CN114865711A - 一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统 - Google Patents

一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统，属于电力控制领域。该控制方法包括：稳态运行条件下运行在自同步控制模式，具备主动支撑能力的同时兼顾电流的性能；电网电压跌落时切换至定交流电压控制模式，给系统提供无功补偿，具有良好的低电压穿越能力；通过并网点电压跌落深度D来实现自动切换，缩短切换时间，通过配置合适的有功恢复斜率即可满足低电压穿越有功恢复要求，提高了新能源并网系统的稳定性。

Description

一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力控制领域，尤其是一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统。
背景技术
我国正在积极构建以新能源发电为主体的新一代电力系统。随着新能源的快速发展并网发电规模的不断扩大，电力电子并网接口系统日趋于高比例化。然而，光伏、风力等新能源发电大大受制于天气因素的影响，导致新能源并网系统的电压支撑能力和频率支撑能力降低。因此，具良好电压和频率支撑能力的新能源并网逆变器控制策略的研究已成为当下研究的热点。
近年来，国内外专家学者从多种角度研究高比例新能源接入电网的控制问题，同时新的并网标准也对新能源发电系统的支撑能力提出了更高要求，有功/无功下垂控制、自同步电压源控制、电流源控制等技术不断得到应用。然而，有功/无功下垂控制存在惯量不足等问题，自同步电压源控制存在电压短路过流等问题，电流源控制存在电压波形质量较差等问题。
针对上述问题，国内外的专家学者们提出了一些方法，主要有：
题为“一种双馈风力发电机组自同步控制方法”的中国发明专利申请说明书(CN112636394A)给出了一种通过转子侧变流器控制单元实现自同步控制的控制方法，能够主动支撑电网调压和调频，提高电网系统的稳定性，然而这种控制并不能保证电网发生故障时并网点电压和并网点电流在额定范围内运行。
题为“一种适用于储能系统的新型虚拟同步发电机控制方法”的中国发明专利申请说明书(CN107294124A)公开的技术方案中给出了一种有功虚拟同步发电机控制和无功虚拟同步发电机控制的控制方法：有功虚拟同步发电机控制包括有功稳态下垂控制和有功暂态惯性控制；无功虚拟同步发电机控制方法包括无功稳态下垂控制和无功暂态惯性控制。该控制方法具有较好的电压与频率支撑能力，但是缺乏电流控制能力。
题为“基于模型预测控制的虚拟同步发电机控制方法”的中国发明专利申请说明书(CN113595147A)给出了一种通过实时采集系统电流和电压，使用虚拟同步发电机控制方法生成参考电流的控制方法，该控制方法适当降低了功率波动，优化了系统暂态过程，不过对电网的适应性不强，且控制方法复杂。
总之，现有新能源并网逆变器控制策略很难同时保证稳态运行下具有良好的电压电流波形质量与暂态运行下电压电流幅值在额定范围内运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对自同步电压源的主动支撑、并网电压与电流性能的提升、电网故障下的过电压与过电流等问题，提出了一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，包括如下步骤：
采集新能源并网逆变器并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流、直流侧电压；对并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量、并网电流dq分量、桥臂侧电感电流dq分量；
根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000021
根据并网电压dq分量，得到并网点电压幅值，根据并网点电压幅值与给定的并网点电压幅值指令通确定并网点电压跌落深度；
根据直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000022
根据网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000023
根据并网点电压跌落深度，得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000024
根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000025
得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000026
根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000027
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000031
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000032
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000033
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000034
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000035
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000036
根据最终电流内环dq轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000037
与桥臂侧电感电流dq分量，得到并网逆变器控制信号dq分量，将得到的并网逆变器控制信号dq分量经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号，再根据并网逆变器的三相控制信号生成开关管的PWM控制信号。
进一步的，所述新能源并网逆变器的拓扑包括直流电源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C1、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网(ea、eb、ec)，
直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间，三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间，滤波电容C1先串联无源阻尼电阻RC，再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间，并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网(ea、eb、ec)之间。
进一步的，所述根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000038
具体包括：
根据并网电压dq分量和并网电流dq分量，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率和平均无功功率；
根据平均有功功率和新能源并网逆变器给定的有功功率指令，经过功角控制方程得到自同步控制的的角频率，对自同步控制的角频率积分得到自同步控制的矢量角；
根据平均无功功率和给定的无功功率指令，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令，再根据自同步电压源的矢量角和端电压幅值指令通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令；
根据三相端电压指令和采集的并网电压，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000039
进一步的，所述有功功率计算方程和无功功率计算方程分别如下：
P＝1.5·(UoqIoq+UodIod)
Q＝1.5·(UodIoq-UoqIod)
其中P为平均有功功率，Q为平均无功功率，Uod,Uoq为并网电压dq分量，Iod,Ioq为并网电流dq分量。
进一步的，所述功角控制方程的表达式如下：
Figure RE-GDA0003722244200000041
其中，ω为自同步控制的角频率，P0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令，ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率， m为功角控制下垂系数，J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子。
进一步的，所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下：
E*＝U0+n(Q0-Q)
Figure RE-GDA0003722244200000042
Figure RE-GDA0003722244200000043
Figure RE-GDA0003722244200000044
其中，E*为端电压幅值指令，Q0为新能源并网逆变器给定的无功功率指令，U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压，n为无功- 电压下垂系数，
Figure RE-GDA0003722244200000045
为自同步控制的三相端电压指令，θ为自同步电压源的矢量角。
进一步的，所述虚拟阻抗控制方程的表达式为：
Figure RE-GDA0003722244200000046
Figure RE-GDA0003722244200000047
Figure RE-GDA0003722244200000048
其中，
Figure RE-GDA0003722244200000049
为自同步控制电流指令，对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000051
Figure RE-GDA0003722244200000052
为三相端电压指令，uoa,uob,uoc为并网点电压，Rv为虚拟电阻，Lv为虚拟电感。
进一步的，通过并网点电压幅值计算方程得到并网点电压幅值，通过电压跌落计算方程确定并网点电压跌落深度，所述并网点电压幅值计算方程和电压跌落计算方程的表达式分别如下：
Figure RE-GDA0003722244200000053
Figure RE-GDA0003722244200000054
其中，Uo为并网点电压幅值，Uod,Uoq为并网电压dq分量，Uref为给定的并网点电压幅值指令，D为并网点电压跌落深度。
进一步的，通过直流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环d 轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000055
通过交流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000056
所述直流电压外环控制方程为：
Figure RE-GDA0003722244200000057
其中，Kvp为直流电压外环比例控制系数，Kvi为直流电压外环积分控制系数；
所述交流电压外环控制方程为：
Figure RE-GDA0003722244200000058
其中，Kcp为交流电压外环比例控制系数，Kci为交流电压外环积分控制系数。
进一步的，通过低电压穿越标准中的无功补偿控制方程得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000059
通过功率器件电流应力的限制控制方程得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000510
所述无功补偿控制方程和功率器件电流应力的限制控制方程分别如下：
Figure RE-GDA00037222442000000511
Figure RE-GDA00037222442000000512
其中，
Figure RE-GDA00037222442000000513
为并网点电压跌落时的电流内环q轴指令，Km为无功补偿系数，IN为并网逆变器的额定电流幅值，
Figure RE-GDA00037222442000000514
为并网点电压跌落时的电流内d轴指令，Imax为并网逆变器功率器件长时间运行所允许通过的最大电流值。
进一步的，根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000061
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000062
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000063
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000064
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000065
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000066
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000067
具体包括：
并网点电压在t0时刻发生跌落、在t1时刻跌落结束并开始恢复，在t2时刻并网点电压恢复结束，记t0时刻d轴桥臂侧电流值为ILVRTstart，记t1时刻d轴桥臂侧电流值为ILVRTend，记t为时刻，最终电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000068
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000069
按照以下方式切换：
(1)t＜t0，系统稳定运行阶段，D＝1，
Figure RE-GDA00037222442000000610
系统采用自同步控制模式；
(2)t0≤t＜t1，并网点电压跌落阶段：
当0.9≤D≤1时，
Figure RE-GDA00037222442000000611
系统采用自同步控制模式；
当0.2≤D≤0.9时，
Figure RE-GDA00037222442000000612
取
Figure RE-GDA00037222442000000613
与
Figure RE-GDA00037222442000000614
中的最小值，
Figure RE-GDA00037222442000000615
系统采用定交流电压控制模式；
(3)t1≤t＜t2，并网点电压恢复阶段，
Figure RE-GDA00037222442000000616
从ILVRTend开始按照斜率k 增加到ILVRTstart，
Figure RE-GDA00037222442000000617
系统采用有功斜坡控制；
(4)t＝t2，并网点电压恢复结束，
Figure RE-GDA00037222442000000618
系统切换为自同步控制模式。
进一步的，通过电流控制方程得到并网逆变器控制信号dq分量，所述电流控制方程为：
Figure RE-GDA00037222442000000619
Figure RE-GDA00037222442000000620
其中，Ud,Uq为控制信号，Kpi为电流环比例控制系数，Kii为电流环谐振控制器比例系数，
Figure RE-GDA00037222442000000621
为最终电流内环d轴指令，
Figure RE-GDA00037222442000000622
为最终电流内环q轴指令，ILd,ILq为桥臂侧电感电流dq分量。
一种新能源并网逆变器双模式切换控制装置，包括：
采集及坐标变换模块，用于采集新能源并网逆变器并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流、直流侧电压；对并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量、并网电流dq分量、桥臂侧电感电流dq分量；
自同步控制电流指令获取模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000071
并网点电压跌落深度获取模块，用于根据并网电压dq分量，得到并网点电压幅值，根据并网点电压幅值与给定的并网点电压幅值指令通确定并网点电压跌落深度；
定交流电压控制电流内环d轴指令获取模块，用于根据直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000072
根据网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000073
电压跌落电流内环d轴指令获取模块，用于根据并网点电压跌落深度，得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000074
根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000075
得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000076
最终电流内环d轴指令确定模块，用于根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000077
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000078
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000079
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000710
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000711
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000712
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000713
PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令
Figure RE-GDA00037222442000000714
与桥臂侧电感电流dq分量，得到并网逆变器控制信号dq分量，将得到的并网逆变器控制信号dq分量经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号，再根据并网逆变器的三相控制信号生成开关管的PWM控制信号。
进一步的，所述自同步控制电流指令获取模块包括：
平均有功好和无功计算模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率和平均无功功率；
矢量角计算模块，用于根据平均有功功率和新能源并网逆变器给定的有功功率指令，经过功角控制方程得到自同步控制的的角频率，对自同步控制的角频率积分得到自同步控制的矢量角；
三相端电压指令计算模块，用于根据平均无功功率和给定的无功功率指令，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令，再根据自同步电压源的矢量角和端电压幅值指令通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令；
自同步控制电流指令dq分量计算模块，用于根据三相端电压指令和采集的并网电压，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000081
与现有技术相比，本发明对于新能源发电系统，具备了如下有益效果：
1、能够实现对电网的电压支撑与频率支撑，同时具备电流控制能力。
2、电网电压跌落时具备良好的低电压穿越能力，保证并网点电压与并网点电流在额定范围内运行。
3、不仅能够在强电网下稳定运行，而且也能够在弱电网下稳定运行，提高了对电网的适应性。
附图说明
图1是本发明的新能源并网逆变器拓扑结构；
图2本发明的新能源并网逆变器双模式切换控制方法的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明实施例中的新能源并网逆变器拓扑结构。所述新能源并网逆变器的拓扑包括直流电源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C1、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网 ea、eb、ec，直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间，三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间，滤波电容C1先串联无源阻尼电阻RC，再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间，并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网ea、eb、ec之间。
具体的，本实施例中的参数如下：输出交流线电压有效值为380V/50Hz，额定容量为100kW，新能源并网逆变器滤波电感L＝0.33mH，新能源并网逆变器滤波电容为C＝150μF，新能源并网逆变器采样频率fs为10kHz，因而 Ts＝100μs。
请参阅图2，本发明实施例提供一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，包括如下步骤：
步骤1，采样及坐标变换；
所述采样包括采集以下数据：新能源并网逆变器并网点电压并记为并网电压uoa,uob,uoc，新能源并网逆变器并网点电流并记为并网电流ioa,iob,ioc，新能源并网逆变器滤波电感L处的电流并记为桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc,新能源并网逆变器直流电压(即直流侧电压)Udc；
所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换：对并网电压uoa,uob,uoc、并网电流ioa,iob,ioc、桥臂侧电感电流iLa,iLb,iLc分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量Uod,Uoq、并网电流dq分量Iod,Ioq、桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq。
步骤2，根据步骤1中得到的并网电压dq分量Uod,Uoq和并网电流dq分量Iod,Ioq经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率Q。
所述有功功率计算方程和无功功率计算方程分别如下：
P＝1.5·(UoqIoq+UodIod)
Q＝1.5·(UodIoq-UoqIod)
步骤3，根据步骤2中得到的平均有功功率P和新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0，经过功角控制方程得到自同步控制的角频率ω，所述功角控制方程的表达式如下：
Figure RE-GDA0003722244200000091
其中，ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率， m为功角控制下垂系数，J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子。
对自同步控制的角频率ω积分得到自同步控制的矢量角θ。
功角控制方程表明了新能源并网逆变器有功功率下垂曲线关系、虚拟惯量大小。其中，虚拟惯量标明了系统频率的变化率，为了保证系统频率变化平稳，需要有较大的虚拟惯量；然而虚拟惯量相当于在系统中加入了一阶惯性环节，太大的虚拟惯量有可能导致系统的不稳定。因而参数选择需要折中处理。为保证系统稳定性，惯性时间常数范围在τvirtual＝Jω0m≤2e-3s。功角控制方程中的有功功率下垂曲线关系包括三个系数，功角控制下垂系数m表示下垂曲线的斜率，取值原则为100％的有功功率变化时，频率变化0.5Hz以内；给定有功功率指令P0和相对应的额定角频率ω0表示下垂曲线的位置关系，主要考虑新能源并网逆变器输出有功功率为P0时，其输出频率大小。
在本实施例中，功角控制下垂系数取值为
Figure RE-GDA0003722244200000101
根据惯性时间常数取值原则取τvirtual＝Jω0m＝1.5e-3s，可得J＝0.2kg·m2,为保证控制运行时能量不流向直流侧，给定有功功率指令取值为P0＝100kW，此时对应的额定角频率取值为ω0＝314.16rad/s。
步骤4，根据步骤2中得到的平均无功功率Q和新能源并网逆变器给定的无功功率指令Q0，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令 E*，再根据步骤3中得到的自同步电压源的矢量角θ和端电压幅值指令E*通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令
Figure RE-GDA0003722244200000102
所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下：
E*＝U0+n(Q0-Q)
Figure RE-GDA0003722244200000103
Figure RE-GDA0003722244200000104
Figure RE-GDA0003722244200000105
其中，U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压，n为无功-电压下垂系数。
无功-电压下垂系数n取值原则为100％的无功功率变化时，电压幅值变化在2％之内；给定无功功率指令Q0和相对应的额定输出电容电压U0表示下垂曲线的位置关系，主要考虑新能源并网逆变器输出无功功率为Q0时，其输出电压大小。
在本实施例中，无功-电压下垂系数取值为
Figure RE-GDA0003722244200000111
给定无功功率指令为Q0＝0，此时对应的额定输出电容电压U0＝380V。
步骤5，根据步骤4中得到的三相端电压指令
Figure RE-GDA0003722244200000112
和步骤1中得到的并网电压uoa,uob,uoc，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令
Figure RE-GDA0003722244200000113
所述虚拟阻抗控制方程的表达式为：
Figure RE-GDA0003722244200000114
Figure RE-GDA0003722244200000115
Figure RE-GDA0003722244200000116
其中，Rv为虚拟电阻，Lv为虚拟电感。
对自同步控制电流指令
Figure RE-GDA0003722244200000117
进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000118
在本实施例中，虚拟电阻取值为Rv＝0.01Ω,虚拟电感取值为Lv＝0.33mH。
步骤6，根据步骤1中得到的并网电压dq分量Uod,Uoq，通过并网点电压幅值计算方程得到并网点电压幅值Uo，根据得到的并网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令Uref通过电压跌落计算方程确定并网点电压跌落深度D。
所述并网点电压幅值计算方程和电压跌落计算方程的表达式分别如下：
Figure RE-GDA0003722244200000119
Figure RE-GDA00037222442000001110
在本实施例中，并网点电压幅值指令取值为
Figure RE-GDA00037222442000001111
步骤7，根据步骤1中得到的直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref通过直流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001112
根据步骤6中得到的并网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令Uref通过交流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001113
所述直流电压外环控制方程为：
Figure RE-GDA0003722244200000121
其中，Kvp为直流电压外环比例控制系数，Kvi为直流电压外环积分控制系数。
所述交流电压外环控制方程为：
Figure RE-GDA0003722244200000122
其中，Kcp为交流电压外环比例控制系数，Kci为交流电压外环积分控制系数。
在本实施例中，直流侧电压指令取值为Udc_ref＝650V，直流电压外环比例控制系数取值为Kvp＝0.9，直流电压外环积分控制系数取值为Kvi＝40，交流电压外环比例控制系数取值为Kcp＝0.02，交流电压外环积分控制系数取值为Kci＝30。
步骤8，根据低电压穿越标准中的无功补偿控制方程得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000123
通过功率器件电流应力的限制控制方程得到并网点电压跌落时的电流内d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000124
所述无功补偿控制方程和功率器件电流应力的限制控制方程分别如下：
Figure RE-GDA0003722244200000125
Figure RE-GDA0003722244200000126
其中，Km为无功补偿系数，IN为并网逆变器的额定电流幅值，Imax为并网逆变器功率器件长时间运行所允许通过的最大电流值。
在本实施例中，并网逆变器的额定电流幅值取值为
Figure RE-GDA0003722244200000127
并网逆变器功率器件长时间运行所允许通过的最大电流值取值为Imax＝1.1IN＝236.36A。
步骤9，根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000128
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000129
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001210
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001211
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001212
中得到电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001213
和电流内环q 轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001214
设并网点电压在t0时刻发生跌落、在t1时刻跌落结束并开始恢复，在t2时刻并网点电压恢复结束，记t0时刻d轴桥臂侧电流值为ILVRTstart，记t1时刻d 轴桥臂侧电流值为ILVRTend，记t为时刻，电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000131
和电流内环q 轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000132
按照以下方式切换：
(1)t＜t0，系统稳定运行阶段，D＝1，
Figure RE-GDA0003722244200000133
系统采用自同步控制模式；
(2)t0≤t＜t1，并网点电压跌落阶段：
当0.9≤D≤1时，
Figure RE-GDA0003722244200000134
系统采用自同步控制模式；
当0.2≤D≤0.9时，
Figure RE-GDA0003722244200000135
取
Figure RE-GDA0003722244200000136
与
Figure RE-GDA0003722244200000137
中的最小值，
Figure RE-GDA0003722244200000138
系统采用定交流电压控制模式；
(3)t1≤t＜t2，并网点电压恢复阶段，
Figure RE-GDA0003722244200000139
从ILVRTend开始按照斜率k增加到ILVRTstart，
Figure RE-GDA00037222442000001310
系统采用有功斜坡控制；
(4)t＝t2，并网点电压恢复结束，
Figure RE-GDA00037222442000001311
系统切换为自同步控制模式。
步骤10，根据步骤9中得到的电流内环dq轴指令值
Figure RE-GDA00037222442000001312
与桥臂侧电感电流dq分量ILd,ILq，通过电流控制方程得到并网逆变器控制信号dq分量Ud,Uq，所述电流控制方程为：
Figure RE-GDA00037222442000001313
Figure RE-GDA00037222442000001314
其中，Kpi为电流环比例控制系数，Kii为电流环积分控制系数。
将得到的并网逆变器控制信号dq分量Ud,Uq经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号Ua,Ub,Uc，再根据并网逆变器的三相控制信号Ua,Ub,Uc生成开关管的PWM控制信号。
在本实施例中，电流环比例控制系数取值为Kpi＝0.9，电流环积分控制系数取值为Kii＝10。
本发明实施例还提供一种新能源并网逆变器双模式切换控制装置，包括：
采集及坐标变换模块，用于采集新能源并网逆变器并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流、直流侧电压；对并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量、并网电流dq分量、桥臂侧电感电流dq分量；
自同步控制电流指令获取模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000141
并网点电压跌落深度获取模块，用于根据并网电压dq分量，得到并网点电压幅值，根据并网点电压幅值与给定的并网点电压幅值指令通确定并网点电压跌落深度；
定交流电压控制电流内环d轴指令获取模块，用于根据直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000142
根据网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000143
电压跌落电流内环d轴指令获取模块，用于根据并网点电压跌落深度，得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000144
根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000145
得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000146
最终电流内环d轴指令确定模块，用于根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000147
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000148
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-GDA0003722244200000149
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001410
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001411
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001412
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001413
PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令
Figure RE-GDA00037222442000001414
与桥臂侧电感电流dq分量，得到并网逆变器控制信号dq分量，将得到的并网逆变器控制信号dq分量经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号，再根据并网逆变器的三相控制信号生成开关管的PWM控制信号。
其中，所述自同步控制电流指令获取模块包括：
平均有功好和无功计算模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率和平均无功功率；
矢量角计算模块，用于根据平均有功功率和新能源并网逆变器给定的有功功率指令，经过功角控制方程得到自同步控制的的角频率，对自同步控制的角频率积分得到自同步控制的矢量角；
三相端电压指令计算模块，用于根据平均无功功率和给定的无功功率指令，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令，再根据自同步电压源的矢量角和端电压幅值指令通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令；
自同步控制电流指令dq分量计算模块，用于根据三相端电压指令和采集的并网电压，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-GDA0003722244200000151
本发明自同步控制通过虚拟阻抗控制方程得到电流内环的电流指令值，具备更好的电流控制能力，传统的虚拟同步控制方法无低穿能力，而本发明采用定交流电压具备良好的低电压穿越能力，同时在电压恢复期间采用有功斜坡控制，使得两种模式平滑切换，提高系统低电压穿越能力与系统稳定性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集新能源并网逆变器并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流、直流侧电压，对所述并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量、并网电流dq分量、桥臂侧电感电流dq分量；
根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000011
根据并网电压dq分量，得到并网点电压幅值，根据并网点电压幅值与给定的并网点电压幅值指令通确定并网点电压跌落深度D；
根据直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000012
根据网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000013
根据并网点电压跌落深度，得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000014
根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000015
得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000016
根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000017
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000018
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000019
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000110
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000111
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000112
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000113
根据最终电流内环dq轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000114
与桥臂侧电感电流dq分量，得到并网逆变器控制信号dq分量，将得到的并网逆变器控制信号dq分量经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号，根据并网逆变器的三相控制信号生成开关管的PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述新能源并网逆变器的拓扑包括直流电源Udc、直流侧滤波电容Cdc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C1、并网等效电阻Rg、并网等效电感Lg和三相电网(ea、eb、ec)，
直流侧滤波电容Cdc并接在直流源Udc和三相全桥逆变电路之间，三相全桥逆变电路串接在直流侧电源Udc和滤波电感L之间，滤波电容C1先串联无源阻尼电阻RC，再并接在滤波电感L和并网等效电阻Rg之间，并网等效电感Lg串接在并网等效电阻Rg和三相电网(ea、eb、ec)之间。
3.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000021
具体包括：
根据并网电压dq分量和并网电流dq分量，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率和平均无功功率；
根据平均有功功率和新能源并网逆变器给定的有功功率指令，经过功角控制方程得到自同步控制的的角频率，对自同步控制的角频率积分得到自同步控制的矢量角；
根据平均无功功率和给定的无功功率指令，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令，再根据自同步电压源的矢量角和端电压幅值指令通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令；
根据三相端电压指令和采集的并网电压，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000022
4.根据权利要求3所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述有功功率计算方程和无功功率计算方程分别如下：
P＝1.5·(UoqIoq+UodIod)
Q＝1.5·(UodIoq-UoqIod)
其中P为平均有功功率，Q为平均无功功率，Uod,Uoq为并网电压dq分量，Iod,Ioq为并网电流dq分量。
5.根据权利要求3所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述功角控制方程的表达式如下：
Figure RE-FDA0003722244190000031
其中，ω为自同步控制的角频率，P0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令，ω0为新能源并网逆变器给定的有功功率指令P0时的额定角频率，m为功角控制下垂系数，J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子。
6.根据权利要求3所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下：
E*＝U0+n(Q0-Q)
Figure RE-FDA0003722244190000032
Figure RE-FDA0003722244190000033
Figure RE-FDA0003722244190000034
其中，E*为端电压幅值指令，Q0为新能源并网逆变器给定的无功功率指令，U0为新能源并网逆变器给定无功功率指令Q0时的额定电压，n为无功-电压下垂系数，
Figure RE-FDA0003722244190000035
为自同步控制的三相端电压指令，θ为自同步电压源的矢量角。
7.根据权利要求3所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述虚拟阻抗控制方程的表达式为：
Figure RE-FDA0003722244190000036
Figure RE-FDA0003722244190000037
Figure RE-FDA0003722244190000038
其中，
Figure RE-FDA0003722244190000039
为自同步控制电流指令，对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA00037222441900000310
Figure RE-FDA00037222441900000311
为三相端电压指令，uoa,uob,uoc为并网点电压，Rv为虚拟电阻，Lv为虚拟电感。
8.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，通过并网点电压幅值计算方程得到并网点电压幅值，通过电压跌落计算方程确定并网点电压跌落深度，所述并网点电压幅值计算方程和电压跌落计算方程的表达式分别如下：
Figure RE-FDA0003722244190000041
Figure RE-FDA0003722244190000042
其中，Uo为并网点电压幅值，Uod,Uoq为并网电压dq分量，Uref为给定的并网点电压幅值指令，D为并网点电压跌落深度。
9.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，通过直流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000043
通过交流电压外环控制方程得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000044
所述直流电压外环控制方程为：
Figure RE-FDA0003722244190000045
其中，Kvp为直流电压外环比例控制系数，Kvi为直流电压外环积分控制系数；
所述交流电压外环控制方程为：
Figure RE-FDA0003722244190000046
其中，Kcp为交流电压外环比例控制系数，Kci为交流电压外环积分控制系数。
10.根据权利要求3所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于：通过低电压穿越标准中的无功补偿控制方程得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000047
通过功率器件电流应力的限制控制方程得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000048
所述无功补偿控制方程和功率器件电流应力的限制控制方程分别如下：
Figure RE-FDA0003722244190000049
Figure RE-FDA00037222441900000410
其中，
Figure RE-FDA00037222441900000411
为并网点电压跌落时的电流内环q轴指令，Km为无功补偿系数，IN为并网逆变器的额定电流幅值，
Figure RE-FDA00037222441900000412
为并网点电压跌落时的电流内d轴指令，Imax为并网逆变器功率器件长时间运行所允许通过的最大电流值。
11.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于：所述根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000051
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000052
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000053
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000054
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000055
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000056
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000057
具体包括：
并网点电压在t0时刻发生跌落、在t1时刻跌落结束并开始恢复，在t2时刻并网点电压恢复结束，记t0时刻d轴桥臂侧电流值为ILVRTstart，记t1时刻d轴桥臂侧电流值为ILVRTend，记t为时刻，最终电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000058
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000059
按照以下方式切换：
(1)t＜t0，系统稳定运行阶段，D＝1，
Figure RE-FDA00037222441900000510
系统采用自同步控制模式；
(2)t0≤t＜t1，并网点电压跌落阶段：
当0.9≤D≤1时，
Figure RE-FDA00037222441900000511
系统采用自同步控制模式；
当0.2≤D≤0.9时，
Figure RE-FDA00037222441900000512
取
Figure RE-FDA00037222441900000513
与
Figure RE-FDA00037222441900000514
中的最小值，
Figure RE-FDA00037222441900000515
系统采用定交流电压控制模式；
(3)t1≤t＜t2，并网点电压恢复阶段，
Figure RE-FDA00037222441900000516
从ILVRTend开始按照斜率k增加到ILVRTstart，
Figure RE-FDA00037222441900000517
系统采用有功斜坡控制；
(4)t＝t2，并网点电压恢复结束，
Figure RE-FDA00037222441900000518
系统切换为自同步控制模式。
12.根据权利要求1所述的一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，通过电流控制方程得到并网逆变器控制信号dq分量，所述电流控制方程为：
Figure RE-FDA00037222441900000519
Figure RE-FDA00037222441900000520
其中，Ud,Uq为控制信号，Kpi为电流环比例控制系数，Kii为电流环谐振控制器比例系数，
Figure RE-FDA00037222441900000521
为最终电流内环d轴指令，
Figure RE-FDA00037222441900000522
为最终电流内环q轴指令，ILd,ILq为桥臂侧电感电流dq分量。
13.一种新能源并网逆变器双模式切换控制装置，其特征在于，包括：
采集及坐标变换模块，用于采集新能源并网逆变器并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流、直流侧电压；对并网电压、并网电流、桥臂侧电感电流分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量、并网电流dq分量、桥臂侧电感电流dq分量；
自同步控制电流指令获取模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量以及采集的并网电压，得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000061
并网点电压跌落深度获取模块，用于根据并网电压dq分量，得到并网点电压幅值，根据并网点电压幅值与给定的并网点电压幅值指令通确定并网点电压跌落深度；
定交流电压控制电流内环d轴指令获取模块，用于根据直流侧电压Udc与给定的直流侧电压指令Udc_ref得到定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000062
根据网点电压幅值Uo与给定的并网点电压幅值指令得到定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000063
电压跌落电流内环d轴指令获取模块，用于根据并网点电压跌落深度，得到并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000064
根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000065
得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000066
最终电流内环d轴指令确定模块，用于根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000067
定交流电压控制电流内环d轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000068
定交流电压控制电流内环q轴指令
Figure RE-FDA0003722244190000069
和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000610
并网点电压跌落时的电流内环d轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000611
中得到最终电流内环d轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000612
和最终电流内环q轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000613
PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令
Figure RE-FDA00037222441900000614
与桥臂侧电感电流dq分量，得到并网逆变器控制信号dq分量，将得到的并网逆变器控制信号dq分量经过单同步旋转坐标反变换得到并网逆变器的三相控制信号，再根据并网逆变器的三相控制信号生成开关管的PWM控制信号。
14.根据权利要求13所述的新能源并网逆变器双模式切换控制装置，其特征在于，所述自同步控制电流指令获取模块包括：
平均有功好和无功计算模块，用于根据并网电压dq分量和并网电流dq分量，经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率和平均无功功率；
矢量角计算模块，用于根据平均有功功率和新能源并网逆变器给定的有功功率指令，经过功角控制方程得到自同步控制的的角频率，对自同步控制的角频率积分得到自同步控制的矢量角；
三相端电压指令计算模块，用于根据平均无功功率和给定的无功功率指令，经过无功控制方程得到自同步电压源的端电压幅值指令，再根据自同步电压源的矢量角和端电压幅值指令通过指令合成方程得到自同步控制的三相端电压指令；
自同步控制电流指令dq分量计算模块，用于根据三相端电压指令和采集的并网电压，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令,对自同步控制电流指令进行坐标变换得到自同步控制电流指令dq分量
Figure RE-FDA0003722244190000071
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