基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法及装置

本发明涉及变流器控制领域，具体涉及一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法及装置。

背景技术：

1、伴随着可再生能源需求的持续提高，电力电子装置将在未来电力系统中高度渗透，传统的以同步发电机为主导的电力系统同步模式将被打破。而传统可再生能源的跟网型控制不具备同步机的惯量和阻尼特性，使得电力系统惯性持续降低，严重影响了高比例新能源渗透率下的电力系统的安全运行。针对上述问题，有学者提出构网型控制的概念。通过模拟同步机的外特性，构网型换流器大多采用惯性或功率同步，可自发生成交流电压的参考幅值和相位，并对系统电压和频率的动态响应提供主动支撑。与跟网型并网变流器相比，构网型在弱电网下表现出更强的适应性。

2、然而，以新能源机组为代表的电力电子设备相互作用或与同步电机相互作用会产生功率振荡，可能导致新能源基地失稳而大规模切机，对电力系统安全稳定性影响很大，直接或间接的给人们日常生活和生产带来不便。研究表明，在强电网中，构网型并网变流器面临着稳定性问题。随着电网强度的增加，构网型变流器的稳定裕度不断降低，其大规模接入电力系统，会给电网带来新的稳定性问题。由于构网型变流器被控制为电压源，因此其并网响应可被视作两个电压源的并联。随着电网强度的增加，两个电压源之间的耦合阻抗不断降低，从而进一步减弱并联效应，增加了构网型变流器失稳的概率，所以强电网下会出现失稳现象，这是需要考虑的。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法及装置，解决了电网强度增加后，构网型变流器的稳定裕度不断降低，大规模接入电力系统带来的稳定性问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：采集并网点的有功功率和无功功率，对所述有功功率进行控制计算后得到相位信号；对所述无功功率进行下垂控制和坐标转换后与电压信号相减，得到电压误差信号；

4、步骤s2：对所述电压误差信号进行虚拟导纳控制和增益后得到参考电流信号：

5、；

6、；

7、其中，、分别为参考d轴电流和参考q轴电流； k为增益系数；s为拉普拉斯算子； lv为虚拟电感； rv为虚拟电阻；、分别为参考d轴电压和参考q轴电压，、分别为电压d轴分量和电压q轴分量；

8、将所述参考电流信号与电流信号相减得到电流误差信号，对所述电流误差信号进行比例积分计算后得到两相旋转坐标系上的电压分量；

9、步骤s3：根据所述相位信号和所述两相旋转坐标系上的电压分量产生脉冲信号，为电力系统提供惯量和阻尼，从而抑制功率振荡。

10、优选地，步骤s1通过采集并网点的电压信号和电流信号，对所述电压信号和电流信号进行坐标变换后得到两相旋转坐标系下的电压信号和电流信号，进一步计算和滤波后得到有功功率和无功功率；对两相旋转坐标系下的电压信号和电流信号进行计算的表达式为：

11、；

12、式中， p、 q分别为有功功率和无功功率；、分别为电流d轴分量和电流q轴分量。

13、优选地，步骤s1中对所述有功功率进行下垂控制后得到参考频率信号，对所述参考频率信号进行积分运算后得到相位信号，所述下垂控制的表达式为：

14、；

15、式中，为参考频率信号；为给定频率； m为有功下垂系数；为参考有功功率。

16、优选地，步骤s1中对所述无功功率进行下垂控制的表达式为：

17、；

18、式中，为参考电压，为给定电压； n为无功下垂系数；为参考无功功率。

19、优选地，步骤s2中对所述电流误差信号进行比例积分计算后得到两相旋转坐标系上的电压分量的表达式为：

20、；

21、式中，、分别表示dq坐标系下的调制电压信号；、分别为比例系数和积分系数。

22、优选地，步骤s3中将所述相位信号和所述两相旋转坐标系上的电压分量结合并转换为三相静止坐标系上的电压分量，pwm脉冲信号发生器根据所述三相静止坐标系上的电压分量产生脉冲信号。

23、将相位信号和两相旋转坐标系dq轴的电压分量结合并转化为三相静止坐标系上的电压分量的表达式为：

24、；

25、式中，、、分别表示三相静止坐标系下的调制电压信号；、分别表示dq坐标系下的调制电压信号；表示d轴与a轴的夹角。

26、本发明还提供了一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制装置，适用于上述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，包括三相全桥逆变电路、滤波电感、直流电源、电网等效阻抗、交流电网、滤波电容、用于将并网点电压信号和电流信号转换为有功功率和无功功率的功率处理器、用于对有功功率进行下垂控制得到相位信号的下垂有功控制器、用于对无功功率进行下垂控制和虚拟导纳控制得到电压分量的电压电流控制器、坐标变换器和pwm脉冲信号发生器；其中三相全桥逆变电路、滤波电感、电网等效阻抗、交流电网、滤波电容、功率处理器依次连接；下垂有功控制器和电压电流控制器分别与功率处理器相连接后再与坐标变换器连接；坐标变换器、pwm脉冲信号发生器和三相全桥逆变电路依次连接；直流电源与三相全桥逆变电路并联。

27、优选地，所述电压电流控制器包括下垂无功控制器、虚拟导纳环节和电流控制器；

28、所述下垂无功控制器用于对无功功率进行处理计算得到参考电压，对参考电压进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的参考电压；

29、所述虚拟导纳环节用于对所述两相旋转坐标系下的参考电压进行虚拟导纳控制，得到两相旋转坐标系下的参考电流；

30、所述电流控制器用于对所述两相旋转坐标系下的参考电流进行计算处理，得到两相旋转坐标系dq轴的电压分量。

31、优选地，所述虚拟导纳环节包括减法器、虚拟导纳和增益环节；

32、所述减法器用于将参考电压信号与电压信号相减得到电压误差信号；

33、所述虚拟导纳用于对电压误差信号进行虚拟导纳控制，得到两相旋转坐标系下的参考电流；

34、所述增益环节对所述参考电流进行增益后得到参考电流。

35、本发明的有益之处至少包括：

36、1、采用带虚拟导纳的下垂控制方法控制构网型变流器的功率，为电力系统提供惯量和频率支撑，提升了电力系统的阻尼；

37、2、能够实现与电网频率的同步，解决了电力系统由于以新能源机组为代表的电力电子设备相互作用或与同步电机相互作用产生的功率振荡的问题，提高了电力系统运动的稳定性和可靠性。

技术特征：

1.一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：步骤s1通过采集并网点的电压信号和电流信号，对所述电压信号和电流信号进行坐标变换后得到两相旋转坐标系下的电压信号和电流信号，进一步计算和滤波后得到有功功率和无功功率；对两相旋转坐标系下的电压信号和电流信号进行计算的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：步骤s1中对所述有功功率进行下垂控制后得到参考频率信号，对所述参考频率信号进行积分运算后得到相位信号，所述下垂控制的表达式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：步骤s1中对所述无功功率进行下垂控制的表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：步骤s2中对所述电流误差信号进行比例积分计算后得到两相旋转坐标系上的电压分量的表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：步骤s3中将所述相位信号和所述两相旋转坐标系上的电压分量结合并转换为三相静止坐标系上的电压分量，pwm脉冲信号发生器根据所述三相静止坐标系上的电压分量产生脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：将相位信号和两相旋转坐标系dq轴的电压分量结合并转化为三相静止坐标系上的电压分量的表达式为：

8.一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制装置，适用于如权利要求1至7任一项所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法，其特征在于：包括三相全桥逆变电路（1）、滤波电感（2）、直流电源（3）、电网等效阻抗（4）、交流电网（5）、滤波电容（6）、用于将并网点电压信号和电流信号转换为有功功率和无功功率的功率处理器（7）、用于对有功功率进行下垂控制得到相位信号的下垂有功控制器（8）、用于对无功功率进行下垂控制和虚拟导纳控制得到电压分量的电压电流控制器（9）、坐标变换器（10）和pwm脉冲信号发生器（11）；其中三相全桥逆变电路（1）、滤波电感（2）、电网等效阻抗（4）、交流电网（5）、滤波电容（6）、功率处理器（7）依次连接；下垂有功控制器（8）和电压电流控制器（9）分别与功率处理器（7）相连接后再与坐标变换器（10）连接；坐标变换器（10）、pwm脉冲信号发生器（11）和三相全桥逆变电路（1）依次连接；直流电源（3）与三相全桥逆变电路（1）并联。

9.根据权利要求8所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制装置，其特征在于：所述电压电流控制器（9）包括下垂无功控制器（91）、虚拟导纳环节（92）和电流控制器（93）；

10.根据权利要求9所述的一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制装置，其特征在于：所述虚拟导纳环节（92）包括减法器（921）、虚拟导纳（922）和增益环节（923）；

技术总结
本发明公开了一种基于虚拟导纳的构网型变流器功率振荡抑制方法。该振荡抑制方法包括了电压电流控制器、虚拟导纳环节和下垂有功控制器。其中，电压电流控制器用于将功率处理器传递的功率，经过控制计算之后得到电压分量，然后输出给虚拟导纳环节和电流控制器，经过处理得到对三相全桥逆变电路进行控制的PWM脉冲信号；下垂有功控制器实际上模拟了同步发电机组的下垂特性，为电力系统提供了惯量和频率支撑，其过程主要是通过将采集的电网输出有功功率与参考输出有功功率相减得到的误差信号进行计算和处理而得到参考相位信号，以实现与电网频率的同步。

技术研发人员：黄云辉,王继祥,王栋,何珍玉,龚梓轩,何佐仁,唐金锐,周克亮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17