一种压频等效的类同步发电机变流器及其控制方法

本发明属于电力电子变换器，涉及一种压频等效的类同步发电机变流器及其控制方法。

背景技术：

1、新能源发电以分布式电源的形式广泛接入电网，导致电网发电分布发生明显变化，虽然以火电、水电等通过同步发电机发电的方式在大电网占比有所降低，但在近年来出现的分布式微电网中占比几乎为零。而新能源发电带来并网变流器的大量接入，改变了大量电网节点的阻抗特性，同时大量新能源并网变流器取代传统同步发电机发电方式，引起电网整体惯量的降低。高渗透率新能源接入的电网呈现电网强度弱、电网惯量低的特征，对现有变流器的运行带来严重的暂稳态稳定性问题，因此，越来越多的研究着重于抑制并网变流器与弱电网耦合交互产生的振荡，以及增强电网惯量的能力。现有并网变流器控制方式可分为跟网型控制与构网型控制，其中相较于跟网型控制，构网型控制在小扰动稳定性有更好的优势；同时对电网频率变化抑制上，构网型控制能够模拟电力系统频率调节或同步发电机调频过程为电网提供必要的功率支撑。

2、现有技术中，构网型控制常采用下垂控制或虚拟同步发电机控制作为功率同步环，电压电流双环控制作为电压调制环，实现并网变流器模拟同步发电机一二次调频与励磁控制。但上述控制方法用的虚拟惯量参数难以对应物理元件参数，在暂态过程易出现频率变化与物理储能变化不统一，不仅使得并网变流器物理元件潜在的惯量支撑能力难以体现，还容易导致并网变流器发生控制环与网络响应交互耦合，引起变流器系统振荡，最终威胁装置安全。因此需要一种物理惯量对应的类同步发电机控制策略实现并网变流器暂稳态稳定性的提高，以及体现储能类物理元件最大化的惯量支撑能力。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种压频等效的类同步发电机变流器及其控制方法，旨在解决当前并网变流器因参数与物理元件不匹配限制储能装置惯量支撑能力的问题，以及控制环与网络耦合导致的暂稳态稳定性问题。

2、本发明是这样实现的，一种压频等效的类同步发电机变流器，该类同步发电机变流器包括：三相mosfet并网逆变器、lcl三相滤波器、储能电容、类同步发电机控制单元与快速锁相并网控制单元；

3、所述lcl三相滤波器包括：三相并网电感、三相滤波电容和三相滤波电感；所述i相并网电感一端与所述i相滤波电感一端和所述i相滤波电容一端相连；所述三相滤波电容另一端互相连接，i＝a,b,c；

4、所述三相mosfet并网逆变器的交流侧端口与所述三相滤波电感另一端相连；其直流侧端口连接所述储能电容；所述三相并网电感另一端连接电网；所述快速锁相并网单元与所述类同步发电机控制单元相连；所述类同步发电机控制单元与所述三相mosfet并网逆变器相连。

5、进一步，所述类同步发电机控制单元用于通过结合直流侧端口电压、储能电容电流、三相滤波电容三相电压、三相滤波电感三相电流、三相滤波电容三相电压参考值，利用压频转换控制器、坐标变换器、类空载电势交流电压控制、交流电流控制、反坐标变换器与svpwm调制器，生成pwm信号对三相mosfet并网逆变器进行控制。

6、进一步，所述三相mosfet并网逆变器用于在发生负荷波动等暂态过程中，在pwm信号的控制下，储能电容在类同步发电机控制单元响应初期会释放储存的能量，经过逆变或整流向电网供电或用电；在类同步发电机控制单元的控制下对三相滤波电容三相电压的频率、相位进行修正，模拟一次调频完成变流器与电网的功率平衡。

7、进一步，所述快速锁相并网控制单元用于通过结合三相滤波电容三相电压与电网角频率参考值，利用类转子锁相控制器、积分器、逻辑选择器与锁存器，获取三相mosfet并网逆变器并网前的基于类同步发电机转子定向的旋转坐标系d轴相位。

8、进一步，所述类同步发电机控制单元包括：

9、压频转换控制器，用于将直流端口电压与储能电容电流，分别通过压频转换增益与阻尼增益后相加得到类转子角速度；

10、频率积分器，用于将类转子角速度经过结合并网逻辑值零电平清零判断的积分运算得到类转子相位；

11、相位加法器，用于将快速锁相并网控制输出的锁相环相位与类转子相位相加得到同步旋转坐标系相位；

12、坐标变换器，用于将三相滤波电容三相电压与三相滤波电感三相电流进行派克变换，得到同步旋转坐标系中三相滤波电容dq轴电压分量与三相滤波电感dq轴电流分量；

13、类空载电势交流电压控制，用于将三相滤波电容dq轴电压分量，结合三相滤波电容dq轴电压分量参考值，通过dq轴分量电压分别作差得到d轴分量电压差值与q轴分量电压差值，并分别通过电压环比例积分控制器输出负值的三相滤波电感q轴电流分量参考值与d轴电流分量参考值；

14、交流电流控制器，用于将三相滤波电感dq轴电流分量参考值与三相滤波电感dq轴电流分量作差，并经过电流环比例积分控制器输出调制电压偏差，同时结合d轴电流分量参考值经过前馈系数与q轴调制电压偏差相加，q轴电流分量参考值与d轴调制电压偏差负值相加，最终得到dq轴调制电压修正值分量；

15、坐标反变换器，用于将同步旋转坐标系中dq轴调制电压修正值分量进行反派克变换，得到三相调制电压修正值；

16、svpwm调制器，用于将三相调制电压修正值，结合三相滤波电容三相电压，进行svpwm调制，输出pwm信号，对三相mosfet并网逆变器进行控制。

17、进一步，所述快速锁相并网控制单元包括：

18、锁相环比例积分控制器，用于将三相滤波电容d轴分量电压的负值进行比例及积分计算，得到角频率差值；

19、锁相加法器，用于将角频率差值与预设电网角频率相加，得到初始旋转坐标角频率；

20、低通滤波器，用于将初始旋转坐标角频率进行低通滤波，得到锁相环输出角频率；

21、受控积分器，用于将锁相环输出角频率进行积分计算，结合并网逻辑值判断是否更新积分器内置积分值，最终输出锁相环相位；

22、比较器，用于将锁相环输出角频率与输出角频率最大值和最小值进行比较输出比较逻辑值；若锁相环输出角频率大小位于输出角频率最大值与最小值之间，比较器输出比较逻辑值为1，反之为0；

23、计数判断器，用于根据比较逻辑值按运算周期计数或重置，并判断计数值与计数阈值大小输出并网逻辑值；当比较逻辑值为1，计数判断器计数加1，反之计数重置为0；当计数超过计数阈值，并网逻辑值锁定输出为1，未超过阈值前均输出为0。

24、本发明另一目的在于提供一种实施所述压频等效的类同步发电机变流器的压频等效的类同步发电机变流器控制方法，该方法包括类同步发电机控制方法和快速锁相并网控制方法；

25、进一步，所述类同步发电机控制方法，包括以下步骤：

26、s1：将直流端口电压与储能电容电流，分别通过压频转换增益与阻尼增益后相加得到类转子角速度,再将类转子角速度经过结合并网逻辑值零电平清零判断的积分运算得到类转子相位，最后将快速锁相并网控制输出的锁相环相位与类转子相位相加得到同步旋转坐标系相位；

27、s2：三相滤波电容三相电压与三相滤波电感三相电流通过坐标变换进行派克变换，得到同步旋转坐标系中三相滤波电容dq轴电压分量与三相滤波电感dq轴电流分量；

28、s3：将三相滤波电容dq轴电压分量，结合三相滤波电容dq轴电压分量参考值，通过dq轴分量电压分别作差得到d轴分量电压差值与q轴分量电压差值，并分别通过电压环比例积分控制器输出负值的三相滤波电感q轴电流分量参考值与d轴电流分量参考值；

29、s4：将三相滤波电感dq轴电流分量参考值与三相滤波电感dq轴电流分量作差，并经过电流环比例积分控制器输出调制电压偏差，同时结合d轴电流分量参考值经过前馈系数与q轴调制电压偏差相加，q轴电流分量参考值与d轴调制电压偏差负值相加，最终得到dq轴调制电压修正值分量；

30、s5：将同步旋转坐标系中dq轴调制电压修正值分量进行反派克变换，得到三相调制电压修正值；

31、s6：将三相调制电压修正值，结合三相滤波电容三相电压，进行svpwm调制，输出pwm信号，对三相mosfet并网逆变器进行控制。

32、进一步，所述快速锁相并网控制方法，包括以下步骤：

33、s21：将三相滤波电容d轴分量电压的负值进行比例及积分计算，得到角频率差值，再将角频率差值与预设电网角频率相加，得到初始旋转坐标角频率，最后将初始旋转坐标角频率进行低通滤波，得到锁相环输出角频率；

34、s22：将锁相环输出角频率与输出角频率最大值和最小值进行比较输出比较逻辑值；若锁相环输出角频率大小位于输出角频率最大值与最小值之间，比较器输出比较逻辑值为1，反之为0；

35、s23：根据比较逻辑值按运算周期进行计数或重置，并判断计数值与计数阈值大小输出并网逻辑值；当比较逻辑值为1，计数判断器计数加1，反之计数重置为0；当计数超过计数阈值，并网逻辑值锁定输出为1，未超过阈值前均输出为0；

36、s24：将锁相环输出角频率进行积分计算，结合并网逻辑值判断是否更新积分器内置积分值，最终输出锁相环相位。

37、本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述压频等效的类同步发电机变流器控制方法的步骤。

38、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

39、第一、本发明提供了一种压频等效的类同步发电机变流器控制方法，通过有压频等效控制模块与类空载电势电压电流双环控制模块的类同步发电机控制方法，实现变流器端口具有同步发电机q轴空载电势的稳态输出特性，提升变流器直流电容对暂态频率惯量支撑的能力以及稳定运行能力，并且采用基于转子定向的快速锁相并网实现构网型控制的安全并网。

40、本发明具有良好的经济性与推广性，可适用于任何三相并网变流器的控制。本发明能保持无偏差的储能装置电压控制，精准控制输出交流电压电流，提高控制系统可靠性、稳定性。

41、第二，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

42、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

43、本发明技术方案针对储能变流器的控制策略进行了优化，针对工业园区、楼栋微电网以及新能源场站等高比例电力电子设备接入的弱电网进行了稳定性优化，能够降低并网变流器在弱电网下因振荡发散引起的故障停机，提升了并网变流器可靠性，对新能源发电场站等依靠不间断输电的电网带来了直接的经济效益。

44、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

45、本发明的技术方案在已有电压-频率的比例等效下，引入直流电流进行阻尼控制，丰富完善了电容电压电流方程与转子运动方程的方程等效物理意义，并通过直流电流的引入，提供了变流器输出频率振荡阻尼，提升了并网变流器暂态稳定性。同时通过快速锁相方法，弥补了并网变流器启动时预同步且并能够平滑切换到技术方案所提控制策略进行同步控制的能力。

46、(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

47、本发明技术方案已解决了直压同步控制自身稳定裕度低的技术难题，压频等效控制作为直压同步控制一种，一直以来呈现较低的稳定裕度，物理与控制参数的选取不当极易造成并网变流器失去稳定。本发明技术方案通过引入直流电流前馈改进了压频等效控制，为有功-频率控制回路提供了阻尼，使并网变流器在暂稳态下稳定性得到提升。

48、(4)本发明的技术方案克服了技术偏见：

49、本发明的技术方案克服了转子运动方程模型仅能在控制器中实现的技术偏见，实现并完善了转子运动方程模型在直流电容中的电压电流方程等效。该方法主动发挥了直流电容物理惯量能力，并且通过电容电流前馈重塑电容内阻以增大频率控制回路阻尼，提升了并网变流器稳定性。

50、第三，本发明提出的一种压频等效的类同步发电机变流器采用了高级电流控制拓扑和智能控制策略，解决了以下现有技术的问题，并取得了显著的技术进步：

51、1)解决的技术问题：

52、现有的变流器系统通常难以实现高精度和高稳定性的电网同步。本发明通过引入类同步发电机的概念，实现了更精准的电网同步控制。

53、传统系统在处理电网频率和电压波动时，往往缺乏足够的灵活性和适应性。本发明通过引入块同步算法、频偏估计算法和频域均衡算法，提高了系统对电网变化的适应能力。

54、在大规模分布式发电和微网系统中，维持系统稳定运行的控制策略复杂且难以实现。本发明的控制策略具有自组织和自恢复特性，大大简化了系统的控制复杂度。

55、2)技术进步：

56、本发明通过独特的控制单元设计，实现了快速精确的电网同步，并具有出色的电网适应性。这提高了电能的质量，并确保了与电网的高效交互。

57、通过高度集成的电力电子元件(sic mosfet)和优化的控制算法，本发明能够在各种负载条件和电网状态下稳定工作，具有更宽的适应范围和更高的可靠性。

58、控制策略的智能化提升了系统的自主性和灵活性，特别是在复杂的电网环境或不稳定的供电条件下，系统能够自动适应变化，保证持续稳定的电力输出。

59、本发明的控制框架还支持高效的能量管理和优化，对于促进可再生能源的更广泛应用和提高能源效率具有重要意义。

60、本发明提供的类同步发电机变流器不仅能有效提升电网互连的质量和稳定性，而且还为分布式发电系统、特别是在可再生能源领域的应用提供了重要的技术支撑，有望推动现代电网向更加智能、高效和环保的方向发展。