基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法及系统

本发明涉及并网变流器控制技术领域，尤其涉及一种基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着新能源占比的不断提高，传统的基于锁相与功率解耦矢量控制的新能源并网控制方式面临着许多问题与挑战。例如：无法自发的提供电网频率与电压支撑，无法脱离同步机实现独立供电，容易引起次超同步振荡问题。鉴于此，一种新的控制概念——虚拟同步控制被提出。

目前并网变流器(以下简称gsc)的虚拟同步控制大多是对gsc输出电压进行直接控制，使其输出电压矢量具有一个虚拟转子运动方程所描述的运动特性以模仿同步电机的励磁感应电动势，此外，也有直接利用全功率变流器型风电机组的直流母线电压动态作为gsc输出电压矢量旋转速度的方案。这些方案缺少电流控制环节，在大扰动下容易引起变流器过流。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法及系统，利用gsc出口端耦合电感(如升压变压器)实现虚拟同步控制；将变流器输出电流作为励磁电流进行控制，保留了电流矢量控制环节，可以有效避免变流器过电流危险。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法，包括：

构建虚拟同步旋转坐标系；

将并网变流器输出电流矢量固定于虚拟同步旋转坐标系，并网变流器输出电流作为励磁电流；

所述并网变流器输出电流矢量流过耦合电感副边绕组，产生穿过原、副边气隙的励磁磁场，在耦合电感原边产生励磁感应电动势；耦合电感原边的交轴电流产生垂直于励磁磁场的电枢磁场，影响原边电磁功率，进而影响虚拟电磁转矩，从而影响虚拟同步旋转坐标系转速。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将并网变流器(gsc)与出口耦合电感相结合的虚拟同步控制方法，将gsc的输出电流作为耦合电感副边的励磁电流，产生励磁磁场并在原边产生感应电动势。保留了电流控制环节，避免扰动引起gsc过电流。

本发明首先构建虚拟同步旋转坐标系作为控制基准；利用电流矢量控制方法，将gsc输出电流矢量固定于虚拟同步旋转坐标系的d轴，以形成耦合电感副边励磁磁场；在虚拟同步坐标系构建中增加调速器环节以稳定转速，向电网提供频率主动支撑；

在电流矢量控制方法中，增加自动励磁调节环节来确定电流参考值以稳定电压，向电网提供电压主动支撑；该虚拟同步控制方法不仅使并网变流器能够与同步机并列运行并向电网提供频率、电压主动支撑，同时能够不依赖同步机而实现独立供电的孤岛运行。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中gsc与出口耦合电感系统示意图；

图2为本发明实施例中构建的虚拟同步旋转坐标系示意图；

图3为本发明实施例中gsc电流控制结构示意图；

图4为本发明实施例中增加调速器环节的虚拟同步旋转坐标系示意图；

图5为本发明实施例中自动励磁调节环节示意图；

图6为本发明实施例中仿真系统示意图；

图7为本发明实施例中场景一下gsc虚拟同步转速与同步电机转子转速示意图；

图8为本发明实施例中场景一下gsc+耦合电感与同步机端电压示意图；

图9为本发明实施例中场景一下gsc+耦合电感输出功率和功率参考值示意图；

图10为本发明实施例中场景一下sg1输出功率与机械功率示意图；

图11为本发明实施例中场景一下sg2输出功率与机械功率示意图；

图12为本发明实施例中场景一下gsc在虚拟同步旋转坐标系下的d轴电流与d轴电流参考值；

图13为本发明实施例中场景一下gsc在虚拟同步旋转坐标系下的q轴电流与q轴电流参考值；

图14为本发明实施例中场景二下gsc虚拟同步转速示意图；

图15为本发明实施例中场景二下gsc+耦合电感端电压示意图；

图16为本发明实施例中场景二下gsc+耦合电感输出功率和功率参考值示意图；

图17为本发明实施例中场景二下gsc在虚拟同步旋转坐标系下的d轴电流与d轴电流参考值示意图；

图18为本发明实施例中场景二下gsc在虚拟同步旋转坐标系下的q轴电流与q轴电流参考值示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法，具体包括如下过程：

(1)构建虚拟同步旋转坐标系；

(2)将并网变流器输出电流矢量固定于虚拟同步旋转坐标系，将并网变流器输出电流作为励磁电流，；

(3)所述并网变流器输出电流矢量流过耦合电感副边绕组，产生穿过原、副边气隙的励磁磁场，在耦合电感原边产生励磁感应电动势；耦合电感原边的交轴电流产生垂直于励磁磁场的电枢磁场，影响原边电磁功率，进而影响虚拟电磁转矩，从而影响虚拟同步转子转速。

具体地，将gsc输出电流作为励磁电流。构建虚拟同步旋转坐标系，作为副边gsc输出电流的控制基准，将gsc输出电流位置在虚拟同步旋转坐标系下固定(固定于虚拟同步旋转坐标系的d轴)以产生穿过气隙同步旋转的励磁磁场，在原边产生励磁感应电动势(耦合电感的gsc侧称为副边，电网侧称为原边)。

将原边电流的交轴分量与虚拟同步旋转坐标系的运动方程联系起来，以形成交轴电枢反应效应，原边交轴电流将影响虚拟同步转速，在虚拟同步旋转坐标系方程中增加调速器环节以应对外部扰动引起的交轴电流变化。

原边直轴电流具有去磁或助磁效应，将影响气隙磁场的幅值，进而影响感应电动势和原边端电压的幅值，因此增加自动励磁调节控制环节根据端电压幅值变化调节gsc输出电流的幅值以改变励磁磁场大小，维持端电压稳定，应对外部扰动引起的直轴电流变化。

该控制方案将变流器输出电流作为励磁电流进行控制，利用电流矢量控制方法对gsc输出电流进行控制，可以有效避免变流器过电流危险；此外，可以向电网提供主动电压、频率支撑，也可以实现无同步机孤岛独立运行。

gsc与出口耦合电感系统的示意图如图1所示，其中为gsc输出电流，即耦合电感副边电流；为电网侧电流，即耦合电感原边电流；为原边端电压。耦合电感可以为gsc出口的升压变压器。

首先构建一个虚拟同步旋转坐标系，其相应方程的表达式为：

其中，tm_vs为虚拟机械转矩，te_vs为虚拟电磁转矩，pref为有功功率参考值，pes为原边电磁功率，d为阻尼系数，j为虚拟惯量，ωrv为虚拟同步转子转速，ωs为原边电流矢量旋转速度。

依据此方程构建一个虚拟同步坐标系，如图2所示。其中θ为虚拟同步坐标系角度。将gsc输出电流矢量固定于虚拟同步旋转坐标系的d轴。

相应的电流矢量控制结构如图3所示：并网变流器在虚拟同步坐标系下的电流参考值只存在d轴分量，参考值与电流测量反馈值做差后经过pi调节器得出电压调制信号，经过spwm调制得出并网变流器的开关信号，控制并网变流器开关管通断获得调制电压对输出电流进行控制。

其中ig_ref为gsc输出电流的幅值参考值，igd、igq为gsc输出电流在虚拟同步旋转坐标系下的dq轴分量。流过副边绕组，会产生穿过原、副边气隙的励磁磁场，在原边产生励磁感应电动势。原边的交轴(q轴)电流，将会产生垂直于励磁磁场的电枢磁场，影响原边电磁功率pes，进而影响虚拟电磁转矩te_vs，从而影响虚拟同步转子转速ωrv。

而原边的直轴(d轴)电流，将产生同向于励磁磁场的电枢磁场，具有去磁或助磁效应，极大的影响气隙磁场的幅值，进而影响原边感应电动势和端电压的幅值。

为了应对外部扰动引起的原边交轴电流变化的影响，我们可以为图2所示的虚拟同步坐标系的构建增加调速器环节，以维持虚拟同步转速，如图4所示：1.0转速标准值与虚拟同步旋转坐标系转速标幺值做差，乘以调速器增益系数后经过一阶惯性环节得出虚拟同步旋转坐标系形成过程中的调速器功率，以维持虚拟同步旋转坐标系的转速在1.0标准值附近。

为了应对原边直轴电流的影响，可以在图3所示的电流控制结构中增加自动励磁调节环节以确定ig_ref，调整gsc输出电流和形成的励磁磁场幅值，维持气隙磁场和端电压的幅值，同时也可以响应原边交轴电流引起的端电压变化，自动励磁调节环节的过程如图5所示：端电压标准值与实际端电压幅值做差，经过比例环节和一节惯性环节后，得出并网变流器输出电流幅值参考值增量，与并网变流器输出电流基准值相加后，得到并网变流器输出电流幅值参考值，输入至并网变流器输出电流矢量控制环节，从而改变励磁电流大小，维持端电压。

其中，ω0为额定电角速度等于100π，pref0为功率参考值基准，pf为调速器功率增量，kf为调速器调差系数，tf为调速器时间常数以模拟同步机的汽轮机机械功率输出变化的时间延迟。u_ref为原边端电压参考值，ig_ref0为gsc输出电流幅值参考值基准，δig_ref为gsc输出电流幅值参考值增量，te为自动励磁调节时间常数。

需要注意的是，该控制方案的可靠实施需要增加直流母线电压水平以使gsc的直流电压水平允许端电压在正常水平下向电网输出无功功率而不会触发调制电压限幅。

仿真验证：

仿真系统如图6所示。其中3mwgsc在出口配套耦合电感的配合下采用前述虚拟同步控制方法。两台同步机具有调速器和自动励磁调节功能。系统各参数如表ⅰ所示。

表ⅰ.仿真系统参数

1、场景一：负荷接入下的运行

负荷1为5mw，负荷2为20mw。扰动发生前，每台gsc功率1.5mw、0mvar。sg2定子功率10mw、0mvar；sg1维持端电压为1.0p.u.，相应的定子功率为23.5mw、2.0mvar。在t＝5s时，10mw的负荷3接入系统。仿真结果如图7-图13所示。

负荷3接入后，gsc+耦合电感以及两台同步机的交轴电流增大，使得gsc+耦合电感的虚拟电磁转矩增大，作用于同步机转子上的电磁转矩增大，引起gsc+耦合电感的虚拟同步转速以及两台同步机的转速下降。此时gsc+耦合电感和同步机的调速器控制环节发挥作用，增大功率参考值或汽轮机输出机械功率，使转速上升并最终稳定在一个新的稳态值。

另一方面，负荷3的接入也使得各个发电单元的直轴电流增大，使去磁性质的直轴电枢反应加强，使得端电压下降。此时gsc+耦合电感和同步机的自动励磁调节控制环节发挥作用，增大gsc输出电流参考值或励磁电压，使gsc输出电流增大，使同步机转子励磁电流增大，从而增大励磁磁场幅值维持端电压。gsc的输出电流在电流矢量控制结构下能够被很好地控制在虚拟同步坐标系的d轴上，且能够快速准确的跟踪参考值。

2、场景二：同步机切机，gsc孤岛运行

负荷1为12mw，负荷2为10mw。扰动发生前，每台gsc功率1mw、0mvar，。sg2定子功率5mw、0mvar；sg1维持端电压为1.0p.u.，相应的定子功率为7mw、0.2mvar。在t＝5s时，sg1、sg2以及负荷2从系统中切除。仿真结果如图14-图18所示。

当同步机从系统中切除后，采用本公开所提出的控制方法，gsc能够实现独立供电。当同步机切除后，gsc+耦合电感的交轴电流增大，输出电磁功率增大，引起虚拟同步转速的下降，此时调速器环节发挥作用，增大功率参考值，使虚拟同步转速上升并最终稳定。另一方面，去磁性质的直轴电流也会增大使端电压下降，此时自动励磁调节环节发挥作用，增大gsc输出电流参考值以增大励磁磁场，维持端电压。

本方面提出的将并网变流器(gsc)与出口耦合电感相结合的虚拟同步控制方法，将gsc的输出电流作为耦合电感副边的励磁电流，产生励磁磁场并在原边产生感应电动势。首先构建虚拟同步旋转坐标系作为控制基准；利用电流矢量控制方法，将gsc输出电流矢量固定于虚拟同步旋转坐标系的d轴，以形成耦合电感副边励磁磁场；在虚拟同步坐标系构建中增加调速器环节以稳定转速，向电网提供频率主动支撑；在电流矢量控制方法中，增加自动励磁调节环节来确定电流参考值以稳定电压，向电网提供电压主动支撑；该虚拟同步控制方法不仅使并网变流器能够与同步机并列运行并向电网提供频率、电压主动支撑，同时能够不依赖同步机而实现独立供电的孤岛运行。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例一中的基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并实施例一中所述的基于耦合电感的并网变流器虚拟同步控制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。