本发明涉及一种交直流系统电压源换流器的控制方法。
背景技术：
分布式可再生能源发电、电动汽车以及储能单元一般通过并网逆变器，特别是电压源换流器(voltagesourceconverter)等电力电子装置接入配电系统。可再生能源发电、电动汽车充放电具有的间歇性和随机性等特性对主动配电系统的动态特性、电能质量、电压与频率调节以及保护等方面产生诸多影响。由于电力电子装置相对于同步发电机缺乏自然惯性，因此当一部分分布式发电单元、储能和负荷形成局部交流系统时，该系统运行中的旋转备用与转动惯量以及振荡阻尼出现弱化，这势必会影响配电系统的稳定与安全运行。
虚拟同步电机控制技术主要通过模拟同步电机的本体模型、有功-调频以及无功-调压等特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上可与传统同步电机相比拟，从而实现分布式电源的友好接入，并提高配电系统的安全稳定性。然而，虚拟同步控制的有功-调频与无功-调压功能易受换流站接入交流系统的动态特性影响，特别是可再生能源发电以及负荷的波动性，有可能导致弱交流配电系统电压平衡的动态失稳。当配电系统发生大扰动，如发生短路故障时，虚拟同步电机的控制受电力电子器件过流特性的限制，不能支持较大的短路电流，同时受变流器过载能力限制，电压-无功控制能力不如常规同步机组。因此，现有的虚拟同步电机控制方法的理论体系和工程应用，在面向交直流配电系统安全、稳定、高效运行方面还有待完善。
无论是针对弱交流系统的电压稳定，还是电网故障时提供无功功率支撑，虚拟同步电机控制换流站输出无功功率，同时感性负载和容性负载需求换流站提供无功功率支撑。有功与无功功率的传输增大了线路电流，进而增大了换流站运行损耗。另一方面，已有的换流站虚拟同步机控制方法，通过虚拟调速系统调整弱交流系统的频率，通过虚拟励磁调整弱交流系统电压，较少考虑交直流混合配电出现大扰动如故障对换流站本身的影响，也没有考虑故障时无功功率支撑对换流站运行损耗的负面影响。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有方法的缺点，提出一种虚拟同步电机电压源换流器最小电流应力控制方法。本发明可以更好地适应交直流配电系统不同的暂态运行场景，降低虚拟同步电机控制换流站的运行损耗，实现换流站的高效节能运行。
本发明的虚拟同步电机电压源换流器最小电流应力控制方法，首先通过虚拟同步电机控制算法，计算虚拟转子角度δv与虚拟电机内部电动势et，根据虚拟转子角度δv与虚拟电机内部电动势et设计单位功率最小电流应力控制模块，进而向换流器内环电流解耦控制环提供最小电流指令
本发明虚拟同步电机电压源换流器最小电流应力控制方法具体如下：
步骤1：通过电压源换流器虚拟同步电机控制算法，计算虚拟转子角度δv与虚拟电机内部电动势et
电压源换流器虚拟同步电机控制算法主要包括有功功率-频率调节算法和无功功率-交流电压调节算法。
电压源换流器基于虚拟同步电机控制引入了直流电压下垂环节，将直流电压udc与其参考值
式(1)中，s为频域表示符，ωv为电压源换流器虚拟同步电机角频率，δv为虚拟同步电机虚拟转子角度，hv为虚拟同步电机惯性系数，dv为虚拟同步电机阻尼系数，
如式(1)所示，所述的有功功率-频率调节算法是通过调节虚拟电磁功率pe，调节交流系统角频率ωv，同时获得虚拟同步电机虚拟同步角度δv。
所述的无功功率-交流电压调节算法可由下式实现：
式(2)中，et为虚拟电机内部电动势，et0为虚拟电机内部额定电势，
步骤2：设计换流器单位功率最小电流应力控制模块
根据步骤1的电压源换流器虚拟同步电机控制算法，提供的虚拟同步电机虚拟内部电势et与虚拟同步电机虚拟同步角δv，计算换流器交流侧单位功率最小电流指令，并设计换流器单位功率最小电流应力控制模块，具体方法如下：
步骤2.1：建立换流器交流侧端电压dq轴参考坐标方程，并将其转换为电压源换流器交流侧动态响应方程；
步骤2.2：测量换流器交流侧三相电压均方根(rootmeansquare，rms)有效值vgs；
步骤2.3：计算换流器交流侧d轴与q轴电流参考值；
步骤2.4：基于电机定子单位电流最大转矩控制原理，计算单位功率q轴最小电流参考值
式(3)中，
本发明提供的虚拟同步电机电压源换流器最小电流应力控制方法，可自动生成控制系统d轴与q轴电流命令参考值。根据上述d轴与q轴最小电流参考值计算步骤，设计电压源换流器最小电流应力控制模块，并将该控制模块替代传统虚拟同步电机控制的虚拟阻抗与电压解耦控制模块。
步骤3：换流器电流内环解耦控制及驱动电力电子开关
将步骤2生成的d轴与q轴最小电流指令以及在公共连接点(pointofcommoncoupling,pcc)处采集的交流三相电压和电流信号，直接送给电压源换流器的电流内环解耦控制模块，通过电流内环解耦获得三相电压参考值的标幺形式。然后，将该电压参考值与三角载波对比，获得正弦脉宽调制波(spwm，sinusoidalpulsewidthmodulation)，进而得到六个脉冲开关信号，分别控制电压源换流器主电路中开关器件绝缘栅双极型晶体管(igbt)的关断与导通。因此，该步骤通过电流内环解耦控制模块，生成spwm波调制驱动换流器，实现换流器最小电流应力的跟踪运行控制。
本发明虚拟同步电机电压源换流器最小电流应力控制方法，相比传统虚拟同步电机控制方法，具有以下优点：
(1)相比传统方法，在换流器交流侧故障期间传输等量有功与无功功率，采用本发明控制方法，换流器交流侧电流rms值更小，振荡电压最大幅值减小，从而减少了换流器运行有功与无功功率损耗，也降低了对换流站交流过电压绝缘方面的要求。
(2)相比传统方法，本发明换流器虚拟同步控制方法改善了弱配电交流系统的频率特性，有功功率与无功功率波动范围更小，并改善了交直流配电系统高比例接入可再生能源电力的频率稳定与电压稳定性。
(3)相比传统方法，本发明换流器虚拟同步电机控制方法无需锁相环(phaselockedloop，pll)，有利于虚拟电机控制换流器之间及其与电网之间的信息量化与协同运行，同时也减小了虚拟电机控制换流器有功与无功功率控制的成本。
附图说明
图1本发明交直流系统换流器虚拟同步电机最小电流应力控制方法框图；
图2含有有功-频率调节算法以及无功-交流电压调节算法的虚拟电机控制框架图；
图3基于单位功率最小电流应力计算的d轴与q轴电流指令生成框图；
图4本发明控制方法在弱交流系统故障时的逆变器交流侧三相电流曲线；
图5本发明控制方法在弱交流系统故障时的逆变器交流侧三相电压曲线；
图6本发明控制方法在弱交流系统经虚拟同步电机控制后的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式以及实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明通过虚拟同步电机控制算法，计算虚拟转子角度δv与虚拟电机内部电动势et，根据虚拟转子角度δv与虚拟转子角度et，设计虚拟同步电机单位功率最小电流应力控制模块，进而通过电流内环解耦控制，以及电力电子开关驱动换流器，实现换流器最小电流应力控制，主要分为以下3个步骤。
步骤1：通过电压源换流器虚拟同步电机控制算法，计算虚拟转子角度δv与虚拟电机内部电动势et
电压源换流器虚拟同步电机控制算法包括有功功率-频率调节算法以及无功功率-交流电压调节算法，如图2所示。
所述的有功功率-频率调节算法，首先将电压源换流器接入电网运行，模拟传统同步发电机的电网同步运行，模拟转子运动的方程如下：
式(4)中，ωv为电压源换流器虚拟同步电机角频率，jv为虚拟同步电机惯量，dv为虚拟同步电机阻尼系数，
式(1)中，s为频域表示符，δv为虚拟同步电机虚拟转子角度，hv为虚拟同步电机惯性系数。
有功功率-频率调节算法通过调节虚拟电磁功率即pe，来调节交流系统角频率ωv，同时获得虚拟同步电机虚拟同步角度δv，并将其作为坐标转换角生成虚拟同步三相电压。
所述的无功功率-电压调节算法可由下式实现：
式(2)中，et为虚拟电机内部电动势，et0为虚拟电机内部额定电势，
当弱交流系统出现故障期间，交流电压vgs出现跌落甚至波动，本发明控制算法通过pi调节器以及无功功率调节，可恢复跌落的交流电压。
步骤2：设计换流器单位功率最小电流应力控制模块
采用步骤1算法计算的虚拟转子位置δv以及虚拟内部电压et等变量，基于电机定子单位电流最大转矩原理，提出换流器交流电流应力最小计算方法，生成d轴与q轴最小电流参考命令，对应地，设计换流器交流侧单位功率最小电流应力控制模块。
步骤2.1：建立电压源换流器交流侧端电压d轴与q轴参考坐标系方程；
电压源换流器交流侧公共连接点pcc处d轴与q轴端电压vgd和vgq可表示为：
式(5)中，etd与etq分别为电压源换流器交流侧d轴和q轴端电压，即etd＝etcosδ与etq＝etsinδ。isd与isq分别为换流器交流侧d轴与q轴电流，rs为换流器及其交流侧的等效电阻，ls为换流器交流侧等效电感，ωs为虚拟同步机转速。
忽略式(5)快速暂态响应特性，即忽略微分项，式(5)可简化为：
式(6)中，xs＝ωsls。为方便分析，本方法中假设xs为常数。
步骤2.2：采集换流器交流侧pcc处电压均方根平均值
由于参考坐标难以通过pll锁相环确定，换流器交流侧pcc处三相变量无法通过数学变换将其解耦为d轴与q轴变量。本发明通过电压均方根平均值检波器，方便测得电压源换流器交流侧公共连接点(pcc)处交流电压均方根平均值vgs，则：
式(7)中，etd与etq分别为电压源换流器交流侧d轴和q轴端电压，rs为换流器交流侧端口至公共连接点pcc处等效电阻，xs为换流器交流侧端口至公共连接点pcc处等效电抗，isd与isq分别为换流器交流侧d轴与q轴电流。
步骤2.3：计算换流器交流侧d轴与q轴电流；
将式(7)中的换流器交流侧d轴电流isd或q轴电流isq作为变量，式(7)变为一元二次函数，以换流器交流侧d轴电流isd为例，可方便求得换流器交流侧d轴电流isd的解析解如下：
其中：
式(8)中，
同理，可计算换流器交流侧q轴电流isq。在换流器交流侧pcc处，当发生三相接地短路时，即vgd＝0，vgq＝0，isdf与isdf分别为等效的d轴与q轴交流短路电流。
步骤2.4：求取d轴与q轴的最小电流参考值，设计换流器交流侧单位功率最小电流应力控制模块；
假设电压源换流站交流侧等效电阻为rs，则换流站交流侧损耗为：
ploss＝rsis2＝rs(isd2+isq2)(10)
为使换流站交流侧损耗ploss最小，则通过
式中，
将上式代入(8)中，根据etd＝etcosδθ,etq＝etsinδθ，可获得d轴最小电流参考值，即：
将式(9)、(12)与(13)生成如图3所示的换流器最小电流应力控制模块，并将最小d轴与q轴最小电流指令，传递给下一步骤内环电流解耦控制器。
步骤3：换流器电流内环解耦控制及驱动电力电子开关；
将步骤2生成的d轴与q轴最小电流指令以及在公共连接点pcc处采集的交流三相电压和电流信号，直接送给电压源换流器的电流内环解耦控制模块，通过电流内环解耦控制获得三相电压参考值的标幺形式。然后，将该电压参考值与三角载波对比，获得spwm调制波，进而得到六个脉冲开关信号，分别控制电压源换流器主电路中开关器件igbt的关断与导通。因此，通过电流内环解耦控制，获得spwm调制波驱动换流器，在仿真测试中，实现换流器最小电流应力的跟踪运行控制。
为验证所提控制方法及实施步骤的正确性与合理性，本发明借助仿真软件matlab/simulink/simpowersystem，建立直流电源经单个电压源变流器接入弱交流系统的仿真算例，采取的换流器及其控制器参数如表1所示。
在仿真测试中，假设弱交流配电系统，在t＝0.1s发生三相接地故障，经过0.2s后，故障被切除。仿真结果如图4、图5与图6所示。如图4所示的弱交流系统故障时换流器交流侧三相电流，其中的细线所示为传统控制方法的电流曲线，粗线所示为本发明方法的电流曲线。在三相故障发生期间以及切除后，本发明方法计算的三相故障电流幅值较传统方法小11.1％，根据ploss＝rsis2＝rs(isd2+isq2)，计算的损耗较传统方法小23.5％。如图5所示的弱交流系统故障时换流器交流侧三相电压，其中的细线所示为传统控制方法的电压曲线，粗线所示为本发明方法的电压曲线。传统控制方法计算的电压幅值出现较大的波动，最大电压幅值较本发明方法高20％，因此本发明控制系统降低了交流电压幅值波动范围，同时降低了换流器对绝缘性能的要求。如图6所示的弱交流系统经虚拟同步电机控制后的频率响应曲线，其中细线为传统控制方法的频率响应曲线，粗线为本发明方法的频率响应曲线。经本发明方法计算的弱配电交流系统频率波动幅度较传统方法小，这将有利于弱交流系统的频率稳定性。因此，上述算例验证了本发明换流器最小电流应力控制方法，在故障发生及切除过程中，改善了换流器限流、降损以及弱交流系统的频率稳定性。
表1测试系统参数
与现有换流器虚拟同步发电机控制方法相比，本发明首先无需换流器虚拟同步电机控制的虚拟阻抗环和电压控制环，降低了控制系统的复杂度；其次，减少了逆变器有功与无功功率传输时的有功损耗，实现了虚拟同步电机在交流系统故障时，控制换流器节能20％以上；另外，在交直流系统故障期间，交流侧电压振荡幅度较小，降低了换流器绝缘性能要求；最后，传输有功功率与无功功率波动范围更小，进而改善了逆变器接入弱配电交流系统的频率稳定与电压稳定性。