[發明專利]一種計及逆變電源控制系統非線性特征的故障暫態電流解析方法

有效

• 申請號: 202110590950.4
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113315122B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 賈科;劉淺;畢天姝;秦紅霞;丁曉兵
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;北京四方繼保自動化股份有限公司;中國南方電網有限責任公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/38;G01R31/08
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;陳亮

1.一種計及逆變電源控制系統非線性特征的故障暫態電流解析方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟1、首先根據新能源電源控制系統鎖相環控制響應，計算得到故障暫態期間鎖相環動態響應下的暫態電流；

所述步驟1的過程具體為：

首先分別列寫新能源電源控制系統在dq參考坐標系下逆變器端口電壓方程，如下公式(1)所示，以及電流環控制方程，如下公式(2)所示：

式中，u，e，i分別表示逆變器端口輸出電壓、并網點電壓及并網電流；下標d，q表示對應dq軸分量；上標“*”表示相應的指令值；R和L分別為逆變器端口到并網點間的等效電阻與電感；k_p和k_i分別為電流環的比例、積分系數；ω_cL表示電流環補償項；下標c表示補償；ω_PLL表示鎖相環輸出角頻率；

然后消去式(1)與式(2)中的電壓相關項，并對所得方程微分得到關于dq軸電流的二階動態響應方程，表示為：

式中，Δω＝ω_c-ω_PLL表示新能源電源控制系統補償項與實際電氣耦合項在故障暫態期間的角頻率誤差，在故障暫態期間為隨時間變化的系數；

假定故障暫態期間鎖相環的輸出頻率不為工頻，且不發生變化，相當于Δω在故障暫態期間保持為常數，從而利用方程間的線性變換對式(3)中的i_d，i_q進行解耦：

式中，α、β、ρ、ξ、A₁～A₅、λ₁、λ₂、μ₁、μ₂均為由控制參數所決定的常系數，具體的表達式為：α+jβ＝-0.5{A₁-jA₃+[(A₁-jA₃)²-4A₂]^1/2}，λ₁+jμ₁＝lnC₁，γ+jδ＝

-0.5{A₁-jA₃-[(A₁-jA₃)²-4A₂]^1/2}，λ₂+jμ₂＝lnC₂,ρ+jξ＝ln[(A₄+jA₅)/A₂]，A₁＝

(R+k_p)/L，A₂＝k_i/L，A₃＝Δω，

C₁，C₂為任意常數，可根據逆變器故障時刻輸出電流及其導數值求得；

當考慮實際過程中鎖相環的輸出頻率為隨時間變化的函數時，即：

Δω(t)＝ω_c-ω_PLL(t)為變化系數；

因此式(3)將變為二維二階變系數微分方程，為有效求解適用于逆變電源故障分析的變系數方程，對故障暫態過程進行分段線性化處理，即認為故障暫態過程每一個時間點上Δω均為常數，因此將故障暫態時間段[t₀，t]劃分為n段，即[t₀，t₁]，[t₁，t₂]，…，[t_n-1，t]；

此時，每一個時間點t_l在鎖相環動態特性影響下的電流值都相當于從故障時刻t₀開始，保持鎖相環靜態誤差Δω(t_l)＝(ω_c-ω_PLL(t_l))并在該時間點t_l得到電流值，即可根據式(4)進行求解，得到故障暫態期間鎖相環動態響應下的暫態電流；

步驟2、根據故障暫態期間電流環dq軸控制器的工作狀態，對故障暫態過程進行分段處理；其中，所述電流環dq軸控制器的工作狀態包括：dq軸控制器均不飽和、僅d或q軸控制器飽和、dq軸控制器均飽和；

在步驟2中，具體針對僅d或q軸控制器飽和以及dq軸控制器均飽和兩種工作狀態，對故障暫態過程進行分段處理，以故障后dq軸控制器均飽和的工作狀態為例，分段處理過程為：

式中，故障暫態第二階段是以d軸控制器先于q軸控制器退出飽和階段為例；

根據上式(5)，電流環dq軸控制器將由飽和工作狀態逐漸過渡至不飽和工作狀態，最后到達故障穩態；

其中，所述僅d或q軸控制器飽和時工作狀態的處理方式與dq軸控制器均飽和時的工作狀態處理方式類似；

步驟3、根據步驟2所劃分出的各個故障暫態階段電流環dq軸控制器的響應，基于分段等值實現逆變電源控制系統非線性特征下的故障全暫態電流解析；

其中，所述步驟3的過程具體為：

根據步驟2所劃分出的各個故障暫態階段，首先得到故障暫態第一階段逆變器輸出電流一階動態響應方程為：

式中，M_d和M_q分別為電流環dq軸控制器的飽和環節邊界；R和L分別為逆變器端口到并網點間的等效電阻與電感；Δω＝ω_c-ω_PLL表示新能源電源控制系統補償項與實際電氣耦合項在故障暫態期間的角頻率誤差，在故障暫態期間為隨時間變化的系數；ω_PLL表示鎖相環輸出角頻率；

然后根據一階微分方程的通用解法，求得故障暫態第一階段dq軸電流表達式：

式中，C₃～C₆為常系數，可根據逆變器故障時刻輸出電流及其導數值求得，τ₂為衰減時間常數，且τ₂＝L/R；

然后再得到故障暫態第二階段時逆變器輸出電流一階動態響應方程為：

根據一階微分方程的通用解法，求得故障暫態第二階段dq軸電流表達式：

式中，C₇～C₁₂為常系數，可根據逆變器故障暫態第二階段初始時刻輸出電流及其導數值求得；dq軸電流中相應的衰減時間常數表達式為：T₁＝2L/{2R+k_p+[k_p²+(2ΔωL)²]^1/2}，T₂＝2L/{2R+k_p-[k_p²-(2ΔωL)²]^1/2}；

同理，故障暫態第三階段時逆變器輸出電流一階動態響應方程為：

其中，k_p和k_i分別為電流環的比例、積分系數；

對于故障暫態第三階段來說，由于此時電流環dq軸控制器飽和環節均退出作用，僅鎖相環坐標變換環節對逆變器輸出電流產生非線性影響，因此故障暫態第三階段時的dq軸電流表達式為式(4)。