一种提高逆变器暂态稳定性的增强型下垂控制方法

摘要

本发明公开了一种提高逆变器暂态稳定性的增强型下垂控制方法。采用将非定向轴电压分量作为反馈量引入下垂控制的方法，改变逆变器的虚拟功角特性，使逆变器在电流饱和的暂态过程中达到平衡，且在电流饱和时也可以实现电压定向，从而保证逆变器的暂态稳定性，避免其进入电流源模式而失去稳定。本发明避免其进入电流源失稳模式，且本发明方法不改变下垂控制的功率均分特性，其控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，如虚拟同步机等，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统的暂态稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对提高逆变器暂态稳定性的控制方法，尤其涉及了一种提高逆 变器暂态稳定性的增强型下垂控制方法。

背景技术

作为风电、光伏等分布式电源与储能设备的并网接口，逆变器的稳定性对电网的 安全稳定运行具有重要意义。下垂控制因可实现微电网中并联逆变器间的功率均分而得到 了广泛的应用，并且在弱网或者微网中，下垂控制逆变器可以为电网提供频率与电压支撑。 研究表明，由于逆变器内部的限流控制，在大干扰下逆变器会因为电流的限幅而褪变成一 个电流源，该特性使得逆变器的暂态失稳过程更为复杂。

目前，逆变器的稳定性研究主要集中于微网中逆变器的小干扰稳定性的研究，而 对其在大干扰下的暂态稳定性方面，已有研究指出，逆变器在大干扰下会因为内环的电流 饱和而发生虚拟功角暂态失稳。

发明内容

为了解决现有技术中含有三环控制(下垂控制—电压外环—电流内环)逆变器因 电流内环饱和而导致的逆变器虚拟功角容易失稳且稳定裕度会降低的技术问题，本发明提 出了一种提高逆变器暂态稳定性的增强型下垂控制方法，改变逆变器的虚拟功角特性，使 逆变器在电流饱和的暂态过程中具有可达的稳定平衡点，防止逆变器进入电流源模式后失 去暂态稳定。

如图1所示，本发明的技术方案采用以下技术方案：

本发明针对逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳问题，采用在下垂控制中加 入非定向轴电压分量反馈信号的方法，改变逆变器的虚拟功角特性且不影响下垂控制的功 率均分特性，使逆变器在电流饱和的暂态过程中达到预定的平衡点，防止逆变器进入电流 源模式后失去暂态稳定。

如图2所示，在逆变器的有功功率-频率下垂控制中引入非定向轴电压分量反馈信 号V_q(V_q同时也是电压环的控制输入量)，反馈量V_q的引入改变逆变器的虚拟功角特性，使逆 变器在电流饱和的情况下也可以实现电压定向，避免逆变器进入电流源模式运行后失去暂 态稳定。

所述虚拟功角δ′是通过对角速度差(ω^*-ω_g)积分获得，所述的逆变器的输出角速 度ω^*通过以下方式控制：

ω^*＝ω_g+K_P(P₀-P_E)+K_PLV_q

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_g是无穷大电网的角速度，K_P是正常下垂控制 时的下垂系数，P_E是逆变器输出有功功率的实际值，P₀是逆变器输出有功功率的给定值，K_PL是增强型下垂控制方法的稳定增强系数，V_q是逆变器输出电压的非定向轴电压分量(q轴分 量)。

增强型下垂控制的稳定增强系数K_PL，可以替换为特定的传递函数，使所述逆变器 的输出角速度ω^*通过以下方式控制：

ω^*＝ω_g+K_P(P₀-P_E)+f(s)V_q

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_g是无穷大电网的角速度，K_P是正常下垂控制 时的下垂系数，P_E是逆变器输出有功功率的实际值，P₀是逆变器输出有功功率的给定值，V_q是逆变器输出电压的非定向轴电压分量(q轴分量)，f(s)为拉式域下的传递函数表达式，可 表示为：

$f\left(s\right)=\frac{a_n{s}^n+a_{n-1}{s}^{n-1}+B+a_{1}s+a_0}{b_m{s}^m+b_{m-1}{s}^{m-1}+B+b_{1}s+b_0}$

其中，a₀,a₁,A,a_n,b₀,b₁,Ab_m是传递函数f(s)的系数，s表示复数域频率，m、n表示 为复数域频率的阶数，a₀≠0，b₀≠0。

f(s)是超前滞后调节器的形式、一阶惯性滤波器的形式或者其他各类滤波器的形 式。

本发明中将稳定增强系数K_PL替换为特定的传递函数是出于进一步改善系统动态 性能的考虑，无论反馈项中是采用稳定增强系数K_PL或是采用传递函数f(s)与非定向轴电压 分量反馈信号V_q相乘的形式，都可以改变逆变器的虚拟功角特性，避免逆变器进入电流源 模式运行后失去暂态稳定。

本发明的有益效果是：

本发明解决了逆变器电流内环饱和导致的虚拟功角失稳的技术问题，通过在下垂 控制中加入非定向轴电压分量反馈信号，改变逆变器的虚拟功角特性，使逆变器在电流饱 和的暂态过程中达到预定的平衡点，防止逆变器进入电流源模式后失去暂态稳定，并且方 法不影响下垂控制的功率均分特性。

本发明控制方法也可应用于其他采用双环控制的逆变器，如虚拟同步机等，也可 进一步推广应用于多机被动孤网、孤网大负荷投切等大干扰场景，提高系统的暂态稳定性。

附图说明

图1为本发明的单逆变器并入无穷大电网的系统控制结构图。

图2为本发明中针对提高逆变器暂态稳定性提出的增强型下垂控制框图(含稳定 增强系数K_PL)。

图3为本发明中针对提高逆变器暂态稳定性提出的增强型下垂控制框图(将稳定 增强系数K_PL替换为传递函数f(s))。

图4为本发明示例中采用传统下垂控制时逆变器的虚拟功角特性曲线。

图5为本发明示例中采用增强型下垂控制时逆变器的虚拟功角特性曲线。

图6为实施例仿真验证中采用增强型下垂控制时逆变器虚拟功角轨迹图。

图7为实施例仿真验证中采用增强型下垂控制时逆变器输出电压幅值曲线。

图8为实施例仿真验证中采用增强型下垂控制时逆变器输出有功功率曲线。

图9为实施例仿真验证中采用增强型下垂控制时逆变器输出无功功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的原理如下：

逆变器经常采用“功率下垂-电压外环-电流内环”的三环控制器以在弱电网或微 电网中实现无通讯的功率均分以及电压和频率支撑。在电压电流控制中常采用基于Park变 换的矢量控制。其中，电压外环设定电压q轴分量V_q的给定值为零，使逆变器的输出电压综 合矢量定位在d轴上。典型结构如图1所示，部分变量的定义及物理意义如下表1所示。

表1本发明附图中部分系统变量的符号定义与说明

在dq坐标下，图1中逆变器的状态方程为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_d-U_d=L_{\Sigma }\frac{{\mathrm{dI}}_d}{dt}-X_{\Sigma }{I}_q+R_{\Sigma }{I}_d\\ V_q-U_q=L_{\Sigma }\frac{{\mathrm{dI}}_q}{dt}+X_{\Sigma }{I}_d+R_{\Sigma }{I}_q\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，L_Σ为线路电感，其余变量的定义及物理意义如附录表1所示。

无功功率—电压下垂控制方程如式(2)所示，将有功功率—频率下垂方程写为式 (3)的形式，其中V为逆变器输出电压综合矢量的幅值。

V-V₀＝k_Q×(Q₀-Q_E)(2)

Δω＝ω^*-ω_g＝k_P×(P₀-P_E)(3)

令δ′为d轴与无穷大电网的电压矢量间的夹角，它可看成是逆变器的功角，也即 虚拟功角。结合式(2)可得：

本发明主要分析在大干扰下，虚拟功角δ′的运动变化。为此，对逆变器的电磁暂态 过程与控制的暂态响应过程作简化：

假设1：不考虑系统中的谐波分量与负序、零序分量；

假设2：稳态下逆变器输出电压矢量定位在d轴，且以单位功率因素运行；

假设3：不计线路与滤波电感的电阻，不考虑滤波电感与线路的电磁暂态，

即并忽略LCL滤波器中的电容电流影响；

假设4：考虑逆变器的内环控制带宽足够大，从而可不计逆变器的控制中电流内环 的暂态过程，即认为电流内环的给定值等于实际值；

假设5：不考虑Q-V下垂导致电压降低的情况，认为(即逆变器输出电压幅值 为V₀)；

逆变器输出功率表达式为：

其中，Re()表示取括号内矢量的实部。

上述推导没有考虑逆变器输出电流的限幅控制，故由上式得到的是逆变器输出电 流不饱和时的虚拟功角特性曲线(本发明中简称为“非饱和虚拟功角曲线”)，如图4所示，在 [0,π]中存在A和B两个平衡点，其中A点是稳定平衡点，B点是不稳定平衡点。

由于过电流会导致逆变器损坏，因此常在控制中对逆变器的输出电流幅值进行限 制。常用的逆变器电流限幅方式有d,q轴电流比例限幅和d,q轴电流动态限幅。假定逆变器 采用d轴电流优先的限幅方式(若采用其它的限幅方式，其分析过程和方法也类似)。

为分析d,q轴电流动态限幅方式下系统的大干扰稳定问题，记d轴电压外环的PI调 节器输出为q轴为在d轴电流优先的限幅方式下，限幅环节的 电流给定输出信号为：

$I_d^{*}=\left(\begin{array}{c}{I}_d^{**},I_d^{**}\le I_{\max }\\ I_{\max },I_d^{**}>I_{\max }\end{array}\right)---\left(6\right)$

$I_q^{*}=\left(\begin{array}{c}{I}_q^{**},I_{\mathrm{ma}g}\le I_{\max }\\ \sqrt{{\left(I_{\max }\right)}^2-{\left(I_d^{**}\right)}^2}\\ 0,I_d^{**}>I_{\max }\end{array}\right),(I_{\mathrm{ma}g}>I_{\max })\cap (I_d^{**}\le I_{\max })---\left(7\right)$

由式(6)和(7)可以看出：当I_mag≤I_max时，限幅调节不起作用；当I_mag>I_max时，有： d轴电流优先的限幅方式可以使I_d保持优先增大并达到I_max。

当电流达到了最大值时(根据假设4可知，此时对应电流参考值达到上限)，此时逆 变器将褪变成一个电流源。因此，考虑饱和后逆变器的输出功率为：

其中，P_sm表示输出电流饱和时逆变器输出有功功率的最大值。

由式(8)可得逆变器电流饱和下的虚拟功角特性曲线(由于考虑了逆变器电流饱 和，故本发明中称之为“饱和虚拟功角曲线”)，如图4所示，在[-π,π]中存在C和D两个平衡 点，其中C点是稳定平衡点，D点是不稳定平衡点。

考虑本发明提出方法后，下垂控制方程变为：

$P_E^{\prime }=P_E-\frac{K_{PL}}{K_P}{V}_q---\left(10\right)$

其中，ω^*是逆变器输出的角速度，ω_g是无穷大电网的角速度，K_P是正常下垂控制 时的下垂系数，P_E是逆变器输出有功功率的实际值，P₀是逆变器输出有功功率的给定值，K_PL是增强型下垂控制方法的稳定增强系数，V_q是逆变器输出电压的非定向轴电压分量(q轴分 量)。

其控制框图的实现可参见图2与图3

根据虚拟功角的定义，可将逆变器的非定向轴电压分量写为：

因此，在增强型下垂控制的作用下，逆变的非饱和虚拟功角特性变为：

其饱和虚拟功角特性变为：

其中，

图5给出了由(12)与(13)所确定的逆变器的在增强型下垂控制下的非饱和与饱和 虚拟功角特性曲线。当电流未饱和时，A为逆变器的稳定平衡点，当电流饱和时，A’为逆变器 的稳定平衡点。可以看出，应用增强型下垂控制后，逆变器的稳定裕度增加，在电流饱和的 暂态过程中具有可达的稳定平衡点，从而可以防止逆变器进入电流源运行模式后发生暂态 失稳。

本发明的具体实施例如下：

实施例以单逆变器并入无穷大系统(如图1所示)为例，以单机无穷大系统进行仿 真，电流采用d轴电流优先的限幅方式，其限幅值为I_max＝1.05，仿真使用的其余参数见表2。 逆变器以P₀＝0.7启动，在t＝2s时，外界电网电压从跌落至并 在t＝5s时恢复至以传统的下垂控制作为对照组，测试所提出的提高逆变器 暂态稳定性的增强型下垂控制方法的有效性。

表2实施例仿真验证中部分系统变量的参数值

当采用针对提高逆变器暂态稳定性的增强型下垂控制方法时，图6—图9给出了使 用该控制方法的仿真波形，以及与对照组的比较。

普通下垂控制与增强型下垂控制下逆变器的虚拟功角轨迹如图6所示，可以看到， 普通下垂控制下的逆变器在大干扰下由于进入电流源模式而发生失稳，在故障切除后仍继 续失稳；而增强型下垂控制下的逆变器在电流饱和的暂态过程中可以到达稳定的平衡点， 且故障切除后可以回到原来的运行点。

暂态过程中逆变器电压幅值，有功功率与无功功率的变化如图7—图9所示，可看 到，在增强型下垂控制的作用下，电流饱和的暂态过程中逆变器的各物理量均可以达到稳 态值，而在普通下垂控制下，暂态过程中逆变器的各物理量处于振荡状态中，没有达到稳态 值。

由此，基于在普通下垂控制的作用下逆变器将因为电流的限幅而使稳定裕度下降 的研究，本发明分析了普通下垂控制方法下逆变器的虚拟功角特性，然后通过改变逆变器 的虚拟功角特性，使其在电流饱和的暂态过程中到达稳定的平衡点，避免逆变器进入电流 源运行模式后发生暂态失稳，具有突出显著的技术效果，而且本方法不改变下垂控制的功 率均分特性。

根据逆变器失稳的机理，本发明方法也可应用于其他采用电压外环-电流内环(双 环控制)的逆变器，如虚拟同步机等，也可进一步推广运用于多机被动孤网、孤网大负荷投 切等大干扰场景，提高系统暂态稳定性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。