一种基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法

本发明属于新能源电力电子变换与并网控制，具体涉及一种基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法。

背景技术：

1、随着新能源电源在电力系统中的占比持续提高，电网中的同步电压源比例下降，新能源变流器需要由以电流跟踪为主的跟网控制逐步具备电压源外特性和主动支撑能力；构网型控制通过内部电压、频率或功率动态建立自主同步机制，可改善弱电网适应性并提供快速电压和功率支撑。然而，构网型变流器在电网电压骤降等大扰动下会产生较大的电磁暂态电流，变流器半导体器件的过流耐受时间又明显短于传统同步电源，因此故障期间的电流安全约束是构网控制工程应用中的关键问题。

2、对于电机与变流器耦合的新能源发电单元，故障过流问题更加突出；以构网型双馈风电机组为例，定子与电网直接连接，电压故障会引起定子磁链暂态并在转子侧形成较大的感应电动势。与此同时，构网外环仍按照电压源特性产生支撑需求，两类作用共同叠加在转子侧变流器电流端口上，可能使实际电流在参考值未越限的情况下仍突破器件允许边界；该类机理说明，仅在参考指令层进行限幅并不能完全等价于对变流器物理电流边界进行约束。

3、现有研究主要通过附加阻抗、暂态电动势补偿、参考值调整和磁链跟踪等方式抑制故障电流。例如，文献[h. nian, y. jiao. 改进的虚拟同步发电机控制用于双馈感应发电机穿越对称电压故障. ieee能量转换汇刊, 2020年, 第35卷, 第2期: 672-683页]通过改进虚拟同步控制提高双馈风电机组对称故障穿越能力；文献[s. wang, l. shang. 虚拟同步控制双馈感应发电机风电机组在对称电网故障下的故障穿越策略. ieee能量转换汇刊, 2020年, 第35卷, 第3期: 1360-1371页]采用故障穿越控制降低暂态冲击；文献[j.wang. 一种适用于构网型双馈感应发电机符合新兴电网导则的时序故障电流限制方法.ieee电力输送汇刊, 2025年, 第40卷, 第4期: 2228-2240页]中提出分时序故障限流策略；文献[m. huang. 基于磁链跟踪控制的构网型双馈感应发电机暂态过流抑制与故障穿越策略. csee电力与能源系统学报, 2026年, 第12卷, 第1期: 71-83页]中采用磁链跟踪方式抑制构网双馈风电暂态过流。上述方法能够改善故障期间的电流响应，但其限流功能通常由额外逻辑、参考值修正或故障阶段控制策略实现。

4、常规pi(比例)电流内环的设计目标主要是使电流跟踪给定值，而电流物理边界并未直接进入闭环能量函数或稳定性约束；当故障诱发的外部电动势显著增大时，电流动态可能同时受到参考跟踪、交叉耦合和暂态扰动驱动，导致“参考值受限但实际电流越界”的现象。此外，若在故障检测后再切换控制器或重新分配参考值，还会引入检测延迟、切换冲击以及不同控制模式之间的一致性问题。因此，有必要从变流器电流端口本身构造一种连续控制机制，把构网支撑所需的电流跟踪与变流器允许电流边界统一嵌入同一闭环动态中。

技术实现思路

1、针对现有构网型变流器在电网故障期间电流参考跟踪与器件电流安全边界相互分离、限流过程依赖模式切换或额外参考修正的问题，本发明提供了一种基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法，该方法将电流跟踪目标与物理电流边界分别转化为可微能量项，通过复合哈密顿能量函数和阻尼注入直接塑造变流器电流端口的闭环耗散特性，从而在不改变构网外环基本结构的条件下实现连续限流。

2、一种基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法，包括如下步骤：

3、（1）针对构网型双馈风电机组转子侧的构网型变流器，获取其交流侧的电流状态量以及构网外环提供的电流参考量，建立包含等效电感、等效电阻、dq坐标系交叉耦合项和外部扰动电动势的端口哈密顿电流模型；

4、（2）依据电流状态量与电流参考量的偏差构造电流跟踪能量项，并依据构网型变流器的允许电流边界构造屏障能量项，将电流跟踪能量项与屏障能量项组合为复合哈密顿能量函数；

5、（3）设计基于能量梯度的阻尼注入，沿复合哈密顿能量函数的负梯度方向配置闭环耗散动态，使电流状态量远离允许电流边界时以参考跟踪为主，接近允许电流边界时连续增强能量耗散；

6、（4）根据端口哈密顿电流模型以及所设计的阻尼注入生成构网型变流器的电压指令，用以在正常运行与电网故障期间统一对构网型变流器实施控制。

7、进一步地，所述步骤（1）中端口哈密顿电流模型的表达式如下：

8、

9、

10、其中：m为等效电感矩阵，r为等效电阻矩阵，j为dq坐标系中的交叉耦合矩阵，x为构网型变流器的电流状态向量，为电流状态向量x的一阶导数，u为构网型变流器的控制电压向量，e为外部扰动(如电网扰动、故障暂态磁链等)作用于构网型变流器交流侧端口的等效感应电动势向量，

i

rd和

i

rq为构网型变流器交流侧转子电流的d轴分量和q轴分量，

u

rd和

u

rq为构网型变流器交流侧转子电压的d轴分量和q轴分量，

e

rd和

e

rq分别为构网型变流器交流侧端口等效感应电动势的d轴分量和q轴分量。

11、进一步地，所述等效电感矩阵m、等效电阻矩阵r以及交叉耦合矩阵j的表达式如下：

12、

13、其中：

r

r为双馈风电机组的转子电阻，

ω

sl为双馈风电机组的转差角频率，s为单位反对称矩阵即s2=-i，i为二阶单位矩阵。

14、进一步地，所述步骤（2）中复合哈密顿能量函数的表达式如下：

15、

16、

17、

18、

19、其中：

h为复合哈密顿能量函数，

h

t为电流跟踪能量项，

h

b为屏障能量项，

l

σ为构网型变流器交流侧端口的等效漏感系数，为电流参考向量，

i

rmax为设定的最大允许电流幅值，为屏障能量权重系数，

k

i为屏障边界陡峭度系数，

ρ(x)为归一化电流安全边界函数，t表示转置。

20、进一步地，所述步骤（3）中所设计的阻尼注入包括基本注入阻尼系数和附加阻尼系数，用以使以下系统动态方程具有耗散性；

21、

22、

23、

24、

25、其中：

r

d为基本注入阻尼系数，

r

i(x)为屏障能量诱导的附加阻尼系数，为关于电流状态向量x的梯度算子，为复合哈密顿能量函数

h的一阶导数。

26、进一步地，所述步骤（3）中构网型变流器的电压指令表达式如下：

27、

28、其中：为送入调制环节的电压参考向量即构网型变流器的电压指令。

29、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序以实现上述基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法。

30、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时以实现上述基于障碍能量重塑的构网型变流器暂态限流控制方法。

31、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

32、1.本发明将最大允许电流直接写入复合能量函数，使过流约束由控制器内在动态产生，而非仅依赖参考限幅。

33、2.本发明中正常工况与故障工况共用同一电压控制律，可减小故障检测和控制切换对暂态连续性的影响。

34、3.本发明中的屏障项仅在接近电流边界时显著增强，因而在正常运行区域能够保持构网电流参考的跟踪性能。

35、4.本发明方法以变流器电流端口模型为核心，可与下垂控制、虚拟同步控制等构网外环配合，便于形成外层构网支撑与内层电流安全约束相协调的控制结构。