自适应正负序复合控制的VSG低电压穿越策略_董纪清.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0815-08 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 自适应正负序复合控制的 VSG 低电压穿越策略 董纪清，潘佳清，毛行奎（福州大学电气工程与自动化学院，福建省 福州市 350108）Low Voltage Ride-through Strategy of VSG Based on Adaptive Positive and Negative Sequence Composite Control DONG Jiqing,PAN Jiaqing,MAO Xingkui(College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,Fujian Province,China)ABSTRACT:In order to solve the problem of reducing the system equivalent damping and inertia caused by the increase of distributed new energy penetration,some scholars put forward the virtual synchronous generator(VSG)control strategy.The VSG mostly adopts the positive and negative sequence compound control based on the d-q axis under the two-phase rotating coordinate system,so as to suppress the negative sequence component in the grid current when the grid voltage drops asymmetrically.However,the delay of positive and negative sequence separation worsens the transition process of VSG output current when the grid voltage sag fault occurrs or recovers,resulting in an increased risk of the VSG overcurrent.Aiming at this problem,the article firstly analyzes the characteristic of grid voltage equivalent amplitude waveforms when the grid voltage drops symmetrically and asymmetrically,and a low voltage ride-through strategy of the VSG that may automatically identify the fault types to achieve the adaptive positive and negative sequence compound control is proposed.The method does not only suppress the negative sequence component in the output current under asymmetric faults,but also reduce the delay effect of positive and negative sequence separation and the possibility of the VSG transient overcurrent,making the transition process of the VSG output current smoother when the fault occurrs or recovers.Finally,simulation system is built to verify the feasibility of the proposed method.KEY WORDS:virtual synchronous generator;low voltage ride-through;adaptive control;positive and negative sequence compound control 摘要：为了解决分布式新能源渗透率提高带来电网的系统等效阻尼和惯性降低的问题，一些学者提出了虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)控制策略。为了能够抑 基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2018J01756)。Project Supported by Natural Science Foundation of Fujian Province(2018J01756).制电网电压不对称跌落时电网电流中的负序分量，VSG 多采用基于两相旋转坐标系下 d-q 轴的正负序复合控制；但是正负序分离的延时恶化了故障发生和恢复时 VSG 输出电流的过渡过程，造成 VSG 过流风险增加。针对此问题，文中首先分析了电网电压对称和不对称跌落故障时电网电压等效幅值波形的特点，并据此提出了一种自动识别出故障类型,实现自适应正负序复合控制的 VSG 低电压穿越策略，不仅能抑制不对称故障时输出电流中的负序分量，还减小了正负序分离的延时影响和 VSG 出现暂态过流的可能性，使故障发生和恢复时 VSG 输出电流的过渡过程更加平滑。最后通过搭建仿真系统验证了文中所提方法的可行性。关键词：虚拟同步发电机；低电压穿越；自适应控制；正负序复合控制 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2528 0 引言 2020 年 9 月 22 日，国家主席习近平提出二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。这意味着新能源的应用面临前所未有的机遇。电力电子并网逆变器是连接分布式能源和配电网之间的纽带，多采用数字控制，响应速度快，控制灵活。在电网频率发生波动时，传统发电机的转子结构具有机械转动惯性，蕴含大量动能，可以利用转子动能和电网进行能量交换来维持频率的稳定。但电力电子逆变器几乎没有惯性1-4，随着分布式新能源渗透率的不断提高，越来越多的逆变器并入大电网，导致大电网中由传统发电机提供的等效总阻尼和等效总惯性大大降低5-6，使得大电网面对扰动时，频率变化速度加快，抗干扰能力下降，从而限制了新能源的发展。为了解决大量分布式新能源的应用降低了大电网的等效惯性和阻尼的问题，有学者提出虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)的概念。从 VSG 的输出外特性来看，VSG 可分为电流816 董纪清等：自适应正负序复合控制的 VSG 低电压穿越策略 Vol.47 No.2 型 VSG 和电压型 VSG7-8。电流型 VSG 不能提供稳定的电压和频率，因此不能运行在孤岛条件下，也不适合分布式能源渗透率高的场合；电压型 VSG能够提供稳定的电压和频率，因此可以运行在并网和孤岛 2 种条件下4，适合分布式新能源渗透率高的场合。配电网发生电压跌落故障时，电流型 VSG因为等效为电流源，可以借鉴传统电流型并网逆变器的低电压穿越方法，直接对电流指令限幅处理9，防止暂态和稳态过流；电压型 VSG 并网后等效为电压源，在电网电压跌落故障时直接对电流指令限幅将会使电压型 VSG 失去电压源特性。文献10针对下垂控制，从控制器本身结构出发，提出一种在电网电压跌落时，具有限流功能的下垂控制器。而目前电压型 VSG 的低电压穿越技术大致可分为 2 大类：第 1 类是采用平滑切换的思想11-14，即在电网电压正常时候保持电压型 VSG控制，在电网电压发生跌落故障时借鉴传统电流型并网逆变器的控制思想，将 VSG 控制平滑切换至电流源型控制，此类方法优点是逻辑简单，缺点是在电网故障时 VSG 失去了电压源特性。第 2 类是故障期间 VSG 仍被控制为电压源15-23，此类方法优点是 VSG 在故障期间保留了电压源特性。其中文献15-19提出适用于电网电压对称跌落故障的低电压穿越控制方法；文献20提出将虚拟的电网电压作为 VSG 的输出参考电压，该方法同时适用于电网电压对称跌落故障和不对称跌落故障，但主要讨论的是对过流和不对称电流的抑制，电网电压故障时，VSG 不能输出指定无功功率来助于电网电压恢复；文献21-23本质上是采用正负序复合控制，将控制量经过正负序分离来抑制输出电流中的负序分量，无论是对称故障和非对称故障，都能保证输出电流拥有良好的对称度和正弦度。但是正负序复合控制中正负序分离有延时，影响对称故障下VSG 的响应速度，恶化故障发生和恢复时 VSG 运行过渡过程，造成 VSG 过流风险大大增加。若能即时识别故障采取限流措施，且仅在电网电压不对称跌落时切换至正负序复合控制，实现自适应正负序复合控制，通过选择是否在合适的时刻启动正负序复合控制来降低正负序分离延时的影响，将极大提高 VSG 的低电压穿越能力。实现自适应正负序复合控制的前提是能准确识别出电网电压的故障类型，目前常用的方法是：将三相电网电压跌落后的幅值两两相减取绝对值，如果其中有一个绝对值结果大于设定的阈值大小，则判断故障类型为不对称故障24-25。但是阈值一般是通过经验来取值，取值的大小决定了故障类型识别的准确性。文献26将以上文献中的方法和判断三相电网电压的负序分量是否为 0来识别故障类型的方法相结合。但识别方法的识别速度受到正负序分离延时的影响。针对以上问题提出一种自适应正负序复合控制的 VSG 低电压穿越控制策略。首先建立了 VSG模型，分析了电网发生对称故障和非对称故障时VSG 的输出特性；介绍了基于两相旋转坐标系下d-q 轴的正负序复合控制方法及其存在的问题；然后分析了电网电压对称跌落故障和不对称跌落故障下电网电压等效幅值波形的特点，提出一种能自动识别不对称跌落故障的判断策略，据此提出了自适应正负序复合控制的方法和限流措施；最后通过Matlab/Simulink 搭建容量为 6kVA 的仿真系统验证所提方法的可行性和有效性。1 问题描述 1.1 VSG 拓扑结构 图 1 为典型 VSG 系统结构。PrefQrefUdcTransformerRgiL u0Pout,QoutSwitchi0 三相调制波合成电流环电压环虚拟阻抗功率环Q1Q3Q5Q2Q4Q6LgPWM调制器L1 图 1 典型 VSG 整体结构 Fig.1 Monolithic construction of typical VSG 其功率环的控制方程为 refout0P0nnnd()dPPDJt(1)mrefoutqnomqd()dEQQD UUKt(2)式中：Pref和 Pout分别是 VSG 输出有功功率指令和输出有功功率；Qref和Qout分别是VSG输出无功功率指令和输出无功功率；n、0、Un和 Uom分别是 VSG 输出电压频率额定值和输出电压频率、电网额定电压幅值和输出电压幅值；Dp、J、Dq和Kq分别是 VSG 频率下垂系数和阻尼系数之和、VSG虚拟惯性系数、VSG 电压下垂系数和无功环惯性系数；Em为 VSG 无功环输出励磁电压。当电网故障时，VSG 的简化电路如图 2 所示，Zreq为VSG桥臂输出端和电网故