一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种针对下垂控制逆变器的控制方法，尤其是涉及了一种针对下垂控 制逆变器的增强型限流控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，风力、光伏等可再生能源得到了快速发展，国内建立了以逆变器为接口的 大型风力、光伏电站，因此，逆变器的稳定性对电网的安全运行有重要意义。
[0003] 下垂控制使得逆变器呈现出电压源的特性，在实际中得到广泛的应用，尤其是新 能源接入微网或弱电网时，下垂控制可为系统提供电压和频率支撑。研究表明，由于逆变器 内部的限流控制，在大干扰下逆变器会因电流的限幅而褪变成一个电流源，该特性使得逆 变器的失稳过程更加复杂。
[0004]目前，逆变器的稳定性研究主要集中于微网中逆变器的小干扰稳定性的研究，而 对其在大干扰下的暂态稳定问题研究相对较少（本发明研究的内容特指功角稳定或同步 稳定），其稳定机理尚不清晰。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中若三环控制（下垂控制-电压外环-电流内环）逆变器的 电流内环发生饱和，则逆变器的虚拟功角容易失稳且稳定裕度会降低的技术问题，本发明 提出了一种针对下垂控制逆变器的增强型限流控制方法，过流时紧急降低逆变器输出频率 调节虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定。
[0006] 本发明的技术方案采用：
[0007] 本发明针对逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用加入电流限幅的 方法，增强逆变器中的限流以不影响逆变器稳态性能，通过紧急降低逆变器输出频率调节 虚拟功角，防止逆变器电流饱和，从而保持逆变器的暂态稳定。
[0008] 如图3所示，在逆变器的控制过程中设置限幅值Ilinut(如设置为等于内环电流限 幅值），在逆变器输出电流幅值Img超过限幅值IllMt时，马上降低逆变器频率，使虚拟功角 减小，从而使逆变器输出电流降低，重新回到非饱和功角曲线上运行，避免逆变器进入电流 源模式运行而失去稳定。
[0009] 所述逆变器的输出角速度通过以下方式控制：
[0010] 当1_〈 =Ilinut时，输出角速度ω凍用正常下垂控制：
[0011] ω*=ωrefo=ωg-kp(PE-P0)
[0012] 其中，是逆变器输出的角速度，ω。是逆变器的角速度给定值，ωg是无穷大 电网的角速度，kP是正常下垂控制时比例积分控制器的比例参数，ΡΕ是逆变器输出有功功 率的实际值，Ρ。是逆变器输出有功功率的给定值；
[0013] 当Ι_>Ι1ιηι1?时，输出角速度ω$采用以下紧急限流措施：
[0014]
[0015]其中，〇^是逆变器输出的角速度，ω_是逆变器的角速度给定值，Κρ1ιηι是紧急 限流措施下比例积分控制器的比例参数，Kllini是紧急限流措施下比例积分控制器的积分参 数，Tls是滤波器的时间常数，s表示复数频率。
[0016] 本发明加入了滤波环节是为了避免系统参考频率突变，抑制系统过渡过程中的震 荡。由于采用了比例积分控制，紧急限流措施启动后，逆变器的输出频率将持续降低，直到 输出电流幅值不超过IllMt。此外，紧急限流措施仅在逆变器过电流时启动，并不会影响逆变 器的正常运行特性。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 本发明解决了逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳的技术问题，通过紧急降 低逆变器的输出频率来调节逆变器的虚拟功角，从而控制逆变器的输出电流，避免其进入 电流源失稳模式，并且方法并不改变系统的稳态运行特性。
[0019] 本发明控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，如虚拟同步机等，也可 进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统暂态稳定性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的单逆变器并入无穷大电网的系统控制结构图。
[0021] 图2为本发明中针对下垂控制逆变器提出的增强型限流控制策略框图。
[0022] 图3为本发明的单逆变器并入无穷大电网的系统中各角度的定义示意图。
[0023] 图4为本发明示例中逆变器输出电流不饱和时的稳态虚拟功角特性曲线。
[0024] 图5为本发明示例中逆变器输出电流饱和时的稳态虚拟功角特性曲线。
[0025] 图6为本发明示例中逆变器暂态过程中的矢量图。
[0026] 图7为本发明示例中暂态下逆变器的非饱和虚拟功角曲线与饱和虚拟功角曲线。
[0027]图8本发明示例中逆变器功率指令发生阶跃后考虑暂态虚拟功角曲线偏移的虚 拟功角轨迹图。
[0028] 图9为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器暂态虚拟功角曲线偏移 量。
[0029] 图10为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器输出频率曲线。
[0030] 图11为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器暂态虚拟功角轨迹图。
[0031] 图12为实施例仿真验证中采用增强型限流控制时逆变器有功功率阶跃响应。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0033] 本发明的原理如下：
[0034] 可再生能源接入弱电网或微电网时，作为并网接口的逆变器经常采用"功率下 垂-电压外环-电流内环"的三环控制器，且采用基于dq坐标变换的矢量控制。其中， 电压外环设定电压q轴分量Vq的给定值为零，使逆变器的输出电压综合矢量f定位在d轴 上。典型结构如图1所示，部分变量的定义及物理意义如下表1所示。
[0035]表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明
[0038] 在dq坐标下，图1中逆变器的状态方程为：
[0039]
[0040] 其中，U为线路电感，其余变量的定义及物理意义如附录表1所示。
[0041] 无功功率一电压下垂控制方程如式（4)所示，将有功功率一频率下垂方程写为式 (7)的形式，其中V为逆变器输出电压综合矢量，的幅值。
[0042]V-V〇=kQX(Q〇-Qe) (4)
[0043]Λω=co*-cog=kPX(P0-PE) (5)
[0044] 令δ'为d轴与无穷大电网的电压矢量#间的夹角，它可看成是逆变器的功角， 也即虚拟功角。结合式（5)可得：
[0045]
[0046] 上述式（4)-(6)中变量的定义及物理意义如附录表1所示，相关的示意图如图3 所示。根据图3可得虚拟功角曲线的偏移量α、β如式（7)和式（8):
[0049] 本文主要分析在大干扰下，虚拟功角δ^的运动变化。为此，对逆变器的电磁暂态 过程与控制的暂态响应过程作简化：
[0050] 假设1 :不考虑系统中的谐波分量与负序、零序分量；
[0051] 假设2 :稳态下逆变器输出电压矢量#定位在d轴，且以单位功率因素运行；
[0052] 假设3 :不计线路与滤波电感的电阻，不考虑滤波电感与线路的电磁暂态，
[0053]
并忽略LCL滤波器中的电容电流影响；
[0054] 假设4:考虑逆变器的内环控制带宽足够大，从而可不计逆变器的控制中电流内 环的暂态过程，即认为电流内环的给定值等于实际值；
[0055] 假设5 :不考虑Q-V下垂导致电压降低的情况，认为|?= ^ (即逆变器输出电压幅 值为V。）；
[0056] 假设6 :不失一般性，文中分析的大干扰来自有功功率指令Ρ。阶跃（对其他类型大 干扰导致运行点偏移，分析过程和结论也适用）。
[0057]由上述假设可将式（3)简化为：
[0058]
[0059] 将综合矢量穴?λ/表示为如下的复数：
[0060]
[0061] 其中，j表示虚部。
[0062] 联立式（9)与式（10)可得式（11):
[0063]
[0064] 逆变器输出功率表达式为：
[0065]
[0066] 其中，Re()表不取括号内矢量的实部。
[0067]联立式（7)与式（12)得逆变器虚拟功角特性方程：
[0068]
[0069] 当逆变器处于稳态时，Vq= 0,由式（7)可得α= 0,此时可将式（13)写为：
[0070]PE=Pumsinδ' (14)
[0071] 其中，表示输出电流不饱和时逆变器输出有功功率的最大值。
[0072] 上述推