一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法技术

本发明专利技术公开了一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，首先，根据新能源电源控制系统电流环的控制器输出刻画故障过程中的控制器工作状态；接着，根据故障暂态过程中的电流环控制响应，基于该控制响应解析故障后控制器饱和阶段的暂态电流；最后，根据所得暂态电流解析式，引入相应时间参数，并基于分段等值的方法实现电流环控制器饱和场景下的故障全暂态电流解析。本发明专利技术充分考虑了逆变电源控制系统电流环控制器的饱和特性，又避免了大量复杂运算，对逆变电源进行故障暂态电流解析计算时可以提高解析精度，实现了计及逆变电源控制器饱和时的故障暂态电流的精确解析。

【技术实现步骤摘要】
一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法
本专利技术涉及电力系统分析
，特别是涉及一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法。
技术介绍
新能源接入导致电力系统故障特性发生了根本性改变，在新能源送出侧存在保护配置的必要需求，尤其是基于新能源暂态波形时频信息的新原理型保护。然而现有变换设备故障分析方法侧重刻画基频稳态故障分量，忽略故障暂态，并且未深入涉及控制系统的非线性问题，难以满足新能源送出侧的保护需求。其关键症结在于故障暂态期间，逆变电源输出电流处于控制响应时间尺度，各个控制环节共同决定了时域电流特征，而复杂控制系统中饱和环节的存在，会导致变换器的暂态输出呈现显著的非线性特征。电流环PI控制器是调节闭环误差的重要环节，其故障暂态期间的响应将对逆变器输出电流起决定性作用，但是常规基于线性解析的短路电流分析方法在等值过程中往往忽略电流环控制器饱和特性在定量层面上对于暂态电流的影响，导致分析误差增大，并且缺乏考虑控制器饱和存在情况下的一般性解析结果，难以获得准确的电流表达式，因而对逆变电源的故障暂态电流特性分析不够充分，无法为新能源送出系统的保护新原理提供正确的理论研究基础及有效校验手段。因此，亟需研究在计及故障暂态电流环控制器饱和特性基础上求解逆变电源故障暂态电流的解析方法。专利技术目的本专利技术的目的即在于应对现有技术中存在的不足，提供一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法。本专利技术充分考虑了逆变电源控制系统电流环控制器的饱和特性，又避免了大量复杂运算，对逆变电源进行故障暂态电流解析计算时可以提高解析精度，实现了计及逆变电源控制器饱和时的故障暂态电流的精确解析。
技术实现思路
本专利技术提供了一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，包括以下步骤：步骤1、根据新能源电源控制系统电流环的控制器输出刻画故障过程中的控制器工作状态；步骤2、根据故障暂态过程中的电流环控制响应，基于该控制响应解析故障后控制器饱和阶段的暂态电流；步骤3、根据所得暂态电流解析式，引入相应时间参数，并基于分段等值的方法实现电流环控制器饱和场景下的故障全暂态电流解析。优选地，所述步骤1中，根据PI控制器输出f及饱和环节限值±M0对故障发生后电流环dq轴分量各自饱和环节的作用情况进行说明，如式(1)所示：所述q轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(2)所示：U≤0.9-M0/(kipKIN)(2)，式中，U表示并网点电压标幺值；kip为电流环的比例系数；K表示故障期间无功电流补偿系数；IN表示额定电流；当a1＝kip{{(AIN)2-[K(0.9-U)IN]2}0.5-BIN}≥M0，其中，A表示逆变器允许最大电流对于IN的倍数，B表示正常运行时的d轴电流对于IN的倍数；所述d轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(3)所示：式中，a2＝A2-[B+M0/(kipIN)]2，a3＝0.9-(a2)0.5/K；当a1≤-M0时，所述d轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(4)所示：式中，a4＝B-M0/(kipIN)，a5＝a2+4BM0/(kipIN)，a6＝0.9-(a5)0.5/K；优选地，所述步骤2中，逆变器端口到并网点之间的电气量之间存在如下如式(5)所示的关系：式中，v，u，i分别表示逆变器端口输出电压、并网点电压及并网电流，下标d，q表示对应dq轴分量，上标“*”表示相应的指令值；R和L分别为逆变器端口到并网点间的等效电阻与电感，ω为工频角速度；倘若以故障发生后q轴控制器受饱和上边界M0作用为例，此时逆变器的被调制电压指令与电流满足如式(6)所示的关系：消去式(5)和式(6)中的q轴逆变器端口电压，得到q轴电流环一阶动态响应，如式(7)所示：代入初始电流条件求解式(7)，其中表示故障时刻t0的前、后瞬间，可得故障后q轴控制器饱和阶段的暂态电流表达式如式(8)所示：优选地，所述步骤3中，当q轴控制器不饱和阶段的暂态电流表达式可由电流环二阶微分方程解得，具体如式(9)所示：PI控制器输出饱和场景下故障后的暂态过程，PI环节输出将从饱和工作状态，即饱和非线性区过渡至不饱和工作状态，即线性区，其中饱和非线性区的电流表达式与式(8)所示相同，线性区的电流表达式与式(9)所示相同，通过引入相应时间参数将两种工作状态进行组合，对控制器不同工作区域进行等值替代，得到如式(10)所示的暂态电流表达式：式中，时间参数tkq为饱和非线性区与线性区的时域分界点，即状态变化时刻；时间参数tmq的作用是保证tkq时刻电流值不发生突变；通过求解tkq与tmq得到最终的故障全暂态电流解析表达式如式(11)所示：式中，q；满足式(12)所示的方程：所述式(11)对dq轴均适用。附图说明图1为本专利技术实施例提供的计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所述典型逆变电源送出系统及其控制结构示意图；图3为本专利技术实施例所述电流环控制示意图；图4为本专利技术实施例所述考虑控制器饱和时解析电流与仿真电流对比；图5为本专利技术实施例所述考虑控制器饱和时解析电流与录波电流对比。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细说明。图1为本专利技术所提供的一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法的流程图，本专利技术提出了一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，包括以下步骤：步骤1、根据新能源电源控制系统电流环的控制器输出刻画故障过程中的控制器工作状态；在该步骤中，首先对逆变电源电流环控制器的工作状态进行分析，以此作为其对逆变电源暂态电流影响的理论基础。为从定量角度描述控制系统电流环的饱和非线性特征，以下利用并网点电压U描述故障后电流环dq轴分量PI控制器的实际输出情况。如图2所示为本专利技术实施例所述典型逆变电源送出系统及其控制结构示意图，其电流内环控制系统运行状态受如图3所示为本专利技术实施例所述电流环控制示意图中的PI环节输出量f及饱和环节的上下限边界值M0和-M0(实际中并不要求上下限边界值互为相反数)共同决定，对故障发生后电流环dq轴分量各自饱和环节的作用情况进行说明。首先确定控制系统的电流环指令，正常运行工况下dq轴控制电流指令如下式所示：故障后低电压穿越期间控制电流指令如下式所示：式中，i表示并网电流，下标d，q表示对应dq轴分量，上标“*”表示相应的指令值；K表示故障期间无功电流补偿系数；U表示并网点电压标幺值；IN表示额定电流；A表示逆变器允许最大电流对于IN的倍数，B表示正常运行时的d轴电流对于IN的倍数。电流环dq轴控制器的具体工作状态如式(1)所示：考虑到故本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、根据新能源电源控制系统电流环的控制器输出刻画故障过程中的控制器工作状态；/n步骤2、根据故障暂态过程中的电流环控制响应，基于该控制响应解析故障后控制器饱和阶段的暂态电流；/n步骤3、根据所得暂态电流解析式，引入相应时间参数，并基于分段等值的方法实现电流环控制器饱和场景下的故障全暂态电流解析。/n

【技术特征摘要】
1.一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据新能源电源控制系统电流环的控制器输出刻画故障过程中的控制器工作状态；
步骤2、根据故障暂态过程中的电流环控制响应，基于该控制响应解析故障后控制器饱和阶段的暂态电流；
步骤3、根据所得暂态电流解析式，引入相应时间参数，并基于分段等值的方法实现电流环控制器饱和场景下的故障全暂态电流解析。


2.根据权利要求1所述的一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，其特征在于，所述步骤1中，根据PI控制器输出f及饱和环节限值±M0对故障发生后电流环dq轴分量各自饱和环节的作用情况进行说明，如式(1)所示：



所述q轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(2)所示：
U≤0.9-M0/(kipKIN)(2)，
式中，U表示并网点电压标幺值；kip为电流环的比例系数；K表示故障期间无功电流补偿系数；IN表示额定电流；
当a1＝kip{{(AIN)2-[K(0.9-U)IN]2}0.5-BIN}≥M0，其中，A表示逆变器允许最大电流对于IN的倍数，B表示正常运行时的d轴电流对于IN的倍数；
所述d轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(3)所示：



式中，a2＝A2-[B+M0/(kipIN)]2，a3＝0.9-(a2)0.5/K；
当a1≤-M0时，所述d轴控制器输出饱和时的并网点电压范围如式(4)所示：



式中，a4＝B-M0/(kipIN)，a5＝a2+4BM0/(kipIN)，a6＝0.9-(a5)0.5/K。


3.根据权利要求2所述的一种计及逆变电源控制器饱和特性的故障暂态电流解析方法，其特征在于，所述步骤2中，逆变器端口到并网...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾科，刘浅，侯来运，杨彬，郑黎明，毕天姝，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11