基于自适应q轴电压反馈的构网逆变器暂态稳定提升方法

本发明涉及构网型逆变器故障穿越领域，尤其涉及基于自适应q轴电压反馈的构网逆变器暂态稳定提升方法。

背景技术：

1、随着电力系统正朝着高比例新能源和高比例电力电子设备的方向发展，电网强度下降，跟网型逆变器难以实现对系统电压、频率的主动支撑。构网型逆变器实现对系统电压、频率的主动支撑，因此成为重要研究对象。然而，构网型逆变器在短路故障时极易出现过流问题，常采用限流环节进行限制，然而限流环节的加入使得逆变器发生短路故障时的暂态过程变得更加复杂，暂态稳定裕度降低，系统容易因失去稳定平衡点而引发暂态失稳。

2、目前，针对构网型逆变器并网系统故障后缺少稳定平衡点的问题，主要的解决办法包括切换控制策略、增加虚拟阻抗和附加控制环路等。切换控制策略是在电网故障时将构网型控制切换为跟网型控制，故障切除后再由跟网型控制切换回构网型控制，以满足系统在故障期间的无功需求，但这种方法需要一个备用的锁相环，在实际应用中操作较为复杂，难以保证切换过程的平滑和稳定，而且在弱网下存在稳定性问题。增加虚拟阻抗能够限制故障期间的暂态过电流，从而提高系统的故障穿越能力，但对于电压大幅跌落时并不适用。部分研究在构网型逆变器的有功功率同步环中引入一条并网点q轴电压反馈支路，该支路的引入虽然能够减小等效有功功率参考并增大系统阻尼，从而提升暂态稳定性。但是q轴电压反馈系数为固定值，导致正常运行工况下输出功率小于有功参考，而且并未给出q轴电压反馈系数的选取原则，难以直接用于实际工程应用。因此，需要一种可实现能够在正常运行工况下不影响构网型逆变器有功功率的输出，同时在短路故障条件下可根据电网电压跌落深度自动调节等效有功功率参考的控制方法，保证系统具有稳定的平衡点，提升系统的暂态稳定性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术性问题是：在正常运行工况下不影响构网型逆变器有功功率的输出，同时在短路故障条件下可根据电网电压跌落深度自动调节等效有功功率参考，保证系统具有稳定的平衡点，提升系统的暂态稳定性。为解决上述技术问题，本发明提出基于自适应q轴电压反馈的构网逆变器暂态稳定提升方法，技术方案如下：

2、基于自适应q轴电压反馈的构网逆变器暂态稳定提升方法，包括：

3、步骤1：构建基于q轴电压反馈的构网型逆变器控制环路

4、确定基于q轴电压反馈的构网型逆变器控制：采集逆变器输出电压 v pcc与电流 i g，经派克变换后输送至功率计算模块得到输出有功功率 p与输出无功功率 q，通过一阶低通滤波器输送至功率控制环节，通过有功-角频率下垂控制和逆变器输出电压 v pcc的q轴分量反馈支路生成角频率 ω积分后得到功率同步单元输出相角 θ，再经电压外环与电流内环后生成电压调制信号 m d和 m q，将电压调制信号 m d和 m q输送至反派克变换模块得到调制波 mabc，最后经脉冲宽度调制模块生成驱动信号控制igbt的开通与关断；

5、步骤2：计算基于暂态稳定约束的自适应q轴电压反馈系数

6、步骤2.1：计算基于q轴电压反馈的构网型逆变器的功率同步单元输出相角 θ，并定义虚拟功角 δ为 d轴与电网电压 v g之间的相角差；

7、步骤2.2：根据电路关系及相量关系，计算未触发限流时构网型逆变器的输出电压q轴分量 v qu和有功功率 p u，进而得到未触发限流时的等效有功功率参考 p refueq，令故障瞬间的 p refueq等于零，从而求解出未触发限流时的q轴电压反馈系数 k u；

8、步骤2.3：根据电路关系及相量关系，计算触发限流时构网型逆变器的输出电压q轴分量 v qlim和有功功率 plim，进而得到触发限流时的等效有功功率参考 p reflimeq，令故障瞬间的 p reflimeq等于零，从而求解出触发限流时的q轴电压反馈系数 klim；

9、步骤3：基于q轴电压反馈的构网型逆变器自适应控制

10、实时监测电网电压和逆变器输出电流，当系统处于正常运行状态时，令q轴电压反馈系数 k=0，逆变器采用带低通滤波器的下垂控制；

11、当系统发生短路故障，切换为基于q轴电压反馈的构网型逆变器控制，此时检测系统是否触发限流；

12、若触发限流，则将q轴电压反馈系数 k设置为触发限流时的q轴电压反馈系数 klim；

13、若未触发限流，则将q轴电压反馈系数 k设置为未触发限流时的q轴电压反馈系数 k u；

14、待故障切除后将电压反馈系数 k重新设置为0，即恢复为带低通滤波器的下垂控制。

15、进一步的，所述步骤1中，功率计算模块计算输出有功功率 p与输出无功功率 q的方法为：

16、（1）

17、其中， p为输出有功功率， q为输出无功功率， v d与 v q为构网型逆变器输出侧电压 v pcc经park变换后生成的电压 dq分量； i d与 i q为构网型逆变器输出侧电流 i g经park变换后生成的电流 dq分量；

18、角频率 ω的电压相角 θ的计算方法为：

19、（2）

20、（3）

21、（4）

22、其中， l( s)为一阶低通滤波器传递函数， ωc为截止角频率， ω为角频率， ω ref为额定角频率， k p为有功-角频率下垂系数， p ref为有功功率参考值， θ为功率同步单元输出相角， k为q轴电压反馈系数， s为拉普拉斯算子。

23、更进一步的，所述步骤1中，电压调制信号 m d和 m q的计算方法为：

24、1）计算由虚拟阻抗环获取的电压参考值 v dref与 v qref；

25、2）根据电压参考值 v dref与 v qref计算由电压环获取的初始电流参考值 i d1 ref与 i q1 ref；

26、3）根据初始电流参考值 i d1 ref与 i q1 ref计算由电流限幅环获取的限流情况下的电流参考值 i dref与 i qref；

27、4）根据限流情况下的电流参考值 i dref与 i qref计算由电流环获取电压调制信号 m d与 m q：

28、（5）

29、其中， vdc为输入构网型逆变器的直流电压， m d与 m q为电流环产生的电压调制信号， i fd与 i fq为未滤波电流 dq分量， kpc与 kic分别为电流环比例系数和积分系数， l f为滤波电感值。

30、更进一步的，所述带低通滤波器的下垂控制具体为：采集逆变器输出电压 v pcc与电流 i g，经park变换后输送至功率计算模块得到输出有功功率 p与输出无功功率 q，通过一阶低通滤波器输送至下垂控制环节，有功-角频率下垂控制生成角频率 ω积分后得到电压相角 θ，经电压外环与电流内环后生成调制信号 md和 mq输送至反派克变换模块得到调制波 mabc，再经脉冲宽度调制模块产生驱动信号控制igbt的开通与关断。

31、更进一步的，所述步骤2.1中基于q轴电压反馈的构网型逆变器的功率同步单元输出相角 θ表示为：

32、（6）

33、其中， ωc为截止角频率， k p为 p-f下垂系数， p ref为输出有功功率的参考值， θ g为电网电压相角；

34、定义虚拟功角 δ为 d轴与电网电压 v g之间的相角差：

35、（7）

36、步骤2.2中未触发限流时的输出电压q轴分量 v qu和有功功率 p u分别表示为：

37、（8）

38、（9）

39、其中， v qu和 p u分别为未触发限流时的输出电压q轴分量和有功功率， xv为虚拟电抗值， xg为线路阻抗； e为逆变器内部电压源幅值； δ u为未触发限流时的虚拟功角；

40、将公式（8）和公式（9）表示未触发限流时的输出电压q轴分量 v qu和未触发限流时的有功功率 p u带入公式（6），则根据公式（7），未触发限流时的虚拟功角 δ u表示为：

41、（10）

42、其中， k u为未触发限流时的q轴电压反馈系数；

43、对上式两边同时求导并化简整理得到未触发限流时的等效有功功率参考 p refueq的表达式为：

44、（11）

45、故障瞬间有功功率参考 p ref和未触发限流时的虚拟功角 δ u分别表示为：

46、（12）

47、（13）

48、其中， δ0为故障发生时系统的虚拟功角；

49、将公式（12）和公式（13）表示的有功功率参考 p ref和未触发限流时的虚拟功角 δ u代入公式（11），并令 p refueq=0，得到

50、（14）

51、其中， a为电网电压跌落系数，即故障后电网电压与额定电压的比值；

52、求解上式得到未触发限流时的q轴电压反馈系数 k u为：

53、（15）

54、步骤2.3中触发限流时的输出电压q轴分量 v qlim和有功功率 plim分别表示为：

55、（16）

56、（17）

57、其中， v qlim和 plim分别为触发限流时的输出电压q轴分量和触发限流时的有功功率； δlim为触发限流时的虚拟功角；

58、将公式（16）和公式（17）表示触发限流时的输出电压q轴分量 v qlim和触发限流时的有功功率 plim带入公式（6），则根据公式（7），触发限流时的虚拟功角 δlim表示为：

59、（18）

60、其中， klim为触发限流时的q轴电压反馈系数；

61、对上式两边同时求导并化简整理得到触发限流时的等效有功功率参考 p reflimeq的表达式为：

62、（19）

63、故障瞬间触发限流时的虚拟功角 δlim表示为：

64、（20）

65、将公式（12）和公式（20）表示的有功功率参考 p ref和触发限流时的虚拟功角 δlim代入公式（19），并令 p reflimeq=0，得到：

66、（21）

67、求解上式得到触发限流时的q轴电压反馈系数 klim为：

68、（22）

69、其中，线路阻抗 x g采用阻抗测量事先获得，或者基于在线阻抗估计方法测量获得。

70、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

71、本发明提出基于自适应q轴电压反馈的构网逆变器暂态稳定提升方法，用于实现构网型逆变器在电网发生短路故障时的故障穿越，自适应q轴电压反馈系数可以自适应地改变不同电网电压跌落程度下的等效有功功率参考，无论电流限幅是否触发，都保证了系统稳定平衡点的存在。此外，在正常运行条件下，q轴电压反馈系数的值等于零，对系统有功功率的输出没有影响。

72、本发明能够在正常运行工况下不影响构网型逆变器有功功率的输出，同时在短路故障条件下可根据电网电压跌落深度自动调节等效有功功率参考，保证系统具有稳定的平衡点，实现在不同电网电压跌落情况下系统的故障穿越，可提升系统的暂态稳定性。