用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器及控制方法

本发明涉及电力电子系统控制领域，特别涉及一种用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器及控制方法。

背景技术：

电力电子变流器最广泛的应用是：将可再生能源发出的电能以及蓄电池中的电能转变为交流形式向电网输送。

在现代电网中，电力电子变流器作为可再生能源发电单元与电网的接口，越来越多地接入电网。早期电网中分布式发电单元的渗透率低，对电力系统的影响较弱，因此早期的电力电子变流器的控制方案中不涉及电力系统的功率调节，这种控制方式实际上是将分布式电源当作一个不可控的发电单元。随着分布式电源越来越多地接入电网，在电网中的渗透率逐渐增大，上述控制方式会对电力系统的稳定性、安全性造成较大影响。因此，分布式电源不能只是向电网提供电能，还应具备一定的电网电压幅值和频率支撑能力，以维持电网的稳定运行。

虚拟同步发电机控制(virtualsynchronousgeneratorcontrol，简称vsg控制)是一种可以使电力电子变流器具有同步发电机的外特性的控制方法，其基本思想是借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制电力电子器件的开断使得并网逆变器模拟同步发电机的特性，即惯性、一次调频特性和一次调压特性。这种控制方法可以为电网提供必要的电压和频率支撑，并为弱电网提供必要的阻尼作用，在电力系统中具有广泛的应用前景。

虽然vsg控制有众多优点，但它也有一定的缺陷。由于vsg模拟了同步发电机特性，因此必须考虑大扰动下的暂态稳定问题。此外电力电子器件具有严格的过电流限制，必须考虑电流限幅策略以避免对电力电子器件造成损害。因此寻找一种合适的含电流限幅环节的vsg控制方法已成为人们关注的热点。

技术实现要素：

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器及控制方法。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器，所述电力电子变流器接入电网系统内，所述混合型相位同步控制器的输入端与电网系统连接、输出端与电力电子变流器连接；

所述混合型相位同步控制器包括混合同步外环控制器、电压控制器、限流型电流控制器和脉冲调制器，其中，电压控制器的输入端与混合同步外环控制器的输出端连接，限流型电流控制器的输入端与电压控制器的输出端连接，脉冲调制器的输入端与限流型电流控制器的输出端连接，脉冲调制器的输出端与电力电子变流器连接；

所述混合同步外环控制器用于检测电力电子变流器输出的有功功率、无功功率和电压，从而得到电力电子变流器控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量；

所述电压控制器用于根据混合同步外环控制器输出的控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量，从而得到输出电流d轴和q轴的参考值；

所述限流型电流控制器用于根据输出电流的d轴和q轴的参考值、实测的电力电子变流器输出电流d轴和q轴值以及电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值，从而产生脉冲调制器所需的参考电压的d轴和q轴参考值；

所述脉冲调制器用于根据所需的参考电压的d轴和q轴参考值，从而产生触发脉冲控制电力电子变流器的开关管。

进一步地，所述混合同步外环控制器包括功率同步环和无功环，所述功率同步环用于得到电力电子变流器控制坐标系中d轴的相位角，所述无功环用于得到输出电压的d轴分量。

进一步地，所述功率同步环包括有功功率同步环和交流电压同步环，所述有功功率同步环包括加法器一、有功功率调节器、加法器二和积分器，所述交流电压同步环包括park变换器和电压调节器；所述有功功率调节器的输入端与加法器一的输出端连接、输出端连接至加法器二的输入端，加法器二的输出端与积分器的输入端连接，积分器的输出端与park变换器的输入端连接，park变换器的输出端连接至电压调节器的输入端，电压调节器的输出端连接至加法器二的输入端；所述加法器一用于根据输入的有功功率参考值p^*和实测有功功率值p从而得到有功功率偏差值，所述有功功率调节器用于处理加法器一产生的有功功率偏差值从而得到有功锁相的角频率偏差值δω1，所述park变换器用于根据输入的实测电压值us和有功功率同步环输出的参考相角值从而得到q轴电压值，所述电压调节器用于根据park变换器输出的q轴电压值从而得到电压锁相的角频率偏差值δω2，所述加法器二用于对有功锁相的角频率偏差值δω1、电压锁相的角频率偏差值δω2以及角频率参考值ω0进行做和，再通过积分器累加处理后得到参考相角值θ。

进一步地，所述无功环包括加法器三、无功功率调节器和加法器四，所述加法器三的输出端与无功功率调节器的输入端连接，无功功率调节器的输出端与加法器四的输入端连接；所述加法器三用于根据无功功率参考值q^*和输入实测无功功率值q从而得到无功功率偏差值，所述无功功率调节器用于处理无功功率偏差值从而得到电压偏差值，所述加法器四用于对电压偏差值与输出电压有效值的参考值做和，从而输出电压控制器的d轴电压参考值edref。

进一步地，所述有功功率调节器、电压调节器和无功功率调节器均包括比例-积分-微分调节器、惯性调节器和负反馈调节器；其中，所述比例-积分-微分调节器为比例调节器、比例积分调节器或比例积分微分调节器中的一种且均具备限幅功能；所述惯性调节器用于模拟同步发电机摇摆方程中的惯性系数，所述惯性调节器为比例调节器；所述负反馈调节器用于模拟同步发电机的调速，所述负反馈调节器为比例调节器。

进一步地，所述限流型电流控制器包括逻辑判断器、选择器和电流调节器，所述逻辑判断器的输出端与选择器的输入端连接，选择器的输出端与电流调节器的输入端连接；所述逻辑判断器用于根据电压控制环得到的输出电流d轴和q轴的参考值和有功功率参考值p^*以及预设的电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值做出判断，并通过选择器实现是否进行电流限幅控制从而得出实际的输出电流d轴和q轴参考值idref和iqref，所述电流调节器用于根据实际的输出电流d轴和q轴参考值idref和iqref以及实测电流d轴和q轴值id和iq，从而输出脉冲调制器所需的参考电压的d轴和q轴参考值。

本发明还公开了一种用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器的控制方法，包括步骤：

s1、所述混合同步外环控制器采集电力电子变流器输出的有功功率、无功功率和电压，从而得到电力电子变流器控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量，并输出至电压控制器；

s2、所述电压控制器根据步骤s1得到的控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量，从而得到输出电流d轴和q轴的参考值，并输出至限流型电流控制器；

s3、所述限流型电流控制器根据步骤s2得到的输出电流的d轴和q轴的参考值、实测的电力电子变流器输出电流d轴和q轴值以及电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值，从而产生脉冲调制器所需的参考电压的d轴和q轴参考值，并输出至脉冲调制器；

s4、所述脉冲调制器根据所需的参考电压的d轴和q轴参考值作出判断，从而产生触发脉冲控制电力电子变流器的开关管，以维持电网的稳定运行。

进一步地，步骤s3中，限流型电流控制器中的逻辑判断器的逻辑判断采用如下公式：

其中，分别表示电压控制器输出的d轴、q轴电流参考值；idref、iqref分别表示选择器的输出电流d轴和q轴参考值；im为电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值；p^*为有功功率参考值；k为裕度系数，1.2≤k≤1.5，pm为有功功率限幅值，计算如式(2)，ed为实测输出电压在d轴上的值：

进一步地，步骤s3中，限流型电流控制器中的逻辑判断器的逻辑判断具体包括如下步骤：

1)、预先向逻辑判断器中输入电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值im，并计算出有功功率限幅值pm；

2)、判断电压控制器输出的d轴电流参考值与im的大小关系：

若则直接执行下一步；

若再判断k·p^*与pm的大小关系：若k·p^*≥pm，则输出sign＝1，即idref＝im、iqref＝0；若k·p^*＜pm，则执行下一步；

3)、输出sign＝0，即

进一步地，当逻辑判断器输出sign＝0时，表示电力电子变流器及其所接入的电网系统处于正常运行，这时，电压控制器采用常规的电压内环控制，为限流型电流控制器输入d轴、q轴电流参考值且电流调节器采用常规的电流内环控制，为脉冲调制器输入参考电压的d轴、q轴参考值进而脉冲调制器通过调制得到触发脉冲控制电力电子变流器开通或关断完成控制；

当逻辑判断器输出sign＝1时，表示电力电子变流器及其所接入的电网系统发生故障，这时，电压控制器无需输出d轴、q轴电流参考值只需电流调节器直接生成脉冲调制器所需参考电压的d轴、q轴参考值进而脉冲调制器通过调制得到触发脉冲控制电力电子变流器开通或关断完成控制。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的混合同步外环控制器结合了功率锁相和电网电压锁相的优点，在正常情况下可以实现很好的锁相效果，在非正常情况下仍可以提供惯量和频率支撑。

2)本发明提出的限流型电流控制器在添加电流限幅控制的基础上，通过逻辑判断器，以实现电流限幅控制环节能可靠、准确、迅速地投入或退出。

3)通过混合同步外环控制器和限流型电流控制器两个控制环节的结合，本发明的方法既能够为交流系统提供频率支撑和惯性，又可以在电网发生严重故障时持续保持与电网同步且不会使电力电子变流器遭受过电流的损害。具体是，当发生故障使得电流幅值超出电力电子变流器的承受能力时，可以准确无误地进行电流限幅控制；在故障清除后电流实际值低于限幅值时，可以迅速地退出电流限幅控制。

附图说明

图1为本发明实施例所述的用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器连接到无穷大电网的电路结构示意图。

图2为本发明实施例所述混合同步外环控制器的原理示意图。

图3为本发明实施例所述限流型电流控制器的原理示意图。

图4为本发明实施例所述限流型电流控制器中逻辑判断器的流程图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。

实施例1、

如图1所示，为将混合型相位同步控制器#1和电力电子变流器接入无穷大电网系统#2单线示意图，本实施例中，所述电力电子变流器#2采用电压源型逆变器。所述混合型相位同步控制器#1包括混合同步外环控制器、电压控制器、限流型电流控制器和脉冲调制器，其中，电压控制器的输入端与混合同步外环控制器的输出端连接，限流型电流控制器的输入端与电压控制器的输出端连接，脉冲调制器的输入端与限流型电流控制器的输出端连接，脉冲调制器的输出端与电力电子变流器连接；无穷大电网系统#2包含直流电源、电力电子变流器、滤波电感、线路阻抗、无穷大电网。

本发明最大的改进之处在于，所述混合型相位同步控制器#1中的混合同步外环控制器以及限流型电流控制器，所述混合型相位同步控制器#1中的电压控制器和脉冲调制器与常规的逆变器并网控制中电压内环和pwm调制环节基本相同。

如图2所示，所述混合同步外环控制器包括功率同步环#3和无功环#4，所述功率同步环#3用于得到电力电子变流器控制坐标系中d轴的相位角，所述无功环#4用于得到输出电压的d轴分量。

具体地，本实施例中，所述功率同步环#3包括有功功率同步环和交流电压同步环，所述有功功率同步环包括加法器一1、有功功率调节器2、加法器二3和积分器4，所述交流电压同步环包括park变换器5和电压调节器6，其中，所述park变换器5是指派克变换器，用于坐标变换。所述有功功率调节器2的输入端与加法器一1的输出端连接、输出端连接至加法器二3的输入端，加法器二3的输出端与积分器4的输入端连接，积分器4的输出端与park变换器5的输入端连接，park变换器5的输出端连接至电压调节器6的输入端，电压调节器6的输出端连接至加法器二3的输入端。

所述加法器一1用于根据输入的有功功率参考值p^*和实测有功功率值p从而得到有功功率偏差值，所述有功功率调节器2用于处理加法器一1产生的有功功率偏差值从而得到有功锁相的角频率偏差值δω1，所述park变换器5用于根据输入的实测电压值us和有功功率同步环输出的参考相角值从而得到q轴电压值，所述电压调节器6用于根据park变换器5输出的q轴电压值从而得到电压锁相的角频率偏差值δω2，所述加法器二3用于对有功锁相的角频率偏差值δω1、电压锁相的角频率偏差值δω2以及角频率参考值ω0进行做和，再通过积分器4累加处理后得到参考相角值θ。

所述无功环#4包括加法器三7、无功功率调节器8和加法器四9，所述加法器三7的输出端与无功功率调节器8的输入端连接，无功功率调节器8的输出端与加法器四9的输入端连接；所述加法器三7用于根据无功功率参考值q^*和输入实测无功功率值q从而得到无功功率偏差值，所述无功功率调节器8用于处理无功功率偏差值从而得到电压偏差值，所述加法器四9用于对电压偏差值与输出电压有效值的参考值做和，从而输出电压控制器的d轴电压参考值edref。优选的，所述有功功率调节器2、电压调节器6和无功功率调节器8均包括比例-积分-微分调节器、惯性调节器和负反馈调节器。

其中，所述比例-积分-微分调节器为比例调节器、比例积分调节器或比例积分微分调节器中的一种，可以根据要求选择不同的调节器，所有类型的调节器均具备限幅功能。

所述惯性调节器用于模拟同步发电机摇摆方程中的惯性系数，相当于一个比例调节器，可以根据具体控制要求选择相应的数值。

所述负反馈调节器用于模拟同步发电机的调速，反馈量相当于一个比例调节器，可以根据具体控制要求选择相应的数值。

如图3所示，所述限流型电流控制器包括逻辑判断器10、选择器11和电流调节器12，所述逻辑判断器10的输出端与选择器11的输入端连接，选择器11的输出端与电流调节器12的输入端连接。所述逻辑判断器10用于根据电压控制环得到的输出电流d轴和q轴的参考值和有功功率参考值p^*以及预设的电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值做出判断，并通过选择器11实现是否进行电流限幅控制从而得出实际的输出电流d轴和q轴参考值idref和iqref，所述电流调节器12为典型的电流内环控制器，其用于根据实际的输出电流d轴和q轴参考值idref和iqref以及实测电流d轴和q轴值id和iq，从而输出脉冲调制器所需的参考电压的d轴和q轴参考值和

实施例2、

本实施例公开了一种如实施例1所述的用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器的控制方法，包括步骤：

s1、所述混合同步外环控制器采集电力电子变流器输出的有功功率、无功功率和电压，从而得到电力电子变流器控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量，并输出至电压控制器；

s2、所述电压控制器根据步骤s1得到的控制坐标系中d轴的相位角和输出电压的d轴分量，从而得到输出电流d轴和q轴的参考值，并输出至限流型电流控制器；

s3、所述限流型电流控制器根据步骤s2得到的输出电流的d轴和q轴的参考值、实测的电力电子变流器输出电流d轴和q轴值以及电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值，从而产生脉冲调制器所需的参考电压的d轴和q轴参考值，并输出至脉冲调制器；

s4、所述脉冲调制器根据所需的参考电压的d轴和q轴参考值作出判断，从而产生触发脉冲控制电力电子变流器的开关管，以维持电网的稳定运行。

具体地，步骤s3中，限流型电流控制器中的逻辑判断器10的逻辑判断采用如下公式：

其中，分别表示电压控制器输出的d轴、q轴电流参考值；idref、iqref分别表示选择器的输出电流d轴和q轴参考值；im为电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值；p^*为有功功率参考值；k为裕度系数，1.2≤k≤1.5，pm为有功功率限幅值，计算如式(2)，ed为实测输出电压在d轴上的值：

如图4所示，限流型电流控制器中的逻辑判断器的逻辑判断具体包括如下步骤：

1)、预先向逻辑判断器中输入电力电子变流器注入电网电流的最大容许幅值im，并计算出有功功率限幅值pm；

2)、判断电压控制器输出的d轴电流参考值与im的大小关系：

若则直接执行下一步；

若再判断k·p^*与pm的大小关系：若k·p^*≥pm，则输出sign＝1，即idref＝im、iqref＝0；若k·p^*＜pm，则执行下一步；

3)、输出sign＝0，即

本实施例所述的用于电力电子变流器的混合型相位同步控制器的控制方法，其控制过程如下：

1、在电力电子变流器及其所接入的电网系统正常运行时：功率同步环#3结合有功功率偏差和交流电压的q轴分量完成锁相，同时提供惯量和频率支撑；无功环#4通过无功功率调节器8输出电压的d轴分量参考值，#3、#4作为外环控制同时为电压控制器输入d轴的相位角和电压的d轴分量参考值；电压控制器采用常规的电压内环控制，为限流型电流控制器输入d轴、q轴电流参考值由于正常运行时逻辑判断器10经过式(1)所示判断依据及图4所示的判断流程，一定得到sign＝0，因此电流限幅环节#5输出为电流调节器12采用常规的电流内环控制，为脉冲调制器输入调制信号的参考电压的d轴、q轴参考值最后脉冲调制器通过调制得到触发脉冲控制电力电子器件开通或关断完成控制。

2、电力电子变流器及其所接入的电网系统发生严重故障时：故障发生瞬间，限流型电流控制器的逻辑判断器10检测到且k·p^*≥pm，于是输出sign＝1，因此限流型电流控制器的电流限幅作用有效，电流限幅环节#5输出为(im，0)，即idref＝im、iqref＝0；此时，功率同步环#3同样地结合有功功率偏差和交流电压的q轴分量完成锁相，并有能力同时提供惯量和频率支撑；而无功环#4不起作用，原因是此时限流型电流控制器内部无需电压控制环输出d轴、q轴电流参考值而是电流限幅值(im，0)经电流调节器12直接生成脉冲调制器所需输入。本实施例所述的功率同步环#3可以在故障期间保证与电网的同步、保证变流器中的电力电子器件不必遭受过电流损害，同时有能力提供惯性和频率支撑。

3、电力电子变流器及其所接入的电网系统故障清除后：此时限流型电流控制器的逻辑判断器10检测到或k·p^*＜pm，这意味着线路的功率传输能力恢复，系统不会面临过电流风险，于是输出sign＝0，即同样地，功率同步环#3结合有功功率偏差和交流电压的q轴分量完成锁相，同时提供惯量和频率支撑。电力电子变流器及其所接入的电网系统恢复到正常运行状态，在下一次故障发生，且限流型电流控制器的逻辑判断器检测到有过电流风险之前，电力电子变流器及其所接入的电网系统将始终保持正常运行状态。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。