一种电压源型储能变流器故障穿越方法及系统与流程

本发明涉及电气控制，具体涉及一种电压源型储能变流器故障穿越方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源渗透率的不断提高，电力系统逐渐呈现“双高”特征(高比例可再生能源、高比例电力电子设备)，系统转动惯量持续下降，调频、调压能力不足，抗扰动能力变差。电压源型储能技术的核心是通过储能变流器构建起支撑电网稳定运行的电压源，可以取代同步机而提供频率和电压支持，并且相较于电流源型技术能够提供主动惯量支撑，可有效提升新能源接纳能力，保障大电网安全稳定运行。

2、然而在实际电网运行过程中，电网故障会造成新能源机组出口处电压的变化而造成新能源机组大量脱网。现有的故障穿越技术多集中在新能源发电系统，关于电压源型储能变流器故障穿越相关研究较少。发明专利cn 115579944 a于2023年公开的《一种具有自限流保护能力的构网型储能控制系统及方法》，提出故障工况时将电压源型变流器切换到电流源型控制模式，然而没有充分利用变流器模拟同步机的外特性来抑制暂态冲击电流和稳态故障电流，同时无法给电网提供无功支撑。

技术实现思路

1、为了克服上述缺陷，本发明提出了一种电压源型储能变流器故障穿越方法及系统。

2、第一方面，提供一种电压源型储能变流器故障穿越方法，所述电压源型储能变流器故障穿越方法包括：

3、采集储能变流器实际电压信号和实际电流信号，并计算实际有功功率、实际无功功率、实际电流幅值、实际电压幅值和实际电压频率；

4、根据电压给定值、频率给定值、实际电压幅值和实际电压频率计算初始有功功率指令和初始无功功率指令；

5、根据实际电压幅值、初始有功功率指令和初始无功功率指令，计算第一有功功率指令和第一无功功率指令；

6、根据实际有功功率、实际无功功率、第一有功功率指令和第一无功功率指令，计算初始相位角控制值和初始电压控制值；

7、根据实际电压幅值、初始相位角控制值和初始电压控制值，计算第一相位角控制值和第一电压控制值；

8、根据第一相位角控制值和第一电压控制值，计算旋转坐标系中的初始d轴电压指令值和q轴电压指令值；

9、根据实际电流幅值、初始d轴电压指令值和q轴电压指令值，计算第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值；

10、根据第一相位角控制值、第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值，生成d轴电压调制值和q轴电压调制值，并将d轴电压调制值和q轴电压调制值与载波调制得到igbt驱动脉冲信号。

11、优选的，所述实际有功功率pe和实际无功功率qe的计算式如下：

12、pe＝uaia+ubib+ucic

13、

14、所述实际电流幅值ie和实际电压幅值ue的计算式如下：

15、

16、

17、上式中，ua、ub和uc分别为储能变流器实际a相、b相和c相电压信号，ia、ib和ic分别为实际a相、b相和c相电流信号，所述实际电压频率ωe通过零点检测获得。

18、进一步的，所述初始有功功率指令pref0的计算式为：

19、pref0＝p0+kω(ωref-ωe)

20、所述初始无功功率指令qref0的计算式为：

21、qref0＝q0+ku(uref-ue)

22、上式中，p0为有功功率给定基准值，kω为一次调频系数，ωref为频率给定值，ωe为实际电压频率，q0为无功功率给定基准值，ku为一次调压系数，uref为电压给定值，ue为实际电压幅值。

23、进一步的，所述第一有功功率指令pref1和第一无功功率指令qref1的计算式为：

24、

25、qref1＝qref0+kq(un-ue)·ie

26、上式中，un为电压基准值，umin为最小电压设定值，kq为功率调节系数。

27、进一步的，所述初始相位角控制值θe0和初始电压控制值uc0的计算式如下：

28、

29、

30、上式中，j为有功环惯性系数，d为阻尼系数，k为无功环惯性系数，s为拉普拉斯算子。进一步的，所述第一相位角控制值θe1和第一电压控制值uc1的计算式如下：

31、θe1＝θe0

32、

33、进一步的，所述根据第一相位角控制值和第一电压控制值，计算旋转坐标系中的初始d轴电压指令值和q轴电压指令值，包括：

34、根据第一相位角控制值θe1和第一电压控制值uc1计算a相、b相和c相电压控制分量uca、ucb、ucc；

35、将a相、b相和c相电压控制分量和储能变流器实际a相、b相和c相电压信号ua、ub、uc分别坐标变换到与θe1同步旋转的坐标系中，得到d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq：

36、采用电压环比例积分调节器对d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq进行闭环调节，得到d轴电流控制分量icd和q轴电流控制分量icq：

37、将实际a相、b相和c相电流信号ia、ib和ic分别坐标变换到与θe1同步旋转的坐标系中，得到d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq：

38、采用电流环比例积分调节器对d轴电流控制分量icd、q轴电流控制分量icq、d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq进行闭环调节，得到旋转坐标系中的初始d轴电压指令值urefd0和q轴电压指令值urefq0。

39、进一步的，所述a相、b相和c相电压控制分量uca、ucb、ucc的计算式如下：

40、

41、所述d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq的计算式如下：

42、

43、

44、所述d轴电流控制分量icd和q轴电流控制分量icq的计算式如下：

45、

46、所述d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq的计算式如下：

47、

48、所述初始d轴电压指令值urefd0和q轴电压指令值urefq0的计算式如下：

49、

50、上式中，kupd和kuid分别为电压环d轴比例项和积分项系数，kupq和kuiq分别为电压环q轴比例项和积分项系数，kipd和kiid分别为电流环d轴比例项和积分项系数，kipq和kiiq分别为电流环q轴比例项和积分项系数。

51、进一步的，所述第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值的计算式如下：

52、

53、上式中，urefd1为第一d轴电压指令值，urefq1为第一q轴电压指令值，in为电流基准值，rd为d轴虚拟电阻，rq为q轴虚拟电阻。

54、进一步的，所述d轴电压调制值uαm和q轴电压调制值uβm的计算式如下：

55、

56、第二方面，提供一种电压源型储能变流器故障穿越系统，所述电压源型储能变流器故障穿越系统包括：

57、采样计算模块，用于采集储能变流器实际电压信号和实际电流信号，并计算实际有功功率、实际无功功率、实际电流幅值、实际电压幅值和实际电压频率；

58、指令生成模块，用于根据电压给定值、频率给定值、实际电压幅值和实际电压频率计算初始有功功率指令和初始无功功率指令；

59、功率调节模块，用于根据实际电压幅值、初始有功功率指令和初始无功功率指令，计算第一有功功率指令和第一无功功率指令；

60、功率控制模块，用于根据实际有功功率、实际无功功率、第一有功功率指令和第一无功功率指令，计算初始相位角控制值和初始电压控制值；

61、电压调节模块，用于根据实际电压幅值、初始相位角控制值和初始电压控制值，计算第一相位角控制值和第一电压控制值；

62、双环控制模块，用于根据第一相位角控制值和第一电压控制值，计算旋转坐标系中的初始d轴电压指令值和q轴电压指令值；

63、过载调节模块，用于根据实际电流幅值、初始d轴电压指令值和q轴电压指令值，计算第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值；

64、pwm模块，用于根据第一相位角控制值、第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值，生成d轴电压调制值和q轴电压调制值，并将d轴电压调制值和q轴电压调制值与载波调制得到igbt驱动脉冲信号。

65、优选的，所述采样计算模块具体用于：按下式计算实际有功功率pe和实际无功功率qe：

66、pe＝uaia+ubib+ucic

67、

68、按下式计算实际电流幅值ie和实际电压幅值ue：

69、

70、

71、上式中，ua、ub和uc分别为储能变流器实际a相、b相和c相电压信号，ia、ib和ic分别为实际a相、b相和c相电流信号，所述实际电压频率ωe通过零点检测获得。

72、进一步的，所述指令生成模块具体用于按下式计算初始有功功率指令pref0：

73、pref0＝p0+kω(ωref-ωe)

74、所述初始无功功率指令qref0的计算式为：

75、qref0＝q0+ku(uref-ue)

76、上式中，p0为有功功率给定基准值，kω为一次调频系数，ωref为频率给定值，ωe为实际电压频率，q0为无功功率给定基准值，ku为一次调压系数，uref为电压给定值，ue为实际电压幅值。

77、进一步的，所述功率调节模块具体用于：按下式计算第一有功功率指令pref1和第一无功功率指令qref1：

78、

79、qref1＝qref0+kq(un-ue)·ie

80、上式中，un为电压基准值，umin为最小电压设定值，kq为功率调节系数。

81、进一步的，所述功率控制模块具体用于：按下式计算初始相位角控制值θe0和初始电压控制值uc0：

82、

83、

84、上式中，j为有功环惯性系数，d为阻尼系数，k为无功环惯性系数，s为拉普拉斯算子。

85、进一步的，所述电压调节模块具体用于：按下式计算第一相位角控制值θe1和第一电压控制值uc1：

86、θe1＝θe0

87、

88、进一步的，所述双环控制模块具体用于：

89、根据第一相位角控制值θe1和第一电压控制值uc1计算a相、b相和c相电压控制分量uca、ucb、ucc；

90、将a相、b相和c相电压控制分量和储能变流器实际a相、b相和c相电压信号ua、ub、uc分别坐标变换到与θe1同步旋转的坐标系中，得到d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq：

91、采用电压环比例积分调节器对d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq进行闭环调节，得到d轴电流控制分量icd和q轴电流控制分量icq：

92、将实际a相、b相和c相电流信号ia、ib和ic分别坐标变换到与θe1同步旋转的坐标系中，得到d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq：

93、采用电流环比例积分调节器对d轴电流控制分量icd、q轴电流控制分量icq、d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq进行闭环调节，得到旋转坐标系中的初始d轴电压指令值urefd0和q轴电压指令值urefq0。

94、进一步的，所述a相、b相和c相电压控制分量uca、ucb、ucc的计算式如下：

95、

96、所述d轴电压控制分量ucd、q轴电压控制分量ucq、d轴实际电压分量ud以及q轴实际电压分量uq的计算式如下：

97、

98、

99、所述d轴电流控制分量icd和q轴电流控制分量icq的计算式如下：

100、

101、所述d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq的计算式如下：

102、

103、所述初始d轴电压指令值urefd0和q轴电压指令值urefq0的计算式如下：

104、

105、上式中，kupd和kuid分别为电压环d轴比例项和积分项系数，kupq和kuiq分别为电压环q轴比例项和积分项系数，kipd和kiid分别为电流环d轴比例项和积分项系数，kipq和kiiq分别为电流环q轴比例项和积分项系数。

106、进一步的，所述过载调节模块具体用于：按下式计算第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值：

107、

108、上式中，urefd1为第一d轴电压指令值，urefq1为第一q轴电压指令值，in为电流基准值，rd为d轴虚拟电阻，rq为q轴虚拟电阻。

109、进一步的，所述pwm模块具体用于：按下式计算d轴电压调制值uαm和q轴电压调制值uβm：

110、

111、第三方面，提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；

112、所述处理器，用于存储一个或多个程序；

113、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现所述的电压源型储能变流器故障穿越方法。

114、第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现所述的电压源型储能变流器故障穿越方法。

115、本发明上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种有益效果：

116、本发明涉及提供了一种兼顾过载和电压支撑的电压源型储能变流器故障穿越方法及系统，包括：采集储能变流器实际电压信号和实际电流信号，并计算实际有功功率、实际无功功率、实际电流幅值、实际电压幅值和实际电压频率；根据电压给定值、频率给定值、实际电压幅值和实际电压频率计算初始有功功率指令和初始无功功率指令；根据实际电压幅值、初始有功功率指令和初始无功功率指令，计算第一有功功率指令和第一无功功率指令；根据实际有功功率、实际无功功率、第一有功功率指令和第一无功功率指令，计算初始相位角控制值和初始电压控制值；根据实际电压幅值、初始相位角控制值和初始电压控制值，计算第一相位角控制值和第一电压控制值；根据第一相位角控制值和第一电压控制值，计算旋转坐标系中的初始d轴电压指令值和q轴电压指令值；根据实际电流幅值、初始d轴电压指令值和q轴电压指令值，计算第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值；根据第一相位角控制值、第一d轴电压指令值和第一q轴电压指令值，生成d轴电压调制值和q轴电压调制值，并将d轴电压调制值和q轴电压调制值与载波调制得到igbt驱动脉冲信号。本发明提供的技术方案充分利用变流器模拟同步机的外特性来抑制暂态冲击电流和稳态故障电流，同时给电网提供无功支撑，无需切换到电流源型控制模式，提高了高比例新能源接入场景下电压源型储能系统大干扰稳定性。进一步的，本发明提供的技术方案通过综合优化功率指令、电压指令和电流矢量来提升电压源型储能故障穿越性能：首先利用功率调节模块来进行输出功率调节，从而能够满足不同电压跌落程度下的暂态电压支撑需求；其次利用电压调节模块和过载调节模块来进行故障电流限制，保证在设备过载能力范围内完成故障穿越。