CN114865711B - 一种新能源并网逆变器双模式切换控制方法及系统 - Google Patents

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

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U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_ref}得到定交流电压控制电流内环d轴指令根据网点电压幅值U_o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/>

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轴指令根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令

根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>

根据最终电流内环dq轴指令与桥臂侧电感电流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U_dc、直流侧滤波电容C_dc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C₁、并网等效电阻R_g、并网等效电感L_g和三相电网(e_a、e_b、e_c)，

直流侧滤波电容C_dc并接在直流源U_dc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U_dc和滤波电感L之间，滤波电容C₁先串联无源阻尼电阻R_C，再并接在滤波电感L和并网等效电阻R_g之间，并网等效电感L_g串接在并网等效电阻R_g和三相电网(e_a、e_b、e_c)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

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·(U_oqI_oq+U_odI_od)

Q＝1.5·(U_odI_oq-U_oqI_od)

其中P为平均有功功率，Q为平均无功功率，U_od,U_oq为并网电压dq分量，I_od,I_oq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：

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)

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，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：

其中，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/> 为三相端电压指令，u_oa,u_ob,u_oc为并网点电压，R_v为虚拟电阻，L_v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：

其中，U_o为并网点电压幅值，U_od,U_oq为并网电压dq分量，U_ref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/>

所述直流电压外环控制方程为：

其中，K_vp为直流电压外环比例控制系数，K_vi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：

其中，K_cp为交流电压外环比例控制系数，K_ci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/>

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：

其中，为并网点电压跌落时的电流内环q轴指令，K_m为无功补偿系数，I_N为并网逆变器的额定电流幅值，/>为并网点电压跌落时的电流内d轴指令，I_max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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>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I_LVRTstart，记t₁时刻d轴桥臂侧电流值为I_LVRTend，记t为时刻，最终电流内环d轴指令和最终电流内环q轴指令/>按照以下方式切换：

(1)t＜t0，系统稳定运行阶段，D＝1，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，系统采用自同步控制模式；

当0.2≤D≤0.9时，取/>与/>中的最小值，/>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，从I_LVRTend开始按照斜率k 增加到I_LVRTstart，/>系统采用有功斜坡控制；

(4)t＝t2，并网点电压恢复结束，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：

其中，U_d,U_q为控制信号，K_pi为电流环比例控制系数，K_ii为电流环谐振控制器比例系数，为最终电流内环d轴指令，/>为最终电流内环q轴指令，I_Ld,I_Lq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

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U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_ref}得到定交流电压控制电流内环d轴指令根据网点电压幅值U_o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/>

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轴指令根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>

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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>

PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令与桥臂侧电感电流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

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U_dc、直流侧滤波电容C_dc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C₁、并网等效电阻R_g、并网等效电感L_g和三相电网 e_a、e_b、e_c，直流侧滤波电容C_dc并接在直流源U_dc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U_dc和滤波电感L之间，滤波电容C₁先串联无源阻尼电阻R_C，再并接在滤波电感L和并网等效电阻R_g之间，并网等效电感L_g串接在并网等效电阻R_g和三相电网e_a、e_b、e_c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f_s为10kHz，因而 T_s＝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u_oa,u_ob,u_oc，新能源并网逆变器并网点电流并记为并网电流i_oa,i_ob,i_oc，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i_La,i_Lb,i_Lc,新能源并网逆变器直流电压(即直流侧电压)U_dc；

所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换：对并网电压u_oa,u_ob,u_oc、并网电流i_oa,i_ob,i_oc、桥臂侧电感电流i_La,i_Lb,i_Lc分别进行单同步旋转坐标变换得到并网电压dq分量U_od,U_oq、并网电流dq分量I_od,I_oq、桥臂侧电感电流dq分量I_Ld,I_Lq。

步骤2，根据步骤1中得到的并网电压dq分量U_od,U_oq和并网电流dq分量I_od,I_oq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·(U_oqI_oq+U_odI_od)

Q＝1.5·(U_odI_oq-U_oqI_od)

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：

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τ_virtual＝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根据惯性时间常数取值原则取τ_virtual＝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

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)

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和步骤1中得到的并网电压u_oa,u_ob,u_oc，通过虚拟阻抗控制方程得到自同步控制电流指令/>所述虚拟阻抗控制方程的表达式为：

其中，R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感。

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/>

在本实施例中，虚拟电阻取值为R_v＝0.01Ω,虚拟电感取值为L_v＝0.33mH。

步骤6，根据步骤1中得到的并网电压dq分量U_od,U_oq，通过并网点电压幅值计算方程得到并网点电压幅值U_o，根据得到的并网点电压幅值U_o与给定的并网点电压幅值指令U_ref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：

在本实施例中，并网点电压幅值指令取值为

步骤7，根据步骤1中得到的直流侧电压U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_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轴指令根据步骤6中得到的并网点电压幅值U_o与给定的并网点电压幅值指令U_ref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/>

所述直流电压外环控制方程为：

其中，K_vp为直流电压外环比例控制系数，K_vi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：

其中，K_cp为交流电压外环比例控制系数，K_ci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U_{dc_ref}＝650V，直流电压外环比例控制系数取值为K_vp＝0.9，直流电压外环积分控制系数取值为K_vi＝40，交流电压外环比例控制系数取值为K_cp＝0.02，交流电压外环积分控制系数取值为K_ci＝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/>

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：

其中，K_m为无功补偿系数，I_N为并网逆变器的额定电流幅值，I_max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I_max＝1.1I_N＝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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到电流内环d轴指令/>和电流内环q 轴指令/>

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I_LVRTstart，记t₁时刻d 轴桥臂侧电流值为I_LVRTend，记t为时刻，电流内环d轴指令和电流内环q 轴指令/>按照以下方式切换：

(1)t＜t₀，系统稳定运行阶段，D＝1，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，系统采用自同步控制模式；

当0.2≤D≤0.9时，取/>与/>中的最小值，/>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，从I_LVRTend开始按照斜率k增加到I_LVRTstart，/>系统采用有功斜坡控制；

(4)t＝t₂，并网点电压恢复结束，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轴指令值与桥臂侧电感电流dq分量I_Ld,I_Lq，通过电流控制方程得到并网逆变器控制信号dq分量U_d,U_q，所述电流控制方程为：

其中，K_pi为电流环比例控制系数，K_ii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U_d,U_q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U_a,U_b,U_c，再根据并网逆变器的三相控制信号U_a,U_b,U_c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K_pi＝0.9，电流环积分控制系数取值为K_ii＝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

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U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_ref}得到定交流电压控制电流内环d轴指令根据网点电压幅值U_o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/>

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轴指令根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>

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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>

PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令与桥臂侧电感电流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

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 (8)

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

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U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_ref}得到定交流电压控制电流内环d轴指令根据网点电压幅值U_o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/>

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轴指令根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>

根据并网点电压跌落深度D，从自同步控制电流指令dq分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>

根据最终电流内环dq轴指令与桥臂侧电感电流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；

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

所述功角控制方程的表达式如下：

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；

所述无功控制方程和指令合成方程的表达式分别如下：

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，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；

所述虚拟阻抗控制方程的表达式为：

其中，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/> 为三相端电压指令，u_oa,u_ob,u_oc为并网点电压，R_v为虚拟电阻，L_v为虚拟电感；

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/>

所述直流电压外环控制方程为：

其中，K_vp为直流电压外环比例控制系数，K_vi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：

其中，K_cp为交流电压外环比例控制系数，K_ci为交流电压外环积分控制系数；

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/>

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：

其中，为并网点电压跌落时的电流内环q轴指令，K_m为无功补偿系数，I_N为并网逆变器的额定电流幅值，/>为并网点电压跌落时的电流内d轴指令，I_max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。

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U_dc、直流侧滤波电容C_dc、三相全桥逆变电路、滤波电感L、滤波电容C₁、并网等效电阻R_g、并网等效电感L_g和三相电网(e_a、e_b、e_c)，

直流侧滤波电容C_dc并接在直流源U_dc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U_dc和滤波电感L之间，滤波电容C₁先串联无源阻尼电阻R_C，再并接在滤波电感L和并网等效电阻R_g之间，并网等效电感L_g串接在并网等效电阻R_g和三相电网(e_a、e_b、e_c)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，所述有功功率计算方程和无功功率计算方程分别如下：

P＝1.5·(U_oqI_oq+U_odI_od)

Q＝1.5·(U_odI_oq-U_oqI_od)

其中P为平均有功功率，Q为平均无功功率，U_od,U_oq为并网电压dq分量，I_od,I_oq为并网电流dq分量。

4.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：

其中，U_o为并网点电压幅值，U_od,U_oq为并网电压dq分量，U_ref为给定的并网点电压幅值指令，D为并网点电压跌落深度。

5.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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>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I_LVRTstart，记t₁时刻d轴桥臂侧电流值为I_LVRTend，记t为时刻，最终电流内环d轴指令和最终电流内环q轴指令/>按照以下方式切换：

(1)t＜t0，系统稳定运行阶段，D＝1，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，系统采用自同步控制模式；

当0.2≤D≤0.9时，取/>与/>中的最小值，/>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，从I_LVRTend开始按照斜率k增加到I_LVRTstart，系统采用有功斜坡控制；

(4)t＝t2，并网点电压恢复结束，系统切换为自同步控制模式。

6.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：

其中，U_d,U_q为控制信号，K_pi为电流环比例控制系数，K_ii为电流环谐振控制器比例系数，为最终电流内环d轴指令，/>为最终电流内环q轴指令，I_Ld,I_Lq为桥臂侧电感电流dq分量。

7.一种新能源并网逆变器双模式切换控制装置，用于实施如权利要求1-6中任一项所述的新能源并网逆变器双模式切换控制方法，其特征在于，所述装置包括：

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

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U_dc与给定的直流侧电压指令U_{dc_ref}得到定交流电压控制电流内环d轴指令根据网点电压幅值U_o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/>

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轴指令根据并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>得到并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>

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分量定交流电压控制电流内环d轴指令/>定交流电压控制电流内环q轴指令/>和并网点电压跌落时的电流内环q轴指令/>并网点电压跌落时的电流内环d轴指令/>中得到最终电流内环d轴指令/>和最终电流内环q轴指令/>

PWM控制信号获取模块，用于根据最终电流内环dq轴指令与桥臂侧电感电流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。

8.根据权利要求7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