技术领域
[0001] 本
发明涉及一种虚拟
同步发电机低电压穿越控制方法，尤其涉及基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，属于分布式发电微网技术领域。
背景技术
[0002] 清洁的
可再生能源对于改善能源结构、推动生态和环境建设具有十分重要的意义。分布式电源作为将来
可再生能源应用的主要形式，具有污染少、可靠性高、能源利用率高、安装地点灵活等多方面优点，是未来世界能源技术发展的重要方向，可有效解决大容量电
力系统集中式单一供电带来的诸多弊端。
[0003] 同步发电机具有对
电网天然友好的优势，若借鉴传统电力系统运行经验，使得并网逆变器具有类似同步发电机的运行特性，即可实现分布式电源的友好接入并提高电力系统
稳定性。虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)技术就是在此背景之下提出的并网逆变器控制新技术，它融合了电力
电子设备的灵活性与同步发电机的运行机制，不仅可实现分布式电源的即插即用与自主运行，还可有效解决系统欠阻尼、低惯性的问题。引入VSG技术至分布式电源系统，可有效解决其友好消纳的难题，并具有广阔的应用前景。
[0004] 实际运行过程中，电网易受
短路故障影响发生电压暂降，低电压穿越是微网系统应当具备的基本能力。对于
风电容量占总容量大于5％的电网，该风
电场应当具备低电压穿越能力。具体要求为：1.风电机组在并网点电压跌至20％额定电压时，能够保证不脱网连续运行625ms；2.风电场并网点电压在发生跌落后，2s内能够恢复到额定电压的90％。在低电压穿越过程中，VSG的惯性和阻尼设计与暂态运行要求互相矛盾，VSG的电压源特性难以直接控制
电流，在正常励磁状态和过励磁状态间相互转化时冲击电流难以避免，电势震荡和功
角震荡也会加剧并网运行时的冲击电流。如何对微网中逆变器进行有效的控制,借鉴继承传统并网控制策略的优势并发扬虚拟同步发电机自身独有的特点，如何抑制状态突变瞬间产生的冲击电流并限制输出电流至合适范围内，如何解决VSG自身特性在低电压穿越时带来的难点，应对环路耦合强化问题，并提供适当无功
支撑，如何在不改变原控制结构和响应特征的
基础上提高VSG的低电压穿越能力，是虚拟同步化并网控制策略能否可靠高效运行的关键。这就亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法及系统，加强虚拟同步发电机的低电压穿越能力，不切换
算法，不改变原VSG响应特征，避免产生冲击电流，有效限制稳态电流，并提供相应容性无功支撑。本发明采取了新的定向方法，
加速了暂态过程，在电网故障期间无需切换控制算法，也无需另加入状态间平滑切换策略，可同时应对低电压穿越问题和电网电压不对称跌落问题。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007] 一方面，本发明提供了基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，所述方法包括:
[0008] S1、执行准同期算法和VSG控
制模块中的预同步算法，调节逆变器
输出电压，自动选择并网时机闭合并网
开关；
[0009] S2、并网瞬间将VSG
控制模块中的预同步算法切出系统，并接入有功功率给定和
无功功率给定，待有功功率给定和无功功率给定达到期望值，系统进入稳定运行状态；
[0010] S3、检测到电网发生低电压穿越故障，运用VSG控制模块中新下垂特性屏蔽原下垂特性响应，运用VSG控制模块中新有功环和新无功环保持VSG的虚拟电
角速度和电势，并在附加电流环中计算电流给定的PI环节处加入
限幅作用；
[0011] S4、在电网故障期间，用附加电流环辅助系统欠励磁状态运行，限制有功功率输出，接入无功补偿支路；
[0012] S5、检测到电网故障恢复的瞬间，在附加电流环中计算电流给定的PI环节处取消限幅，
切除无功补偿支路，延时数个工频周期后取消VSG控制模块中新有功环和新无功环的保持作用，取消新下垂特性中屏蔽下垂特性响应作用；
[0013] S6、电网故障恢复，VSG控制模块回到原设定状态并稳定运行。
[0014] 进一步的，所述S3中所述新下垂特性具体为将电网电压经过双同步
锁相环分离出三相正序分量并计算三相正序分量的幅值，当系统判定为处于低电压穿越时，将所计算得到的幅值乘以变系数k′，使反馈值与电压幅值给定值抵消，进而在低电压穿越时屏蔽下垂特性响应；当电网稳态、电网扰动时用所计算的幅值直
接触发下垂特性响应。
[0015] 进一步的，所述变系数k′具体为 其中Vpabc为电网电压正序分量的幅值， 为电网电压幅值额定值。
[0016] 进一步的，所述S3中所述新有功环和新无功环具体为当系统判定为处于低电压穿越时，有功反馈直接赋值给有功给定，无功反馈直接赋值给无功给定；当系统判定为处于电网稳定、电网扰动时，有功给定值和无功给定值为各自的额定值。
[0017] 进一步的，所述S3中所述附加电流环中计算电流给定的PI环节具体为以输入电压相量uin的方向为d轴，将uin和电网电压的正序分量变换至旋转
坐标系中，将uin的d轴分量减去电网电压正序分量的d轴分量经PI环节计算得d轴给定电流，将uin的q轴分量减去电网电压正序分量的q轴分量经PI环节计算得q轴给定电流。
[0018] 进一步的，所述S4中所述用附加电流环辅助系统欠励磁状态运行具体为用附加电流环减小VSG输出电势并提供容性无功支撑，以模拟同步发电机欠励磁状态特征。
[0019] 进一步的，所述S4中所述限制有功功率输出具体为通过在附加电流环中计算d轴给定电流处加入限幅，使电流的有功分量减小。
[0020] 进一步的，所述S4中所述无功补偿支路具体为在附加电流环中计算q轴给定电流处加入 分量，当系统判定处于电网稳定、电网扰动阶段时 当处于低电压穿越状态时， 其中Vgd、Vgq为电网电压的d、q轴分量，Igd为电网电流的d轴分量， 为电网电流幅值额定值，ki为低电压穿越期间的电流放大倍数，P为电网消耗的有功功率。
[0021] 另一方面，本发明提供了基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制系统，所述系统包括:逆变器模块、
滤波器模块、并网开关、电网模块、准同期算法模块、虚拟同步发电机控制模块、虚拟阻抗模块、附加电流环模块、SVPWM调制模块；所述逆变器模块、滤波器模块、并网开关、电网模块依次电连接；采集
断路器前侧输出电压
信号和断路器后侧电网模块的电压信号，将两个信号输入所述准同期算法模块，所述准同期算法模块的
输出信号用于驱动所述并网开关；采集断路器前侧输出电压信号和电流信号并输入所述虚拟同步发电机控制模块，所述虚拟同步发电机控制模块的输出信号与所述虚拟阻抗模块的输出信号做差，并输入所述附加电流环模块，所述附加电流环模块与所述SVPWM调制模块连接，所述SVPWM调制模块用于驱动所述逆变器模块；所述VSG控制模块，由预同步算法、新下垂特性、新有功环和新无功环组成；所述附加电流环，由计算电流给定、基于旋转坐标系下的并网算法和无功补偿支路组成。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] 1.附加电流环不改变原VSG的响应特征，并且可以抑制电网电压负序分量给系统带来的负面影响。
[0024] 2.本发明可同时应对电网电压对称和不对称跌落，有效抑制冲击电流，按设定情况控制输出电流，提供适当无功功率支撑。
[0025] 3.在故障发生瞬间和恢复瞬间可有效抑制电势和
频率震荡，减小电势和频率的暂态过程，提高暂态性能。
[0026] 4.在电网故障运行期间本方案无需切换算法,无需另加入状态间平滑切换算法，基本不改变原控制结构。
[0027] 5.电网稳态、电网扰动期间，本方案可表现出VSG的同步发电机特性，将分布式电源等效为对传统同步发电机。
附图说明
[0028] 图1为本发明的低电压穿越控制整体
框图；
[0029] 图2为本发明的新下垂特性框图；
[0030] 图3为本发明的新无功环和新有功环框图；
[0031] 图4为本发明的新附加电流环框图；
[0032] 图5为本发明的新附加电流环矢量图；
[0033] 图6为本发明的低电压穿越控制具体框图。
具体实施方式
[0034] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0035]
实施例1、基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法。下面结合图1至图6对本实施例提供的方法进行详细说明。
[0036] 参见图1至图6，基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制方法，所述方法包括:
[0037] S1、执行准同期算法和VSG控制模块中的预同步算法，调节逆变器输出电压，自动选择并网时机闭合并网开关；
[0038] 预同步算法通过用两个积分环节分别配合两个下垂系数构成两个PI用以调节电压和频率，新加入一个PI用以调节
相位。上述准同期算法为已有算法，具体参见文献：杨亮，王聪，吕志鹏，等.基于同步逆变器的预同步并网方式[J].电网技术.2014，11：3103-3108.[0039] 未并网时，有功给定P*和无功给定Q*均为0，为了使电网侧逆变器的输出电压矢量经LCL滤波
电路后能准确追踪上电网电压矢量，使其输出
波形完全与电网电压波形重合，在虚拟同步化并网控制方法中加入预同步控制方法，预同步控制方法原理如下:
[0040]
[0041] 其中，Δusyn、Δωsyn、Δθsyn分别为
叠加在u、ω和θo上的幅值、频率和相角
同步信号；kmp、kmi为比例和积分系数(m＝u、ω、θ)。
[0042] 如上式所示，在控制算法中加入两个积分使其分别与有功下垂系数和无功下垂系数构成两个PI调节器，在未并网时不断调节LCL滤波电路后的输出电压，直到使其波形与电网电压波形重合；预同步控制算法为准同期并列算法打下良好基础，并且在并网后需要将其切除，仅在控制算法中留下有功下垂系数和无功下垂系数。
[0043] 通过两个
锁相环分别检测网侧逆变器输出电压和电网侧电压的幅值、角频率、相位，判断其电压幅值误差是否小于允许误差εu＝5％ug，角频率误差是否小于允许误差范围εω＝0.3％ωg，检测逆变器输出电压相位和电网电压角频率是否一致；直到检测到三个并网条件都符合的时机，则发出电网侧断路器的合闸信号，开始并网。
[0044] S2、并网瞬间将VSG控制模块中的预同步算法切出系统，并接入有功功率给定和无功功率给定，待有功功率给定和无功功率给定达到期望值，系统进入稳定运行状态；
[0045] 具体的,VSG控制模块的数学模型如下
[0046]
[0047] 其中，Dp、Dq为频率-有功和电压-无功下垂系数，P、Q为有功和无功反馈，J、K为有功环和无功环的惯性系数，ω*、ω为额定电角速度和
转子电角速度，V*、V为额定电压幅值和输出电压幅值，θ为此时转子
位置角。
[0048] S3、检测到电网发生低电压穿越故障，运用VSG控制模块中新下垂特性屏蔽原下垂特性响应，运用VSG控制模块中新有功环和新无功环保持VSG的虚拟电角速度和电势，并在附加电流环中计算电流给定的PI环节处加入限幅作用；
[0049] 具体的，如图2新下垂特性框图。将电网电压经过双同步锁相环分离出三相正序分量并计算三相正序分量的幅值，当系统判定为处于低电压穿越时，将所计算得到的幅值乘以变系数k′，使反馈值与电压幅值给定值抵消，进而在低电压穿越时屏蔽下垂特性响应；当电网稳态、电网扰动时用所计算的幅值直接触发下垂特性响应。
[0050] 具体的，所述变系数k′表达式为
[0051]
[0052] 其中Vpabc为电网电压正序分量的幅值， 为电网电压幅值额定值。
[0053] 具体的，如图3新无功环和新有功环框图所示。新有功环和新无功环具体为当系统判定为处于低电压穿越时，有功反馈直接赋值给有功给定，无功反馈直接赋值给无功给定；当系统判定为处于电网稳定、电网扰动时，有功给定值和无功给定值为各自的额定值。由等式(2)可知，屏蔽下垂特性采用新有功环和新无功环后，有功表达式和无功表达式左侧为0，可保持故障前虚拟电势E和虚拟电角速度ω的值。
[0054] 具体的,如图4新附加电流环框图。所述附加电流环中计算电流给定的PI环节具体为以输入电压相量uin的方向为d轴，将uin和电网电压的正序分量变换至旋转坐标系中，将uin的d轴分量减去电网电压正序分量的d轴分量经PI环节计算得d轴给定电流，将uin的q轴分量减去电网电压正序分量的q轴分量经PI环节计算得q轴给定电流。
[0055] S4、在电网故障期间，用附加电流环辅助系统欠励磁状态运行，限制有功功率输出，接入无功补偿支路；
[0056] 具体的，所述用附加电流环辅助系统欠励磁状态运行具体为用附加电流环减小VSG输出电势并提供容性无功支撑，以模拟同步发电机欠励磁状态特征。
[0057] 具体的，所述限制有功功率输出具体为通过在附加电流环中计算d轴给定电流处加入限幅，使电流的有功分量减小。
[0058] 一般的，传统电流环模块数学模型如等式(4)所示
[0059]
[0060] 其中，其中，Emd、Emq为逆变器输出基波电势的d、q轴分量，L、R为滤波器等效电感、
电阻，Igd、Igq、Vgd、Vgq分别为电网电流和电压的各自d、q轴分量。
[0061] 若前级P环节达到限幅值，则 为常值，此时电流环直接控制电流。借鉴这个特点，可通过设定P环节的限幅值提高系统在低电压穿越期间对电网电流的直接控制能力。另一方面，用Vgd大幅下跌的瞬时性迅速调节 辅助系统快速调节输出电势，完成正常励磁状态到欠励磁状态的快速转换。另外，当控制电流环输出无功时， 增大使Igq增大，进而减小。若 表现为电势幅值，则此特征与欠励磁状态特征相符。因此，可以在新附加电流环中设计无功补偿环节，以辅助系统在低电压穿越期间运行于欠励磁状态。
[0062] 系统正常运行时， Igd、Igq都不为常值。此时电流环仅是以电流为中间量将电网电压和逆变器输出电压联系起来，作为跟随器起到传递信息的作用。因此，新附加电流环也可以作为跟随器，而不会改变VSG的原有特性。
[0063] 在电网出现扰动时，同步机的惯性反映了抑制这种扰动的能力，并且削减这种扰动产生的影响。本方案电流环的角度采用输入调制波uin的角度θin，这更利于表现VSG功角特性。电网电压vg用θin变换至d轴。
[0064] 如图5所示，若系统受到扰动使VSG虚拟转子位置角由θin增至θ″in，则电网电压相量vg在d″轴的投影V″g相对减小。此时，输出基波电势与电网电压间压差相对增大，使电网电流增加，系统输出的电磁功率增大，
制动性转矩增大。正如同步发电机的静态稳定性所示，这将抑制θ″in增大。同理，当系统受到扰动使VSG虚拟转子位置角减小时，系统同样具备相应的抑制能力。反之，若采用电网电压相量为d轴，当电网稳定而VSG受到上述扰动时，em在d轴的投影相对减小，制动性转矩相对减小，不利于系统稳定。综合上述分析，新附加电流环更易于传递VSG的静态稳定性。
[0065] 若低电压穿越期间VSG的转子角稳定在θ″in，电网电压矢量vg的投影移至d″轴，使vg的有功分量减小，无功分量增加，这有利于给容性无功支撑留下足够备用容量空间。并且电网电压下跌的瞬时性使vg在d″轴的投影瞬间急剧减小，这有利于提高系统的速动性，迅速反应电网状况。
[0066] 具体的，所述无功补偿支路具体为在附加电流环中计算q轴给定电流处加入分量，当系统判定处于电网稳定、电网扰动阶段时 当处于低电压穿越状态时，可由如下等式计算得到
[0067]
[0068] 若设定故障期间电网电流Ig为 可根据此时逆变器输出的有功功率计算出满足此电流倍数下所需的无功功率，进而提供相应无功支撑。
[0069] S5、检测到电网故障恢复的瞬间，在附加电流环中计算电流给定的PI环节处取消限幅，切除无功补偿支路，延时数个工频周期后取消VSG控制模块中新有功环和新无功环的保持作用，取消新下垂特性中屏蔽下垂特性响应作用；
[0070] 具体的，S5有助于在电网故障期间将VSG的电势、角频率保持在故障前的值。待故障恢复，延时数周期用以缓冲功率突变，抑制环间震荡。可见，电网故障恢复时，系统只需经过功角微调即可过渡至正常励磁状态，可大幅缩短暂态过程。
[0071] S6、电网故障恢复，VSG控制模块回到原设定状态并稳定运行。
[0072] 关于附加电流环还必须说明一点，不能因为计算电流给定处的PI能限幅，就在VSG中不进行S3、S4、S5操作。否则，在电网故障期间电网电流波形将发生畸变与不对称，在故障恢复后电流波形的畸变与不对称程度反而进一步加剧。这是因为在电网故障期间VSG内部的运行情况已经完全偏离设定情况，只是纯粹在用电流环完成限流，就算电网故障恢复VSG也已经无法回到设定运行状态。
[0073] 实施例2、基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制系统。下面结合图1至图6对本实施例提供的系统进行详细说明。
[0074] 参见图1至图6，基于励磁状态分析的虚拟同步发电机低电压穿越控制系统，所述系统包括:
[0075] 逆变器模块、滤波器模块、并网开关、电网模块、准同期算法模块、虚拟同步发电机控制模块、虚拟阻抗模块、附加电流环模块、SVPWM调制模块。
[0076] 所述逆变器模块、滤波器模块、并网开关、电网模块依次电连接。
[0077] 采集断路器前侧输出电压信号和断路器后侧电网模块的电压信号，将两个信号输入所述准同期算法模块，所述准同期算法模块的输出信号用于驱动所述并网开关。
[0078] 采集断路器前侧输出电压信号和电流信号并输入所述虚拟同步发电机控制模块，所述虚拟同步发电机控制模块的输出信号与所述虚拟阻抗模块的输出信号做差，并输入所述附加电流环模块，所述附加电流环模块与所述SVPWM调制模块连接，所述SVPWM调制模块用于驱动所述逆变器模块。
[0079] 所述VSG控制模块，由预同步算法、新下垂特性、新有功环和新无功环组成。
[0080] 所述附加电流环，由计算电流给定、基于旋转坐标系下的并网算法和无功补偿支路组成。
[0081] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由
权利要求及其等同物限定。
