基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法技术

一种基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，采用基于内电势定向的矢量控制策略，将并网点电压进行正负序分离；根据不对称故障场景调整控制环节，包括采用陷波器滤除逆变器输出功率中二倍频波动分量、无功

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法


[0001]本专利技术涉及电力系统继电保护
，特别是一种基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法。

技术介绍

[0002]在“双碳”目标下，以风光为代表的可再生能源实现快速发展。可再生能源大多通过电力电子装置接入电网，电力电子装置的大量接入使得系统惯量、阻尼降低，这对电网的稳定运行造成严重威胁。储能变流器由于其快充快放特性成为保障高渗透率电网稳定运行的重要举措之一。因此，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)技术及其在储能变流器中的应用控制技术得到了国内外学者的广泛关注。基于VSG技术的储能变流器拥有和同步发电机一样的稳定性，改善系统的惯性，有利于分布式电源接入电网。VSG模拟同步发电机的调频调压特性，通过引入转子运动方程可有效改善电力系统“双高”形态所带来的低惯量、弱阻尼现象。然而，VSG与同步发电机存在短路电流、能源来源、控制参数等诸方面的不同，因此用于研究同步机故障特性的方法难以适用于VSG。同时，VSG控制策略的复杂性导致故障电流的分析与提取变得复杂。故障特征分析是继电保护研究的前提与基础，因此有必要研究VSG的故障特性，以为新型电力系统继电保护整定计算提供理论参考。
[0003]VSG为一种构网型控制技术，构网型变流器常用电压源串阻抗模型描述，有文献基于此建立逆变器并网简化电路，研究发现电网电压对称跌落时，VSG输出的电流包括指数衰减的直流分量和幅值衰减的周期分量，但电压源串阻抗模型并未充分考虑控制环节的影响，不能很好地描述故障电流的暂态过渡过程；在此基础上，有文献基于VSG各环节控制方程和无功
‑
电压电路方程，建立电网对称短路时故障电流解析表达式，网侧不对称短路时VSG故障电流的暂态特性仍有待研究。
[0004]综上所述，现有研究方法的局限性体现在未充分计及控制环节的影响和未考虑不对称电压跌落场景两个方面，研究基于VSG技术的储能变流器故障电流暂态特性的工作仍需进一步完善。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，该方法充分考虑逆变器控制环节对故障电流暂态特征的影响，在进行逆变电源故障暂态电流解析计算时能够提高解析精度，实现了故障暂态电流的精确解析；同时，所提方法适用于对称故障和不对称故障。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术所述的一种基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]步骤1：采用基于内电势定向的矢量控制策略，将内电势定向于d轴，并将并网点电压进行正负序分离；
[0009]步骤2：根据不对称故障具体场景对控制环节进行调整，包括采用陷波器滤除逆变器输出功率中二倍频波动分量、无功
‑
电压环中基准电压由额定电压切换为并网点正序电压、平衡电流控制策略抑制负序；
[0010]步骤3：基于无功
‑
电压电路方程和无功
‑
电压控制方程，建立关于内电势的方程；
[0011]步骤4：根据虚拟阻抗环控制方程，计算故障前电流参考值并代入拉氏变换后的虚拟阻抗环控制方程，建立关于故障电流dq轴分量的方程；
[0012]步骤5：根据关于内电势的方程和关于故障电流dq轴分量的方程，构建内电势和故障电流的解析表达式。
[0013]优选为，所述步骤1进一步包含如下内容：
[0014]将有功
‑
频率环节输出相角θ
ref
定向于d轴建立dq旋转坐标系，故障前内电势d、q轴分量e
d
＝E0、e
q
＝0，E0为故障前内电势幅值，故障后e
d
＝E
ref
、e
q
＝0，E
ref
为无功
‑
电压环节输出内电势幅值；采集并网点电压U
abc
并进行正负序分离得到并网点正序电压U
+
，将故障前并网点电压U0和故障后并网点正序电压U
+
进行abc/dq坐标转化，故障前并网点电压U0的dq轴分量为u
d
(0)、u
q
(0)，故障后并网点正序电压U
+
的dq轴分量为同时，故障前并网点电压U0超前于d轴的角度δ0＝tan
‑1(u
q
(0)/u
d
(0))，故障前并网点电压U0与其d、q轴分量之间满足：u
d
(0)＝U0cosδ0、u
q
(0)＝
‑
U0sinδ0；故障后并网点正序电压超前于d轴的角度故障后并网点正序电压U
+
与其d、q轴分量之间满足：
[0015]优选为，所述步骤2进一步包含如下内容：
[0016]1)采用陷波器滤除逆变器输出功率P
e
、Q
e
中二倍频波动分量，无功
‑
电压控制方程中基准电压由额定电压切换为故障后并网点正序电压。调整后功率环控制方程为
[0017][0018]式中，θ
ref
、E
ref
为功率环输出内电势相位与幅值，P0、Q0为逆变器输出有功、无功功率平均分量，P
*
、Q
*
分别为有功、无功功率参考值，J、D、K、w、w
N
分别表示虚拟惯量、阻尼系数、无功电压积分系数、内电势角频率、额定角频率。其中，有功、无功功率参考值P
*
、Q
*
的值为
[0019][0020]式中，为故障前有功功率参考值，U
N
、I
N
分别为额定电压、额定电流，I
max
为逆变器所允许通过的最大电流，本专利技术取1.5I
N
。
[0021]2)通过对功率环进行调整，输出内电势三相平衡，欲得到正序参考电流，则需将并网点正序电压接入，即为平衡电流控制。采用平衡电流控制后虚拟阻抗环控制方程为
[0022][0023]式中，R
v
、L
v
为虚拟电阻、电抗，为正序电流参考值的d、q轴分量；
[0024]优选为，所述步骤3进一步包含如下内容：
[0025]由步骤2可知，需将逆变器输出功率的平均分量代入功率环。逆变器输出无功功率平均分量Q0的计算式为
[0026][0027]式中，为逆变器输出正序电流的d、q轴分量。
[0028]将式(4)代入式(1)中无功
‑
电压控制方程，并进一步求导可得
[0029][0030]由式(5)所示，与的解析式与内电势E
ref
的表达式密切相关。
[0031]优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用基于内电势定向的矢量控制策略，将内电势定向于d轴，并将并网点电压进行正负序分离；步骤2：根据不对称故障具体场景对逆变器控制环节进行调整：包括采用陷波器滤除逆变器输出功率中二倍频波动分量、无功
‑
电压环中基准电压由额定电压切换为并网点正序电压、平衡电流控制策略抑制负序；步骤3：基于无功
‑
电压电路方程和无功
‑
电压控制方程，建立关于内电势的方程；步骤4：根据虚拟阻抗环控制方程，计算故障前电流参考值并代入拉氏变换后的虚拟阻抗环控制方程，建立关于故障电流dq轴分量的方程；步骤5：根据关于内电势的方程和关于故障电流dq轴分量的方程，构建内电势和故障电流的解析表达式。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，其特征在于，所述步骤1进一步包含如下内容：将有功
‑
频率环节输出相角θ
ref
定向于d轴建立dq旋转坐标系，故障前内电势d、q轴分量e
d
＝E0、e
q
＝0，E0为故障前内电势幅值，故障后e
d
＝E
ref
、e
q
＝0，E
ref
为无功
‑
电压环节输出内电势幅值；采集并网点电压U
abc
并进行正负序分离得到并网点正序电压U
+
，将故障前并网点电压U0和故障后并网点正序电压U
+
进行abc/dq坐标转化，得故障前并网点电压U0的dq轴分量为u
d
(0)、u
q
(0)，故障后并网点正序电压U
+
的dq轴分量为同时，故障前并网点电压U0超前于d轴的角度δ0＝tan
‑1(u
q
(0)/u
d
(0))，故障前并网点电压U0与其d、q轴分量之间满足：u
d
(0)＝U0cosδ0、u
q
(0)＝
‑
U0sinδ0；故障后并网点正序电压超前于d轴的角度故障后并网点正序电压U
+
与其d、q轴分量之间满足：3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟同步机技术的储能变流器不对称故障解析方法，其特征在于，步骤2进一步包含如下内容：1)采用陷波器滤除逆变器输出有功、无功功率P
e
、Q
e
中二倍频波动分量，无功
‑
电压控制方程中基准电压由额定电压切换为故障后并网点正序电压；调整后功率环控制方程为：式中，θ
ref
、E
ref
为功率环输出内电势相位与幅值，P0、Q0为逆变器输出有功、无功功率平均分量，P
*
、Q
*
分别为有功、无功功率参考值，J、D、K、w、w
N
分别表示虚拟惯量、阻尼系数、无功电压积分系数、内电势角频率、额定角频率；其中，有功、无功功率参考值P
*
、Q
*
的值为：式中，为故障前有功功率参考值，U
N
、I
N
分别为额定电压、额定电流，I
max
为逆变器所允许通过的最大电流，本发明取1.5I
N
；
2)通过对功率环进行调整，输出内电势三相平衡，欲得到正序参考电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑涛，马英，王子鸣，曹虹，余越，张韵琦，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：