一种三相变流器的统一调相控制方法

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种三相变流器的统一调相控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，越来越多的电压源型变流器(vsc)应用于可再生能源发电并网和直流输电等领域。变流器的接入为电网提供便利的同时也为其安全运行带来了新的挑战，变流器的控制方法也需要深入研究。

2、目前，传统跟网型vsc在弱电网下容易发生宽频振荡，且无法提供电压、频率支撑。为了解决这一问题，虚拟同步机等构网控制技术这几年受到了广泛关注。然而，常规构网控制的变流器存在暂态同步失稳风险高和强网下易低频振荡等问题，且构网型控制与传统跟网型直驱风机、光伏等控制结构不兼容，难以应用于直流电压不恒定的新能源设备。因此，变流器的控制方法仍需进一步的研究。

技术实现思路

1、为了解决传统跟网型控制的三相变流器不适应于弱电网运行且无法支撑电网的问题，本发明提出了一种三相变流器的统一调相控制方法。

2、本发明方法仍然使用锁相环与电网同步，在传统跟网型变流器的基础上增加了统一调相控制支路，在物理结构上可等效为在原跟网型变流器端口并联了“虚拟调相机”，可适用于低短路比的弱电网运行，并且可通过降低锁相环带宽实现对电网的频率支撑，在改善小扰动稳定性和提供频率支撑能力的同时保留了锁相环暂态稳定性好的优点，避免了虚拟同步控制等常规构网控制暂态稳定性差的缺陷。

3、本发明所采取的技术方案如下：

4、本发明以三相变流器端口电压的q轴分量进行锁相控制输出帕克变换角频率，实现与电网的同步。外环控制在传统跟网型变流器的外环控制基础上，又嵌入了dq轴电压瞬时控制起到统一调相的作用，dq轴电压瞬时控制输出的电流参考值与直流电压/有功外环、无功/电压外环输出的电流参考值叠加，得到输入到电流内环的dq电流参考值。在此基础上，当降低锁相环带宽时即可为电网提供惯量支撑。

5、一、一种三相变流器的统一调相控制方法

6、本发明通过统一调相控制方法实现向电网稳定输送功率，包括：

7、控制三相变流器dq轴旋转的角频率，使变流器与电网的角频率同步；

8、获取三相变流器dq轴的电流参考值，用电流控制内环实现dq轴电流的幅值控制，使实际电流幅值等于电流参考值，从而使输送功率等于给定的功率参考值且保证端口电压维持在额定值附近。

9、所述控制角频率的方法为：

10、以三相并网变流器的锁相环输出的帕克变换(park transformation)角频率，作为变流器自身控制所用dq坐标系的角频率，实现变流器与电网的同步；所述帕克变换角频率通过以下公式生成：

11、

12、其中，是帕克变换角频率，是变流器角频率的设定值， s是拉普拉斯算子， v q是端口电压在变流器dq坐标系下的q轴分量， f1( s)是复频域下的传递函数表达式。

13、所述电流参考值由直流电压外环/有功外环、电压外环/无功外环和统一调相控制的输出叠加所得，具体由以下公式生成：

14、

15、其中，和是三相变流器dq轴的电流参考值，和是统一调相控制的输出，是直流电压外环/有功外环的输出，是电压外环/无功外环的输出。

16、其中，直流电压外环/有功外环表示直流电压外环或有功外环，电压外环/无功外环表示电压外环或无功外环。

17、所述的统一调相控制的输出由以下方式生成：

18、

19、其中，和为给定的端口电压dq轴分量的参考值，和为端口电压dq轴分量，，，和为复频域下的传递函数表达式。

20、所述直流电压外环/有功外环与电压外环/无功外环控制由以下方式实现：

21、

22、其中， u dc和 u dcref为变流器的直流电压及其给定参考值， p和 p ref为变流器输出有功功率及其给定参考值； k dc和 k p分别为直流电压控制系数和有功功率控制系数； q和 q ref为变流器输出无功功率及其给定参考值， v和 v ref为变流器端口电压幅值及其给定参考值； k q和 k v分别为无功控制系数和电压控制系数； f2( s)和 f3( s)是复频域下的传递函数表达式。

23、所述复频域下的传递函数 f1( s)， f2( s)， f3( s)，，，和均表示为：

24、

25、其中，a0,a1,…,an分别为传递函数的第一、第二、…、第n超前系数，b0,b1,…,bm分别为传递函数的第一、第二、…、第m滞后系数，s是拉普拉斯算子，m、n分别表示为复频域下的分母分子阶数，且an≠0，bm≠0，m≥0，n≥0。

26、锁相环传递函数可采用任意传递函数，当锁相环采用一阶超前滞后环节时，变流器角频率通过以下方式控制：

27、

28、其中，是帕克变换角频率，是变流器角频率的设定值， s是拉普拉斯算子， v q是端口电压在变流器dq坐标系下的q轴分量， k j1是锁相环惯量系数， k d1是锁相环阻尼系数， k t1是锁相环比例控制系数。

29、统一调相控制传递函数可采用任意传递函数，当统一调相控制采用二阶滞后环节时，其输出为：

30、

31、其中，和是统一调相控制的输出，和为给定的端口电压dq轴分量的参考值，和为端口电压dq轴分量，s是拉普拉斯算子，是额定角频率， r v是虚拟电阻， l v是虚拟电感。

32、直流电压外环/有功外环与无功外环/电压外环的传递函数可采用任意传递函数，当直流电压外环/有功外环采用一阶超前滞后环节、电压外环/无功外环采用pi控制时，直流电压外环/有功外环与电压外环/无功外环的输出为：

33、

34、其中， u dc和 u dcref为变流器的直流电压及其给定参考值， p和 p ref为变流器输出有功功率及其给定参考值； k dc和 k p分别为直流电压控制系数和有功功率控制系数； q和 q ref为变流器输出无功功率及其给定参考值， v和 v ref为变流器端口电压幅值及其给定参考值； k q和 k v分别为无功控制系数和电压控制系数； k j2是直流电压/有功外环的惯量系数， k d2是直流电压外环/有功外环阻尼系数， k t2是直流电压外环/有功外环的比例控制系数； k p和 k i为电压外环/无功外环的比例控制系数与积分控制系数。

35、二、一种统一调相变流器

36、基于跟网型三相变流器，通过在外环控制增加统一调相控制支路获得统一调相变流器，所述统一调相变流器用于实现上述三相变流器的统一调相控制方法。

37、本发明的有益效果是：

38、本发明解决了传统跟网型变流器无法适应弱电网运行的技术问题，通过在原控制器中嵌入dq轴瞬时电压控制回路，等效为在变流器端口安装低惯量调相机，提高了变流器对电压幅值的支撑能力。当锁相环带宽降低后，等效的虚拟调相机还会为电网提供惯量，提高变流器对频率的支撑能力。本发明通过参数调节，即可实现跟网功能/构网功能的切换，便于工程现场的实现。

39、本发明方法可应用于储能、直驱风机、光伏、双馈风机、柔性直流的变流站、svg等设备。