CN108574299A - 用于控制功率变流器的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及控制连接到电网的功率变流器(17)以模拟同步发电机的方法，包括：确定关于设定点频率(fset)和电网实际频率(fact)的频率控制误差，基于频率控制误差确定到同步发电机惯性模型的输入功率，惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过输入功率调节惯性模型的旋转频率(f)，确定关于设定点电压(Uset)和由功率变流器输出实际电压(Uact)的电压控制误差，基于电压控制误差确定同步发电机模型的励磁机参数，通过励磁机参数调节同步发电机模型的输出电压(U)，基于同步发电机模型的定子虚拟阻抗调整旋转频率(f)或者从旋转频率获得的相角(θ)、和输出电压(U)，以及基于调整的旋转频率或相角以及调整的输出电压(U')控制功率变流器。

Description

用于控制功率变流器的方法和控制系统
技术领域
本公开总体上涉及功率变流器。具体而言，本公开涉及控制连接到电网的功率变流器以模拟同步发电机的方法。
背景技术
功率变流器可以用作功率转换系统(PCS)。PCS可以用于将电能从一种形式转换到另一种形式，诸如在从交流到直流的情况下其执行整流器动作，或者在从直流到交流的情况下其执行逆变器动作。如果可以实现双向流动，那么该PCS通常被称为变流器。
PCS可以是电流受控制或电压受控制的。当交流电流受控制时，变流器交流侧上的电流被控制在特定设定点或接近特定设定点。由于交流电流类似于来自交流电流源的电流，所以交流电流受控制的PCS可以被称为电流源逆变器(CSI)。类似地，当交流电压受控制时，变流器交流侧上的电压被控制在特定设定点或接近特定设定点。由于交流电压类似于由交流电压源产生的电压，所以交流电压受控制的PCS可以被称为电压源逆变器(VSI)。
VSI的一个用途是创建交流电气网络或交流电网。能量可以来自能量存储装置，诸如电池或飞轮或超级电容器，或者诸如发电机的能量产生装置。由于能量存储装置可以被充电和放电并且VSI还是双向的，所以来自能量存储器/VSI组合的能量可以被负载使用，在这种情况下，能量存储器和VSI充当发电机，或者可以从某些其他发电装置消耗能量，在这种情况下，能量存储器和VSI充当负载。这种产生和消耗能量的能力意味着存储器/VSI组合可以创建电网并作为该电网上唯一的电网形成装置来运行(即单独运行)，或者用于稳定由其他装置所形成电网的频率或电压。
如果VSI具有固定的电压和频率设定点并且单独运行，那么不存在问题。但是，如果它与其他电压刚性装置(诸如其他VSI或同步发电机)并行运行，那么这些并行运行的装置会存在问题。
同步发电机是电力系统中的主导发电装置。它包括两部分：原动机和同步电机。原动机是一种能量转换装置，其将诸如蒸汽或天然气等某些形式的能量转换成旋转能量。同步电机将该旋转能量转换成交流电能。
同步发电机是柔性的，即它最初会对于其上负载的变化做出轻微反应。这种柔性的行为针对有功负载变化和无功负载变化而发生。有功功率变化的示例是，当同步发电机的负载增加时导致频率的初始骤降。速度或频率控制器或调速器感测到这种速度下降并通过增加原动机的功率输出来响应。这通常通过增加进入原动机的燃油或蒸汽流来完成。随着原动机功率输出的增加，速度和频率恢复到设定点。在无功功率负载变化的情况下，当同步发电机上的无功负载增加时，存在电压的初始骤降。自动电压调节器(AVR)感测到该电压下降并通过增加到同步电机的激励电流来响应。这种激励电流的增加可以经由静态或无刷励磁系统。随着励磁的增加，同步电机的电压输出恢复到设定点。
标准的VSI不具有上述柔性，因此它可能非常刚性。
在标准的VSI与另一个电压源装置(如同步发电机、另一个VSI或正常电网)并联运行时存在问题。这些问题在稳态中和暂态期间都会发生。
并联工作并具有相同频率设定点的电压源装置(诸如同步发电机和VSI)不会固有地分配负载；需要单独的分配算法。类似地，并联运行并具有相同电压设定点的同步发电机和VSI不会固有地分配无功负载；需要单独的无功分配算法。
在加载步骤期间，VSI与发电机之间的分配会被中断。如果发电机具有惯性并且VSI是常规类型，那么VSI将承担大部分的负载变化。这给VSI带来了很大的压力并且可能导致VSI过载，即使总负载在组合的VSI和发电机的负载能力范围内。
当没有故障并且系统处于稳态时，发电机和VSI以发电机的内部电动势与VSI电压之间的静态角彼此同步的方式操作。当电力线上出现短路或故障时，网络上的线路电压被抑制到较低值并且连接到该线路的发电机和VSI通常会供给故障电流。在电压被抑制的时间期间，由连接到系统的发电机所产生的有功功率从它们的故障前的值变化；如果有功功率较低则发电机加速，或者如果有功功率较高则发电机减速。正常的VSI可能会改变其频率或可能不会改变其频率，所以发电机与VSI之间的同步可能会丢失。
由于这种同步丢失，可能会出现两个问题。首先，这种同步丢失可能引起VSI和发电机在不同的相角提供故障电流，因此到故障点的净电流可能会从总和中减少，甚至变为零，即VSI和发电机的故障电流相等但是失相。第二个问题是，当故障被消除时，VSI与发电机之间可能存在大的角度差，这会引起发电机与VSI之间的大功率流动和/或要流动的大电流。这会导致过电流和/或功率保护装置跳闸。
用于VSI的标准传统控制方法没有任何机制来防止上述问题。
D'Arco等人在论文“A virtual synchronous machine implementation fordistributed control of power converters in SmartGrids”Electric Power SystemResearch 122(2015),pp.180-197中公开了虚拟同步机(VSM)的实现。该实现基于同步电机惯性和阻尼行为的内部表示，以及用于操作电压源变流器的级联电压和电流控制器。由于在负载阶跃的情况下不存在恢复机制，所以虚拟同步机能够处理有功负载变化但是提供较差的电压控制，因此它不能用作电网形成装置而只能用作跟网装置。
发明内容
鉴于上述内容，本公开的目的是提供一种控制功率变流器的方法，其解决或至少减轻了现有技术的问题。
因此，根据本公开的第一方面，提供了一种控制连接到电网的功率变流器以模拟同步发电机的方法，其中所述方法包括：确定关于设定点频率和电网实际频率的频率控制误差，基于所述频率控制误差来确定到同步发电机惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率，确定关于设定点电压和由所述功率变流器输出实际电压的电压控制误差，基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压，基于所述同步发电机模型的定子虚拟阻抗调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)和获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，并且基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')来控制所述功率变流器。
通过使用闭环反馈的旋转频率控制和输出电压控制、能够控制有功功率和无功功率变化而可获得的效果在于，通过该方法控制多个功率变换器(每个功率变换器分别控制)，可以在稳态期间、暂态期间和故障期间并联地操作并分配良好。它还允许了与同步发电机和/或诸如太阳能、风能、潮汐等可再生能源发电机的并联。
此外，控制功率变流器的“虚拟发电机”可以被调谐成具有与传统发电机相同的特性，以使得它们在线路故障期间不会失去同步。此外，“虚拟发电机”可以根据需要被调谐成柔性或刚性的，这意味着它可以模拟大于或小于其额定功率的同步发电机。
功率变流器还可以作为电网中唯一的电压源进行操作并且作为电压和频率参考，这使得能够使用由逆变器连接(例如太阳能)和由机器连接(例如风力发电机)的可再生能源。
通过该方法控制的功率变换器创建正序电压源并且在线路故障期间是良好的参考；电源变流器可以传送故障电流并保持旋转的正序电压源。
根据一个实施例，所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。
根据一个实施例，所述励磁机参数是励磁机电流。
根据一个实施例，所述控制涉及利用脉宽调制。
根据一个实施例，所述功率变流器是电压源逆变器。
根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机可执行组件的计算机程序，所述计算机可执行组件在由控制系统的处理电路执行时使得所述控制系统执行根据第一方面所述的方法的步骤。
根据本公开的第三方面，提供了一种包括存储介质的计算机程序产品，所述存储介质包括根据第二方面所述的计算机程序。
根据本公开的第四方面，提供了一种用于控制被配置成连接到电网的功率变流器以模拟同步发电机的控制系统，其中所述控制系统包括：处理电路和存储介质，所述存储介质包括计算机可执行组件，所述计算机可执行组件当在处理电路上运行时使得所述控制系统执行以下操作：确定关于设定点频率和电网实际频率的频率控制误差，基于所述频率控制误差来确定到同步发电机惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率，确定关于设定点电压和由所述功率变流器输出实际电压的电压控制误差，基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压，基于所述同步发电机模型的定子虚拟阻抗调整所述旋转频率或者从所述旋转频率获得的相角、和所述输出电压，并且基于所调整的旋转频率或所调整的相角以及基于所调整的输出电压来控制所述功率变流器。
根据一个实施例，所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。
根据一个实施例，所述励磁机参数是励磁机电流。
根据一个实施例，所述控制系统被配置成利用脉宽调制来控制所述功率变流器。
根据本公开的第五方面，提供了一种功率变流器系统，包括：功率变流器和根据第四方面所述的控制系统，所述控制系统被配置成控制所述功率变流器。
根据一个实施例，所述功率变流器是电压源逆变器。
通常，权利要求中使用的所有术语根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非在此另有明确定义。除非另有明确说明，所有对“一/一个/该元件、装备、组件、装置等”的引用都应当被公开地解释成指代元件、装备、组件、装置等的至少一个实例。
附图说明
现在将通过参考附图以示例方式来描述本发明构思的特定实施例，其中：
图1示意性地示出了用于控制功率变流器以模拟同步发电机的控制系统的示例；和
图2示意性地描绘了具有由图1中的控制系统所实现以用于控制功率变流器来模拟同步发电机的模块的框图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更充分地描述本发明构思，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的实施例；相反，通过示例的方式提供这些实施例，以使得本公开将是彻底和完整的并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相同的数字指代相同的元件。
这里提出了模拟同步发电机的操作和行为的方法和控制系统。由此提供了“虚拟发电机”的功能，其使得功率变流器能够被配置成连接到与常规同步发电机并联、并且与传统同步发电机和其他功率变流器分配功率的电网。由于功率变流器和传统发电机两者具有类似的性能，所以在稳态和瞬态下都会发生分配，后者利用所有发电资产的全部功能。此外，“虚拟发电机”使功率变流器能够作为电网内唯一的电网形成组件，其作为电网频率和电压的主机并提供频率和电压调节。
图1示出了用于控制功率变流器以模拟同步发电机的控制系统1的示例。功率变流器尤其可以是电压源逆变器。
控制系统1包括处理电路3和包括计算机可执行组件的存储介质5，所述计算机可执行组件在由处理电路3执行时使得控制系统1执行如下文中将公开的模拟同步发电机的方法。
处理电路3使用合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合，其能够执行本文公开的涉及功率变流器控制的任何操作。
存储介质5例如可以实现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更具体地实现为外部存储器中的设备的非易失性存储介质，外部存储器诸如USB(通用串行总线)存储器或者闪存，诸如紧凑型闪存。
图2示出了功率控制系统16，所述功率控制系统16包括控制系统1和被配置成由控制系统1控制并且被连接到电网的功率变流器17。在图2中，示出了通常由包括在存储介质5中并被配置成由处理电路3执行的计算机可执行组件或软件而实现的多个功能块。
这些功能块利用闭环反馈而提供了功率变流器的频率控制和电压控制两者，从而使功率变流器能够充当电网形成装置。因此，功率变换器能够跟踪电网上的负载，并基于实际的无功负载和有效负载状况而调整输出电压和输出频率。
在这些功能块中，有自动电压调节器块7和同步发电机模型块9。同步发电机模型块9包括同步发电机励磁系统的数学模型。同步发电机的输出电压是激励电流(即转子激励绕组中的磁化电流)和无功功率的函数。
控制系统1被配置成接收由功率变流器17输出的实际电压Uact。例如可以通过在功率变流器17端子处的测量来获得由变流器输出的实际电压Uact。
控制系统1被配置成确定关于由功率变换器17输出的实际电压Uact和设定点电压Uset的电压控制误差，如在加法器块6中所示。
可选地，根据一个变型，可以使用电压下降Udroop来确定加法器块6中的电压控制误差，如图2所示。
电压控制误差被输入到自动电压调节器块7。自动电压调节器块7是闭环控制器。自动电压调节器块7可以例如包括PI调节器。
自动电压调节器块7的PI调节器可以设置最大和最小无功功率极限以及内置的积分器抗饱和积分。可以设定PI调节器的动态特性，并可以使用可选的线性电压下降。
基于电压控制误差，自动电压调节器块7确定励磁机参数并且通过励磁机参数来调节同步发电机模型块9的输出电压U。励磁机参数例如可以是励磁机电流或激励电流，即转子励磁绕组的磁化电流。
以这种方式，可以基于输出电压U来控制功率变流器。具体而言，可以控制由功率变流器17输出的实际电压Uact，由此提供对电网中无功功率变化的适应性。
在这些功能块中，还有调速器块或频率调节器块11，以及惯性模型块13。惯性模型块13包括惯性模型，其为同步发电机惯性的数学模型，因此惯性模型块可以模拟同步发电机的惯性。惯性模型具有惯性常数H，它指示其表示的自旋质量的量，并且具有为秒的单位。根据一个变型，惯性模型还可以包括存在于同步发电机中的阻尼分量。阻尼分量模拟同步发电机中存在的阻尼。惯性模型的旋转频率与功率平衡有关，该功率平衡即进入该惯性的功率(为输入功率)与离开该惯性的功率(为输出功率)之间的差值。当进入惯性模型的输入功率小于由功率变流器输送的功率时，频率下降。相反，如果输入功率高于离开惯性模型的功率，那么频率增加。这与利用原动机提供功率并由同步发电机输送输出功率的传统同步发电机相同。
控制系统1被配置成接收功率变流器的实际频率fact。实际频率fact例如可以在功率变流器的输出处测量。备选地，由惯性模型块13输出的旋转频率f可以用作实际频率fact，如图2所示。
控制系统1被配置成确定关于实际频率fact和设定点频率fset的频率控制误差，如在加法器块10中所示。
可选地，根据一个变型，频率下垂fdroop可以被用于在加法器块10中确定频率控制误差，如图2所示。
频率控制误差被输入到调速器块11。该调速器块11是闭环控制器。调速器块11可以例如包括PI调节器。
调速器块11的PI调节器可以具有最大和最小功率极限以及内置的积分器抗饱和积分。通常，功率极限被设定成功率变流器17的能量存储极限，并且可以是不对称的。
基于频率控制误差，调速器块11确定输入功率，并且通过该输入功率来调节包括在惯性模型块13中的惯性模型的旋转频率f。
相角θ也被获得。相角θ与旋转频率f密切相关；它是旋转频率f的积分，该积分在惯性模型中存在阻尼分量的情况下进行一些修改。因此，输入功率也调节相角θ。旋转频率f和相角θ被提供为来自惯性模型块13的输出。
以这种方式，可以基于旋转频率f来控制功率变流器。在本示例中，相角θ从被用于控制功率变流器的旋转频率f导出。因此可以控制功率变流器以提供对电网中有功功率变化的适应性。
控制系统1被配置成基于旋转频率f(在该示例中基于从惯性模型块13获得的、从旋转频率f导出的相角θ)并基于从同步发电机模型块9获得的输出电压U而控制功率变流器17。该控制可以例如借助于PWM(即通过使用PWM)来切换开关，例如功率变流器17的绝缘栅双极型晶体管(IBGT)。
功率变流器的输出可以由正弦波滤波器进行滤波，创建与传统同步发电机完全相当的低谐波正弦输出。
由功率变流器17提供的输出是真实的电压源。由控制系统1控制的功率变换器17所输送的有功功率和无功功率与连接到该功率变换器的负载相关(如果孤岛操作)，或者与相对于宏观电网的频率设定点和电压设定点相关(如果并网)。
可以提供功率计19以测量并捕获从功率变流器17输出的实际电压Uact、实际有功功率Pact和实际无功功率Qact，并且在某些示例中还测量并捕获用于上述控制回路的实际频率fact。
除了之前描述的功能块之外，还可以提供虚拟阻抗块15。虚拟阻抗块15包括同步发电机模型的定子的虚拟阻抗。具体而言，虚拟阻抗可以包括定子泄漏电感和定子电阻。
在包括虚拟阻抗块15的变型中，来自同步发电机模型块9的输出(即输出电压U)和来自惯性模型块13的输出(在本示例中为相角θ)被提供到虚拟阻抗块15中。备选地，旋转频率f可以作为虚拟阻抗块15的输入被提供。以这种方式，调整输出电压U以基于虚拟阻抗获得调整的输出电压U'，并且还调整相角θ以基于虚拟阻抗而获得调整的相角θ'。因此在这种情况下，功率变流器17的控制基于所述调整的相角θ'并基于所述调整的输出电压U'。取而代之，如果将旋转频率f输入到虚拟阻抗块中，那么旋转频率f基于虚拟阻抗而调整旋转频率f，并且使用调整的旋转频率和调整的输出电压U'来控制功率变流器17。
根据本文公开的任何变型，可以实时地、适应地改变功能块的特性，即调整诸如惯性常数H、调速器块的增益Kp和Ki以及调速器块的最大限和最小限等参数，以使控制系统1控制功率变换器模拟传统发电机的特性以增强在线路故障期间保持同步的能力。
以上主要参照几个示例来描述本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例以外的其它实施例同样可以在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内。

Claims (13)

1.一种控制功率变流器(17)以模拟同步发电机的方法，所述功率变流器(17)连接到电网，其中所述方法包括：
确定与设定点频率(fset)和所述功率变流器(17)的实际频率(fact)有关的频率控制误差，
基于所述频率控制误差来确定到同步发电机的惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，
通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率(f)，
确定与设定点电压(Uset)和由所述功率变流器(17)输出的实际电压(Uact)有关的电压控制误差，
基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，
通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压(U)，
基于所述同步发电机模型的定子的虚拟阻抗，来调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)而获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，和
基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')，来控制所述功率变流器(17)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述励磁机参数是励磁机电流。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制涉及利用脉宽调制。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功率变流器(17)是电压源逆变器。
6.一种包括计算机可执行组件的计算机程序，所述计算机可执行组件在由控制系统(1)的处理电路(3)执行时使得所述控制系统(1)执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
7.一种包括存储介质(5)的计算机程序产品，所述存储介质(5)包括根据权利要求6所述的计算机程序。
8.一种用于控制功率变流器(17)以模拟同步发电机的控制系统(1)，所述功率变流器(17)被配置成连接到电网，其中所述控制系统(1)包括：
处理电路(3)，和
存储介质(5)，所述存储介质(5)包括计算机可执行组件，所述计算机可执行组件当在所述处理电路(3)上运行时使得所述控制系统(1)执行以下操作：
确定与设定点频率(fset)和所述功率变流器(17)的实际频率(fact)有关的频率控制误差，
基于所述频率控制误差来确定到同步发电机的惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，
通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率(f)，
确定与设定点电压(Uset)和由所述功率变流器(17)输出的实际电压(Uact)有关的电压控制误差，
基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，
通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压(U)，
基于所述同步发电机模型的定子的虚拟阻抗，来调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，和
基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')，来控制所述功率变流器(17)。
9.根据权利要求8所述的控制系统(1)，其中所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的控制系统(1)，其中所述励磁机参数是励磁机电流。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的控制系统(1)，其中所述控制系统被配置成利用脉宽调制来控制所述功率变流器(17)。
12.一种功率变流器系统(16)，包括：
功率变流器(17)，和
根据权利要求8至11中任一项所述的控制系统(1)，所述控制系统被配置成控制所述功率变流器(17)。
13.根据权利要求12所述的功率变流器系统(16)，其中所述功率变流器(17)是电压源逆变器。
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