一种提升频率支撑能力的变流器构网控制方法及系统

本技术属于新型电力系统控制，更具体地，涉及一种提升频率支撑能力的变流器构网控制方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源发电在电网中的广泛应用，传统以同步发电机为主导的电力系统逐步转变为以新能源发电为主导的电力系统，显著区别于传统同步发电机，通过变流器并网的新能源几乎不具备惯量响应能力，导致欠频负载投切、sg被欠频继电器跳闸，甚至系统停电。因此，迫切需要提高新能源主导电力系统的惯量，限制频率最低点，保障电网安全稳定运行。

2、为了提升新能源的惯量，借鉴传统电力系统的运行经验，跟网型控制在变流器的有功功率外环中引入频率调差环节从而使得变流器拥有类似于同步发电机的外特性。直接修改变流器的功率指令或经直流电压间接修改功率指令，进而改变电网频率扰动下新能源的有功出力。然而，跟网型控制依赖于锁相环实现变流器与电网的同步，锁相环与电网之间的交互作用易引发诸如次同步振荡、谐波振荡等问题，恶化系统稳定性。

3、随着弱网稳定性问题不断突出，构网型控制开始被广泛关注。构网型控制无需额外的锁相环节，可以自发地对电网提供主动频率支撑，有助于提高变流器与弱电网的交互稳定性。目前最有代表性的构网型控制是虚拟同步控制，通过借鉴同步发电机的摇摆方程，基于虚拟同步控制的构网型变流器具备了惯量特性。而事实上，实际的新能源一般运行在最大功率点跟踪模式下，以充分利用可再生能源，这需要实现稳定直流侧电压的功能。然而虚拟同步控制以有功-频率控制实现同步，无法兼顾对直流侧电压的控制。为了同时实现直流侧电压控制与变流器同步，一种利用直流电容动态自主同步电网的构网型控制方法被提出。根据变流器和同步发电机在动力学上存在相似性，直流电容电压直接生成电网频率参考，无需有功功率而仅需直流电压即可实现同步，这能够保证新能源的最大功率点跟踪控制。基于直流电压同步的构网型变流器与同步发电机在数学模型上的等效性并研究了能够提供的惯性大小，揭示直流侧电容大小与同步机惯性常数等效，而直流电压与同步机转子旋转速度等效。然而，由于直流母线电压和电网频率之间呈线性映射关系，在新能源主导电力系统中，当直流电压跌落至最低点时，电网频率也会随之跌落至最低点，影响系统频率安全。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种提升频率支撑能力的变流器构网控制方法及系统，旨在解决基于构网型变流器，由于直流母线电压和电网频率之间呈线性映射关系，在新能源主导电力系统中，当直流电压跌落至最低点时，电网频率也会随之跌落至最低点，影响电网系统频率安全的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本技术提供了一种提升频率支撑能力的变流器构网控制方法，包括以下步骤：

3、s1：依据构网型变流器的直流电压控制环，采集构网型变流器的直流母线电压，得到构网型变流器虚拟内电势的相位角；同时依据构网型变流器的无功功率控制环，得到构网型变流器虚拟内电势的幅值；

4、其中，直流电压控制环中设置有滞后补偿器环节；无功控制环中设置有直流电压控制环的阻尼补偿环节；

5、s2：依据直流电压控制环得到的虚拟内电势相位角和无功功率控制环得到的虚拟内电势幅值合成得到虚拟内电势矢量，经过电压环以及电流环后作为pwm调制信号，经pwm调制器得到构网型变流器开关管的控制信号，对构网型变流器主电路进行控制。

6、进一步优选地，构网型变流器的直流电压控制环表示为：

7、

8、其中，ω表示构网型变流器直流母线电压环角频率；udc为构网型变流器的直流母线电压；udcn为构网型变流器的直流母线电压给定值；k0为直流母线电压和角频率之间的耦合系数；a和b为滞后补偿器的补偿器系数；ωn为构网型变流器直流母线电压角频率给定值；s为拉普拉斯算子；θ为构网型变流器虚拟内电势的相位角。

9、进一步优选地，基于无功功率控制环获取构网型变流器虚拟内电势的幅值的方法为：

10、采集构网型变流器的并网点电压和电流，计算并网点无功功率，将并网点无功功率与无功功率参考值进行比较，得到无功功率控制的误差信号；

11、对无功功率控制的误差信号进行下垂控制，与直流电压控制环的阻尼补偿环节相减得到构网型变流器虚拟内电势的幅值。

12、进一步优选地，构网型变流器的无功功率控制环表示为：

13、e＝-(q-qref)·kq+en-(udc-udcn)·m

14、其中，e表示构网型变流器虚拟内电势的幅值，kq表示无功-电压下垂系数，q表示构网型变流器并网点无功功率，qref表示无功功率给定值，en表示交流电压给定值，m表示阻尼系数；

15、进一步优选地，根据频率最低点消除原则获取滞后补偿器参数的取值范围，频率最低点消除原则满足以下条件：

16、

17、或p1+p2≤2z1；

18、其中，z1表示考虑构网型变流器调频影响的系统频率响应模型的零点；p1和p2表示考虑构网型变流器调频影响的系统频率响应模型的两个极点；

19、系统频率响应模型中从电网负荷的变化率δpl到电网角频率变化量δωg的系统传递函数gpl_ωg(s)为：

20、

21、其中，m3表示系统传递函数的系数；

22、电网角频率变化量δωg到变流器输出功率的变化率δpe的系统传递函数gωg_pe(s)为：

23、

24、其中，tj表示直流电压系数，geq表示功率系数，kdc表示储能系数，dn表示等效阻尼系数；k0为直流母线电压和角频率之间的耦合系数；a和b为滞后补偿器的补偿器系数；ωn为构网型变流器直流母线电压角频率给定值；s为拉普拉斯算子。

25、另一方面，本技术提供了一种提升频率支撑能力的变流器构网控制系统，包括：

26、直流电压控制电路，用于提供直流电压控制环，采集构网型变流器的直流母线电压，得到构网型变流器虚拟内电势的相位角；

27、无功功率控制电路，用于提供无功功率控制环，得到构网型变流器虚拟内电势的幅值；

28、其中，直流电压控制电路中设置有滞后补偿器；无功功率控制电路中设置有阻尼补偿器；

29、虚拟内电势矢量合成电路，用于依据直流电压控制环得到的虚拟内电势相位角和无功功率控制环得到的虚拟内电势幅值合成得到虚拟内电势矢量；

30、电压电流环电路，用于将虚拟内电势矢量经过电压环及电流环后作为pwm调制信号；

31、pwm调制器，用于接收pwm信号，获取构网型变流器开关管的控制信号，以便对构网型变流器主电路进行控制。

32、进一步优选地，直流电压控制电路中直流电压控制环表示为：

33、

34、其中，ω表示构网型变流器直流母线电压环角频率；udc为构网型变流器的直流母线电压；udcn为构网型变流器的直流母线电压给定值；k0为直流母线电压和角频率之间的耦合系数；a和b为滞后补偿器的补偿器系数；ωn为构网型变流器直流母线电压角频率给定值；s为拉普拉斯算子；θ为构网型变流器虚拟内电势的相位角。

35、进一步优选地，无功功率控制电路包括：并网点无功功率计算单元、第一加法单元、下垂控制单元和第二加法单元；

36、并网点无功功率计算单元用于采集构网型变流器的并网点电压和电流，计算并网点无功功率；

37、第一加法单元用于将并网点无功功率与无功功率参考值进行比较，得到无功功率控制的误差信号；

38、下垂控制单元用于对无功功率控制的误差信号进行下垂控制；

39、第二加法单元用于将下垂控制单元输出的结果与直流电压控制环的阻尼补偿环节相减得到构网型变流器虚拟内电势的幅值。

40、进一步优选地，无功功率控制电路中的无功功率控制环表示为：

41、e＝-(q-qref)·kq+en-(udc-udcn)·m

42、其中，e表示构网型变流器虚拟内电势的幅值，kq表示无功-电压下垂系数，q表示构网型变流器并网点无功功率，qref表示无功功率给定值，en表示交流电压给定值，m表示阻尼系数。

43、进一步优选地，直流电压控制电路根据频率最低点消除原则获取滞后补偿器参数的取值范围，频率最低点消除原则满足以下条件：

44、

45、或p1+p2≤2z1；

46、其中，z1表示考虑构网型变流器调频影响的系统频率响应模型的零点；p1和p2表示考虑构网型变流器调频影响的系统频率响应模型的两个极点；

47、系统频率响应模型中从电网负荷的变化率δpl到电网角频率变化量δωg的系统传递函数gpl_ωg(s)为：

48、

49、其中，m3表示系统传递函数的系数；

50、电网角频率变化量δωg到变流器输出功率的变化率δpe的系统传递函数gωg_pe(s)为：

51、

52、其中，tj表示直流电压系数，geq表示功率系数，kdc表示储能系数，dn表示等效阻尼系数；k0为直流母线电压和角频率之间的耦合系数；a和b为滞后补偿器的补偿器系数；ωn为构网型变流器直流母线电压角频率给定值；s为拉普拉斯算子。

53、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

54、围绕高比例新能源渗透下的新型电力系统，针对基于直流母线电压动态的构网型控制方法中直流母线电压和电网频率之间呈线性映射关系的特点；当直流电压跌落至最低点时，电网频率也会随之跌落至最低点，影响系统频率安全；基于此，本技术提供了一种提升频率支撑能力的变流器构网控制方法，重塑了系统频率动态(其中，系统频率与构网型变流器直流母线电压环角频率成正比)，使得系统频率曲线不再线性追踪直流母线电压曲线形状(其中，直流电压控制电路中直流电压控制环表示为：udc为构网型变流器的直流母线电压；ω表示构网型变流器直流母线电压环角频率)，从而消除频率最低点，保障了新型电力系统的安全稳定运行。这解决高比例新能源装置接入电网引起的惯性和阻尼下降、电压和频率支撑不足的问题，助力新型电力系统的建设和发展。