面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法

本发明涉及电力电子装备并网系统的控制领域，尤其涉及一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

背景技术：

1、随着新能源发电技术的发展，大量电力电子装备接入电力系统，使得现代电力系统的运行极大程度上依赖于并网电力电子变流器的运行特性。然而，与传统同步发电机不同，电力电子变流器主要由功率半导体器件组成。由于功率器件的电流应力限制，变流器的过流容量远低于传统同步发电机。当并网变流器受到故障或者扰动冲击时，大幅突增的过电流极易导致变流器中功率半导体器件损坏，进而影响变流器的安全运行。

2、为了防止故障下变流器输出电流过大而烧毁设备，在变流器的控制器中通常添加了电流限幅环节以约束输出电流的范围。已有研究表明电流限幅环节会给变流器的暂态同步稳定性带来极大影响。尤其在以功率同步控制、下垂控制和虚拟同步控制等为同步环节的构网型变流器中，电网故障下电流限幅动作通常会导致此类变流器的运行模式发生切换，即由电压源模式切换到电流源模式，给构网型变流器的暂态稳定运行带来新的挑战。

3、然而，考虑到目前并网变流器的电流限幅依赖工程经验设置为固定值，其目的是设备保护而非系统稳定。因此，在故障工况下，传统基于定值的电流限幅环节无法避免其可能给构网型变流器带来的失同步风险。而根据对构网型变流器的稳定分析，动态调节电流限幅阈值可有效改善构网型变流器的暂态行为。但目前通过电流限幅值的动态调整从而实现构网型变流器暂态稳定控制的研究仍然是一片空白。因此，亟需提出一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以提供解决上述问题或者部分地解决上述问题的一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法。

2、本发明实施例提供一种面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法，所述构网型变流器动态电流限幅方法包括：

3、对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到所述构网型变流器在故障后的暂态稳定判据；

4、根据所述暂态稳定判据和器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围；

5、根据暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下所述构网型变流器的最优饱和电流相位；

6、基于所述电流限幅设计范围和所述最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值。

7、可选地，对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到所述构网型变流器在故障后的暂态稳定判据，包括：

8、根据所述构网型变流器在电网故障下将由电压源模式切换为电流源模式的特性，所述构网型变流器在所述电流源模式下的输出电流等于饱和电流，得到故障前后所述构网型变流器的有功功率计算公式；

9、令所述构网型变流器在故障前后的有功功率值等于预设有功功率参考值，计算得到所述构网型变流器在故障前电压源模式下的稳定平衡点以及故障后电流源模式下的稳定平衡点和不稳定平衡点各自的公式，并得到为满足平衡点存在性时电流限幅值所需满足的条件式；

10、建立所述构网型变流器在所述电流源模式下的能量函数；

11、根据所述能量函数，结合所述故障前的稳定平衡点公式、所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式，得到所述暂态稳定判据。

12、可选地，所述暂态稳定判据表征由dq轴电流限幅值描述的暂态稳定域；

13、根据所述暂态稳定判据和器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围，包括：

14、根据dq轴电流限幅值描述的暂态稳定域，结合所述器件安全范围，获取所述构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围为：所述构网型变流器在故障后的饱和电流幅值不小于电流临界值，且不大于器件安全边界电流值。

15、可选地，根据所述暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下所述构网型变流器的最优饱和电流相位，包括：

16、将所述能量函数和所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式代入所述暂态稳定判据，运算得到所述暂态稳定判据的详细表达式；

17、对所述详细表达式进行分析，得到所述构网型变流器在所述电流源模式下的初始能量和临界能量之差的最小值对应的饱和电流相位即为所述最优饱和电流相位；

18、对所述最优饱和电流相位的计算公式采用泰勒展开进行简化，得到所述最优饱和电流相位的近似计算公式。

19、可选地，基于所述电流限幅设计范围和所述最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值，包括：

20、采用并网点电压表示所述最优饱和电流相位，对所述最优饱和电流相位的近似计算公式进行变换，得到新计算公式；

21、基于所述新计算公式，结合所述电流限幅设计范围，得到所述dq轴电流限幅值的设计表达式；

22、根据所述设计表达式和所述故障深度，实时调节所述dq轴电流限幅值。

23、可选地，所述构网型变流器在电网故障发生前为电压源模式，并网点电压由控制决定，则在电网故障发生前，并网点电压vpcc0＝vref，该vref为并网点参考电压值；故障前电压源模式下所述构网型变流器的有功功率p计算公式如下：

24、

25、上式中，rg0＝rt+rl,xg0＝ωn(lt+ll)，rt表示变压器等效电阻，rl表示线路电阻，ωn表示额定频率，lt表示变压器等效电感，ll表示线路电感，vpcc0表示故障前并网点电压幅值，vg0表示故障前电网电压幅值，δθ＝θref-θg表示同步环节输出与电网电压之间的夹角，θref表示同步环节输出相位，θg表示电网电压相位；

26、在电网故障发生前，所述构网型变流器运行于电压源模式下的稳定平衡点，所述故障前稳定平衡点通过令所述构网型变流器的有功功率值p等于预设有功功率参考值pref求解获得，即所述故障前稳定平衡点δθ0计算公式如下：

27、

28、上式中，zg0表示故障前电网阻抗幅值，θz0表示故障前电网阻抗相角；

29、所述构网型变流器在电网故障发生后切换为电流源模式，并网点电压由电路特性决定，所述构网型变流器的输出电流由所述控制决定，则在所述电流源模式下的输出电流ig等于饱和电流幅值ilim；故障后电流源模式下所述构网型变流器的有功功率p计算公式如下：

30、

31、上式中，故障后的网侧电阻rg＝rt+(rl//rgnd)，rgnd表示接地电阻，vg表示故障后电网电压幅值；

32、为满足平衡点存在性时，所述电流限幅值需满足的条件式如下：

33、

34、所述故障后的稳定平衡点公式、所述故障后的不稳定平衡点公式如下：

35、

36、上式中，δθsep表示所述故障后稳定平衡点，δθuep表示所述故障后不稳定平衡点，θi表示所述饱和电流相位。

37、可选地，建立所述构网型变流器在所述电流源模式下的摇摆方程为：

38、

39、上式中，ω表示同步环节输出频率，d表示阻尼；

40、将电流源模式下所述构网型变流器的有功功率p计算公式，代入所述摇摆方程，并令x1＝δθ-δθsep，x2＝ω-ωn，可得：

41、

42、其中：

43、

44、则所述能量函数为：

45、

46、上式中，λ1为一个常数，0≤λ1≤1，该能量函数中第一项表示所述构网型变流器的动能ek，第二、三项之和表示所述构网型变流器的势能ep，第四、五项之和表示所述构网型变流器中阻尼导致的耗散能量δedis，所述能量函数满足v(0,0)＝0，v(x1,x2)≥0及

47、在电网发生故障后，若系统动能在工作点运动至所述故障后不稳定平衡点前降为0，则所述构网型变流器将在模式切换下保持稳定；

48、若所述系统动能在工作点运动至所述故障后不稳定平衡点时仍大于0，则所述构网型变流器的工作点将穿过所述不稳定平衡点并在模式切换下失同步；

49、在考虑阻尼的情况下，所述构网型变流器的临界能量为动能为0时所述故障后不稳定平衡点的能量，即vcr＝ep(x1uep,x2uep)+δedis(x1uep,x2uep)，当所述能量函数满足v(x1,x2)≤vcr时，所述构网型变流器在故障后可保持稳定运行，vcr表示所述故障后不稳定平衡点处的势能及耗散能量；

50、考虑所述构网型变流器在电流源模式下呈现正阻尼d>0，则电流源模式下初始能量v(x10+,x20+)大于等于所述构网型变流器在暂态过程的能量v(x1,x2)，即有v(x10+,x20+)≥v(x1,x2)，由此得到所述暂态稳定判据如下：

51、v(x10+，x20+)≤vcr

52、上式中，x10+＝δθ0-δθsep，x20+＝0。

53、可选地，所述构网型变流器在故障后的饱和电流幅值ilim不小于电流临界值icritical，且不大于器件安全边界电流值idev，且idev＝1.5p.u。

54、可选地，将所述能量函数和所述故障后的稳定平衡点公式以及不稳定平衡点公式代入所述暂态稳定判据，运算得到所述暂态稳定判据的详细表达式如下：

55、

56、上式中，δv表示所述初始能量和所述临界能量之差；

57、由于和分别表示如下：

58、

59、

60、且所述初始能量和所述临界能量之差的最小值δv出现在且时，则所述最优饱和电流相位计算公式如下：

61、

62、上式中，最优饱和电流相位θiopt需满足-π-arcsin(λd2/jb)-δθ0≤θiopt≤arcsin(λd2/jb)-δθ0；

63、根据泰勒级数展开所述最优饱和电流相位计算公式中余弦项cos(δθ0+θiopt)，并记y＝δθ0+θiopt，y0＝-arccos(a/b)，将所述最优饱和电流相位计算公式变化为：

64、

65、上式中o(y-y0)为无穷小量；

66、若忽略无穷小量o(y-y0)时，得到所述最优饱和电流相位的近似计算公式如下：

67、

68、将所述近似计算公式代入所述故障后的稳定平衡点公式和所述故障后的不稳定平衡点公式，得到具有最优饱和电流相位θiopt的所述构网型变流器在故障后的稳定平衡点满足δθsep＝δθ0，即采用最优饱和电流相位θiopt的所述构网型变流器在所述电流源模式下一定满足δv≤0，其在故障后总能保持稳定运行。

69、可选地，根据所述故障后的稳定平衡点公式公式，得到所述近似计算公式中的第一项-arccos(2pref-3ilim2rg/3ilimvg)＝δθsep+θi，则通过测量并网点电压和相位，得到所述构网型变流器在故障后的有功功率p计算公式的变形：

70、

71、基于上式，令p＝pref，则δθsep+θi表示为：

72、

73、则，所述新计算公式如下：

74、

75、上式中，表示并网点电压的初相角；

76、所述dq轴电流限幅值的设计表达式如下：

77、

78、上式中，idlim表示d轴电流限幅值，iqlim表示q轴电流限幅值。

79、本发明提供的面向暂态同步稳定提升的构网型变流器动态电流限幅方法，首先对构网型变流器在故障后的静态特性和动态特性进行分析，得到构网型变流器在故障后的暂态稳定判据；再根据暂态稳定判据和器件安全范围，获取构网型变流器在故障后的电流限幅设计范围；根据暂态稳定判据，结合能量最低原理计算出故障下变流器的最优饱和电流相位；基于电流限幅设计范围和最优饱和电流相位，随故障深度实时调节dq轴电流限幅值。

80、本发明并网变流器的电流限幅不再依赖工程经验设置为固定值，而是根据对构网型变流器的稳定分析，结合故障深度实时调整dq轴电流限幅值，以合理分配故障期间注入电网的有功电流和无功电流，根据所设计出的有功、无功电流分配方式，电流源模式下初始工作点即为故障后的稳定平衡点。即：构网型变流器在故障下初始能量最小，且始终满足暂态同步稳定判据δv≤0。因此，通过调节电流源模式下构网型变流器的初始工作点以及最小化其初始能量来增强暂态同步稳定性能，从而有效改善构网型变流器的暂态同步稳定性。