[发明专利]电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法

说明书

本发明公开了一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法，属于高渗透率新能源并网发电系统中的新能源变流器控制领域。本方法首先计算新能源变流器输出瞬时有功和无功功率，并采用一阶低通滤波器进行滤波，然后采用基于有功功率直接控制的有功外环控制，和基于下垂控制的无功外环控制，分别得到输出电压相角和幅值指令，最后进行输出电压和电感电流的双闭环控制。本发明使新能源变流器在并网运行时具有与电流控制型并网变流器相同的快速功率跟随特性；当电网发生故障时，在无需电压/电流控制模式切换的情况下即可主动提供电压和频率支撑，增强系统的电压和频率稳定性。

技术领域

本发明属于高渗透率新能源并网发电系统中的新能源变流器控制领域，具体涉及一种电压控制型新能源变流器的有功功率直接控制方法。

背景技术

在我国2030年碳达峰、2060年碳中和的目标下，光伏、风电将迎来大幅增长空间。能源供应体系将由以煤炭为主向多元化转变，新能源发电逐步成为主体。在高渗透率新能源并网发电系统中，当新能源变流器并网运行时，要求其能够跟踪光伏、风电最大功率点执行最大功率传输任务，或能够参与系统功率调度，快速响应功率指令；当主电网惯性不足或发生故障时，要求新能源变流器能够提供频率和电压支撑，以抑制系统频率的快速波动、提高系统的稳定性。

传统新能源并网变流器采用与电网频率解耦的直接电流控制，电流指令由外环最大功率点跟踪控制产生。直接电流控制型变流器可等效为一个电流源，将直流侧的有功功率快速传输到电网，实现功率的快速跟随。电流控制型虚拟同步发电机在直接电流控制的基础上，根据系统频率偏差和变化率计算一次调频和虚拟惯性所需短时功率，并将其叠加在电流指令上增加有功输出，从而提供被动惯性。因此，电流控制型虚拟同步发电机虽然可以快速跟随功率指令，也可增加系统的等效惯性，但其与直接电流控制相同，具有无法提供频率和电压支撑，以及涉网能力不足易停机脱网等问题。电压控制型虚拟同步发电机为了满足系统惯性较小时能够主动增强惯性以抑制频率快速波动的需求，采用控制算法模拟同步发电机的机械转矩方程，将有功偏差经虚拟惯性环节转化为频率控制信号以调节输出电压与电网电压之间的相角差，从而实现输出有功的间接控制。虽然其可提供电压和频率支撑，但为了增强系统惯性，电压控制型虚拟同步发电机需设置较大的虚拟惯量，而虚拟惯量的增大使得功率偏差无法及时转化为频率信号，从而降低了输出有功响应速度，导致其无法像电流控制型变流器一样实现功率指令的快速跟随，从而难以满足新能源变流器并网运行模式的需求。

目前，针对电流控制型新能源变流器和电压控制型新能源变流器的频率和有功功率控制，已有多篇学术论文进行分析报道，例如：

1、题为“E1ectric power system inertia：requirements，challenges andsolutions”Rezkalla M，Pertl M，Marinelli M，《ELECTRICAL ENGINEERING》，2018，100：2677-2693(“电力系统惯性：需求，挑战和解决方案”，《电气工程》，2018年第100卷2677-2693页)与“基于频率微分原理的储能变换器虚拟惯量控制策略研究”，石荣亮，张烈平，王文成，于雁南，张兴，《中国电机工程学报》，2021年第41卷第6期2088-2100页文章在传统电流控制型并网变流器基础上，根据系统频率变化率计算虚拟惯性所需的短时功率，并将其叠加在有功指令信号上，以实现功率的快速调节，从而实现被动惯性支撑。但此方法存在无电压支撑能力、弱网环境下稳定性差和电网故障时易脱机保护等问题。