[发明专利]一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法

说明书

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法，在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制。本发明在保留常规变流器电流控制精确、灵活、频率稳定等特点的基础上，使变流器具备类似同步发电机的电压源输出特性。变流器的VSG功能可实现无缝地投入、切出，切换简单，尤其适用于具备VSG功能的变流器多功能在线切换和电网故障穿越控制。

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法。

背景技术

以光伏、风电为代表的间歇式能源装机容量占系统总装机容量比重越来越大。但间歇式能源出力的大幅、频繁的随机波动性对系统有功平衡造成冲击，影响系统调频特性，且不同于常规发电厂的旋转电机，通过电力电子设备接入电网的间歇式能源为非旋转的静止元件，不具备常规机组的转动惯量，其大规模接入电网将使系统等效转动惯量降低，削弱系统应对功率波动的能力，影响系统的频率暂态稳定水平。

针对该问题，可在风电、光伏电站增加大容量集中式储能平抑其出力波动，而储能结合VSG技术更是近年来的一个研究热点。VSG技术将同步发电机本体及其控制器数学模型引入储能变流器的控制算法，使电站具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，有效抑制并网点频率振荡，增强并网点电压强度。

作者为朱信捷的硕士学位论文《基于PCS智能微电网系统关键技术研究与应用》的第四章中公开了一种PCS基于虚拟同步发电机的控制方法，其控制原理框图如图1所示，包括电压电流采样模块、功率计算模块、VSG算法模块、电压电流控制模块、SVPWM发生模块和驱动模块。电压电流采样模块将采集的到值经过VSG算法模块，再进行电压和电流双环控制。

常规VSG技术一般为自同步控制，通过调整内电势幅值和功角调节有功、无功输出，输出电流的频率和相位与VSG本体模型转子一致。恒电流控制功能是储能变流器的基本功能，当需要VSG功能和恒电流控制功能在线切换时，往往需要进行一系列的处理完成电流内环指令和参考相位的平滑切换，控制复杂。

另外，在电网故障穿越时，采用自同步控制的VSG技术将存在频率失稳、定子短路电流过大等问题，现有解决措施主要有两种技术路线：一种是对VSG本体模型进行处理，如增大虚拟阻抗、动态调整内电势幅值等限制定子电流；另一种是切换到恒电流控制。两种路线均能有效解决短路电路过大的问题，但不能解决故障期间的频率稳定问题和动态无功支撑电流精度问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机的变流器及其控制方法，用以解决现有技术中变流器控制复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

在VSG功能模块切入时，将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值，电网电压经过锁相环得到的电网电压相角作为变流器电流内环的相角指令值，经过电网电压定向矢量控制，生成PWM波进行控制；

其中，VSG功能模块包括VSG模型，所述VSG模型的输入包括由Q-U控制得到VSG功能模块的內电势幅值，由P-f控制得到VSG功能模块的机械转矩，以及电网电压，输出为三相定子电流。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述将VSG功能模块输出的三相定子电流用于作为变流器电流内环的指令值包括：

将VSG功能模块输出的三相定子电流变换到dq坐标系下，得到的值分别作为变流器电流内环的d轴电流指令值和变流器电流内环的q轴电流指令值：