弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究_王晓寰.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 3 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.3Mar.2023收稿日期:2022-03-27基金项目:国家自然科学基金项目(52077191、62003297)作者简介:王晓寰(1980-),女,河北籍,教授,博士,研究方向为分布式发电系统、并网逆变器控制;闵 帆(1998-),男,湖北籍,硕士研究生,研究方向为并网逆变器的稳定性控制。弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究王晓寰,闵 帆,张旭东,赵晓君(电力电子节能与传动控制河北重点实验室,燕山大学电气工程学院,河北 秦皇岛 066004)摘要:随着电力系统中新能源发电渗透率的提高,电网逐渐趋于弱电网,导致发电系统中低惯量、弱阻尼现象日益严重。虚拟同步机(VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,保证系统在小扰动下的动态稳定性。然而高渗透率的电网系统为非无穷大系统,当网侧发生短路故障时,故障瞬间产生因非周期分量引起的暂态冲击电流,仅依靠传统的 VSG 控制无法有效地抑制短路电流,难以保证系统在大扰动下的暂态稳定性。针对以上问题,本文基于 VSG 暂态功角特性,提出了适用于弱电网的单位圆混合相量分析法,并结合提出的动态调节控制策略能够在电网阻抗波动时有效地抑制短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,保证了系统的暂态稳定性。仿真和实验结果验证了本文所提控制方法的正确性和可行性。关键词:弱电网;虚拟同步机;三相短路故障;短路电流抑制;混合相量分析DOI:10.12067/ATEEE2203050 文章编号:1003-3076(2023)03-0013-10 中图分类号:TM4641 引言 电力系统的运行环境十分复杂,不仅存在因负荷切换导致的小扰动,同时也存在短路故障等大扰动。在强电网中,常常通过继电保护装置快速切除故障线路,或者在同步发电机的机端增加制动电阻达到消耗多余机械功率的作用。在弱电网下,虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,该方法得到了广泛使用。目前针对 VSG 的研究主要是围绕小扰动下维持系统的动态稳定性展开1-3,并未考虑电网短路故障和电网阻抗波动对系统稳定性的影响。当电网故障后,由 VSG 控制的系统易发生暂态功角失稳现象,从而产生较大的短路电流。同时分布式发电系统不具备继电保护装置,无法切除故障线路,导致电力器件的损坏,甚至导致系统相继解列,影响电力系统的安全稳定性4-6。目前已有的研究主要是针对维持暂态功角稳定性和短路电流限制器展开。文献7研究了功角失稳与暂态过电压并存型送端系统的特性。文献8通过摇摆方程分析了并网逆变器功角失稳的原理,同时分析了虚拟同步机的暂态功角特性。文献9研究了同步发电机的暂态功角失稳机理以及虚拟同步机的暂态功角失稳机理的差异,在此基础上提出了一种短路电流抑制方法,同时加入电流限制器防止烧毁脆弱的电力电子器件。文献10分析了电流限制器对系统暂态功角的影响因素。文献11基于虚拟功角的概念,研究了基于电流限制器的下垂逆变器暂态功角失稳现象。但是以上研究并没有充分利用 VSG 控制的特性,同时也没有考虑弱电网下电网阻抗波动对系统暂态稳定性的影响。本文首先建立了弱电网下虚拟同步机的电力系统模型,并分析三相短路故障对系统稳定性的影响。然后基于暂态功角特性曲线,提出了一种有功指令调节和电压指令调节相结合的混合型控制方法,有效地抑制短路电流。结合电网阻抗波动对系统暂态稳定性的影响,提出了单位圆混合相量分析法,以及控制参数的优化设计方法。针对短路电流的暂态冲击分量,提出一种虚拟电阻的控制方法,有效地抑制了暂态冲击电流。通过以上研究,弱电网下 VSG 并网系统实现了短路故障抑制。最后,通过仿真和实验对理论分析的正确性和可行性进行了验证。14 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期2 暂态功角分析2.1 故障线路特性分析 传统电力系统的等值电路如图 1 所示。E为同步发电机机端电压;Xd为同步发电机等效阻抗;XT1为输电用变压器等效阻抗;XL为输电线路等效阻抗;XT2为配电用变压器等效阻抗;U 为配电侧电压。图 1 传统电力系统的等值电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of conventional power system由图 1 可知,功角特性方程为12,13:Pe=EUX1sin(1)X1=Xd+XT1+XL+XT2(2)式中,为电力系统的功角;X1为故障前电力系统等效阻抗。当系统稳定时,电磁功率 Pe等于机械功率 PT。系统短路情况下的等值电路如图 2 所示,其中 X为短路等效阻抗。图 2 传统电力系统不对称短路故障时的等值电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of conventional powersystem with asymmetric short-circuit由图 2 可知:X2=X1+(Xd+XT1)(XL+XT2)X(3)式中,X2为短路故障后电力系统等效阻抗。由式(3)可知,短路故障导致系统的等效阻抗增大,使得短路故障时电磁功率 Pe=(EU/X2)sin 减小,导致 PT-Pe 0,致使功角增大。由传统电力系统类比到新能源发电系统中,可以得到新能源发电系统等值电路如图 3 所示。U0 为并网逆变器输出电压;R 为同步发电机等效阻抗;Xg为电网阻抗;Vg0 为电网电压。图 3 新能源发电系统等值电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of new energypower generation system系统稳定运行时并网电流 i2的表达式为:U0=Vg0+(R+jXg)i2i2=U0-Vg0R+jXg|(4)式中,并网电流 i2主要由逆变器输出电压值、电网电压值、电网阻抗值以及逆变器和电网的功角差决定。并网电流 i2与功角差、电网电压跌落值、逆变器输出电压值呈正相关,与电网阻抗值呈负相关。强电网系统出现短路故障这类大扰动时,由于不能瞬间改变转子的转速,只能通过系统的继电保护装置切出故障,避免对系统的冲击。但是在并网逆变器控制系统中,可以通过数字控制模拟转子机械方程,改变自身的输出机械功率 PT。当系统出现故障时,可以通过控制调节 PT达到瞬时降低转子转速的效果。2.2 基于 VSG 的暂态功角分析 电力系统的故障类型中以三相短路故障最为严重。本文针对单机系统三相短路电流展开。系统稳定运行时,虚拟同步机输出的有功功率和无功功率表达式为14-17:Pe=U0VgXgsin(5)Qe=Vg(Vg+U0cos)Xg(6)式中,Pe为负荷所需的有功功率;Qe为负荷所需的无功功率;U0为逆变器输出电压。由式(5)可知,电网发生短路故障后,电网电压Vg减小,导致逆变器有功输出 Pe减小,PT-Pe0,从而导致功角增大。同步发电机的功角特性曲线如图 4 所示。图 4 中,点 A 和点 A为功率平衡点,在暂态分析中只有系统运行于点 A 才能保持平衡。系统正常运行时功角特性曲线如图 4 中的曲线 1 所示,系统在点 A 时同步发电机输出的机械功率等于有功负荷所需的电磁功率,系统达到平衡。若此时发生三相短路故障,系统的功角特性曲线由曲线 1 降低到曲线 2,点 B 为故障时运行点,此时 PT-Pe0,过剩的机械功率导致转子的转速增大,运行点由点 B沿着曲线 2 过渡到点 C,此时借助继电保护装置切除故障,功角特性曲线由曲线 2 转变为曲线 3,运行点由点 C 转变到点 E,此时 PT-PeSDEF时,此时系统将失去稳定性16。对于同步发电机而言,可以通过采用一系列的继电保护装置达到减小 SABCD或者增大 SDEF的效果,维持系统的稳定。但是当故障较为严重并且继电保护的响应速度较慢时,导致故障切除角大于极限故障功角,系统解列。3 改进型短路电流控制策略3.1 动态有功指令调节 因机械功率 PT和电磁功率 Pe的差值导致逆变器输出电压和电网电压的功角增大从而引起的短路电流,加入动态有功指令调节的功角特性曲线如图 5 所示。本文采用动态有功指令调节的控制方法实时调节逆变器的输出机械功率,使其始终保持与电磁功率相同,维持系统平衡。由图 5 可知,有功指令调节后的虚拟同步机功角曲线中,SABCD减小,SDEF增大,提高了系统的暂态稳定性。传统电力系统的继电保护,当系统的切除角大于最大切除角时,SABCDSDEF,系统无法恢复,但是由虚拟同步机控制的并网逆变器可以通过算法自由给定有功指令值,并且电力电子器件的动态响应速度更快,极大地改善了最大切除角的问题。对虚拟同步机有功-频率环节进行改造,在固定的有功指令值中加入动态的功角控制,短路故障时其动态调节表达式为:Pref=Pref+K(7)图 5 有功指令调节后的功角特性曲线Fig.5 Power angle characteristic curve after activepower adjustment=(-0)dt(8)式中,Pref为故障时的有功给定值;Pref为有功给定初始值;为 VSG 的输出角速度;0为 VSG 的额定角速度;K 为动态调节系数;为功角差。由转子机械方程,可得故障时的不平衡转矩为:Jddt=Pref-Pe-K0+D(0-)(9)式中,J 为 VSG 的转动惯量;D 为 VSG 的阻尼系数。当系统稳定运行时,系统的输出功角为 0,输出电压为 U0,电网电压为 Vg0。此时系统输出的有功功率 Pe0为:Pe0=U0Vg0Zgsin0(10)式中,Zg=R+jXg。系统发生短路故障后,虚拟同步机功角输出变为 =0+,此时系统输出的有功功率 Pe0为:Pe0=UFVgFZgsin(0+)=UFVgFZg(sin0cos+cos0sin)(11)式中,UF为故障时逆变器的输出电压;VgF为故障时的电网电压;0,则 sin,cos 1,代入式(11)可化简为:Pe0=UFVgFZg(sin0+cos0)(12)由式(10)和式(12)可知:16 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期Pe0-Pe0=K=UFVgFZgcos0(13)K=UFVgFZgcos0(14)由式(7)和式(14)得到动态调节有功指令值控制框图,如图 6 所示,图 6 中,Pm为 VSG 有功功率的指令值,g为电网工频角速度。图 6 动态调节有功指令值调节控制框图Fig.6 Control block diagram of dynamic regulationactive power regulation图7 呈现了电网电压Vg、逆变器输出电压U0、短路电流和电网阻抗 Xg之间的相量关系。前提条件认为 Xg保持恒定。初始稳态运行时 Vg、jXgI1和 U0构成相量三角形,此时逆变器输出电流为 I1;当系统发生短路故障时,电网电压降低至 Vg1,系统功角增大,改变了 U0的相位角度但是没有影响 U0的幅值得到U01,逆变器输出电流由 I1增大到 I2,此时由 Vg1、jXgI2和 U01构成相量三角形;故障期间加入动态有功调节控制后,功角恢复到额定值,逆变器输出电压由U01回到初始值 U0,逆变器输出电流由 I2减小到 I3,此时由Vg1、jXgI3和U0构成相量三角形。逆变器输出电流的大小关系为:I2 I1 I3。3.2 动态电压指令调节 3.1 节动态有功调节短路电流保证了逆变器功角的恒定,本节在此基础上加入动态电压调节,其相量分析图如图 8 所示,前提条件认为电网阻抗 Xg保持恒定。当系统发生短路故障时,电网电压降低至Vg1,通过动态有功调节维持系统功角恒定,逆变器输出电流增大到 I1,此时由 Vg1和 jXgI1以及 U0构成相量三角形;若电网电压降低至 Vg2,逆变器输出电图 7 有功指令调节控制功角的相量分析图Fig.7 Vector analysis c