob·(ls+zout)≈1.5iob·lv(4)

其中，iob表示vsg额定输出电流的基波分量,δumax为em与usb之差的限幅值。

如图4所示，本发明一实施例仅考虑非线性负载下所提方法的谐波域等效电路。统一定义下标含h的电压或电流变量为该变量的谐波分量。具体推导过程如下：

电网正常运行时，只考虑非线性负载的影响，从阻抗角度分析所提方法抑制网侧谐波电流的原理及有效性。那么，vsg输出谐波电流ioh的表达式可以推导为：

其中，为vsg输出电压的高频指令，zout为pcc到vsg的原始输出阻抗。

usf可以表示为：

那么，根据式(5)和(6)，从pcc到vsg的输出阻抗zout,eq可以推导为：

显然，vsg输出阻抗zout,eq与并联阻抗zout/(x-fby)成正比，通过合理控制反馈系数x可以减小pcc点到vsg的谐波阻抗，使大部分非线性负载谐波电流可以被vsg模块吸收，从而减小网侧谐波电流。

如图5所示，本发明一实施例仅考虑电网对称短路故障下所提方法的中高频阻抗电路。统一定义下标含f的电压或电流变量为该变量的故障分量。具体推导过程如下：

电网对称短路故障下，考虑电网电压跌落深度的影响，从阻抗角度分别阐述所提方法和改进型vsg控制法抑制故障暂态与稳态电流的原理及有效性。有源支路由于高通滤波器gf(s)和谐波分量提取函数gh(s)引入的基频分量趋于0，仅改变中高频处的阻抗特性，对基频阻抗的影响可忽略不计，在分析故障稳定过程时可不考虑有源支路的影响。而改进型vsg控制法基于电路的稳态方程建立，未计及电压电流的暂态分量，改变的仅是电路的基频阻抗特性，在分析故障暂态过程时可不考虑改进型vsg控制法的影响。那么，对故障暂态过程的中高频阻抗和故障稳态过程的基频阻抗分析分别如下所示：

①中高频阻抗特性分析：

vsg输出故障电流iof的表达式可以推导为：

同时，根据kcl原理，有：

那么，根据(8)和(9)，可以推导从电网故障点到vsg的中高频阻抗zsum,eqh表示为：

其中，zsum为电网故障点到vsg的原始阻抗，fh为中高频阻抗放大系数，其表达式为：

显然，从电网故障点到vsg的中高频阻抗可以由参数fh放大，当fh的分母接近0即y＝x+1时，等效中高频阻抗zsum,eqh在理论上倾向于无穷大。那么，所提方法能够很好地抑制电网短路故障下的暂态故障电流。

②基频阻抗特性分析：

vsg输出稳态基频故障电流ios的表达式可以推导为：

其中，k1表示电网电压暂降深度，k2表示基频阻抗放大系数。

根据式(12)，电网故障点至vsg的等效基频阻抗可以表示为：

zsum,eqf＝k2·zsum(13)

在工程实践中，电流安全限定值可以设为ios<1.5iob，可得：

(uvb-k1·ug)/(k2·zsum)＝1.5iob＝1.5*(uvb-ug)/zsum(14)

根据式(14)，基频阻抗放大系数k2可表示为：

由式(15)可知，k1越小，电压暂降程度越深，则k2越大，等效基频阻抗zsum,eqf越大，抑制稳态故障电流的效果越好。

另外，根据图4，容易推导出并网谐波电流为：

为了获得更好的并网电流质量，期望不超过1/5的非线性负载谐波电流流入电网，获得x和y的范围为：

因此，在这种情况下，所提方法不仅降低了pcc到vsg的输出阻抗，还增大了电网侧到vsg的中高频阻抗和基频阻抗，有效抑制了非线性负载带来的电网谐波电流和电网对称短路故障引起的故障冲击电流，提高了vsg接到非理想电网的友好并网性能。