一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法

本发明属于电力电子，尤其涉及一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法。

背景技术：

1、随着风电、光伏、储能设备在电力系统中的广泛接入，并网逆变器作为新能源及储能设备与电网之间的接口，在功率传输控制、谐波治理等方面发挥着重要的作用。相较于传统基于锁相环的跟网型控制逆变器相比，采用虚拟同步机型控制的构网型逆变器可以模拟传统同步发电机的转子方程特性，从而使得原本不具备惯量的新能源发电形式可具备一定的模拟惯量，为电网提供一定的频率支撑。然而构网型逆变器由于其电压源运行特性，使得控制系统难以直接控制逆变器输出电流，因此暂态情况下极易导致逆变器过流过热烧毁，同时，电网电压暂降下虚拟同步机型构网逆变器传输大量有功功率极易发生暂态失稳现象。传统虚拟同步机型构网逆变器常根据电网电压跌落程度并根据电网低电压穿越导则调节有功与无功功率参考实现无功补偿，同时结合电流内环限幅方式实现过电流抑制。然而，在电网电压故障恢复期间，由于基于电网低电压穿越导则调节参考功率导致逆变器需要瞬时调高参考有功功率，逆变器将面临第二次工作点变化的暂态过程。由于工作点变化引起的功角振荡将导致变流器可能重新出现过流导致电流限幅器重新触发，使得变流器暂态失稳。针对上述问题，本发明提出一种适用于虚拟同步机型构网逆变器故障恢复的优化控制方法。通过将转矩差前馈引入至虚拟同步机二阶转子方程中，从而避免逆变器在故障恢复过程中重新进入电流限幅状态，增强了逆变器的并网稳定性与可靠性。同时，本发明提出一种转矩差前馈系数的优化设计方法，通过选取逆变器接入电网允许不脱网的最大故障深度，基于等面积法则离散迭代计算的方法循环求取转矩差前馈系数允许值，从而保证了逆变器控制器参数设计的可靠性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，提升了虚拟同步机型构网逆变器在电网故障恢复期间的暂态稳定性和过电流抑制性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，包括：

3、构建虚拟同步机并网变流器的控制模型；

4、构建包含转矩差前馈的虚拟同步机并网变流器功率环控制模型，并离散计算满足逆变器故障恢复过程不重复触发过流保护的转矩差前馈系数，获取转矩差系数；

5、对所述转矩差系数进行优化。

6、可选的，构建虚拟同步机并网变流器的控制模型包括：功率环、电压环、电流环的三环级联控制结构。

7、可选的，基于所述虚拟同步机型并网变流器的控制模型，获取有功环路、无功环路控制方程以及瞬时有功功率与无功功率的方法包括：

8、

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12、其中，d为dq旋转坐标系下变量的d轴分量，pref为虚拟同步机参考有功功率值，δ为逆变器与电网之间的相对功角，j为虚拟惯量系数，d为阻尼系数，ωn为额定频率，t为时间，xg为线路电抗，ug为电网相电压幅值，kq为无功环下垂系数，un为逆变器额定相电压幅值，ud*为得到的交流电压环d轴参考电压，qref为无功功率参考，qe为实际逆变器输出无功功率，pe为实际逆变器输出有功功率，u为逆变器实际输出相电压幅值。

13、可选的，所述电压环的控制环路通过pi控制器实现dq轴电压追踪，控制方程表示为：

14、

15、其中，为d轴参考电流值，为q轴参考电流值，s为拉普拉斯算子，cf为逆变器交流侧滤波电容值，kpv、kiv为交流电压控制环pi控制器的比例系数与积分系数，1/s为积分环节，ud、uq、id、iq为交流侧电压与电流的dq轴分量。

16、可选的，所述电流环的控制环路通过dq轴电压环控制得到dq轴电流环的参考值的方法包括：

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18、

19、其中，为经过电压环输出的未经过限幅处理的dq轴电流参考值，为ud*与uq*为调制波dq轴分量，lf为逆变器滤波电感，ilim为过流保护触发阈值，idq**为经过环形限幅器限幅后的dq轴电流环参考值，kpi、kii为交流电流控制环pi控制器的比例系数与积分系数。

20、可选的，构建包含转矩差前馈的虚拟同步机并网变流器功率环控制模型，并离散计算满足逆变器故障恢复过程不重复触发过流保护的转矩差前馈系数，获取转矩差系数的方法包括：

21、引入转矩差前馈项：引入后虚拟同步机输出频率表达式为：

22、

23、建立考虑转矩差前馈项的虚拟同步机更新转子方程表达式为：

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25、其中，ωvsg0为原虚拟同步机二阶转子方程的输出频率，第二项为引入的转矩差前馈项，ωvsg为加入转矩差前馈后逆变器实际输出的频率，kteff为转矩差前馈系数，pref/ωn-pe/ωn为转矩差项。

26、可选的，对所述转矩差系数进行优化的方法包括：

27、获取由于转矩差前馈引入的频率突变量；

28、获取在故障恢复瞬间由于转矩差前馈引入的频率初始突变量；

29、以功角振荡不触发第二次电流限幅为准则，获取转矩差前馈系数。

30、可选的，获取由于转矩差前馈引入的频率突变量的方法包括：

31、

32、

33、其中，为d轴参考电流值，为q轴参考电流值，ud*为得到的交流电压环d轴参考电压，为ud*与uq*为调制波dq轴分量，ud、uq、id、iq为交流侧电压与电流的dq轴分量，cf为逆变器交流侧滤波电容值，ωn为额定频率，为d轴参考电流值，为q轴参考电流值，为经过限幅后的d轴参考电流值，为经过限幅后的q轴参考电流值，为dq轴参考电流夹角。

34、本发明技术效果：本发明公开了一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，通过将转矩差前馈引入至虚拟同步机二阶转子方程中，从而避免逆变器在故障恢复过程中重新进入电流限幅状态，增强了逆变器的并网稳定性与可靠性。同时，通过选取逆变器接入电网允许不脱网的最大故障深度，基于等面积法则离散迭代计算的方法循环求取转矩差前馈系数允许值，从而保证了逆变器控制器参数设计的可靠性。综上所述，本发明有利于提升虚拟同步机型构网逆变器在电网故障恢复期间的暂态稳定性和过电流抑制性能。

技术特征：

1.一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，构建虚拟同步机并网变流器的控制模型包括：功率环、电压环、电流环的三环级联控制结构。

3.如权利要求2所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，基于所述虚拟同步机型并网变流器的控制模型，获取有功环路、无功环路控制方程以及瞬时有功功率与无功功率的方法包括：

4.如权利要求3所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，所述电压环的控制环路通过pi控制器实现dq轴电压追踪，控制方程表示为：

5.如权利要求4所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，所述电流环的控制环路通过dq轴电压环控制得到dq轴电流环的参考值的方法包括：

6.如权利要求5所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，构建包含转矩差前馈的虚拟同步机并网变流器功率环控制模型，并离散计算满足逆变器故障恢复过程不重复触发过流保护的转矩差前馈系数，获取转矩差系数的方法包括：

7.如权利要求6所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，对所述转矩差系数进行优化的方法包括：

8.如权利要求7所述的带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，其特征在于，获取由于转矩差前馈引入的频率突变量的方法包括：

技术总结
本发明公开了一种带环形电流限幅的虚拟同步机故障恢复致稳控制方法，包括：构建虚拟同步机并网变流器的控制模型；构建包含转矩差前馈的虚拟同步机并网变流器功率环控制模型，并离散计算满足逆变器故障恢复过程不重复触发过流保护的转矩差前馈系数，获取转矩差系数；对所述转矩差系数进行优化。本发明通过选取逆变器接入电网允许不脱网的最大故障深度，基于等面积法则离散迭代计算的方法循环求取转矩差前馈系数允许值，从而保证了逆变器控制器参数设计的可靠性；有利于提升虚拟同步机型构网逆变器在电网故障恢复期间的暂态稳定性和过电流抑制性能。

技术研发人员：孙鹏飞,田震,查晓明,黄萌,李锡林,胡宇飞,冀肖彤,刘思杰
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1