[发明专利]电网形成矢量电流控制

说明书

本公开提供了一种被配置为仿真虚拟同步机(VSM)的电网形成矢量电流控制系统。所公开的系统包括下垂控制单元、电流控制单元、虚拟导纳单元和提供锁相回路(PLL)单元。虚拟导纳单元和PLL单元被配置为仿真VSM的惯量。虚拟电流源并联连接到VSM。

技术领域

本公开涉及一种用于电网形成矢量电流控制的系统和方法。

背景技术

传统上，输配电网的变化率很高。用同步发电机进行常规发电越来越多地被经变换器接口连接(converter-interfaced)的可再生能源资源所代替。在许多研究中已表明，如果公用电网配备有大量不采用任何电网支持控制策略的可再生能源资源，则存在电网不稳定的风险。不稳定的原因是，这种资源没有根据电网中的实际功率需求使其功率注入适应电网。

长期以来，这种电网无关的电流/功率控制策略在大多数经变换器接口连接的应用中很常见。然而，在过去的几十年里，更严格的法规已落实到位，例如用于光伏(PV)逆变器。现今，如果电网频率增加到高于标称值，则PV逆变器必须逐渐降低注入的有功功率。这种行为是朝电网支持功率变换器控制方向迈出的第一步。注入的有功功率响应于电网的实际需求缓慢地进行调适。这种简单的方法仅提供稳态电网支持，即，它仍然依赖于电网中接管瞬态负荷变化的同步发电机。

与此同时，已针对孤立电网、微电网和铁路电网开发了更复杂的变换器控制方法。这些控制方法旨在不仅提供稳态电网支持，而且提供瞬态电网支持。利用这种控制方法的经变换器接口连接的能源资源能够完全代替电网中的常规同步发电机。有可能在没有任何常规同步发电机连接到电网的情况下运行电网，这种情况例如在铁路电网中已经变得很普遍。

为了提供完整的电网支持，必须根据连接到电网的各种负荷的需求来调适到电网的注入功率量。这通过将行为从电网无关的恒定功率注入更改为更接近于电压源的行为来实现。配备有这种控制方法的变换器自动调适和共享注入功率，使得它们提供电网中的各种负荷所需求的实际功率。

由于与AC发电和配电中的传统设备向后兼容的原因，控制方法旨在向电网提供“惯性”，这意味着电网频率的变化率是有限的。

电压源特性和惯性的组合效果导致特性非常接近于同步发电机的行为。这种控制方法提供了完整的电网支持，并且可以完全代替电网中的同步发电机。

一般而言，根据目前工艺水平的控制机制可分为两个主组。

在下垂控制方法中，控制律基于感应电网中频率(或角度)和功率流的稳态耦合。存在各种实施方式变体，并且在过去几年中已提出了几种改进该方法的方式。在大多数实施方式变体中，该方法创建电压参考，该电压参考必须用附加的级联电压和电流控制回路来跟踪。在这方面，参考文献[1]和[3]。

在例如[2]中所描述的虚拟发电机方法中，控制律基于仿真同步发电机行为的原理。描述发电机行为的数学模型直接在控制器中实施。存在各种实施方式变体，它们的主要区别在于所实施的方程的细节和复杂程度。

为了仿真(emulate)虚拟发电机或虚拟同步机(virtual synchronous machine,VSM)，在控制器中实施同步发电机的数学方程以仿真发电机行为。在直接方法(电压源类型)中，求解定子电压的机器方程，定子电压作为参考要么直接给予调制级要么给予随后的级联电压和电流控制回路。在反向方法(电流源类型)中，求解定子电流的机器方程，定子电流作为参考给予随后的电流控制回路。

然而，上文引用的两种方法都需要各种附加的控制回路以便使该概念适用。特别地，级联电压和电流控制回路由直接方法给出并且提供包括电流限制在内的电流控制。

电流控制回路和PLL跟踪由反向方法给出的有功/无功功率参考并且提供包括电流限制在内的电流控制。而且，提供了电网同步和电网频率测量。

虚拟阻抗回路可仿真虚拟定子阻抗。