基于电流微分前馈的三阶VSG电压主动支撑方法及系统

本发明涉及新能源变流器并网控制，特别是涉及一种基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法及系统。

背景技术：

1、新能源储能、分布式发电领域广泛采用构网型变流器支撑弱电网、实现故障电压穿越，目前主流的构网型变流器电压主动支撑控制方法有传统无功电压下垂控制，以及基于二阶或三阶模型的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)控制。其中，三阶vsg通过引入励磁绕组暂态微分方程，模拟同步发电机电压惯性特性，具备天然的电网电压支撑能力。

2、但现有三阶vsg控制方案存在显著缺陷：电网故障暂态过程中，并网点电压骤降会引发定子直轴电流急剧增大，产生强烈电枢去磁反应；受励磁绕组时间常数约束，暂态电动势无法瞬时抬升抵消去磁效应，次暂态尺度下电压跌落深度大、电压支撑刚度不足。若通过搭建更高阶同步机模型强化暂态特性，会大幅提升控制器参数整定难度、增加在线运算复杂度，难以工程落地。

3、目前尚无低成本、低运算量的改进方案，能够在不提升模型阶数、不增加整定复杂度的前提下，抵消故障瞬时直轴电流带来的去磁效应，同时实现电压惯性、阻尼振荡性能的独立解耦调节。

4、因此，亟需一种不依赖更高阶物理模型的控制改进方法，以克服暂态直轴电流剧增带来的去磁局限性，从而进一步提高三阶虚拟同步发电机在次暂态时间尺度上的电压刚度与主动支撑能力。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的不足，本发明提供一种基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法及系统，通过建立三阶vsg电压控制部分的数学模型，分析该模型在电网故障暂态下电压支撑的局限性，从而引入基于电流微分的前馈补偿控制策略修正该模型，提升构网型变流器的电压支撑能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法，该方法包括以下步骤：

4、s1，联立虚拟同步发电机一阶暂态电压方程、并网点等值阻抗电压耦合方程、励磁控制器惯性微分方程，构建适配构网型变流器的三阶vsg电压控制数学模型；

5、s2，分析电网故障暂态下直轴电流激增机理，确定直轴电流对暂态电动势的电枢去磁效应及电压支撑的局限性；

6、s3，在励磁控制器与三阶vsg本体模型间并行增设暂态增强前馈支路，模拟同步发电机阻尼绕组磁通变化感应特性，以直轴电流微分量构建前馈补偿电压，修正励磁电压控制方程，瞬时抵消电枢去磁效应；

7、s4，代入电流微分前馈完全补偿条件化简系统传递函数，对标标准二阶系统模型，分离定义电压动态特性系数、电压振荡抑制系数两组独立动态性能指标；

8、s5，建立励磁绕组时间常数、励磁控制器惯性时间常数的双维度解耦调节逻辑，根据电网工况匹配最优时间常数组合，将独立动态性能指标参数设定于构网变流器的vsg数字控制器，完成在线控制配置。

9、进一步地，步骤s1中，联立虚拟同步发电机一阶暂态电压方程、并网点等值阻抗电压耦合方程、励磁控制器惯性微分方程，构建适配构网型变流器的三阶vsg电压控制数学模型，具体包括：

10、虚拟同步发电机一阶暂态电压方程，表示为：

11、 （1）

12、式中，

td0′为虚拟同步发电机励磁绕组时间常数；

eq′为暂态电动势；

eqe为强制空载电动势；

id为d轴电流分量；

xd为d轴同步电抗；

xd′为d轴暂态电抗；

13、将变流器出口到并网点之间的等值电阻、电抗分别记为

rt、

xt，并网点电压与暂态电动势之间的关系采用并网点等值阻抗电压耦合方程表示：

14、              （2）

15、式中，

ud、

uq分别为并网点d、q轴电压参考值；

iq为q轴电流分量；

xdσ为q轴上内电势与并网点之间的等值电抗；

xdσ′为d轴上内电势与并网点之间的等值电抗；

16、并网点电压与暂态电动势之间的等效电抗表示为：

17、  （3）

18、为虚拟同步发电机引入具有自动调励磁特性的励磁控制器惯性微分方程：

19、  （4）

20、式中，

u和

uref分别为并网点电压的实际值和参考值；

ke为等值放大倍数；

te为励磁控制器时间常数；

eqe0为强制空载电动势的初始值。

21、进一步地，步骤s2中，分析电网故障暂态下直轴电流激增机理，确定直轴电流对暂态电动势的电枢去磁效应及电压支撑的局限性，具体包括：

22、忽略线路等值电阻，直轴电流近似表示为：

23、  （5）

24、故障发生后并网点电压

uq突然下降，由于

td0′的约束，

eq′无法瞬间突变，导致电压差剧增，产生急剧增加的直轴电流

id；根据式(1)可知，该去磁效应使暂态电动势

eq′下降，构成了三阶vsg控制在并网点电压主动支撑方面的局限性。

25、进一步地，步骤s3中，在励磁控制器与三阶vsg本体模型间并行增设暂态增强前馈支路，模拟同步发电机阻尼绕组磁通变化感应特性，以直轴电流微分量构建前馈补偿电压，修正励磁电压控制方程，瞬时抵消电枢去磁效应，具体包括：

26、在励磁控制环节与三阶vsg本体模型之间并行插入暂态增强通道，修正后的励磁电压控制方程为：

27、           （6）

28、式中，

ud为前馈补偿电压；

29、同步发电机的阻尼绕组产生的感应电动势

ed正比于磁通的变化率，即正比于电流的变化率：

30、  （7）

31、式中，

ld为直轴同步电感；

ψ为磁链；

32、模拟同步发电机阻尼绕组磁通变化感应特性，前馈补偿电压表示为：

33、  （8）

34、式中，

kd为微分增益；

td为低通滤波器时间常数。

35、进一步地，步骤s4中，代入电流微分前馈完全补偿条件化简系统传递函数，对标标准二阶系统模型，分离定义电压动态特性系数、电压振荡抑制系数两组独立动态性能指标，具体包括：

36、在完全补偿状态下，忽略直轴电流项，暂态电动势与并网点电压之间的传递函数可表示为：

37、  （9）

38、式中，为暂态电动势的偏差量；为并网点电压的偏差量；

39、对比标准二阶系统传递函数：

40、  （10）

41、式中，k为比例系数；

42、得到三阶vsg系统的电压动态特性系数

ωn和电压振荡抑制系数

ζ分别表示为：

43、  （11）

44、  （12）

45、其中，电压动态特性系数

ωn反映系统电压环的响应速度和电压惯性水平，

ωn越小，系统的电压惯性越强；电压振荡抑制系数

ζ反映系统对暂态电压振荡的衰减与抑制能力，决定电压在动态调节过程中的超调量和振荡次数。

46、进一步地，步骤s5中，建立励磁绕组时间常数、励磁控制器惯性时间常数的双维度解耦调节逻辑，根据电网工况匹配最优时间常数组合，将独立动态性能指标参数设定于构网变流器的vsg数字控制器，完成在线控制配置，具体包括：

47、同步等比例缩放虚拟同步发电机励磁绕组时间常数

td0′与励磁控制器惯性时间常数

te：二者同倍数放大或缩小，电压振荡抑制系数

ζ保持恒定，仅改变电压动态特性系数

ωn，实现电压惯性独立调节，适配电网故障穿越场景；

48、虚拟同步发电机励磁绕组时间常数

td0′与励磁控制器惯性时间常数

te反向等倍数调节：二者乘积保持恒定，电压动态特性系数

ωn不变，仅改变电压振荡抑制系数

ζ，实现阻尼振荡独立调节，适配弱电网、多负荷扰动场景。

49、进一步地，步骤s5中，将虚拟同步发电机励磁绕组时间常数

td0′、励磁控制器惯性时间常数

te、微分增益

kd以及低通滤波器时间常数

td固化至储能构网变流器的vsg 数字控制器，在线执行带直轴电流微分前馈补偿的三阶vsg闭环控制。

50、本发明还提供一种基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑系统，用于执行上述的基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法，包括：

51、三阶vsg模型构建模块，用于联立虚拟同步发电机一阶暂态电压方程、并网点等值阻抗电压耦合方程、励磁控制器惯性微分方程，构建适配构网型变流器的三阶vsg电压控制数学模型；

52、故障去磁效应分析模块，用于分析电网故障暂态下直轴电流激增机理，确定直轴电流对暂态电动势的电枢去磁效应及电压支撑的局限性；

53、电流微分前馈补偿控制模块，并行接入励磁控制回路，用于在励磁控制器与三阶vsg本体模型间并行增设暂态增强前馈支路，模拟同步发电机阻尼绕组磁通变化感应特性，以直轴电流微分量构建前馈补偿电压，修正励磁电压控制方程，瞬时抵消电枢去磁效应；

54、动态指标解耦整定模块，用于代入电流微分前馈完全补偿条件化简系统传递函数，对标标准二阶系统模型，分离定义电压动态特性系数、电压振荡抑制系数两组独立动态性能指标；

55、控制器配置模块，用于建立励磁绕组时间常数、励磁控制器惯性时间常数的双维度解耦调节逻辑，根据电网工况匹配最优时间常数组合，将独立动态性能指标参数设定于构网变流器的vsg数字控制器，完成在线控制配置。

56、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法。

57、根据本发明提供的具体实施例，本发明提供的基于电流微分前馈的三阶vsg电压主动支撑方法及系统，用于新能源构网型变流器并网控制，通过增设直轴电流微分前馈支路模拟同步发电机阻尼绕组特性抵消电网故障瞬时电枢去磁效应，并实现电压动态性能指标解耦独立调节，具体公开了以下技术效果：

58、（1）低成本抵消故障瞬时电枢去磁效应，次暂态电压支撑刚度显著提升：

59、本发明在不依赖高阶物理模型且不增加算法复杂度的前提下，通过引入直轴电流微分前馈项，成功模拟了物理同步发电机阻尼绕组的楞次定律效应，有效抵消了故障初期的电枢去磁效应。该方法在故障期间能提供瞬时强励，显著增大暂态支撑电流并抬升并网点电压跌落的最低值，同时在故障切除后能有效抑制暂态过电压，极大提升了变流器在次暂态下的电压刚度与系统安全性。

60、（2）电压动态性能完全解耦，工程参数整定灵活可控：

61、本发明通过数学推导分离电压惯性、阻尼振荡两组无耦合动态指标，提供两套独立参数整定逻辑：可单独强化故障暂态电压惯性，或单独消除电压超调、低频振荡；针对故障穿越、弱电网、多扰动负荷等差异化工况，可精准匹配最优控制参数，保证系统平滑稳定运行，适配多场景新能源并网设备，具有极强的工程实用价值。