一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法技术

本发明专利技术涉及一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，包括下述步骤：步骤1、根据虚拟同步机的控制器，考虑双环控制，构建有功电流和无功电流方程；步骤2、考虑虚拟同步机的故障穿越策略对故障电流的影响，构建发生三相短路故障时的有功电流和无功电流方程；步骤3、根据得到的有功电流和无功电流方程，计算得到在dq坐标系下的故障电流。该方法有利于精确地获取故障电流。精确地获取故障电流。精确地获取故障电流。

【技术实现步骤摘要】
一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法


[0001]本专利技术属于电力系统故障分析
，具体涉及一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法。

技术介绍

[0002]随着分布式能源渗透率的逐渐上升，电力系统中同步发电机的装机比例相对下降，更为严重的是大量电力电子变流器的虚拟同步机变流器使新能源发电能够以类似同步发电机的方式接入电网，提高了电网对新能源的消纳能力，因此在大量新能源接入的电网中，虚拟同步机技术有广阔的应用前景。
[0003]短路电流解析是保护原理设计和保护动作性能验证的基础。由于变流器的短路电流解析较为复杂，针对变流器的短路电流分析主要通过电磁暂态仿真实现，但电磁暂态仿真无法获取准确的故障电流表达式，也难以穷尽所有工况。因此，有必要研究能精确描述故障电流特性的解析方法。
[0004]目前，现有技术针对并网变流器的故障电流解析集中于传统的跟网型变流器，与组网型的虚拟同步机有明显区别，其故障电流的特性也不尽相同，开展关于虚拟同步机的三相短路故障电流解析方法的研究是当务之急。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，该方法有利于精确地获取故障电流。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，包括下述步骤：
[0007]步骤1、根据虚拟同步机的控制器，考虑双环控制，构建有功电流和无功电流方程；
[0008]步骤2、考虑虚拟同步机的故障穿越策略对故障电流的影响，构建发生三相短路故障时的有功电流和无功电流方程；
[0009]步骤3、根据得到的有功电流和无功电流方程，计算得到在dq坐标系下的故障电流。
[0010]进一步地，所述步骤1的实现方法为：
[0011]虚拟同步机的双环控制即为电压电流双闭环控制，根据虚拟同步机的电压环控制，得到：
[0012][0013]式中，k
up
和k
ui
分别表示电压环的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，V
d
和 V
q
分别是虚拟同步机的输出电压在旋转坐标系下的d轴和q轴分量，C
f
为滤波电容的容值，w为虚拟同步机的角频率，i
dref
和i
qref
分别是VSG输出电流在旋转坐标系下d轴和 q轴分量的指
令值，即有功电流和无功电流的指令值；
[0014]由于流过滤波的电流很小，将其忽略不计，得到：
[0015][0016]根据KVL方程，虚拟同步机的输出电压、电网电压和线路阻抗满足以下关系：
[0017][0018]其中R和L分为虚拟同步机到并网点的线路电阻和电感，V
pccd
、V
pccq
为虚拟同步机的并网点电压在dq旋转坐标系下的投影，将代入得到：
[0019][0020]由于电流内环的响应速度特别快，假设VSG的输出的有功电流和无功电流能够准确跟随其参考值，电流内环可以被忽略，因此i
dref
＝i
d
，i
qref
＝i
q
，可得有功电流和无功电流的方程：
[0021][0022]进一步地，所述步骤2的实现方法为：
[0023]虚拟同步机的故障穿越策略包括限流策略和暂态稳定控制策略；所述限流策略为：在故障发生时，通过投入虚拟阻抗减小VSG的输出电压来限制故障电流，限流策略对故障电流的幅值有影响，而对推导故障电流解析表达式的过程无影响，因此，更改虚拟同步机到并网点的线路电阻R和电感L，而不考虑虚拟阻抗的影响；所述暂态稳定控制策略采用修改虚拟同步机的有功频率方程实现：在发生故障时，通过修改有功功率的指令值将不平衡转矩减小至0，因此，在确定故障电流过程中，认为w维持不变，E
d,qref
和V
pccd,q
在故障发生后跌落至一个固定值；
[0024]对式两端进行求导，得到：
[0025][0026]对进行简化：
[0027][0028]其中，
[0029][0030]进一步地，所述步骤3的实现方法为：
[0031]由式可得，电流二阶微分方程组中的dq轴电流分量无法完全解耦，为了求解令 m
×①
+n
×②
：
[0032][0033]注意到要构造新的变量来求解，m和n必须满足以下等式：
[0034][0035]令m＝1，解式(13)，得到n＝
±
j，构造新变量y1和y2：
[0036][0037]因此，式化为复数域下的二阶微分方程：
[0038][0039]该二阶微分方程的通解为：
[0040][0041]其中，C1,C2,C3和C4为待定的复数系数，根据电流和电流微分的初始值获取，然后得到有功和无功电流的表达式：
[0042][0043]由于电感电流在故障时刻不会突然改变，且E
qref
＝0，因此根据冲激函数平衡法，二阶微分方程的初始条件为：
[0044][0045]由式和得到故障电流在dq坐标系下的解析表达式，即可计算得到在dq坐标系下的故障电流。
[0046]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：提供了一种考虑故障穿越策略的双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，该方法考虑了双环控制和故障穿越策略，从而使故障电流的计算更精确。此外，针对有功电流和无功电流的二阶微分方程无法完全解耦导致不能求解的问题，采用构造新变量的方法将方程由时域转到复频域实现求解。
附图说明
[0047]图1是典型虚拟同步机变流器系统示意图；
[0048]图2是本专利技术实施例的方法实现流程图。
具体实施方式
[0049]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0050]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0051]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和 /或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0052]虚拟同步机与常规变流器控制的本质区别在于：虚拟同步机通过控制算法模拟同步发电机的运行机制和外特性，但仍保留了常规逆变器的控制环节。典型虚拟同步机变流器系统如图1所示。
[0053]虚拟同步机的外环控制器：主要由功率计算模块和虚拟同步机控制模块组成。功率计算值采用瞬时功率，在dq同步旋转坐标系下进行有功功率和无功功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1、根据虚拟同步机的控制器，考虑双环控制，构建有功电流和无功电流方程；步骤2、考虑虚拟同步机的故障穿越策略对故障电流的影响，构建发生三相短路故障时的有功电流和无功电流方程；步骤3、根据得到的有功电流和无功电流方程，计算得到在dq坐标系下的故障电流。2.根据权利要求1所述的一种双环控制型虚拟同步机三相短路故障电流确定方法，其特征在于，所述步骤1的实现方法为：虚拟同步机的双环控制即为电压电流双闭环控制，根据虚拟同步机的电压环控制，得到：式中，k
up
和k
ui
分别表示电压环的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，V
d
和V
q
分别是虚拟同步机的输出电压在旋转坐标系下的d轴和q轴分量，C
f
为滤波电容的容值，w为虚拟同步机的角频率，i
dref
和i
qref
分别是VSG输出电流在旋转坐标系下d轴和q轴分量的指令值，即有功电流和无功电流的指令值；由于流过滤波的电流很小，将其忽略不计，得到：根据KVL方程，虚拟同步机的输出电压、电网电压和线路阻抗满足以下关系：其中R和L分为虚拟同步机到并网点的线路电阻和电感，V
pccd
、V
pccq
为虚拟同步机的并网点电压在dq旋转坐标系下的投影，将代入得到：由于电流内环的响应速度特别快，假设VSG的输出的有功电流和无功电流能够准确跟随其参考值，电流内环可以被忽略，因此i
dref
＝i
d
，i
qref
＝i
q

【专利技术属性】
技术研发人员：邓超平，陈锦山，林文彬，祁琦，孙鑫，唐志军，林国栋，余斯航，刘龙辉，李兆祥，郭健生，李智诚，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：