基于锁相环的逆变器主动支撑电网控制方法和系统

本发明涉及交流发、输、配、用电的，具体地，涉及一种基于锁相环的逆变器主动支撑电网控制方法和系统，尤其是涉及包含并网逆变器的主动支撑电网控制方法和系统。

背景技术：

1、随着“3060目标”的提出，风能、太阳能、生物质能等新能源的发电上网率呈现爆发式增长，这不仅有利于电力系统一次能源结构的调整，也有助于降低发电的碳排放水平，促进电能的清洁化并网。新能源发电在电力系统中的高比例渗透已成为新型电力系统的一大特征，这部分电能需要经过逆变器等电力电子变换设备接入电网。由此可见，逆变器作为新能源与电网交互的主要接口，其稳定运行与控制性能直接决定了可再生能源能否得到高效利用。

2、逆变器作为电能变换的重要设备，包含主电路与控制部分。目前常用的控制为跟网型控制策略，包括矢量电流环与锁相环。其中，矢量电流环用于输出电流的快速控制，而锁相环则用于并网同步，可跟踪机端电压的频率与相位，逆变器以此为基础，再根据电流控制需求调整内电势幅值与相位。因此，锁相环是逆变器控制中的关键。但现有研究标明，跟网型控制策略中，锁相环的引入不可避免地为逆变器带来负阻，容易引发次/超同步振荡从而产生系统失稳现象。

3、为解决此问题，模拟或部分模拟同步机特性的无锁相环构网型控制策略被提出，包括下垂控制和虚拟同步机控制(virtual synchronous generator,vsg)。其中，下垂控制可实现无通信下并联逆变器间的功率自主分配，应用时间相对较早。与此同时，vsg通过模拟同步机转子运动方程，利用控制策略实现对同步机阻尼和惯量的类比，其电网支撑特性优于下垂控制。二者均可实现电网负载波动时的有功及无功功率支撑，但目前对于构网型逆变器的控制参数设计，并未给出统一准则，对于其电网支撑能力的衡量，尚未给出通用标准，对于其响应特性与同步机之间的差异，尚未厘清。

4、因此构网型设备在实际电力系统中应用较少，大部分还都是跟网型设备。但常规跟网型控制策略下，逆变器输出有功及无功功率不响应系统频率及电压的变化，因此当系统存在频率及电压波动时，难以为系统提供功率支撑。为使跟网型逆变器输出功率与电网频率及电压耦合，需采用附加控制，例如通过虚拟惯量响应为电网提供惯量，即暂态支撑，通过频率-有功及电压-无功的下垂控制为系统提供功率，即稳态支撑，但上述下垂控制需增加额外的电网频率及电压采集测量元件，其支撑能力很大程度上取决于测量的精度，准确性受限且实现较为复杂。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于锁相环的逆变器主动支撑电网控制方法和系统。

2、根据本发明提供的一种基于锁相环的逆变器主动支撑电网控制方法，包括：通过锁相环实时获取电网频率以及电网电压，根据电网状态的波动实时改变逆变器输出电流的给定值，通过调整逆变器输出功率对电网频率及电压进行主动支撑。

3、优选地，所述通过锁相环实时获取电网频率及电网电压包括：将锁相环输入的电网电压信号在abc坐标下表示为：

4、

5、其中，ua、ub和uc为abc三相的电网电压，u1为输入电压信号的幅值，θ为电网电压相位，经过clark变换后，电网电压在两相静止αβ坐标下的电压表示为：

6、

7、其中，uα、uβ为αβ坐标轴的电压分量，则在同步旋转dq坐标系下的电压表示为：

8、

9、其中，ud、uq为dq坐标轴的电压分量，θpll为锁相环输出相角；当dq坐标轴中的d轴与电网电压旋转矢量完全重合，即θ＝θpll，此时，电网电压旋转矢量在d轴上的投影为电网电压幅值u1，在q轴上的投影为0，电网电压频率ω1与ωpll相等，表明此时锁相环能够锁定电网频率，并准确跟踪电网电压相角；锁相环回路在稳定运行状态下，实时提取的电网信息为

10、

11、优选地，所述根据电网状态的波动实时改变逆变器输出电流的给定值包括：将逆变器输出电流给定值与实际值做差，经过pi调节器，得到逆变器端口电压给定值在dq坐标系下的分量，经过θpll主导的park反变换，得到逆变器端口电压给定值，作为调制波送入pwm模块，得到逆变器驱动信号，控制逆变器输出电流。

12、优选地，所述通过调整逆变器输出功率对电网频率及电压进行主动支撑包括：所述逆变器还包括矢量电流环，通过所述矢量电流环对逆变器输出电流幅值与相位进行控制，通过对dq坐标系下电流的分别控制，对逆变器输出有功功率与无功功率的解耦；

13、当检测到电网频率下降时，通过逆变器提高有功功率输出，当检测到电网频率上升时，通过逆变器降低有功功率输出；

14、当检测到电网电压下降时，通过逆变器提高无功功率输出，当检测到电网电压上升时，通过逆变器降低无功功率输出。

15、优选地，还包括：当电压幅值偏移、频率偏差同时出现缺额，需要同时提供无功功率、有功功率的情况下，优先调整无功功率；如果没有电压、频率的同时支撑需求，按照锁相环监测的支撑策略，调整无功功率/有功功率进行逆变器主动支撑电网。

16、根据本发明提供的一种基于锁相环的逆变器主动支撑电网控制系统，包括以下模块：

17、模块m1：通过锁相环实时获取电网频率以及电网电压；

18、模块m2：根据电网状态的波动实时改变逆变器输出电流的给定值；

19、模块m3：通过调整逆变器输出功率对电网频率及电压进行主动支撑。

20、优选地，所述模块m1包括：将锁相环输入的电网电压信号在abc坐标下表示为：

21、

22、其中，ua、ub和uc为abc三相的电网电压，u1为输入电压信号的幅值，θ为电网电压相位，经过clark变换后，电网电压在两相静止αβ坐标下的电压表示为：

23、

24、其中，uα、uβ为αβ坐标轴的电压分量，则在同步旋转dq坐标系下的电压表示为：

25、

26、其中，ud、uq为dq坐标轴的电压分量，θpll为锁相环输出相角；当dq坐标轴中的d轴与电网电压旋转矢量完全重合，即θ＝θpll，此时，电网电压旋转矢量在d轴上的投影为电网电压幅值u1，在q轴上的投影为0，电网电压频率ω1与ωpll相等，表明此时锁相环能够锁定电网频率，并准确跟踪电网电压相角；锁相环回路在稳定运行状态下，实时提取的电网信息为

27、

28、优选地，所述模块m2包括：将逆变器输出电流给定值与实际值做差，经过pi调节器，得到逆变器端口电压给定值在dq坐标系下的分量，经过θpll主导的park反变换，得到逆变器端口电压给定值，作为调制波送入pwm模块，得到逆变器驱动信号，控制逆变器输出电流。

29、优选地，所述模块m3包括：所述逆变器还包括矢量电流环，通过所述矢量电流环对逆变器输出电流幅值与相位进行控制，通过对dq坐标系下电流的分别控制，对逆变器输出有功功率与无功功率的解耦；

30、当检测到电网频率下降时，通过逆变器提高有功功率输出，当检测到电网频率上升时，通过逆变器降低有功功率输出；

31、当检测到电网电压下降时，通过逆变器提高无功功率输出，当检测到电网电压上升时，通过逆变器降低无功功率输出。

32、优选地，还包括：

33、模块m4：当电压幅值偏移、频率偏差同时出现缺额，需要同时提供无功功率、有功功率的情况下，优先调整无功功率；如果没有电压、频率的同时支撑需求，按照锁相环监测的支撑策略，调整无功功率/有功功率进行逆变器主动支撑电网。

34、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

35、1、本方法利用锁相环自身特性与输出，实现对电网频率及电压的检测，锁相环作为跟网型控制策略中不可或缺的元件，利用其附加功能取代了测量元件，能够实现电网状态的实时准确监测。

36、2、本方法在锁相环检测的基础上，根据本发明的“电压优先”，将所得电网频率及电压波动与逆变器输出有功电流及无功电流给定值以比例关系耦合，从而实现电网频率、电压波动时的主动功率支撑。

37、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。