一种基于锁相环的构网型变流器输出电流控制方法与流程

本发明适用于需提供一定虚拟惯性的储能系统的控制，是一种采用电流矢量控制来实现虚拟同步机构网控制的电流控制方法，它结合了虚拟同步机构网控制以及矢量电流控制的优点。

背景技术：

1、在当前全球范围内，可再生能源的快速发展和广泛应用已经成为一个重要的能源转型趋势。太阳能和风能等可再生能源具有环保、可持续和分布式等特点，成为替代传统化石能源的同步发电方式的重要选择。

2、然而，为了将可再生能源并入公用电网，必须使用变流器将直流电转换为交流电，这对输电和配电网带来了转型的需求和挑战。如果公用电网配备了大量变流器接口的能源，而不采用任何电网支持控制方法，就可能导致电网不稳定。具有虚拟同步机构网控制方法的逆变器能够完全取代电网中的传统同步发电机。使得在没有任何传统同步发电机连接的情况下运行电网变为可能。

3、然而，现有的虚拟同步机构网控制方法有几个缺点，比如复杂性过高和逆变器难以调试等等。因此需要一种新的虚拟同步机构网控制方法，保证逆变器的运行可靠性同时简化控制复杂度。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于锁相环的构网型变流器输出电流控制方法，提出使用锁相环来模拟同步电机低频的摆动方程的特性，实现虚拟同步电容器特性，同时并联虚拟电流源实现功率的下垂特性，并通过电流矢量控制方法进行控制，结合了虚拟同步发电机控制的积极效果，以及矢量电流控制的优点。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供一种基于锁相环的虚拟同步机变流器输出电流控制方法，方法包括：测量基于lcl滤波器型构网逆变器并网模型的滤波器电感l2的电流i2,abc，公共并网点电压vpcc,abc，建立变流器并网侧电路模型；

4、利用锁相环，得到并网点电压vpcc,abc的幅值和相位，利用同步机摇摆方程和功率计算公式，通过逆变器输出功率，得到dq坐标系下的功率电流参考ir,d，ir,q；

5、将并网点电压vpcc,abc按相位θr转换到dq旋转坐标系下变为vp,dq，除以有源阻尼，进行阻尼控制，得到dq坐标系下的虚拟电阻电流参考ivr,d，ivr,q；

6、将锁相环控制等效为无功率虚拟同步机控制，vp,dq等效为构网电压参考，由dq轴上的逆变器等效导纳矩阵，结合虚拟反电动势幅值给定vv，得到dq坐标系下的构网电流参考iv,d，iv,q；

7、综合上述电流参考，相加得到电流矢量参考id,ref，iq,ref，对电感l2的电流进行比例积分控制，得到变流器调制波vout,abc,ref.，对vout,abc,ref.采用正弦脉宽调制，得到变流器控制占空比信号。

8、在一实施例中，建立通过lcl滤波器和变压器连接到电网的构网逆变器并网电路拓扑，分别测量滤波器电感l2的电流i2,abc，公共并网点电压vpcc,abc，分析构网逆变器的电气特性，得到构网逆变器并网的电路模型。

9、在一实施例中，根据并网点电压vpcc,abc，通过锁相环控制，由单同步锁相环控制模型，计算构网变流器的电压幅值vp、虚拟反电动势频率ωr和相位θr，通过锁相环锁相过程实现同步机摇摆方程特性，充当虚拟同步电容器；再由所得的相位θr，对电感l2的电流i2,abc进行坐标变换，通过电压幅值vp，计算逆变器输出功率p,q，根据同步发电机调速器模型，结合功率计算公式和下垂公式，由给定的功率参数与虚拟反电动势幅值参数，得到dq坐标系下的功率电流参考ir,d，ir,q。

10、在一实施例中，根据构网变流器并网模型的等效导纳特性，在功率控制的基础上加入阻抗控制，将公共并网点电压vpcc,abc按相位θr转换到dq旋转坐标系下变为vp,dq，除以有源阻尼，得到dq坐标系下的虚拟电阻电流参考ivr,d，ivr,q。

11、在一实施例中，对于所述的虚拟同步机控制的构网变流器，根据构网变流器并网侧电路模型，计算其定子阻抗，从而建立虚拟同步机等效导纳模型，将锁相环控制等效为无功率虚拟同步机控制，vp,dq等效为构网电压参考，结合虚拟反电动势幅值给定vv，dq坐标系下的构网电流参考iv,d，iv,q。

12、在一实施例中，根据上述功率电流参考、虚拟电阻电流参考、构网电流参考，将其相加，得到构网逆变器控制电流矢量参考idq,ref，将电感l2的电流i2,abc转换到dq旋转坐标系下变为i2,dq，由电流矢量参考idq,ref对其进行比例积分控制，得到变流器调制波vout,dq,ref.，在得到了变流器控制器的输出参考电压vout,ref.后，按虚拟反电动势相位θr，将得到的变流器调制波转换回静止坐标系下的vout,abc,ref，按照正弦脉宽调制，与三角波进行比较，得到开关管的占空比信号。

13、第二方面，本发明实施例提供一种基于锁相环的虚拟同步机变流器输出电流控制系统，包括：系统等效导纳网络模型模块，用于将虚拟同步机变流器系统等效为受控源与等效导纳模型，建立虚拟同步机的等效定子导纳网络模型；功率电流参考计算模块，用于计算所述基于锁相环的虚拟同步机变流器的功率特性的电流参考，根据系统运行条件计算基于锁相环的虚拟同步机变流器所需的功率特性的电流参考值，包括有功功率和无功功率设定值，以满足电力系统的需求得到变流器功率控制电流参考；虚拟电阻电流参考计算模块，用于计算所述基于锁相环的虚拟同步机变流器的阻尼特性的电流参考，用于调整系统的阻尼，以确保稳定的运行和降低振荡。；构网电流参考计算模块，用于计算所述基于锁相环的虚拟同步机变流器的构网特性的电流参考，包括对电网电流的控制，得到变流器构网控制电流参考，以保持系统与电网的同步与构网性能；控制调制模块，用于快速实现变流器对输出电流的控制，采用正弦脉宽调制，将计算得到的电流参考值转换为适当的占空比信号，以实现对虚拟同步机变流器输出电流的精确控制。

14、在二实施例中，测量变流器并网侧电气量，分析虚拟同步机的电气特性，基于分析结果，建立虚拟同步机的等效定子导纳网络模型，其中包括虚拟同步机的电气参数、电感和电容元件；将虚拟同步机的等效定子导纳网络模型与受控源进行关联，以描述虚拟同步机变流器系统的整体电气特性。

15、在二实施例中，监测电力系统的当前运行状态，包括电压、频率和负载状况；基于监测结果，计算所需的有功功率和无功功率设定值，以满足电力系统的需求；将计算得到的有功功率和无功功率设定值转化为电流参考值，以确保虚拟同步机变流器能够提供所需的功率输出；输出变流器功率控制电流参考，以控制虚拟同步机变流器的输出电流，以满足电力系统的功率需求。

16、在二实施例中，监测系统的电流、电压和频率响应；基于监测结果，计算所需的阻尼特性，包括电流阻尼和电压阻尼；根据计算得到的阻尼特性，计算电流参考值，以调整虚拟同步机变流器的输出电流，以实现所需的阻尼；输出调整后的电流参考，以确保系统的稳定运行和降低振荡。

17、在二实施例中，监测电网电流的实时状态；根据监测结果，计算所需的构网特性，包括构网电流的幅值和相位；基于构网特性的计算，计算构网控制电流参考，以确保虚拟同步机变流器与电网保持同步并提供所需的构网性能；输出构网控制电流参考，以实现系统与电网之间的同步和构网性能。

18、在二实施例中，接收计算得到的电流参考值，其中包括有关电流幅值和相位的信息；将电流参考值转换为适当的脉宽调制信号，以调整变流器的输出电流；控制脉宽调制信号的占空比，以精确控制虚拟同步机变流器的输出电流；输出调整后的脉宽调制信号，以实现所需的电流控制。

19、第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行任一所述的基于锁相环的虚拟同步机变流器输出电流控制方法。

20、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行中任一所述的基于锁相环的虚拟同步机变流器输出电流控制方法。

21、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是

22、1、本发明通过使用锁相环实现的虚拟同步电容器和虚拟电流源并联的电流矢量控制，相比于电压外环电流内环串级控制的虚拟同步机控制，减少了控制参数，简化了控制方案，提高了控制稳定性；

23、2、本发明相比于传统的电压电流串级控制的虚拟同步机，提高了故障过电流期间的同步特性的稳定性。通过将实现虚拟同步电容器特性的锁相环替换为自适应锁相环，还可以进一步改善这一特性；

24、3、本发明结合了虚拟同步发电机控制的积极效果，以及矢量电流控制的优点，既可以实现如提供惯性、电压支持、孤岛运行的功能和在弱电网中的良好控制性能，又可以实现如快速电流限制、改进的同步特性和快速设定点跟踪的功能。