本公开涉及一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法及单元、以及电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法及系统。
背景技术：
对于大规模新能源发电厂，三相电力电子变流器作为新能源发电单元的并网接口设备，在新能源发电系统的电能变换中发挥着极为重要的作用。电力电子发电机组相较同步发电机组，呈现出明显迥异的运行特性，例如前者具有更快的功率响应，但同时也具有更受限的故障承受能力。当电网发生故障后，为了保证整个电力系统的安全性和可靠性，并尽可能使得电力电子发电机组能够维持稳定且保持并网运行，研究电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法至关重要。
一般地，当电网发生故障后，可根据电网电压状况以及电力电子并网发电机组的应对策略将系统工况划分为三个阶段：
1)故障起始阶段：当故障发生后，电网电压发生突变，引发后续一系列的暂态过程，其中包括变流器过压和过流。为了保证变流器设备的安全性，变流器的保护动作会被触发，例如双馈风力发电机组的撬棒电路、直驱风力发电机组的直流母线斩波器等，达到迅速抑制变流器过压和过流的效果。
2)低压穿越(lowvoltageridethrough,lvrt)阶段：得益于上述保护动作，变流器重新获得控制能力，基于此，可按照相关要求，通过一定的控制策略将系统轨迹驱动到指定的稳态工作点。
3)电网恢复阶段：当电网电压恢复时，变流器的保护动作可能会再次被触发，此后，逐步恢复变流器的正常控制模式。
为了对电力电子并网发电机组在电网故障期间的运行特性实现标准化，独立系统运行商已经制定并发布了严格的电压穿越导则。低压穿越导则要求电力电子并网发电机组在上述低压穿越阶段中限定的时间内保持并网运行，并向电网注入一定的无功电流以支撑电网电压。由于要满足并网导则的要求，所以在低压穿越阶段，电力电子并网发电机组必须具备维持暂态稳定的能力。为此，在低压穿越阶段，必须对电力电子并网发电机组中的变流器施加合理的暂态稳定控制方法。
已有研究提出一种自适应电流注入法，可通过检测电网阻抗角，藉此指定低压穿越阶段有功电流与无功电流的比例，从而使得电力电子发电机组维持暂态稳定。限于变流器的有限容量，该方法很难与当前的并网导则兼容，而且在多台发电机组情形下存在失效的可能性。此外，也有研究提出，通过对电力电子发电机组与静止无功补偿器(staticsynchronouscompensator,statcom)进行协同控制，使得电力电子发电机组与statcom均能够维持暂态稳定，而且满足低压穿越导则的无功电流要求。对于实际风电场，该方法必须考虑多台电力电子发电机组与一台或多台statcom进行协同控制的问题，其中涉及无功电流的分配问题等，因此该方法的复杂度较高，实现难度较大。
技术实现要素：
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法及单元、以及电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法及系统。
根据本公开的一个方面，一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法，包括：
步骤s1，基于测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll；
步骤s2，基于锁相相角θpll，对机端电压uabc进行变换来得到q轴电压uq；
步骤s3，对q轴电压uq施加补偿电压c，得到补偿后电压uq'＝uq+c，以使得补偿后电压uq'收敛至零；
步骤s4，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω，其中δω＝kpuq'，kp为预设的比例系数；以及
步骤s5，基于δω得到锁相频率ωpll，其中ωpll＝δω+ωg，ωg为额定频率；并且对锁相频率ωpll进行积分得到锁相相角θpll，并且将得到的锁相相角θpll反馈至机端电压uabc的变换中。
根据本公开的至少一个实施方式，在步骤s2中，对机端电压uabc进行派克变换。
根据本公开的至少一个实施方式，在步骤s3中，在q轴电压uq能够收敛至零的情况下，补偿电压c＝0；并且在q轴电压uq不能收敛至零的情况下，补偿电压
根据本公开的至少一个实施方式，通过比例积分调节单元对补偿后电压uq'进行控制，其中，对比例积分调节单元的积分调节单元进行清零后，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。
根据本公开的至少一个实施方式，电力电子并网发电机组为直驱风力发电机组、光伏发电机组或双馈风力发电机组。
根据本公开的另一方面，一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制单元，用于基于测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll，包括：
变换模块，基于锁相相角θpll，对机端电压uabc进行变换来得到q轴电压uq；
补偿模块，对q轴电压uq施加补偿电压c，得到补偿后电压uq'＝uq+c，以使得补偿后电压uq'收敛至零；
调节模块，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω，其中δω＝kpuq'，kp为预设的比例系数；
获取模块，获取锁相频率ωpll及锁相相角θpll，基于δω得到锁相频率ωpll，其中ωpll＝δω+ωg，ωg为额定频率；并且对锁相频率ωpll进行积分得到锁相相角θpll；
反馈模块，将得到的锁相相角θpll反馈至变换模块，以用于机端电压uabc的变换。
根据本公开的至少一个实施方式，在变换模块中，对机端电压uabc进行派克变换。
根据本公开的至少一个实施方式，在补偿模块中，在q轴电压uq能够收敛至零的情况下，补偿电压c＝0；并且在q轴电压uq不能收敛至零的情况下，补偿电压
根据本公开的至少一个实施方式，调节模块为比例积分调节模块，对比例积分调节模块中的积分调节模块进行清零，通过比例积分调节模块中的比例调节模块对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。
根据本公开的至少一个实施方式，电力电子并网发电机组为直驱风力发电机组、光伏发电机组或双馈风力发电机组。
根据本公开的再一方面，一种电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法，包括：
测量电力电子并网发电机组的三相机端电压uabc及三相输出电流iabc；
如本公开的一个方面的低压穿越锁相控制方法；
根据锁相相角θpll对三相输出电流iabc进行派克变换，得到旋转坐标系下的电流值idq；
根据电流值idq及设定的电流指令值idq*来确定电力电子并网发电机组的变流器开关元件的脉宽调制信号；以及
通过脉宽调制信号来控制变流器开关元件。
根据本公开的至少一个实施方式，根据低压穿越导则的要求，来设定电流指令值idq*。
根据本公开的至少一个实施方式，根据电流值idq及设定的电流指令值idq*，采用基于矢量控制的前馈解耦控制方法来确定脉宽调制信号，从而对三相输出电流iabc进行控制。
根据本公开的又一方面，一种电力电子并网发电机组的暂态稳定控制系统，包括：
测量单元，用于测量电力电子并网发电机组的三相机端电压uabc及三相输出电流iabc；
如本公开另一方面的低压穿越锁相控制单元；
电流变换单元，根据锁相相角θpll对三相输出电流iabc进行派克变换，得到旋转坐标系下的电流值idq；
脉宽调制信号生成单元，根据电流值idq及设定的电流指令值idq*来确定控制三相输出电流iabc的脉宽调制信号；以及
变流器开关元件单元，通过脉宽调制信号来控制变流器开关元件单元，从而对三相输出电流iabc进行控制。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括低压穿越导则单元，根据低压穿越导则单元中设定的要求，来设定电流指令值idq*。
根据本公开的至少一个实施方式，在脉宽调制信号生成单元中，根据电流值idq及设定的电流指令值idq*，采用基于矢量控制的前馈解耦控制方法来确定脉宽调制信号。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开实施方式的电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法的示意性流程图。
图2是根据本公开实施方式的电力电子并网发电机组的控制系统的示意图。
图3是根据本公开实施方式的电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法的示意性流程图。
图4是根据本公开实施方式的控制系统仿真验证示意图。
图5是根据本公开实施方式的仿真验证结果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
根据本公开的第一方面，提供了一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法。其中，该控制方法是基于当前工业界中典型的矢量控制方法而实现。下面参照图1来对该低压穿越锁相控制方法进行说明。
如图1所示，该控制方法10包括：
步骤s11，基于测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll；
步骤s12，基于锁相相角θpll，对机端电压uabc进行变换来得到q轴电压uq；
步骤s13，对q轴电压uq施加补偿电压c(人为补偿)，得到补偿后电压uq'＝uq+c，以使得补偿后电压uq'收敛至零；
步骤s14，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω，其中δω＝kpuq'，kp为预设的比例系数；以及
步骤s15，基于δω得到锁相频率ωpll，对δω施加额定功率ωg的前馈补偿来得到ωpll，其中ωpll＝δω+ωg，ωg为额定频率；并且对锁相频率ωpll进行积分得到锁相相角θpll，并且将得到的锁相相角θpll反馈至机端电压uabc的变换中。
在步骤s11中，首先通过测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll。在步骤s12中，通过步骤s11得到的锁相相角θpll来对机端电压uabc进行变换来得到q轴电压uq。在之后的处理中，通过步骤s15中得到的反馈锁相相角θpll来对机端电压uabc进行变换。其中在步骤s12中，对机端电压uabc进行派克变换。
根据本公开的一个可选实施方式，在步骤s13中，在q轴电压uq能够收敛至零的情况下，补偿电压c＝0；如果在q轴电压uq存在振荡，不能收敛至零的情况下，补偿电压
根据本公开的一个可选实施方式，可以通过锁相环中的比例积分调节单元对补偿后电压uq'进行控制，这时对比例积分调节单元的积分调节单元进行清零后，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。如图2所示，取开关状态s为0，相当于对锁相环中的比例积分调节单元中的积分调节单元进行清零操作，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。
根据本公开的第二方面，提供了一种电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制单元，用于基于测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll。其中，该控制单元可以实现上述的控制方法。图2中的下半部分示意性示出了本公开的低压穿越锁相控制单元。
该低压穿越锁相控制单元包括：变换模块、补偿模块、调节模块、获取模块及反馈模块。
变换模块，基于锁相相角θpll，对机端电压uabc进行变换来得到q轴电压uq。该变换模块中对机端电压uabc进行派克变换。首先通过测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll。通过该锁相相角θpll进行变换。在后续的过程中，通过反馈模块，基于之前计算得到的锁相相角θpll来对机端电压uabc进行派克变换。
补偿模块，对q轴电压uq施加补偿电压c，得到补偿后电压uq'＝uq+c，以使得补偿后电压uq'收敛至零。在本公开的一个可选实施方式中，在补偿模块中，在q轴电压uq能够收敛至零的情况下，补偿电压c＝0；并且在q轴电压uq不能收敛至零的情况下，补偿电压
调节模块，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω，其中δω＝kpuq'，kp为预设的比例系数。根据本公开的一个可选实施方式，可以通过锁相环中的比例积分调节单元对补偿后电压uq'进行控制，这时对比例积分调节单元的积分调节单元进行清零后，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。如图2所示，取开关状态s为0，相当于对锁相环中的比例积分调节单元中的积分调节单元进行清零操作，对补偿后电压uq'进行比例调节得到δω。并且在图2所示的kp及ki(积分系数)可以根据本领域中常规的锁相环中的比例积分调节单元的控制方式进行设定。
获取模块，获取锁相频率ωpll及锁相相角θpll，基于δω得到锁相频率ωpll，其中ωpll＝δω+ωg，ωg为额定频率；并且对锁相频率ωpll进行积分得到锁相相角θpll。
反馈模块，将得到的锁相相角θpll反馈至变换模块，以用于机端电压uabc的后续的派克变换。
在上述的本公开的第一方面和第二方面中，电力电子并网发电机组可以为直驱风力发电机组、光伏发电机组或双馈风力发电机组。
低压穿越锁相控制单元可以为对现有新能源发电机组常见的三相锁相环(pll)的改进，pll在并网点用于获取电网电压的相位角，并以此来控制变换器，使其与电网电压保持同步。在本公开中，低压穿越锁相控制单元可基于现有技术中的常见的pll实现，本公开不再对pll具体结构进行赘述，然而本领域技术人员应当可完成对本公开的具体实施。本领域技术人员应当理解，上述硬件描述仅用于具体解释说明本公开，并不用于限制本公开。
根据本公开的第三方面，提供了一种电力电子并网发电机组的暂态稳定控制系统。该暂态稳定控制系统可以用于在电网发生故障的低压穿越阶段，保证电网并网点的暂态稳定性。
在图2中示出了电力电子并网发电机组、锁相环及变流器开关元件的其他控制部分。
图2中，若电力电子并网发电机组为直驱风力发电机组或光伏发电机组，则lc表示并网电感，若发电机组为双馈风力发电机组，则lc表示双馈异步发电机。rg和lg分别表示戴维南等值的电网阻抗(包括传输电路)的电阻和电感；ugabc表示戴维南等值的三相电网电压；uabc和iabc分别表示电力电子并网发电机组的三相机端电压和三相输出电流。
电力电子并网发电机组的暂态稳定控制系统中，通过测量单元来测量电力电子并网发电机组的三相机端电压uabc及三相输出电流iabc。
锁相环(如根据本公开的第二方面的描述低压穿越锁相控制单元)基于测量的发电机组的三相机端电压uabc，得到机端电压uabc的锁相频率ωpll和锁相相角θpll。其中，锁相环的具体构成及控制方式参见上述的第二方面及第一方面。
然后通过电流变换单元，根据得到的锁相相角θpll对三相输出电流iabc进行派克变换，得到旋转坐标系下的电流值idq。
根据电流值idq及设定的电流指令值idq*来确定控制三相输出电流iabc的脉宽调制信号。根据本公开的一个可选实施方式，可以根据低压穿越导则的要求等，来设定电流指令值idq*，其中对于电流指令值idq*的设定方式，本领域的技术人员可以通过现有技术根据实际情况来进行设定。
之后，得到的电流值idq及其指令值idq*，采用典型的基于矢量控制的前馈解耦控制方法对电流进行控制，输出为驱动变流器开关器件工作的空间矢量正弦脉宽调制信号，从而达到控制三相输出电流iabc的目的。
根据本公开的第四方面，提供了一种电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法，其可以通过本公开的第三方面的电力电子并网发电机组的暂态稳定控制系统来实现。
如图3所示，电力电子并网发电机组的暂态稳定控制方法20包括以下步骤。
步骤s21，测量电力电子并网发电机组的三相机端电压uabc及三相输出电流iabc。
步骤s22，进行低压穿越锁相控制处理，其中该控制处理的具体方式参见上述的电力电子并网发电机组的低压穿越锁相控制方法10中的具体步骤。
步骤s23，根据锁相相角θpll对三相输出电流iabc进行派克变换，得到旋转坐标系下的电流值idq。
步骤s24，根据电流值idq及设定的电流指令值idq*来确定电力电子并网发电机组的变流器开关元件的脉宽调制信号。其中，可以根据低压穿越导则的要求，来设定电流指令值idq*，并且可以根据电流值idq及设定的电流指令值idq*，采用基于矢量控制的前馈解耦控制方法来确定脉宽调制信号，从而对三相输出电流iabc进行控制。
步骤s25，通过脉宽调制信号来控制变流器开关元件。
在本公开的技术方案具体应用时，可以应用到以下工作场合。
电力电子并网发电机组为双馈风力发电机组时，当双馈风力发电机组的检测电路检测到电网电压发生三相对称跌落故障时，转子侧变流器立即从正常控制模式切换到故障起始阶段的控制保护模式，撬棒电路工作，直到变流器的过压过流现象被完全抑制后，发电机组进入低压穿越阶段。在低压穿越阶段，转子侧边变流器采用本公开提供的控制系统及方法，直到电网故障切除、电网电压恢复稳定后，转子变流器再从暂态稳定控制模式重新切换到正常控制模式，在电网故障期间，网侧变流器控制直流母线电压稳定。
若电力电子并网发电机组为直驱风力发电机组或为光伏发电机组，则当发电机组的检测电路检测到电网电压发生三相对称跌落故障时，则变流器的控制保护动作立即工作，直流母线斩波器维持直流母线电压稳定后，发电机组进入低压穿越阶段。在低压穿越阶段，直流母线斩波器能够一直维持直流母线电压稳定，网侧变流器采用本公开提供的控制系统及方法，直到电网故障切除、电网电压恢复稳定后，网侧变流器再从暂态稳定控制模式重新切换到正常控制模式。
本领域的技术人员应当理解，本公开的控制系统及控制方法适用于多种新能源并网发电机组。
图4和5示出了根据本公开一个实施方式的仿真验证对比结果，在本实施方式中，发电机组以直驱风力发电机组为例，在matlab/simulink环境下进行仿真试验，进一步说明本公开控制系统及方法的控制效果。
仿真系统如图4所示，考虑到在低压穿越阶段，直流母线斩波器能够维持直流母线电压稳定，因此为方便起见，变流器直流侧以恒定直流电压源代替。系统功率基值为9mva，电压基值为690v，其中并网电感为0.15标幺(p.u.)。电网发生三相跌落故障，故障后的戴维南等值电压变为0.05p.u.，戴维南等值电网阻抗中电阻和电感分别为0.10p.u.和0.20p.u.。低压穿越阶段，变流器输出电流表示在锁相环坐标系中的复数形式为id+jiq＝0.0–j1.0p.u.。
如图5(a)和(b)所示，1.0秒之前系统处于正常运行状态，1.0秒系统发生三相电压跌落故障。
图5中分别给出了电网故障后三种控制方法下的q轴电压uq'和锁相环频率ωpll。三种控制方法分别为：
a.未施加暂态稳定控制，即采用原始的锁相环，相当于图2中补偿电压c为0，开关状态s为1；
b.施加暂态稳定控制(未加补偿电压)，相当于图1中补偿电压c为0，开关状态s为0；以及
c.施加完整的暂态稳定控制，即补偿电压c为
由图5所示的仿真结果可知，a所示的仿真结果中，锁相环频率持续振荡减小，无法收敛至额定频率，q轴电压也无法收敛至零，系统发生暂态失稳。
b所示的仿真结果中，虽然锁相环频率不再持续偏离额定值，但仍然存在持续的振荡，q轴电压也无法收敛至零。
c所示的仿真结果中，在1.0秒电网故障后，在补偿电压c为0且开关状态s为0的条件下，q轴电压uq存在振荡。1.25秒后，可完全测得振荡的最大值uqmax和最小值uqmin，据此计算得到补偿电压c。1.3秒施加该补偿电压c到uq中，此时相当于施加了本公开的暂态稳定控制方法，因此q轴电压迅速得到补偿并快速收敛至零，锁相环频率也收敛至额定值，因此系统在低压穿越阶段能够维持暂态稳定。
综上所述，根据本公开的技术方案，无需检测电网阻抗角、也无需配置statcom的条件下，在低压穿越阶段，将电力电子并网发电机组控制器中锁相环中的比例积分调节器的积分调节单元清零，然后自适应地在锁相环的输入中施加人为补偿，以抵消其中存在的由电网阻抗压降引入的偏置，从而保证电力电子并网发电机组在低压穿越阶段的暂态稳定性。
根据上述描述，本领域的技术人员应当理解，本公开至少可以得到以下的有益效果。
首先，在低压穿越阶段，本公开无需按照电网阻抗角设定有功电流和无功电流的比例，而是可以完全根据低压穿越导则的要求来设定有功电流和无功电流的指令，避免了电网阻抗角的测量和计算。
其次，本公开在锁相环的输入中施加人为补偿后，电力电子并网发电机组实际发出的有功和无功电流可能不再满足低压穿越导则的要求，但经理论证明，本发明方法相较自适应电流注入法，可多发出一定的无功电流，从而更接近低压穿越导则的要求。
而且，采用本公开的控制方法时，在低压穿越阶段，电力电子并网发电机组的系统轨迹在动态收敛过程中，能够快速、无超调、无静差地收敛到指定的稳态平衡点，从而保证了电力电子并网发电机组在三相对称故障下的暂态稳定性。
最后，本发明实现简单，针对多台发电机组情形仍然有效，无需额外增加硬件检测电路，多台发电机组之间无需通信和协同，从而降低了成本，提高了可靠性。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。所示的系统容量、系统电压、线路参数等都是根据电力电子并网发电机组及其所接入的电网的具体参数而会有所变化对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。