计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法技术

本发明专利技术公开了计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态稳定性分析及控制方法。目前关于大干扰下虚拟同步机的暂态稳定性的研究方法在电网发生对称短路故障时并不适用，本发明专利技术通过建立电网对称故障前、故障中和故障后的系统等效模型，通过分析计及虚拟同步机饱和特性的条件下的暂态稳定机理和失稳过程，得出系统暂态稳定的主要影响因素为功角的大小，并在此基础上提出了相应措施，有效抑制了暂态能量，提高了系统的暂态稳定性。

Symmetrical fault transient control method considering the saturation characteristic of virtual synchronous machine

The invention discloses a symmetrical fault transient stability analysis and control method considering the saturation characteristic of the virtual synchronous machine. At present, the research method of transient stability of the virtual synchronizer under large interference is not applicable when the power grid is symmetrical short circuit fault. By establishing the equivalent model of the system before, after and after the fault, the mechanism of transient stability and the loss of the transient stability under the condition of the saturation of the virtual synchronizer are analyzed. The main factors affecting the transient stability of the system are the size of the power angle, and on this basis, the corresponding measures are put forward to effectively suppress the transient energy and improve the transient stability of the system.

【技术实现步骤摘要】
计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法
本专利技术涉及分布式发电及电力电子
，尤其涉及一种计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法。
技术介绍
传统电网的大多数电力是由大型同步发电机提供的，由于同步发电机转子具有机械转动惯量，可蕴含大量动能，在电网发生扰动或故障时，能够利用转子的动能与电网进行能量交换，以维持电网的稳定性。但近年来，随着新能源发电技术的发展，以逆变器为主要接口的分布式电源得到了越来越广泛的应用，与传统电力系统中的同步发电机相比，逆变器几乎不具有转动惯量，难以为系统提供必要的惯性和阻尼支撑，电网的安全稳定运行问题愈发严峻。虚拟同步机通过模拟同步发电机的本体模型、有功调频以及无功调压等特性，使逆变器从运行机制和外特性上都可与传统同步发电机相媲美。因此，虚拟同步机控制的逆变器具有与同步发电机相似的功角特性，同样存在功角稳定问题。目前对于虚拟同步机稳定性研究主要集中于小干扰稳定性研究，对其在大干扰下的暂态稳定问题研究相对较少。题为“下垂控制逆变器的虚拟功角稳定机理分析”，《电力系统自动化》，2016年第12期117～123页和题为“提高下垂控制逆变器虚拟功角暂态稳定性的控制方法”，《电力系统自动化》，2017年第12期56～62页的文章，通过定义逆变器的虚拟功角，分别得出逆变器电流未饱和时的虚拟功角特性和电流饱和下的虚拟功角特性，在此基础上分析了逆变器的虚拟功角同步稳定机理和失稳过程，并提出了相应控制策略，但这两篇文章中分析的大干扰来自外界电压幅值跌落，且认为虚拟同步机输出电压Vo在大干扰下也能始终维持不变，而当线路发生短路故障时该分析方法并不适用；另外，在实际情况中分布式电源往往会连接到低压或中压网络中，其线路中的阻性分量不可忽略，而文中并未考虑线路电阻的影响，只分析了纯感性输电线路下的功角稳定性。题为“SynchronousInstabilityMechanismofP-fDroop-ControlledVoltageSourceConverterCausedbyCurrentSaturation”，IEEETRANSACTIONSONPOWERSYSTEMS，VOL.31,NO.6,NOVEMBER2016(电压型下垂控制逆变器电流饱和下的同步失稳机制，IEEE电力系统汇刊，2016年第31卷第6期5206～5207页)的文章，指出了并网逆变器在电流限幅的条件下容易发生暂态失稳的问题，但对于逆变器的暂态失稳原因以及失稳过程缺乏深入分析，且其采用的并网模型中也并未考虑线路电阻的影响，其得出的逆变器饱和时的功角曲线在对称故障时并不适用。题为“电网对称故障下虚拟同步发电机建模与改进控制”，《中国电机工程学报》，2017年第37卷第2期403～411页的文章，通过分析对称故障时的故障电流的基本特征和影响因素提出了一种故障电流限制方法，但其在对虚拟同步机进行暂态稳定性分析时沿用了传统同步发电机的功率特性，虚拟同步机作为电力电子装置没有同步发电机的强过载能力，不能提供短路电流，传统电力系统中的暂态稳定性分析方法不适用于虚拟同步机。综合以上文献，现有的针对大干扰下的虚拟同步机暂态功角稳定性研究存在以下不足：1)分析中忽略了线路电阻的影响，只分析了纯感性输电线路下的功角稳定性，较为理想化；2)大干扰主要来自外界电压幅值跌落，而当线路上发生对称短路故障时该种分析方法并不适用；3)忽略了虚拟同步机无功-电压下垂调节导致的电压降低，即认为虚拟同步机输出电压Vo维持不变，但实际上由于限幅环节的存在，故障过程中电压跌落较大，不可忽略，且在切除故障之后，虚拟同步机输出电压Vo的回升过程也会影响系统的暂态能量及其稳定性。
技术实现思路
本专利技术公开了计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态稳定性分析及控制方法。目前关于大干扰下虚拟同步机的暂态稳定性的研究方法在电网发生对称短路故障时并不适用，本专利技术通过建立电网对称故障前、故障中和故障后的系统等效模型，在计及虚拟同步机饱和特性的条件下分析了暂态稳定机理和失稳过程，得出系统暂态稳定的影响因素为功角的大小，并在此基础上提出了相应措施，有效抑制了暂态能量，提高了系统的暂态稳定性。为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法，包括以下步骤：步骤1、设置线路对称短路故障点f及故障区间[t1,t2]；步骤2、根据虚拟同步机额定容量S计算其额定电流有效值IN：其中，UN为虚拟同步机额定电压有效值；步骤3、根据步骤2中求得的虚拟同步机额定电流有效值IN设定虚拟同步机输出电流指令限幅值IM，IM＝(1.1～1.3)IN；步骤4、根据步骤3中的虚拟同步机输出电流指令限幅值IM确定对称短路故障中虚拟同步机输出有功功率Pf：Pf＝3·|IM|2·R1其中，R1为虚拟同步机到故障点f的等效电阻；步骤5、采样虚拟同步发电机三相输出电流ia,ib,ic，虚拟同步发电机三相输出电压ua,ub,uc，虚拟同步发电机滤波电感三相电流iLa,iLb,iLc，并计算虚拟同步发电机输出的有功功率Pe和无功功率Qe，所述虚拟同步发电机输出的有功功率Pe和无功功率Qe的计算式分别为：Pe＝uaia+ubib+ucic步骤6、设虚拟同步机初始有功功率参考值为Pref，虚拟同步机无功功率的参考值Qref＝0，根据虚拟同步机的转子运动方程和无功-电压下垂调节得到故障前虚拟同步发电机内电势幅值指令E和内电势相位δ，所述虚拟同步发电机内电势幅值E和内电势相位δ的计算式分别为：E＝Eref-n(Qref-Qe)；其中，Eref为输出线电压的参考值，n为无功功率的下垂系数，J为虚拟同步发电机的转动惯量；ω为虚拟同步发电机输出的角速度，ω0为额定角速度；m为有功功率的下垂系数；比较虚拟同步机初始有功功率参考值Pref和对称短路故障中虚拟同步机输出有功功率Pf的数值，若Pref≠Pf，在故障开始时刻t1，将虚拟同步机初始有功功率参考值Pref的数值更新为虚拟同步机故障中有功功率参考值为Pref’的数值，其中虚拟同步机故障中有功功率参考值Pref’的数值范围限定如下：若Pref＜Pf，Pref’∝(Pf，S)；若Pref＞Pf，Pref’∝(0，Pf)；步骤7、将步骤5中采样得到的虚拟同步发电机三相输出电压ua,ub,uc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到虚拟同步发电机输出电压d轴分量ud和输出电压q轴分量uq，将步骤5中采样得到的虚拟同步发电机滤波电感三相电流iLa,iLb,iLc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到虚拟同步发电机滤波电感电流d轴分量iLd和滤波电感电流q轴分量iLq；虚拟同步发电机输出电压d轴分量ud和输出电压q轴分量uq表达式为：虚拟同步发电机滤波电感电流d轴分量iLd和滤波电感电流q轴分量iLq表达式为：其中，t为虚拟同步机运行时间；步骤8、将步骤6中得到的虚拟同步机内电势幅值指令E和步骤7中得到的虚拟同步发电机输出电压d轴分量ud经过d轴电压闭环控制方程，得到虚拟同步发电机输出电压滤波电感电流d轴指令值iLdref；令虚拟同步机输出电压的q轴指令值uqref＝0，将其和步骤7中得到的虚拟同步发电机输出电压q轴分量uq经过q轴电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1、设置线路对称短路故障点f及故障区间[t1,t2]；步骤2、根据虚拟同步机额定容量S计算其额定电流有效值IN：

【技术特征摘要】
1.一种计及虚拟同步机饱和特性的对称故障暂态控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1、设置线路对称短路故障点f及故障区间[t1,t2]；步骤2、根据虚拟同步机额定容量S计算其额定电流有效值IN：其中，UN为虚拟同步机额定电压有效值；步骤3、根据步骤2中求得的虚拟同步机额定电流有效值IN设定虚拟同步机输出电流指令限幅值IM，IM＝(1.1～1.3)IN；步骤4、根据步骤3中的虚拟同步机输出电流指令限幅值IM确定对称短路故障中虚拟同步机输出有功功率Pf：Pf＝3·|IM|2·R1其中，R1为虚拟同步机到故障点f的等效电阻；步骤5、采样虚拟同步发电机三相输出电流ia,ib,ic，虚拟同步发电机三相输出电压ua,ub,uc，虚拟同步发电机滤波电感三相电流iLa,iLb,iLc，并计算虚拟同步发电机输出的有功功率Pe和无功功率Qe，所述虚拟同步发电机输出的有功功率Pe和无功功率Qe的计算式分别为：Pe＝uaia+ubib+ucic步骤6、设虚拟同步机初始有功功率参考值为Pref，虚拟同步机无功功率的参考值Qref＝0，根据虚拟同步机的转子运动方程和无功-电压下垂调节得到故障前虚拟同步发电机内电势幅值指令E和内电势相位δ，所述虚拟同步发电机内电势幅值E和内电势相位δ的计算式分别为：E＝Eref-n(Qref-Qe)；其中，Eref为输出线电压的参考值，n为无功功率的下垂系数，J为虚拟同步发电机的转动惯量；ω为虚拟同步发电机输出的角速度，ω0为额定角速度；m为有功功率的下垂系数；比较虚拟同步机初始有功功率参考值Pref和对称短路故障中虚拟同步机输出有功功率Pf的数值，若Pref≠Pf，在故障开始时刻t1，将虚拟同步机初始有功功率参考值Pref的数值更新为虚拟同步机故障中有功功率参考值为Pref’的数值，其中虚拟同步机故障中有功功率参考值Pref’的数值范围限定如下：若Pref＜Pf，Pref’∝(Pf，S)；若Pref＞Pf，Pref’∝(0，Pf)；步骤7、将步骤5中采样得到的虚拟同步发电机三相输出电压ua,ub,uc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到虚拟同步发电机输出电压d轴分量ud和输出电压q轴分量uq，将步骤5中采样得到的虚拟同步发电机滤波电感三相电流iLa,iLb,iLc进行三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到虚拟同步发电机滤波电感电流d轴分量iLd和滤波电感电流q轴分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，管玮琦，李明，张行，张海峥，谢震，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34