用于电网形成基于逆变器的资源的虚拟阻抗电流限制控制制造技术

一种用于在电网事件期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源(IBR)的方法包括在电网事件前基于第一虚拟阻抗参考操作IBR，第一虚拟阻抗参考用于确定IBR的第一虚拟阻抗，第一虚拟阻抗限定第一虚拟电抗和第一虚拟电阻。方法还包括接收电网事件的开始的指示，电网事件引起第一虚拟阻抗参考到第二虚拟阻抗参考的变化。紧接第一虚拟阻抗参考的变化后，方法包括激活软激活模块以用于输出限定第二虚拟电抗和第二虚拟电阻的第二虚拟阻抗，其将第二虚拟阻抗的幅值保持处于或高于第二虚拟阻抗参考的幅值，以减小基于逆变器的资源中的电流。在激活软激活模块后的某个时间周期，该方法包括将第二虚拟电抗和第二虚拟电阻转变成由变化限定的虚拟电抗和虚拟电阻。由变化限定的虚拟电抗和虚拟电阻。由变化限定的虚拟电抗和虚拟电阻。

【技术实现步骤摘要】
用于电网形成基于逆变器的资源的虚拟阻抗电流限制控制
[0001]本专利技术是在由美国能源部(DOE)授予的合同号DE
‑
EE0009024下利用政府支持完成的。政府在本专利技术中具有某些权利。


[0002]本公开一般涉及基于逆变器的资源(诸如风力涡轮发电机)，以及更特别涉及用于在电网事件期间使用虚拟阻抗来控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的系统和方法。

技术介绍

[0003]风功率被认为是目前可获得的最清洁、最为环境友好的能量源之一，以及风力涡轮在这个方面已经受到越来越多关注。现代风力涡轮通常包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知翼型件原理来捕获风的动能。例如，转子叶片通常具有翼型件的截面轮廓，使得在操作期间，空气在叶片之上流动，从而产生侧面之间的压力差。因此，从压力侧朝吸入侧引导的升力作用于叶片上。升力在主转子轴上生成转矩，所述主转子轴通常被连到发电机以用于产生电力。
[0004]能够以下列两种类型来区分风力涡轮：固定速度和可变速度涡轮。常规地，可变速度风力涡轮作为连接到功率电网的电流源而被控制。换言之，可变速度风力涡轮依靠由锁相环路(PLL)所检测的电网频率作为参考，并且将指定量的电流注入到电网中。风力涡轮的常规电流源控制基于以下假设：电网电压波形是具有固定频率和幅值的基本电压波形，并且风功率到电网中的渗透足够低，以便不引起对电网电压幅值和频率的扰动。因此，风力涡轮基于基本电压波形简单地将所指定的电流注入到电网中。但是，随着风功率的快速增长，到一些电网中的风力渗透已经增加到风力涡轮发电机对电网电压和频率具有显著影响的程度。当风力涡轮位于弱电网中时，风力涡轮功率波动可导致电网电压中的幅值和频率变更中的增加。这些波动可不利地影响PLL和风力涡轮电流控制的性能和稳定性。
[0005]此外，许多现有可再生生成转换器(诸如双馈风力涡轮发电机)以“电网跟随”模式进行操作。电网跟随类型装置利用快速电流调节环路来控制与电网所交换的有功和无功功率。更具体来说，图1示出电网跟随双馈风力涡轮发电机的主电路和转换器控制结构的基本元件。如所示出的，对转换器的有功功率参考由能量源调节器(例如，风力涡轮的涡轮控制部分)形成。这作为表示在那个时刻来自能量源的最大可获得功率中的较小者的转矩参考或来自更高级电网控制器的缩减命令来传达。转换器控制然后确定电流的有功分量的电流参考以实现期望转矩。相应地，双馈风力涡轮发电机包括以导致电流的无功分量的命令的方式来管理电压和无功功率的功能。宽带宽电流调节器然后形成将由转换器施加到系统的电压的命令，使得实际电流紧密地跟踪命令。
[0006]备选地，电网形成(GFM)基于逆变器的资源(IBR)充当阻抗后面的电压源，并且提供电压源特性，其中电压的角和幅值被控制成实现由电网所需的调节功能。术语IBR是指一种逆变器，所述逆变器将直流(dc)转换成交流(ac)，并且可用来将任何能量源与ac功率系统通过接口连接。能量源能够可能包括但不限于可再生源(诸如太阳能光伏阵列、风力涡
轮、电池能量存储系统(BESS)、超级电容器)或者基于化石燃料的源(诸如柴油或天然气发电机组、STATCOM、HVDC VSC)或者被绑定到dc网络的这些能量源的任何组合。此外，术语“电网形成IBR”一般被限定为IBR，所述IBR采用本地控制器以快速时标来“刚性地”调节(1)本地ac电压幅值以及(2)本地ac频率(或相位角)两者。换言之，本地控制器电压调节和频率(或相位)调节环路的响应时间被假定为远低于100毫秒(ms)。电压和频率(或相位)调节环路的扰动抑制和/或反馈控制性能是充分高带宽(或“刚性”)的，使得电压和频率在整个大约100ms的滑动时间窗口面对意外电网事件仅适度地变化。
[0007]另外，GFM IBR的阻抗通常由系统的诸如电抗器、变压器或旋转机器阻抗之类的硬件规定。利用这个结构，电流将根据电网的需求进行流动，同时转换器促成建立用于电网的电压和频率。这个特性与基于驱动同步机器的涡轮的常规发电机是可比的。因此，电网形成源必须包括以下基本功能：(1)支持设备的额定值之内的任何电流流动的电网电压和频率(实际和无功两者)；(2)通过允许电网电压或频率发生变化而不是断开设备(仅当电压或频率超出由电网实体建立的界限时才允许断开)来防止超出设备电压或电流能力的操作；(3)对任何电网配置或负载特性保持稳定，包括服务于隔离的负载或者与其他电网形成源连接，并且在这类配置之间进行切换；(4)在连接到电网的其他电网形成源之中共享电网的总负载；(5)穿越电网扰动(主要和次要两者)；以及(6)满足要求(1)
‑
(5)，而不要求与电网中存在的其他控制系统的快速通信或者与电网配置变化相关的外部创建的逻辑信号。
[0008]用来实现以上电网形成目标的基本控制结构在20世纪90年代初为电池系统被开发和现场证明(参见例如标题为“Battery Energy Storage Power Conditioning System”的美国专利No.5798633)。在美国专利No.7804184(标题为“System and Method for Control of a Grid Connected Power Generating System”)和美国专利No.9270194(标题为“Controller for controlling a power converter”)中公开对全转换器风力发电机和太阳能发电机的应用。在PCT/US2020/013787(标题为“System and Method for Providing Grid
‑
Forming Control for a Doubly
‑
Feb Wind Turbine Generator”)中公开对双馈风力涡轮发电机的电网形成控制的应用。
[0009]特别是，连接到电网的全转换电网形成基于逆变器的资源的简单电路在图2中示出，其中电压E1和角δ1反映由电网形成资源合成的量，以及X
term
是电网形成资源的电抗。系统中的稳态功率流由以下关系表征：
[0010]由电网形成资源生成的功率取决于外部电网电压(V
thev
)和电网阻抗(X
thev
)，它们一般是未知和正在变化的。因此，对于常规系统，电网形成资源的控制实际上通过针对局部测量的电压和角(V
T
和θ
T
)控制电压源而被实现。因此，有功功率等式能够写作如下：其中，δ
1T
反映电网形成资源物理电压角与局部测量的角之间的差。因此，系统的有功功率动力学与系统的阻抗相关如下：dP
T
/dδ
1T
α 1/X
term
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式(3)
[0011]现在参照图3，示出用于控制基于逆变器的资源的有功功率和电压的示意图。如所示出的，输出E1反映期望本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在电网事件期间控制连接到功率电网的基于逆变器的资源的方法，所述方法包括：经由控制器在所述电网事件之前基于第一虚拟阻抗参考来操作所述基于逆变器的资源，所述第一虚拟阻抗参考由所述控制器用于确定所述基于逆变器的资源的第一虚拟阻抗，所述第一虚拟阻抗限定第一虚拟电抗和第一虚拟电阻；经由所述控制器接收所述电网事件的开始的指示，所述电网事件引起所述第一虚拟阻抗参考到第二虚拟阻抗参考的变化；紧接所述第一虚拟阻抗参考的所述变化之后，激活软激活模块，以用于输出限定第二虚拟电抗和第二虚拟电阻的第二虚拟阻抗，所述第二虚拟电阻将所述第二虚拟阻抗的幅值保持处于或高于所述第二虚拟阻抗参考的幅值，以便减小所述基于逆变器的资源中的电流；以及在激活所述软激活模块之后的某个时间周期，经由所述控制器将所述第二虚拟电抗和所述第二虚拟电阻转变成由所述变化限定的虚拟电抗和虚拟电阻。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一虚拟阻抗和所述第二虚拟阻抗各自限定以下中的至少一个的集合：幅值和相位角或者电阻和电抗分量，并且其中所述第一虚拟阻抗参考和所述第二虚拟阻抗参考各自限定以下的集合中的至少一个：参考幅值和参考相位角或者虚拟电阻参考和虚拟电抗参考。3.如权利要求2所述的方法，进一步包括确定作为虚拟电感参考和频率值的乘积的虚拟电抗参考，所述频率值是以下中的一个：由所述基于逆变器的资源所命令的频率或者系统频率的静态或动态估计。4.如权利要求2所述的方法，其中，激...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：