CN110518626A - 一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，根据同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程进行建模，模拟同步发电机的励磁环节和调速环节，解决电力系统惯量小和阻尼小的问题，所述控制策略使光伏并网逆变器具有同步发电机的外特性，该控制结构摆脱了光伏并网使用PLL锁相环，使并网逆变器控制不依附于网络频率变化而变化，增加逆变器控制的自主性与抗扰性。Boost变换器实现MPPT控制的同时完成网侧逆变器的单位功率因数正弦波电压稳定控制；光伏并网逆变器起到频率稳定支撑作用，励磁器摆脱了根据无功‑电压下垂特性设置的无功反馈环对电压调整的作用，起到电压稳定支撑作用，提高光伏并网稳定性。

Description

一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支 撑控制方法

技术领域

本发明属于新能源并网技术领域，尤其涉及一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法。

背景技术

太阳能作为世界上最丰富的可再生能源之一，具有绿色环保无污染、储量丰富等优点，在众多可再生能源中脱颖而出，成为了国际上公认的最理想的替代能源。并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池所发电能转换成交流电并传输到大电网，是整个系统的核心装置，而光伏并网的控制策略是分布式电源的关键，一般情况下最大功率跟踪控制(MPPT)主要由前级的DC-DC变换器实现，而后级的DC-AC并网逆变器则主要维持前后两级母线间直流电压的恒定，以及实现电网功率调控，根据指令要求对其输出的有功、无功功率进行调节。

对于分布式电源来说，传统控制策略是基于旋转坐标系解耦的电流型控制策略。当工作在并网模式下，能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，早期时大部分逆变器采用此种控制方法，因为其在稳态并网状态下表现出优异性能。但随着庞大的分布式电源接入，电网的安全隐患也随之增加，电力系统发生故障的概率不断上升，当系统处于故障等暂态情况下，若采用此种控制方法，使得逆变器不具有良好的动态性。

传统的解耦控制策略将系统近似为线性来控制，然而逆变器的数学模型实际上是呈现非线性特性，因此有学者提出了采用非线性的控制策略，从而在系统的本质上使得控制能够更加准确化。以上所述的解耦控制策略及非线性控制策略等常用在分布式电源工作在并网工作状态下。当整个电网系统下，电网仍然独自承担着系统的平衡和稳定。并且采用上述控制策略时，分布式逆变电源不能够对电力系统提供一定的支撑作用，相反的，某些情况下还会向电网注入谐波，且逆变器本身不具备旋转惯性与阻尼分量，随着分布式能源的大量接入，势必对电力系统的安全和稳定性带来挑战。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，采用同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程进行建模，引入虚拟调速器及调频器概念，使得并网逆变器模拟同步发电机的惯量和阻尼，即励磁环节和调速环节，对系统起到频率稳定支撑作用和电压稳定支撑作用，解决了电力系统惯量小和阻尼小的问题。该控制结构通过主动支撑控制器来模拟同步发电机的角速度，摆脱了光伏并网使用PLL锁相环，使得并网逆变器控制不依附于网络频率变化而变化，将光伏机组等效一个电压源型的VSG。

为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，包括Boost电路控制和光伏并网逆变器控制两部分，其中Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制；光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制。

所述Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，Boost变换器根据光伏电池输出电压电流检测，通过MPPT控制算法得出调节光伏电池工作点的电压指令U_erf，将U_ref与光伏电池输出电压的采样值U_PV相减，经过PI调节器进行Boost变换器的输入电压闭环控制，实现光伏电池的MPPT控制。

所述Boost变换器的输出功率因环境的变化而不断变化，控制系统设计时，后级网侧变流器直流电压外环的控制响应快于前级Boost变换器的MPPT控制响应。

所述光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制，是指根据同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程建立标准三阶模型，用以模拟同步发电机的励磁器及调速器，增加光伏机组并网的惯量特性和阻尼特性，摆脱并网运行常用的PLL控制。

所述光伏并网逆变器控制采用标准三阶模型的虚拟同步发电机VSG控制，包括电磁模型的励磁器、机械模型的调频器以及内环控制器；励磁器控制虚拟同步发电机输出的电压幅值，调频器控制输出有功功率及输出电压角频率，内环控制器通过对逆变器内部动态特性进行建模实现控制快速性并限制故障电流。

所述励磁器的励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计，通过并网点电压参考值与实际值之差的反馈环节，来修正电压跌落后稳定值时与初始值的偏差，模拟同步发电机外端口的调压特性，为系统提供电压惯性支撑。

所述调频器分为主动支撑控制环节和频率恢复环节两部分，主动支撑控制环节模拟同步发电机的转子运动方程，为系统提供必要的惯量和阻尼支撑；频率恢复环节模拟同步发电机的一次调频特性，提高电力系统的频率稳定支撑能力；主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度，抑制频率震荡，起到惯量支撑作用；同时主动支撑控制摆脱了并网逆变器使用PLL锁相环,使逆变器内部控制不依附于电网频率变化而变化；频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成了频率实际值与参考值之差的频率反馈环用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节。

内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值，从而将光伏并网逆变器等效成电压源型的虚拟同步发电机。

所述方法包含采用脉冲调制的三相桥臂和用以消除电压纹波的LCL滤波器，将滤波电容输出侧视为同步发电机的端口特性，通过控制滤波电容电压来模拟同步发电机外特性；

所述并网逆变器模拟同步发电机是在其控制算法中引入同步发电机模型，首先建立同步发电机模型，模拟同步发电机为隐极式同步发电机，隐极式同步发电机的定子电感值为常值；模拟的同步发电机转子极对数为1，以保证机械角速度等于电气角速度；忽略同步发电机中转子的铁芯磁饱和问题及涡流损耗；隐极式同步发电机绕组等效结构，i_F参考方向，定、转子间互感由转子角决定；

根据牛顿第二运动定理可知，同步发电机的转子运动方程为：

其中，P_m为同步发电机的机械功率；P_e为同步发电机的电磁功率；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为电网同步角速度；ω为同步发电机的机械角速度，d为微分符号，t为任意时间，考虑极对数为1的情况下，机械角速度等于电气角速度；

由上式可知，电网频率发生变化时，发电机转子的输出功率为

当电网频率下降时，同步发电机向外输出有功功率，当频率上升时，同步发电机将吸收有功功率；为模拟同步发电机的转子惯性，虚拟惯量的功率指令P_inertia为：

由上式可看出，有功功率指令与电网的频率和频率变化率之积成正比，显然，当电网频率从额定值变化至另一稳态值后，并网逆变器的输出功率为0；为了模拟系统一次调频特性，虚拟一次调频的功率指令P_droop为：

上式中：K_m为下垂系数，ω为机械角速度，ω_ref为机械角速度参考值；

为了模拟转子惯性特性及一次调频控制特性，并网逆变器的输出有功功率指令P_ref为：

P_ref＝P_inertia+P_droop+P₀ (4)

式中P₀代表光伏机组经过Boost变换器稳定直流侧电压输出的额定功率，P_inertia为虚拟惯量的功率指令，P_ref为并网逆变器的输出有功功率指令。

所述VSG的有功—频率控制是模拟同步发电机的调频器，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性，有功-频率控制通过检测功率差ΔP来控制虚拟机械转矩输出而调节频率，采用VSG阻尼系数来描述频率发生单位变化时的输出功率变化量，电磁转矩T_m和机械转矩T_e之差使得转子角速度变化，改变输出相位θ，用于上层调速器控制和底层电压电流控制的坐标变换，摆脱用PLL锁相环测量系统中abc坐标系与dq坐标系的相位，使得逆变器控制不依附于网络动态频率的变化而变化；

所述主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度；频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成频率实际值与参考值之差的频率反馈环，用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小以及下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节；

所述励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计：

上式中：T_d0′为同步发电机励磁绕组的时间常数，E_q′为暂态电动势，E_fq为强制空载电动势，I_d为直轴电流分量，X_d为直轴同步电抗，X_d′为直轴瞬变电抗；

所述内环控制器，对于闭环控制的VSG，其闭环输出阻抗由其开环输出阻抗和闭环参数共同决定，虚拟定子绕组环节调整逆变器的输出阻抗，解决线路阻抗中阻性成分带来的功率耦合问题，满足虚拟同步发电机的功率解耦条件；

其中r、x表示虚拟定子绕组的电阻值及电感值，I_d为直轴电流分量，I_q为交轴电流分量，E_dref直轴内电势参考值，E_qref为交轴内电势参考值，E_{d_ref}为直轴外电势参考值，E_{q_ref}为直轴外电势参考值；虚拟定子绕组能减弱线路参数对下垂特性的影响；

同时，虚拟定子绕组的设置能够实现并联逆变器间环流和故障电流的限制；

内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环；在电压环中，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值；

其中是d轴参考电流，是q轴参考电压，k_p2是比例系数，k_i2是积分系数，v_d是d轴电压参考值，v_q是q轴电压参考值，v_cd是d轴电压实际值，v_cq是q轴电压实际值，ω为角速度，L为滤波电感；

电流环通过PI控制器调节滤波电感电流，如下

其中v_gd是网侧电压参考值，i_lq是q轴电流实际值，i_ld是d轴电流实际值，k_p1是比例系数，u_d是逆变器出口d轴电压参考值，u_q是逆变器出口q轴参考值，C为滤波电容；

为防止暂态时的过电流损害设备，限制电流参考值通过解耦项来抵消滤波电感上电流的耦合，实现d、q轴电压电流的独立控制。

本发明具有以下有益效果：

本发明的光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制方式进行并网，将分布式电源模拟成一台同步发电机，为系统提供惯量支撑和阻尼支撑；所述控制策略使光伏并网逆变器具有同步发电机的外特性，所述并网逆变器采用主动支撑控制避免使用PLL锁相环,使逆变器内部控制不依附于电网频率变化而变化，增加了逆变器控制的自主性与抗扰性。解决了基于电力电子逆变器接口的分布式电源的响应速度快，并网逆变器自身没有同步发电机所固有的阻尼分量与旋转惯性等问题。励磁器根据同步发电机的暂态电压方程形成电压参考值与实际值之差的反馈环节，用以修正电压跌落后稳定值时与初始值之间的偏差，起到电压稳定支撑作用，相比与无功-电压下垂特性形成无功参考值与实际值之差反馈环对电压修正起到的效果更为明显，模拟了同步发电机外端口的调压特性，对系统起到电压稳定支撑作用，提高了光伏并网的稳定性。

附图说明

图1为本发明中基于VSG的标准三阶模型光伏并网总体控制结构图；

图2为本发明中基于同步发电机标准三阶模型的并网逆变器主动支撑控制框图；

图3为本发明中隐极同步发电机绕组等效结构图；

图4为本发明中隐极同步发电机电势等效结构图；

图5为本发明中有功功率/频率下垂特性；

图6为本发明中励磁器控制框图；

图7为本发明中内环控制器结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，包括Boost电路控制和光伏并网逆变器控制两部分，其中Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制；光伏并网逆变器采用标准三阶模型的虚拟同步发电机VSG控制。

光伏并网逆变器采用标准三阶模型的虚拟同步发电机VSG控制，即根据同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程建立标准三阶模型，用以模拟同步发电机的励磁器及调速器，增加光伏机组并网的惯量特性和阻尼特性，摆脱并网运行常用的PLL控制，使得并网逆变器控制不依附于电网频率变化而变化，在系统频率波动及电压跌落时起到较好的频率稳定支撑作用和电压稳定支撑作用。

所述Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，Boost变换器根据光伏电池输出电压电流检测，通过现有MPPT控制算法，根据MPPT最大功率追踪曲线，输入光照强度得到光伏逆变器的输出功率参考值，通过逆变器输出功率参考值与实际值经过PI调节器得出调节光伏电池工作点的电压指令U_erf，然后将U_ref与光伏电池输出电压的采样值U_PV相减，并经过PI调节器进行Boost变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏电池的MPPT控制。

本发明控制方法中，前级Boost变换器的输出功率会因为环境的变化而不断变化，为了确保Boost变换器输出的功率及时传递到电网而不在直流母线上产生能量堆积和亏欠，这就要求所述控制系统设计时，后级网侧变流器直流电压外环的控制响应快于前级Boost变换器的MPPT控制响应。

所述光伏并网逆变器控制采用标准三阶模型的虚拟同步发电机控制VSG，包括电磁模型的励磁器、机械模型的调频器以及内环控制器。励磁器控制虚拟同步发电机输出的电压幅值，调频器控制输出有功功率及输出电压角频率，内环控制器通过对逆变器内部动态特性进行建模实现控制快速性并限制故障电流。

(1)励磁器设计

励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计，通过并网点电压参考值与实际值之差的反馈环节，来修正电压跌落后稳定值时与初始值的偏差，起到电压稳定支撑作用，相比与无功-电压下垂特性形成无功参考值与实际值之差反馈环对电压修正起到的效果更为明显，模拟了同步发电机外端口的调压特性，使得逆变器端口与同步发电机外端口有相同的调压特性，并为系统提供电压惯性支撑。

(2)调频器设计

调频器设计分为主动支撑控制环节和频率恢复环节两部分，主动支撑控制环节模拟同步发电机的转子运动方程，为系统提供必要的惯量和阻尼支撑；频率恢复环节模拟同步发电机的一次调频特性，提高了电力系统的频率稳定支撑能力。主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度，对抑制频率震荡有很好的效果，起到惯量支撑作用；同时主动支撑控制摆脱了并网逆变器使用PLL锁相环,使逆变器内部控制不依附于电网频率变化而变化，解决了基于电力电子逆变器接口的分布式电源的响应速度快，并网逆变器自身没有同步发电机所固有的阻尼分量与旋转惯性等问题。频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成了频率实际值与参考值之差的频率反馈环用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节，起到同步发电机一次调频的作用，提高了光伏并网的频率稳定支撑能力。

(3)内环控制器设计

内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值，从而将光伏并网逆变器等效成电压源型的虚拟同步发电机。

实施例1：

本发明实施例提供了一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，包括Boost电路控制和光伏并网逆变器控制两部分，Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，实现MPPT控制的同时完成网侧逆变器的单位功率因数正弦波电压稳定控制。为了稳定直流侧电压，光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制，用以提高新能源并网后，在惯量反应阶段及一次调频阶段，对系统的电压稳定支撑能力和频率稳定支撑能力，为系统提供必要的惯量和阻尼，支撑时通过释放转子动能及模拟的转子动能实现。

图1为本发明实施例的基于VSG的标准三阶模型光伏并网总体控制结构，Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，Boost变换器根据光伏电池输出电压电流检测，通过MPPT控制算法得出调节光伏电池工作点的电压指令U_ref，然后将U_ref与光伏电池输出电压的采样值U_PV相减，并经过PI调节器以进行Boost变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏电池的MPPT控制。光伏并网逆变器采用标准三阶模型的虚拟同步发电机VSG控制，通过频率的实际测量值与参考值之差以及电压实际测量值与参考值之差形成反馈直接进行调频调压控制，摆脱了因下垂特性间接影响的控制环节，对系统频率和电压起到更好的支撑效果。

图2为本发明实施例的基于同步发电机标准三阶模型的并网逆变器主动支撑控制框图，其包含采用脉冲调制的三相桥臂和用以消除电压纹波的LCL滤波器，可将滤波电容输出侧视为同步发电机的端口特性，通过控制滤波电容电压来模拟同步发电机外特性。控制策略分为三部分，包括电磁模型的励磁器、机械模型的调频器以及内环控制器，励磁器控制虚拟同步发电机输出的电压幅值，调频器控制输出有功功率及输出电压角频率，内环控制器通过对逆变器内部动态特性进行建模实现控制快速性并限制故障电流。

并网逆变器模拟同步发电机的关键就是在其控制算法中引入同步发电机模型，因此需要首先建立同步发电机模型，模拟同步发电机为隐极式同步发电机，隐极式同步发电机的定子电感值为常值；模拟的同步发电机转子极对数为1，以保证机械角速度等于电气角速度；忽略同步发电机中转子的铁芯磁饱和问题及涡流损耗。如图3和图4所示为隐极式同步发电机绕组等效结构，i_F参考方向如图所示，定、转子间互感由转子角决定。

根据牛顿第二运动定理可知，同步发电机的转子运动方程为：

其中，P_m为同步发电机的机械功率；P_e为同步发电机的电磁功率；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为电网同步角速度；ω为同步发电机的机械角速度，d为微分符号，t为任意时间，考虑极对数为1的情况下，机械角速度等于电气角速度。

由上式可知，电网频率发生变化时，发电机转子的输出功率为显然，当电网频率下降时，同步发电机向外输出有功功率，而当频率上升时，同步发电机将吸收有功功率。为模拟同步发电机的转子惯性，虚拟惯量的功率指令P_inertia为：

由上式可看出，有功功率指令与电网的频率和频率变化率之积成正比，显然，当电网频率从额定值变化至另一稳态值后，并网逆变器的输出功率为0，而这显然不利于电网的频率恢复。为了模拟系统一次调频特性，虚拟一次调频的功率指令P_droop为：

上式中：K_m为下垂系数，ω为机械角频率，ω_ref为机械角频率参考值。为了模拟转子惯性特性及一次调频控制特性，并网逆变器的输出有功功率指令P_ref为：

P_ref＝P_inertia+P_droop+P₀ (4)

式中P₀代表光伏机组经过Boost变换器稳定直流侧电压输出的额定功率，P_inertia为虚拟惯量的功率指令，P_ref为并网逆变器的输出有功功率指令。

VSG的有功—频率控制实际上是模拟同步发电机的调频器，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性，如图5所示。有功-频率控制通过检测功率差ΔP来控制虚拟机械转矩输出而调节频率，并采用VSG阻尼系数来描述频率发生单位变化时的输出功率变化量，电磁转矩T_m和机械转矩T_e之差使得转子角速度变化，改变输出相位θ，用于上层调速器控制和底层电压电流控制的坐标变换，摆脱了用PLL锁相环测量系统中abc坐标系与dq坐标系的相位，使得逆变器控制不依附于网络动态频率的变化而变化，解决了基于电力电子逆变器接口的分布式电源的响应速度快，并网逆变器自身没有同步发电机所固有的阻尼分量与旋转惯性等问题。

主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度，对抑制频率震荡有很好的效果，起到惯量支撑作用，频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成了频率实际值与参考值之差的频率反馈环用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小以及下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节。

励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计，如式(5)所示，通过并网点电压参考值与实际值之差的反馈环节来修正电压跌落后恢复到稳定值时与初始值的偏差，起到电压稳定支撑作用，相比与无功-电压下垂特性形成无功参考值与实际值之差反馈环对电压修正起到的效果更为明显，使得逆变器端口与同步发电机外端口有相同的调压特性，并为系统提供电压惯性支撑。

上式中：T_d0′为同步发电机励磁绕组的时间常数，E_q′为暂态电动势，E_fq为强制空载电动势，I_d为直轴电流分量，X_d为直轴同步电抗，X_d′为直轴瞬变电抗。

对于闭环控制的VSG，其闭环输出阻抗由其开环输出阻抗和闭环参数共同决定，虚拟定子绕组环节可以调整逆变器的输出阻抗，解决线路阻抗中阻性成分带来的功率耦合问题，满足虚拟同步发电机的功率解耦条件。

其中r、x表示虚拟定子绕组的电阻值及电感值，I_d为直轴电流分量，I_q为交轴电流分量，E_dref直轴内电势参考值，E_qref为交轴内电势参考值，E_{d_ref}为直轴外电势参考值，E_{q_ref}为直轴外电势参考值。虚拟定子绕组能减弱线路参数对下垂特性的影响，合理的设计虚拟定子绕组阻抗值，有利于并联组网运行的逆变器的负荷分配。

同时，虚拟定子绕组的设置可实现并联逆变器间环流和故障电流的限制，励磁器的控制设计如图6所示。

内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环。在电压环中，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值。

其中是d轴参考电流，是q轴参考电压，k_p2是比例系数，k_i2是积分系数，v_d是d轴电压参考值，v_q是q轴电压参考值，v_cd是d轴电压实际值，v_cq是q轴电压实际值，ω为角速度，L为滤波电感。

电流环通过PI控制器调节滤波电感电流，如下

其中v_gd是网侧电压参考值，i_lq是q轴电流实际值，i_ld是d轴电流实际值，k_p1是比例系数，u_d是逆变器出口d轴电压参考值，u_q是逆变器出口q轴参考值，C为滤波电容。

为防止暂态时的过电流损害设备，应限制电流参考值通过解耦项来抵消滤波电感上电流的耦合，从而实现d、q轴电压电流的独立控制。控制框图如图7所示。

本发明的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，具体是：

标准三阶模型的主动支撑控制：

根据同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程建立虚拟同步发电机的三阶模型，须指出的是，标准三阶模型充分模拟了同步发电机的电气模型和机械模型，使逆变器端口表现出虚拟同步发电机外特性。Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，为了稳定直流侧电压，使得逆变器接纳稳定的光伏发电功率；并网逆变器通过励磁器和调频器的设计，使光伏电站具有调频调压特性，缓冲新能源并网对系统的冲击效果。

频率支撑过程由调频器实现，当系统负荷突增时，惯量反应阶段在频率发生偏差的0s～1s内主动支撑控制为系统提供必要的惯量及阻尼分量，输出一部分模拟同步发电机旋转动能的功率支撑的同时减缓频率变化，使得初始时刻的频率变化率相比于其他控制策略时大大减小，频率跌落到最低点的时间变缓慢，为一次调频阶段做充足的准备，在频率波动的1s～30s时间内，频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成了频率实际值与参考值之差的频率反馈环用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值及下垂系数K_m的设置决定，一次调频阶段可以有效得抑制频率震荡，缩短频率波动时间，对系统的频率进行有差调节；当系统频率重新恢复到稳定值时，在30s～15min时间范围内，二次调频过程开始，通过配置储能容量或者手动调节系统中旋转电机的调频器使系统频率恢复到初始状态，进行系统频率的无差调节。

电压支撑过程由励磁器实现，励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计，通过并网点电压参考值与实际测量值之差的反馈环节来修正电压跌落后稳定值与初始值的偏差，实现电压的无差调节。相比于无功-电压下垂特性形成无功参考值与实际测量值之差反馈环间接修正电压起到的效果更为明显，使得逆变器端口与同步发电机外端口有相同的调压特性，抑制低压穿越问题，缩短电压恢复时间。

本具体实施了一种新的光伏并网逆变器的控制策略，这种控制策略采用虚拟同步发电机三阶标准模型，在惯量反应阶段和一次调频阶段对系统起到频率支撑作用，通过电压反馈ΔU直接对电压偏差量进行修正起到电压支撑作用。它有一些创新的优点，比如可以确保系统扰动时的电压和频率支撑能力最大化；所述并网逆变器采用主动支撑控制可以避免使用PLL锁相环,使逆变器内部控制不依附于电网频率变化而变化，增加并网逆变器控制的自主性与抗扰性；相比于根据无功-电压下垂特性间接控制电压的励磁器设计，通过暂态电压方程直接控制端口电压偏差量对电压的支撑效果更加明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：包括Boost电路控制和光伏并网逆变器控制两部分，其中Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制；光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述Boost变换器采用基于前级DC/DC变换器的MPPT控制，Boost变换器根据光伏电池输出电压电流检测，通过MPPT控制算法得出调节光伏电池工作点的电压指令U_erf，将U_ref与光伏电池输出电压的采样值U_PV相减，经过PI调节器进行Boost变换器的输入电压闭环控制，实现光伏电池的MPPT控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述Boost变换器的输出功率因环境的变化而不断变化，控制系统设计时，后级网侧变流器直流电压外环的控制响应快于前级Boost变换器的MPPT控制响应。

4.根据权利要求1所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述光伏并网逆变器采用标准三阶模型的VSG控制，是指根据同步发电机的转子运动方程及暂态电压方程建立标准三阶模型，用以模拟同步发电机的励磁器及调速器，增加光伏机组并网的惯量特性和阻尼特性，摆脱并网运行常用的PLL控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述光伏并网逆变器控制采用标准三阶模型的虚拟同步发电机VSG控制，包括电磁模型的励磁器、机械模型的调频器以及内环控制器；励磁器控制虚拟同步发电机输出的电压幅值，调频器控制输出有功功率及输出电压角频率，内环控制器通过对逆变器内部动态特性进行建模实现控制快速性并限制故障电流。

6.根据权利要求5所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述励磁器的励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计，通过并网点电压参考值与实际值之差的反馈环节，来修正电压跌落后稳定值时与初始值的偏差，模拟同步发电机外端口的调压特性，为系统提供电压惯性支撑。

7.根据权利要求5所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述调频器分为主动支撑控制环节和频率恢复环节两部分，主动支撑控制环节模拟同步发电机的转子运动方程，为系统提供必要的惯量和阻尼支撑；频率恢复环节模拟同步发电机的一次调频特性，提高电力系统的频率稳定支撑能力；

主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度，抑制频率震荡，起到惯量支撑作用；同时主动支撑控制摆脱了并网逆变器使用PLL锁相环,使逆变器内部控制不依附于电网频率变化而变化；

频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成了频率实际值与参考值之差的频率反馈环用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节。

8.根据权利要求5所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值，从而将光伏并网逆变器等效成电压源型的虚拟同步发电机。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述方法包含采用脉冲调制的三相桥臂和用以消除电压纹波的LCL滤波器，将滤波电容输出侧视为同步发电机的端口特性，通过控制滤波电容电压来模拟同步发电机外特性；

所述并网逆变器模拟同步发电机是在其控制算法中引入同步发电机模型，首先建立同步发电机模型，模拟同步发电机为隐极式同步发电机，隐极式同步发电机的定子电感值为常值；模拟的同步发电机转子极对数为1，以保证机械角速度等于电气角速度；忽略同步发电机中转子的铁芯磁饱和问题及涡流损耗；隐极式同步发电机绕组等效结构，i_F参考方向，定、转子间互感由转子角决定；

根据牛顿第二运动定理可知，同步发电机的转子运动方程为：

其中，P_m为同步发电机的机械功率；P_e为同步发电机的电磁功率；J为转动惯量；D为阻尼系数；ω₀为电网同步角速度；ω为同步发电机的机械角速度，d为微分符号，t为任意时间，考虑极对数为1的情况下，机械角速度等于电气角速度；

由上式可知，电网频率发生变化时，发电机转子的输出功率为

当电网频率下降时，同步发电机向外输出有功功率，当频率上升时，同步发电机将吸收有功功率；为模拟同步发电机的转子惯性，虚拟惯量的功率指令P_inertia为：

由上式可看出，有功功率指令与电网的频率和频率变化率之积成正比，显然，当电网频率从额定值变化至另一稳态值后，并网逆变器的输出功率为0；为了模拟系统一次调频特性，虚拟一次调频的功率指令P_droop为：

上式中：K_m为下垂系数，ω为机械角速度，ω_ref为机械角速度参考值；

为了模拟转子惯性特性及一次调频控制特性，并网逆变器的输出有功功率指令P_ref为：

P_ref＝P_inertia+P_droop+P₀ (4)

式中P₀代表光伏机组经过Boost变换器稳定直流侧电压输出的额定功率，P_inertia为虚拟惯量的功率指令，P_ref为并网逆变器的输出有功功率指令。

10.根据权利要求1-8之一所述的一种基于同步发电机标准三阶模型的光伏并网逆变器主动支撑控制方法，其特征是：所述VSG的有功—频率控制是模拟同步发电机的调频器，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性，有功-频率控制通过检测功率差ΔP来控制虚拟机械转矩输出而调节频率，采用VSG阻尼系数来描述频率发生单位变化时的输出功率变化量，电磁转矩T_m和机械转矩T_e之差使得转子角速度变化，改变输出相位θ，用于上层调速器控制和底层电压电流控制的坐标变换，摆脱用PLL锁相环测量系统中abc坐标系与dq坐标系的相位，使得逆变器控制不依附于网络动态频率的变化而变化；

所述主动支撑控制环节在系统负荷突增瞬间降低系统频率变化率，同时延缓频率降低的速度；频率恢复环节模拟有功-频率下垂特性，形成频率实际值与参考值之差的频率反馈环，用以修正频率跌落的同时为系统提供调频支撑的部分功率，功率支撑效果的强弱由频率波动幅值大小以及下垂系数的设置决定，模拟同步发电机的一次调频环节对系统的频率进行有差调节；

所述励磁环根据同步发电机的暂态电压方程进行设计：

上式中：T_d0′为同步发电机励磁绕组的时间常数，E_q′为暂态电动势，E_fq为强制空载电动势，I_d为直轴电流分量，X_d为直轴同步电抗，X_d′为直轴瞬变电抗；

所述内环控制器，对于闭环控制的VSG，其闭环输出阻抗由其开环输出阻抗和闭环参数共同决定，虚拟定子绕组环节调整逆变器的输出阻抗，解决线路阻抗中阻性成分带来的功率耦合问题，满足虚拟同步发电机的功率解耦条件；

其中r、x表示虚拟定子绕组的电阻值及电感值，I_d为直轴电流分量，I_q为交轴电流分量，E_dref直轴内电势参考值，E_qref为交轴内电势参考值，E_{d_ref}为直轴外电势参考值，E_{q_ref}为直轴外电势参考值；虚拟定子绕组能减弱线路参数对下垂特性的影响；

同时，虚拟定子绕组的设置能够实现并联逆变器间环流和故障电流的限制；

内环控制器采用基于dq解耦的电压电流双闭环控制结构，分为电压外环和电流内环；在电压环中，采用PI控制器来调节滤波电容电压，并得到电流参考值；

其中是d轴参考电流，是q轴参考电压，k_p2是比例系数，k_i2是积分系数，v_d是d轴电压参考值，v_q是q轴电压参考值，v_cd是d轴电压实际值，v_cq是q轴电压实际值，ω为角速度，L为滤波电感；

电流环通过PI控制器调节滤波电感电流，如下

其中v_gd是网侧电压参考值，i_lq是q轴电流实际值，i_ld是d轴电流实际值，k_p1是比例系数，u_d是逆变器出口d轴电压参考值，u_q是逆变器出口q轴参考值，C为滤波电容；

为防止暂态时的过电流损害设备，限制电流参考值通过解耦项来抵消滤波电感上电流的耦合，实现d、q轴电压电流的独立控制。