CN114977270B - 自同步电压源全功率变换风电机组控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，包括：启动控制模块，用于实现无冲击电流柔性并网启动控制；稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下的电压源控制；暂态控制模块，用于实现电网故障状态下的电压源控制；暂稳态切换模块，用于实现稳态运行模式与暂态运行模式之间的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下的负序电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下的谐波电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下的电网阻抗自适应控制。本发明可实现启动运行、稳态运行和暂态运行控制，以及机组接入不对称、含背景谐波和阻抗宽范围变化电网场景下的高性能稳定控制。

Description

自同步电压源全功率变换风电机组控制系统

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统。尤其地，涉及一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统及其控制方法。

背景技术

目前电力系统呈现出新能源容量占比提升伴随着同步机容量占比下降的特点，因此基于电力电子变换器的新能源需要由被动输出电能的角色转变为主动支撑电网的角色。依赖电力电子变换器灵活可控的特点，将模拟同步机运行特性的数学模型嵌入变换器的电压源控制策略被广泛提出，其在主动支撑电网频率和电压方面具备天然的优势。

电压源风电机组可实现对电网频率和电压的自主快速支撑，是构建新型电力系统的关键装备。基于直流母线电容动态的控制方法通过直流母线电压对电网频率的自主感知同步电网和进行频率响应，是实现电压源风电机组的一种有效方法。然而当电网电压发生故障时，受网侧变流器输出功率的限制，无法实现直流母线电压的稳定控制，网侧变流器将失去同步功能。除此之外，基于直流母线电容动态的电压源控制方法由于没有电流内环，极易出现暂态过电流问题而使得风电机组退出运行；当电网出现三相电压不平衡时并网电流出现不平衡并导致直流电压、并网有功功率和无功功率出现二次波动；当电网含背景谐波时会导致并网电流谐波含量超标。因此，对于基于直流母线电容动态控制方法的电压源风电机组的电网故障控制与保护，需要综合考虑故障期间变换器的过电流限制、电网同步以及故障恢复时的电网同步问题以及考虑电网出现不平衡和含背景谐波时并网变换器的负序电流控制、直流电压二次波动抑制、有功功率和无功功率的二倍频分量抑制、谐波电流抑制等问题。

专利文献(申请号：CN201811124760.8)公开了一种全功率风电机组控制方法及系统,包括：采用网侧变流器控制直流侧电压，采用机侧变流器控制捕获的风功率，机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方式。将变流器直流侧电压类比为同步发电机的转子转速，将直流侧电容的惯量时间常数类比为同步发电机转子的惯量时间常数，将网侧变流器调制比类比为同步发电机的磁链。该专利针对全功率变换风电机组，提出了直流母线电压感知电网频率进行同步的控制方法，但是直流母线电压并不能维持恒定值，且因无电流内环存在网侧输出电流畸变率较大的问题。并且，该专利针对全功率变换风电机组，只对其稳态特性进行了分析，缺乏电网暂态故障下的控制方法。

专利文献(申请号：CN202010769555.8)公开了一种双馈风力发电机组的虚拟同步控制方法及系统，所述方法包括：对采集的双馈发电机的定子电压三相交流信号和定子输出电流三相交流信号，经过改进型虚拟同步控制得到双馈发电机的定子电压指令和定子虚拟同步角频率指令；对采集的双馈发电机的转子旋转角速度和所述定子虚拟同步角频率指令进行计算，得到双馈发电机的正序转差角度和负序转差角度；基于所述正序转差角度、所述负序转差角度和所述定子电压指令，进行正序控制和负序控制，生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号。该专利针对双馈风力发电机组，提出了双馈发电机的改进虚拟同步控制，但是所提出的控制方法仅用于机侧变换器，网侧变换器的电压源控制方法并未涉及；该专利针对双馈风力发电机组，提出了不平衡电网电压下的虚拟同步机控制策略，但并未涉及电网暂态故障下的控制方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，包括：

启动控制模块，用于实现自同步电压源风电机组的无冲击电流柔性并网启动控制；稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂态控制模块，用于实现电网故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂稳态切换控制模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组在稳态运行模式与暂态运行模式之间的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下全功率变换风电机组的负序电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下全功率变换风电机组的谐波电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的网侧变换器启动控制方法，包括如下步骤：

步骤2.1：接通断路器BRK₁，通过预充电电阻R_c和网侧变换器的二极管整流器对直流侧电容进行充电，在直流侧电压达到设定值后断开BRK₁，断开预充电回路，同时接通断路器BRK₂；

步骤2.2：将开关S1、S2和S3均置于位置1，使能网侧变换器驱动脉冲S_g，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：

其中，U_t为网侧变换器调制电压的幅值；θ_vsg为风电机组网侧变换器调制电压的相角； U_t0为风电机组网侧变换器出口电压的幅值；θ_p为风电机组网侧变换器出口电压的相角；

步骤2.3：将开关S1置于位置2、S2和S3均置于位置1，将直流电压实际值与参考值的差值输入直流电压控制器1，并将直流电压控制器1的输出与锁相环输出相位之和作为网侧变换器调制电压1的相位，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：

其中，k_pdc1和k_idc1分别为直流电压控制器1的比例系数和积分系数；

步骤2.4：当直流电压达到设定值之后，将开关S2和S3均置于位置2，将直流母线电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器2，得到网侧变换器的同步相角 2，控制策略的实现公式如下：

其中，θ_vsg为网侧变换器的同步相角2；T₁和T₂为直流电压调节器的时间常数；

步骤2.5：将直流母线电压实际值与给定值的偏差经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压2的幅值，控制策略的实现公式如下：

其中，Q_gref和Q_g分别为无功功率指令值和实际值；D_pss为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；k_pss为致稳控制系数；k_pq和k_iq分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；

其中，无功功率指令值有网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过交流电压调节器得到，其表达式为：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)

其中，U_o为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；U_om为网侧变换器输出交流电压幅值的实际值；k_pu为交流电压调节器的比例系数；

步骤2.6：由网侧变换器调制电压指令值U_t和同步相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号S_g。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的稳态控制方法，包括：风电机组网侧变换器的稳态控制方法、风电机组机侧变换器的稳态控制方法和风电机组的一次调频控制方法。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的网侧变换器稳态控制方法，包括如下步骤：

步骤4.1：将网侧变换器输出端口的三相交流电压U_oabc、三相交流电流I_fabc以及网侧变换器的同步角度θ_vsg输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc输入的d轴和q轴分量，并根据三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc计算网侧变换器的瞬时有功功率P_g和无功功率Q_g的实时值。

步骤4.2：将直流母线电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器，直流电压调节器的输出与电网角频率基准值相加得到网侧变换器的同步角频率，控制策略的实现公式如下：

ω_syn＝ω₀+G(s)(U_dc-U_dcref)

其中，ω_syn为网侧变换器的同步角频率；ω₀为电网角频率额定值；T₁和T₂为直流电压调节器的时间常数；U_dc和U_dcref分别为直流母线电压实际值与给定值；G(s)为直流母线电压调节器的传递函数，其表达式如下：

步骤4.3：对网侧变换器的同步角频率积分得到网侧变换器的同步相角θ_vsg，其表达式如下：

步骤4.4：将直流母线电压实际值与给定值的偏差ΔU_dc经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，其实现公式如下：

D_pss＝k_pss(U_dc-U_dcref)

其中，k_pss为致稳控制系数；

步骤4.5：将网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过交流电压调节器得到无功功率指令值，控制策略的实现公式如下：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)

其中，U_o为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；U_om为网侧变换器输出交流电压幅值的实际值；k_pu为交流电压调节器的比例系数；

步骤4.6：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_t为网侧变换器输出电压参考值的幅值；U_t0为电网额定电压的幅值；k_pq和k_iq分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；Q_gref和Q_g分别为无功功率指令值和实际值；D_pss为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；

步骤4.7：将网侧变换器输出电压参考值的幅值作为输出电压内环的d轴指令值，设置网侧变换器输出电压内环的q轴指令值为0，将网侧变换器电压内环的d轴指令值与 d轴电压实际值之差经过虚拟阻抗环节得到d轴电流指令，将网侧变换器电压内环的q 轴指令值与q轴电压之差经过虚拟阻抗环节得到q轴电流指令，控制策略的实现公式如下：

其中，U_td和U_tq分别为网侧变换器电压内环的d轴和q轴指令值，存在U_td＝U_t和U_tq＝0；U_od和U_oq分别为网侧变换器端口d轴和q轴电压；I_dref和I_qref分别为d轴和q轴电流指令值；L_v和R_v分别为虚拟阻抗环节的虚拟电感和虚拟电阻值。

步骤4.8：将网侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_std和U_stq分别为d轴和q轴调制电压指令值；I_fd和I_fq分别为网侧变换器输出d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_pi和k_ii分别为电流环比例和积分系数；

步骤4.9：将网侧变换器调制电压指令值经过同步相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的机侧变换器的稳态控制方法，包括如下步骤：

步骤5.1：将机侧变换器输出的三相交流电流I_sabc以及发电机的转子角度θ_r输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电流I_sabc输入的d轴和q轴分量，并根据机侧变换器三相交流电压U_sabc和三相交流电流I_sabc计算机侧变换器的瞬时有功功率P_s和无功功率Q_s的实时值。

步骤5.2：根据风力机的当前转速查转速-功率表得到风电机组的最大输出功率P_WT，并将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值经过比例谐振控制器得到机侧变换器的惯量响应功率ΔP，进而得到风电机组的功率指令值，其实现公式如下：

其中，P_sref为功率环节的参考值；P_WT为风电机组的最大输出功率；ΔP为惯量响应功率；k_c为比例谐振控制器的比例系数；k_s为比例谐振控制器在谐振频率处的增益；ξ为比例谐振控制器的阻尼系数；ω_c为谐振角频率。

步骤5.3：将机侧变换器有功功率给定值与有功功率实际值之差输入至有功功率调节器，有功功率调节器的输出值作为机侧变换器q轴电流指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，P_sref和P_s分别为风电机组输出功率的指令值和实际值；k_pp和k_ip分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；

步骤5.4：将机侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴实际值之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值，将机侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴实际值之差经过 PI调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_sd和U_sq分别为d轴和q轴调制电压指令值；I_sd和I_sq分别为机侧变换器输出 d轴和q轴电流；L_sd和L_sq为发电机的d轴和q轴电感；ω_m为发电机转子机械角频率； n_p为发电机极对数；ψ_r为发电机的额定磁链；k_{pi_m}和k_{ii_m}分别为机侧变换器电流环比例和积分系数；

步骤5.5：将机侧变换器调制电压指令值和转子角度θ_r经过旋转坐标反变换得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到机侧变换器的触发信号。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的一次调频控制方法，包括如下步骤：

步骤6.1：将风电机组的有功功率实际值与有功功率指令值的差值输入功率控制器得到桨距角设定值，控制策略的实现公式为：

其中，β_s为桨距角设定值；P_sref和P_s分别为风电机组有功功率的指令值和实际值；补偿值；k_ppj和k_ipj为功率控制器的比例系数和积分系数。

步骤6.2：将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值输入至一次调频调节器，一次调频调节器的输出与桨距角预设值相加得到桨距角补偿值，控制策略的实现公式为：

Δβ＝β₀+k_pb(ω_syn-ω₀)

其中，β₀为桨距角预设值；Δβ为桨距角补偿值；k_pb为一次调频控制器的比例系数。

步骤6.3：将桨距角设定值和桨距角补偿值之和作为桨距角指令值送给变桨控制器控制风电机组的桨距角实现机组的一次调频功能。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的暂态控制方法，包括如下步骤：

步骤7.1：当直流电压大于k_a*U_dcref时卸荷电路动作，采用PI调节器对直流母线电压进行控制，调节器输出值与PWM发生器比较生成高频脉冲信号控制卸荷电路工作，控制策略的实现公式为：

其中，u_cp为卸荷电路控制器的输出；k_pc和k_ic分别为卸荷控制环比例系数和积分系数；k_a为直流电压卸荷动作系数；

步骤7.2：将有功功率指令值和实际值的差值输入虚拟同步控制器，虚拟同步控制器的输出与角频率基准值相加得到网侧变换器的输出角频率，对网侧变换器的输出角频率积分得到网侧变换器的同步相角，控制策略的实现公式为：

其中，P_ref和P_g分别为有功功率指令值和实际值；J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼；

步骤7.3：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现公式为：

步骤7.4：网侧变换器输出电压d轴和q轴指令值与实际值的误差通过自适应虚拟阻抗环节得到网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值，自适应虚拟阻抗环节的表达式为：

其中，L_{v_ft}和R_{v_ft}分别为自适应虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；

步骤7.5：通过自适应虚拟阻抗环节得到的网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值的表达式为：

其中，I_dlref和I_qlref分别为经过限幅后的d轴和q轴电流指令值；I_lim为最大允许的输出电流幅值；

步骤7.6：根据电网电压跌落深度设置视在功率指令值和有功功率指令值，视在功率指令值的表达式为：

其中，S_new为故障期间能够发出的最大视在功率；U_orms为风电机组端口电压有效值；有功功率指令值的表达式为：

步骤7.7：机侧变换器在电网暂态故障时屏蔽惯量响应功能，风电机组的功率指令根据风力机的当前转速查转速-功率表得到。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的暂稳态切换控制方法，包括如下步骤：

步骤8.1：当同时检测到交流电压故障事件F₁和直流电压异常事件F₂时，自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制信号FT有效，执行故障穿越控制策略，其中故障信号F₁用于判断交流电压故障，表达式为：

其中，a₁和a₂分别为交流电压逻辑判断比例因子；

故障信号F₂用于判断直流电压异常，表达式为：

其中，b₁和b₂分别为交流电压逻辑判断比例因子；

暂稳态切换控制信号FT由故障信号F₁和F₂综合生成：

FT＝F₁&F₂

步骤8.2：当暂稳态切换控制信号FT无效时，同步环节采用直流电压同步；当暂稳态切换控制信号FT有效时，同步环节采用功率同步控制方式；网侧变换器的同步环节选择在同步频率位置处进行切换，可以保证网侧变换器的输出相角不发生突变，能有效避免切换过程中的冲击，控制策略的实现公式如下：

步骤8.3：当暂稳态切换控制信号FT无效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量为0；即致稳控制补偿量仅用于提升稳态时网侧变换器控制系统稳定性，暂态时为0，控制策略的实现公式如下：

步骤8.4：当暂稳态切换控制信号FT无效时，风电机组响应电网频率事件，惯量响应功能有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，风电机组不响应电网频率事件，惯量响应附加功率为0；即暂态运行模式下闭锁机侧变换器的频率响应控制环节，惯量响应控制的实现公式如下：

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的非对称输出电流控制方法，包括如下步骤：

步骤9.1：利用网侧变换器的同步相角作为变换角度，采用四分之一延迟法得到风电机组三相交流电压和三相交流电流的正序分量和负序分量；

步骤9.2：由限幅后的网侧变换器dq轴电流指令值I_dlref和I_qlref与风电机组交流电压的dq轴分量U_od和U_oq，得到网侧变换器的虚拟有功功率与无功功率，经低通滤波器滤除二倍频分量后得到有功功率指令值P_oref和无功功率指令值Q_oref，其计算公式为：

其中：T₃为低通滤波器时间常数；

步骤9.3：根据有功功率指令值和无功功率指令值、风电机组交流电压的正序dq轴分量U_odp、U_oqp和负序分量dq轴分量U_odn、U_oqn，分别根据抑制负序电流、有功功率二倍频波动和抑制无功功率二倍频波动的控制目标，得到正负序电流的指令值I_dpref、I_qpref、 I_dnref、I_qnref；

抑制负序电流控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制有功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制无功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

其中，

步骤9.4：将网侧变换器电流内环的正序d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到正序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的正序q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到正序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_tdp和U_tqp分别为正序d轴和q轴调制电压指令值；I_fdp和I_fqp分别为网侧变换器输出的正序d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_{pi_p}和k_{ii_p}分别为正序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.5：将网侧变换器电流内环的负序d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到负序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的负序q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到负序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_tdn和U_tqn分别为负序d轴和q轴调制电压指令值；I_fdn和I_fqn分别为网侧变换器输出的负序d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_{pi_n}和k_{ii_n}分别为负序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.6：将网侧变换器正序dq轴电压以及相角θ_vsg输入至正序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器正序三相调制电压U_tp，将将网侧变换器负序dq轴电压以及相角θ_vsg输入至负序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器负序三相调制电压U_tn；

步骤9.7：将正序三相调制电压U_tp与三相调制电压U_tn相加，作为网侧变换器的调制信号U_tabc，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的谐波电流控制方法，包括如下步骤：

步骤10.1：将电压内环输出的d、q轴电流指令值I_dref和I_qref通过旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换公式，并通过多阶限波器滤除谐波分量后得到两相静止坐标下下的电流指令值I_αref和I_βref，其实现公式为：

其中，H(s)为多阶限波器的传递函数，其表达式为：

其中，k为谐波次数，k＝6n±1，其中n取1和2；ξ_f为限波器的阻尼系数。

步骤10.2：采用多谐PR调节器对网侧变换器输出电流进行控制，以消除电流中的谐波分量，控制策略的实现公式为：

其中，U_tα和U_tβ分别为α轴和β轴调制电压指令值；I_fα和I_fβ分别为网侧变换器输出α轴和β轴电流；ω_rk为谐振角频率；k_pr和k_ir分别为PR控制器比例和积分系数；

步骤10.3：将网侧变换器两相静止坐标系的调制电压指令值经两相静止坐标系到三相静止坐标系的坐标变换公式得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

根据本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制方法，包括如下步骤：

步骤11.1：根据自同步电压源全功率变换风电机组的控制架构，建立系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标与电网阻抗和系统控制参数的函数关系，可表示为：

式中，Z_g为电网阻抗；P_rn为系统控制策略所涉及到的控制参数；n为控制参数的个数；IT_c为系统惯量响应能力；IT_t为系统惯量响应能力；Q_t为系统无功控制响应速度； f₁(x)为系统惯量响应能力关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₂(x)为系统惯量响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₃(x)为系统无功控制响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；a₁₀、a₁₁、a₁₂，...，a_1n、a₂₀、a₂₁、a₂₂，...，a_2n和a₃₀、a₃₁、 a₃₂，...，a_3n为关系式中各控制参数的系数；

步骤11.2：根据上述函数关系建立系统控制参数关于电网阻抗和系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功响应速度等性能指标的函数，其表达式可写为：

步骤11.3：通过电网阻抗辨识实时获取电网阻抗的数值大小，并根据统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标，求解系统控制参数的多簇数值解集合{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}；

步骤11.4：建立系统相角稳定裕度与系统控制参数和电网阻抗的函数关系，其表达式可表示为：

PM＝g(Z_g,P_r1,P_r2,…,P_rn)＝g[Z_g,{P_ri}]

式中，PM为系统相角稳定裕度；

步骤11.5：将步骤10.3得到的系统控制参数的多簇解析表达式{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}依次代入到系统稳定裕度函数中，并定义自同步电压源风电机组的性能函数per为：

per＝max(g[Z_g,{P_ri(1)}],g[Z_g,{P_ri(2)}],…,g[Z_g,{P_ri(m)}])

步骤11.6：当性能函数per取得最大值时，自同步电压源全功率变换风电机组在当前电网工况下的稳定裕度达到最优，取对应的一组控制参数的解作为当前系统控制参数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组稳态时可实现网侧变换器的无锁相环并网自同步功能，控制输出同步频率可实时感知电网频率的变化，通过将同步频率引入机侧变换器实现了风电机组对电网的主动频率支撑，加入的电压电流控制结构可使网侧变换器动态响应速度更快且降低输出电流的畸变率；

(2)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组暂态时直流母线电压由卸荷电路控制稳定，网侧变换器的同步环节切换至有功功率同步控制，可保持暂态故障期间风电机组与电网的同步，且具有一定的惯量和阻尼支撑能力，采用的自适应修改虚拟阻抗的方法可以有效降低暂态过电流，使风电机组在电网暂态故障期间保持连续运行能力；

(3)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态无缝切换方法，通过采用电网交流电压和直流母线电压的复合故障判断方法，在电网故障时可实现风电机组两种同步方式的准确切换，确保机组在稳态运行与暂态运行两种工作模式之间实现无缝切换，确保机组在切换控制时稳定运行；

(4)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应对不对称电网的控制方法，可以消除有功功率、无功功率以及直流电压上的二次波动；

(5)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应对含背景谐波电网的控制方法，可以降低风电机组输出电流中的谐波含量，提高并网电网质量。

(6)本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应自适应电网阻抗的控制方法，可以在电网阻抗范围变化时自适应调整系统控制参数，提高系统的并网稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为自同步电压源全功率变换风电机组及控制系统；

图2为自同步电压源全功率变换风电机组启动控制框图；

图3a 、 3b 、 3c 为自同步电压源全功率变换风电机组稳态控制框图，其中图 3a为网侧变换器控制框图，图 3b为机侧变换器控制框图，图 3c为一次调频控制框图；

图4 为自同步电压源全功率变换风电机组暂态控制框图；

图5 为自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制框图；

图6为自同步电压源全功率变换风电机组不对称电流控制框图；

图7为自同步电压源全功率变换风电机组谐波电流控制框图；

图8为自同步电压源全功率变换风电机组电网阻抗自适应控制框图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

本发明提出了一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，要解决的技术问题体现在以下几点：

1)：无电流内环的惯性同步控制方法并网电流畸变率高，本发明提出的附加电流内环的惯性同步控制方法，保留了自同步电压源风电机组自主感知电网频率变化和频率响应的功能，且附加的电流内环可提高并网电流的波形质量，降低了并网电流的畸变率。

2)：现有的惯性同步控制方法在电网故障时出现过电流而闭锁，无法实现对电网的主动支撑，本发明提出的惯性同步控制全功率风电机组故障穿越控制方法，可实现在对称跌落故障下风电机组保持对电网的同步、且能有效地抑制暂态过电流，使得机组在电网暂态故障期间保持连续运行能力，实现机组故障穿越和对电网的主动支撑。

3)：惯性同步控制全功率风电机组存在稳态运行与暂态运行两种工作模式，当不采用无缝切换控制时，机组由稳态运行模式进入暂态运行模式易出现失稳现象，本发明提出一种电压源风电机组稳态与暂态无缝切换控制单元，可保证机组在两种运行模式下的无缝切换，确保机组在切换过程中不出现失稳问题。

4)：不对称电网下现有的惯性同步控制方法有功功率、无功功率以及直流电压均存在二次波动问题，本发明提出一种适应于不对称电网下的惯性同步控制方法，可消除有功功率、无功功率、直流电压上的二次波动。

5)：电网含背景谐波时现有的惯性同步控制方法并网电流谐波含量较大，本发明提出一种适应于含背景谐波电网的惯性同步控制方法，可有效降低风电机组输出电流中的谐波含量，提高并网电能质量。

6：电网阻抗宽范围变化时风电机组容易出现并网失稳的问题，本发明提供的自同步电压源全功率变换风电机组应自适应电网阻抗的控制方法，可以在电网阻抗范围变化时自适应调整系统控制参数，提高系统的并网稳定性。

如图1，本发明包括如下模块：

启动控制模块，用于实现自同步电压源风电机组的无冲击电流柔性并网启动控制；稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂态控制模块，用于实现电网故障状态下全功率变换风电机组的电压源控制；暂稳态切换控制模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组在稳态运行模式与暂态运行模式之间的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下全功率变换风电机组的负序电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下全功率变换风电机组的谐波电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制。

其中：如图2，自同步电压源全功率变换风电机组启动控制方法，包括如下步骤：

步骤2.1：接通断路器BRK₁，通过预充电电阻R_c和网侧变换器的二极管整流器对直流侧电容进行充电，在直流侧电压达到设定值后断开BRK₁，断开预充电回路，同时接通断路器BRK₂；

步骤2.2：将开关S1、S2和S3均置于位置1，使能网侧变换器驱动脉冲S_g，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：

其中，U_t为网侧变换器调制电压的幅值；θ_vsg为风电机组网侧变换器调制电压的相角； U_t0为风电机组网侧变换器出口电压的幅值；θ_p为风电机组网侧变换器出口电压的相角；

步骤2.3：将开关S1置于位置2、S2和S3均置于位置1，将直流电压实际值与参考值的差值输入直流电压控制器1，并将直流电压控制器1的输出与锁相环输出相位之和作为网侧变换器调制电压1的相位，此时设置网侧变换器的调制电压和相角分别为：

其中，k_pdc1和k_idc1分别为直流电压控制器1的比例系数和积分系数；

步骤2.4：当直流电压达到设定值之后，将开关S2和S3均置于位置2，将直流母线电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器2，得到网侧变换器的同步相角 2，控制策略的实现公式如下：

其中，θ_vsg为网侧变换器的同步相角2；T₁和T₂为直流电压调节器的时间常数；

步骤2.5：将直流母线电压实际值与给定值的偏差经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压2的幅值，控制策略的实现公式如下：

其中，Q_gref和Q_g分别为无功功率指令值和实际值；D_pss为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；k_pss为致稳控制系数；k_pq和k_iq分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；

其中，无功功率指令值有网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过交流电压调节器得到，其表达式为：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)

其中，U_o为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；U_om为网侧变换器输出交流电压幅值的实际值；k_pu为交流电压调节器的比例系数；

步骤2.6：由网侧变换器调制电压指令值U_t和同步相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号S_g。

其中：如图3a，风电机组网侧变换器的稳态控制方法，包括如下步骤：

步骤4.1：将网侧变换器输出端口的三相交流电压U_oabc、三相交流电流I_fabc以及网侧变换器的同步角度θ_vsg输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc输入的d轴和q轴分量，并根据三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc计算网侧变换器的瞬时有功功率P_g和无功功率Q_g的实时值。

步骤4.2：将直流母线电压实际值与给定值的偏差输入至直流母线电压调节器，直流电压调节器的输出与电网角频率基准值相加得到网侧变换器的同步角频率，控制策略的实现公式如下：

ω_syn＝ω₀+G(s)(U_dc-U_dcref)

其中，ω_syn为网侧变换器的同步角频率；ω₀为电网角频率额定值；T₁和T₂为直流电压调节器的时间常数；U_dc和U_dcref分别为直流母线电压实际值与给定值；G(s)为直流母线电压调节器的传递函数，其表达式如下：

步骤4.3：对网侧变换器的同步角频率积分得到网侧变换器的同步相角θ_vsg，其表达式如下：

步骤4.4：将直流母线电压实际值与给定值的偏差ΔU_dc经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，其实现公式如下：

D_pss＝k_pss(U_dc-U_dcref)

其中，k_pss为致稳控制系数；

步骤4.5：将网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过交流电压调节器得到无功功率指令值，控制策略的实现公式如下：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)

其中，U_o为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；U_om为网侧变换器输出交流电压幅值的实际值；k_pu为交流电压调节器的比例系数；

步骤4.6：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值和致稳控制补偿量相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_t为网侧变换器输出电压参考值的幅值；U_t0为电网额定电压的幅值；k_pq和k_iq分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；Q_gref和Q_g分别为无功功率指令值和实际值；D_pss为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；

步骤4.7：将网侧变换器输出电压参考值的幅值作为输出电压内环的d轴指令值，设置网侧变换器输出电压内环的q轴指令值为0，将网侧变换器电压内环的d轴指令值与 d轴电压实际值之差经过虚拟阻抗环节得到d轴电流指令，将网侧变换器电压内环的q 轴指令值与q轴电压之差经过虚拟阻抗环节得到q轴电流指令，控制策略的实现公式如下：

其中，U_td和U_tq分别为网侧变换器电压内环的d轴和q轴指令值，存在U_td＝U_t和U_tq＝0；U_od和U_oq分别为网侧变换器端口d轴和q轴电压；I_dref和I_qref分别为d轴和q轴电流指令值；L_v和R_v分别为虚拟阻抗环节的虚拟电感和虚拟电阻值。

步骤4.8：将网侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_std和U_stq分别为d轴和q轴调制电压指令值；I_fd和I_fq分别为网侧变换器输出d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_pi和k_ii分别为电流环比例和积分系数；

步骤4.9：将网侧变换器调制电压指令值经过同步相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

其中：如图3b，风电机组机侧变换器的稳态控制方法，包括如下步骤：

步骤5.1：将机侧变换器输出的三相交流电流I_sabc以及发电机的转子角度θ_r输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电流I_sabc输入的d轴和q轴分量，并根据机侧变换器三相交流电压U_sabc和三相交流电流I_sabc计算机侧变换器的瞬时有功功率P_s和无功功率Q_s的实时值。

步骤5.2：根据风力机的当前转速查转速-功率表得到风电机组的最大输出功率P_WT，并将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值经过比例谐振控制器得到机侧变换器的惯量响应功率ΔP，进而得到风电机组的功率指令值，其实现公式如下：

其中，P_sref为功率环节的参考值；P_WT为风电机组的最大输出功率；ΔP为惯量响应功率；k_c为比例谐振控制器的比例系数；k_s为比例谐振控制器在谐振频率处的增益；ξ为比例谐振控制器的阻尼系数；ω_c为谐振角频率。

步骤5.3：将机侧变换器有功功率给定值与有功功率实际值之差输入至有功功率调节器，有功功率调节器的输出值作为机侧变换器q轴电流指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，P_sref和P_s分别为风电机组输出功率的指令值和实际值；k_pp和k_ip分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；

步骤5.4：将机侧变换器电流内环的d轴指令值与d轴实际值之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值，将机侧变换器电流内环的q轴指令值与q轴实际值之差经过 PI调节器得到q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_sd和U_sq分别为d轴和q轴调制电压指令值；I_sd和I_sq分别为机侧变换器输出 d轴和q轴电流；L_sd和L_sq为发电机的d轴和q轴电感；ω_m为发电机转子机械角频率； n_p为发电机极对数；ψ_r为发电机的额定磁链；k_{pi_m}和k_{ii_m}分别为机侧变换器电流环比例和积分系数；

步骤5.5：将机侧变换器调制电压指令值和转子角度θ_r经过旋转坐标反变换得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到机侧变换器的触发信号。

其中：如图3c，风电机组的一次调频控制方法，包括如下步骤：

步骤6.1：将风电机组的有功功率实际值与有功功率指令值的差值输入功率控制器得到桨距角设定值，控制策略的实现公式为：

其中，β_s为桨距角设定值；P_sref和P_s分别为风电机组有功功率的指令值和实际值；补偿值；k_ppj和k_ipj为功率控制器的比例系数和积分系数。

步骤6.2：将网侧变换器输出的同步角频率与电网额定角频率的差值输入至一次调频调节器，一次调频调节器的输出与桨距角预设值相加得到桨距角补偿值，控制策略的实现公式为：

Δβ＝β₀+k_pb(ω_syn-ω₀)

其中，β₀为桨距角预设值；Δβ为桨距角补偿值；k_pb为一次调频控制器的比例系数。

步骤6.3：将桨距角设定值和桨距角补偿值之和作为桨距角指令值送给变桨控制器控制风电机组的桨距角实现机组的一次调频功能。

其中：如图4，自同步电压源全功率变换风电机组暂态控制方法，包括如下步骤：

步骤7.1：当直流电压大于k_a*U_dcref时卸荷电路动作，采用PI调节器对直流母线电压进行控制，调节器输出值与PWM发生器比较生成高频脉冲信号控制卸荷电路工作，控制策略的实现公式为：

其中，u_cp为卸荷电路控制器的输出；k_pc和k_ic分别为卸荷控制环比例系数和积分系数；k_a为直流电压卸荷动作系数；

步骤7.2：将有功功率指令值和实际值的差值输入虚拟同步控制器，虚拟同步控制器的输出与角频率基准值相加得到网侧变换器的输出角频率，对网侧变换器的输出角频率积分得到网侧变换器的同步相角，控制策略的实现公式为：

其中，P_ref和P_g分别为有功功率指令值和实际值；J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼；

步骤7.3：将无功功率给定值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与电压基准值相加得到变换器输出电压参考值的幅值，控制策略的实现公式为：

步骤7.4：网侧变换器输出电压d轴和q轴指令值与实际值的误差通过自适应虚拟阻抗环节得到网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值，自适应虚拟阻抗环节的表达式为：

其中，L_{v_ft}和R_{v_ft}分别为自适应虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；

步骤7.5：通过自适应虚拟阻抗环节得到的网侧变换器输出电流d轴和q轴指令值的表达式为：

其中，I_dlref和I_qlref分别为经过限幅后的d轴和q轴电流指令值；I_lim为最大允许的输出电流幅值；

步骤7.6：根据电网电压跌落深度设置视在功率指令值和有功功率指令值，视在功率指令值的表达式为：

其中，S_new为故障期间能够发出的最大视在功率；U_orms为风电机组端口电压有效值；有功功率指令值的表达式为：

步骤7.7：机侧变换器在电网暂态故障时屏蔽惯量响应功能，风电机组的功率指令根据风力机的当前转速查转速-功率表得到。

其中：如图5，自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制方法，包括如下步骤：

步骤8.1：当同时检测到交流电压故障事件F₁和直流电压异常事件F₂时，自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制信号FT有效，执行故障穿越控制策略，其中故障信号F₁用于判断交流电压故障，表达式为：

其中，a₁和a₂分别为交流电压逻辑判断比例因子；

故障信号F₂用于判断直流电压异常，表达式为：

其中，b₁和b₂分别为交流电压逻辑判断比例因子；

暂稳态切换控制信号FT由故障信号F₁和F₂综合生成：

FT＝F₁&F₂

步骤8.2：当暂稳态切换控制信号FT无效时，同步环节采用直流电压同步；当暂稳态切换控制信号FT有效时，同步环节采用功率同步控制方式；网侧变换器的同步环节选择在同步频率位置处进行切换，可以保证网侧变换器的输出相角不发生突变，能有效避免切换过程中的冲击，控制策略的实现公式如下：

步骤8.3：当暂稳态切换控制信号FT无效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量为0；即致稳控制补偿量仅用于提升稳态时网侧变换器控制系统稳定性，暂态时为0，控制策略的实现公式如下：

步骤8.4：当暂稳态切换控制信号FT无效时，风电机组响应电网频率事件，惯量响应功能有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，风电机组不响应电网频率事件，惯量响应附加功率为0；即暂态运行模式下闭锁机侧变换器的频率响应控制环节，惯量响应控制的实现公式如下：

其中：如图6，自同步电压源全功率变换风电机组非对称输出电流控制方法，包括如下步骤：

步骤9.1：利用网侧变换器的同步相角作为变换角度，采用四分之一延迟法得到风电机组三相交流电压和三相交流电流的正序分量和负序分量；

步骤9.2：由限幅后的网侧变换器dq轴电流指令值I_dlref和I_qlref与风电机组交流电压的dq轴分量U_od和U_oq，得到网侧变换器的虚拟有功功率与无功功率，经低通滤波器滤除二倍频分量后得到有功功率指令值P_oref和无功功率指令值Q_oref，其计算公式为：

其中：T₃为低通滤波器时间常数；

步骤9.3：根据有功功率指令值和无功功率指令值、风电机组交流电压的正序dq轴分量U_odp、U_oqp和负序分量dq轴分量U_odn、U_oqn，分别根据抑制负序电流、有功功率二倍频波动和抑制无功功率二倍频波动的控制目标，得到正负序电流的指令值I_dpref、I_qpref、 I_dnref、I_qnref；

抑制负序电流控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制有功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制无功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

其中，

步骤9.4：将网侧变换器电流内环的正序d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到正序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的正序q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到正序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_tdp和U_tqp分别为正序d轴和q轴调制电压指令值；I_fdp和I_fqp分别为网侧变换器输出的正序d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_{pi_p}和k_{ii_p}分别为正序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.5：将网侧变换器电流内环的负序d轴指令值与d轴电流之差经过PI调节器得到负序d轴调制电压指令值，将网侧变换器电流内环的负序q轴指令值与q轴电流之差经过PI调节器得到负序q轴调制电压指令值，控制策略的实现公式如下：

其中，U_tdn和U_tqn分别为负序d轴和q轴调制电压指令值；I_fdn和I_fqn分别为网侧变换器输出的负序d轴和q轴电流；L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_{pi_n}和k_{ii_n}分别为负序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.6：将网侧变换器正序dq轴电压以及相角θ_vsg输入至正序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器正序三相调制电压U_tp，将将网侧变换器负序dq轴电压以及相角θ_vsg输入至负序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器负序三相调制电压U_tn；

步骤9.7：将正序三相调制电压U_tp与三相调制电压U_tn相加，作为网侧变换器的调制信号U_tabc，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

其中：如图7，自同步电压源全功率变换风电机组谐波电流控制方法，包括如下步骤：

步骤10.1：将电压内环输出的d、q轴电流指令值I_dref和I_qref通过旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换公式，并通过多阶限波器滤除谐波分量后得到两相静止坐标下下的电流指令值I_αref和I_βref，其实现公式为：

其中，H(s)为多阶限波器的传递函数，其表达式为：

其中，k为谐波次数，k＝6n±1，其中n取1和2；ξ_f为限波器的阻尼系数。

步骤10.2：采用多谐PR调节器对网侧变换器输出电流进行控制，以消除电流中的谐波分量，控制策略的实现公式为：

其中，U_tα和U_tβ分别为α轴和β轴调制电压指令值；I_fα和I_fβ分别为网侧变换器输出α轴和β轴电流；ω_rk为谐振角频率；k_pr和k_ir分别为PR控制器比例和积分系数；

步骤10.3：将网侧变换器两相静止坐标系的调制电压指令值经两相静止坐标系到三相静止坐标系的坐标变换公式得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号。

其中：如图8，自同步电压源全功率变换风电机组电网阻抗自适应控制方法，包括如下步骤：

步骤11.1：根据自同步电压源全功率变换风电机组的控制架构，建立系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标与电网阻抗和系统控制参数的函数关系，可表示为：

式中，Z_g为电网阻抗；P_rn为系统控制策略所涉及到的控制参数；n为控制参数的个数；IT_c为系统惯量响应能力；IT_t为系统惯量响应能力；Q_t为系统无功控制响应速度； f₁(x)为系统惯量响应能力关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₂(x)为系统惯量响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₃(x)为系统无功控制响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；a₁₀、a₁₁、a₁₂，...，a_1n、a₂₀、a₂₁、a₂₂，...，a_2n和a₃₀、a₃₁、 a₃₂，...，a_3n为关系式中各控制参数的系数；

步骤11.2：根据上述函数关系建立系统控制参数关于电网阻抗和系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功响应速度等性能指标的函数，其表达式可写为：

步骤11.3：通过电网阻抗辨识实时获取电网阻抗的数值大小，并根据统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度等性能指标，求解系统控制参数的多簇数值解集合{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}；

步骤11.4：建立系统相角稳定裕度与系统控制参数和电网阻抗的函数关系，其表达式可表示为：

PM＝g(Z_g,P_r1,P_r2,…,P_rn)＝g[Z_g,{P_ri}]

式中，PM为系统相角稳定裕度；

步骤11.5：将步骤10.3得到的系统控制参数的多簇解析表达式{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}依次代入到系统稳定裕度函数中，并定义自同步电压源风电机组的性能函数per为：

per＝max(g[Z_g,{P_ri(1)}],g[Z_g,{P_ri(2)}],…,g[Z_g,{P_ri(m)}])

步骤11.6：当性能函数per取得最大值时，自同步电压源全功率变换风电机组在当前电网工况下的稳定裕度达到最优，取对应的一组控制参数的解作为当前系统控制参数。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种自同步电压源全功率变换风电机组控制系统，其特征在于，包括：

启动控制模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组的无冲击电流柔性并网启动控制；稳态控制模块，用于实现电网非故障状态下自同步电压源全功率变换风电机组的电压源控制；暂态控制模块，用于实现电网故障状态下自同步电压源全功率变换风电机组的电压源控制；暂稳态切换控制模块，用于实现自同步电压源全功率变换风电机组在稳态运行模式与暂态运行模式之间的无缝切换；不对称电流控制模块，用于实现不对称电网下自同步电压源全功率变换风电机组的负序电流控制；谐波电流控制模块，用于实现含背景谐波电网下自同步电压源全功率变换风电机组的谐波电流控制；电网阻抗自适应控制模块，用于实现不同短路比电网接入场景下自同步电压源全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制；

自同步电压源全功率变换风电机组的启动控制方法包括如下步骤：

步骤2.1：接通断路器BRK₁，通过预充电电阻R_c和网侧变换器的二极管整流器对直流侧电容进行充电，在直流侧电压达到设定值后断开BRK₁，断开预充电回路，同时接通断路器BRK₂；

步骤2.2：将开关S1、S2和S3均置于预设位置1，使能网侧变换器驱动脉冲S_g，此时设置网侧变换器调制电压的幅值U_t和相角θ_vsg分别为：

其中，U_t0为风电机组网侧变换器出口电压的幅值；θ_p为风电机组网侧变换器出口电压的相角；

步骤2.3：将开关S1置于预设位置2、S2和S3均置于预设位置1，将直流母线电压实际值U_dc与参考值U_dcref的差值输入直流电压控制器，并将直流电压控制器的输出与锁相环输出相位之和作为网侧变换器调制电压的相位，此时设置网侧变换器调制电压的幅值U_t和相角θ_vsg分别为：

其中，k_pdc1和k_idc1分别为直流电压控制器的比例系数和积分系数；s为积分器；

步骤2.4：当直流电压达到设定值之后，将开关S2和S3均置于预设位置2，将直流母线电压实际值U_dc与参考值U_dcref的偏差输入至直流母线电压调节器，此时风电机组网侧变换器调制电压的相角为：

其中，T₁和T₂为直流母线电压调节器的时间常数；

步骤2.5：将直流母线电压实际值U_dc与参考值U_dcref的偏差经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，将无功功率指令值与无功功率实际值之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与风电机组网侧变换器出口电压的幅值和致稳控制补偿量相加得到网侧变换器调制电压的幅值，控制策略的实现公式如下：

其中，Q_gref和Q_g分别为无功功率指令值和实际值；D_pss为网侧变换器输出电压的致稳控制补偿量；k_pss为致稳控制系数；k_pq和k_iq分别为无功功率调节器的比例系数和积分系数；

其中，无功功率指令值由网侧变换器输出交流电压幅值的给定值与实际值之差经过交流电压调节器得到，其表达式为：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)

其中，U_o为网侧变换器输出交流电压幅值的给定值；U_om为网侧变换器输出交流电压幅值的实际值；k_pu为交流电压调节器的比例系数；

步骤2.6：由网侧变换器调制电压的幅值U_t和风电机组网侧变换器调制电压的相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号S_g；

自同步电压源全功率变换风电机组的网侧变换器稳态控制方法包括如下步骤：

步骤4.1：将网侧变换器输出端口的三相交流电压U_oabc、三相交流电流I_fabc以及网侧变换器调制电压的相角θ_vsg输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc输入的d轴和q轴分量，并根据三相交流电压U_oabc和三相交流电流I_fabc计算网侧变换器的瞬时有功功率P_g和无功功率Q_g的实时值；

步骤4.2：获取网侧变换器的同步角频率ω_syn，控制策略的实现公式如下：

ω_syn＝ω₀+G(s)(U_dc-U_dcref)

其中，ω₀为电网角频率额定值；G(s)为直流母线电压调节器的传递函数，其表达式如下：

步骤4.3：对网侧变换器的同步角频率积分得到风电机组网侧变换器调制电压的相角θ_vsg，其表达式如下：

步骤4.4：将直流母线电压实际值与参考值的偏差ΔU_dc经致稳控制器得到变换器输出电压的致稳控制补偿量，其实现公式如下：

D_pss＝k_pss(U_dc-U_dcref)；

步骤4.5：将网侧变换器输出交流电压幅值的给定值U_o与实际值U_om之差经过交流电压调节器得到无功功率指令值Q_gref，控制策略的实现公式如下：

Q_gref＝k_pu(U₀-U_om)；

步骤4.6：将无功功率指令值Q_gref与无功功率实际值Q_g之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与风电机组网侧变换器出口电压的幅值和致稳控制补偿量D_pss相加得到网侧变换器调制电压的幅值U_t，控制策略的实现公式如下：

步骤4.7：将网侧变换器输出电压参考值的幅值作为输出电压内环的d轴指令值，设置网侧变换器输出电压内环的q轴指令值为0，将网侧变换器电压内环的d轴指令值U_td与d轴电压实际值U_od之差经过虚拟阻抗环节得到d轴电流指令I_dref，将网侧变换器电压内环的q轴指令值U_tq与q轴电压实际值U_oq之差经过虚拟阻抗环节得到q轴电流指令I_qref，控制策略的实现公式如下：

其中，存在U_td＝U_t和U_tq＝0；L_v和R_v分别为虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；

步骤4.8：将经虚拟阻抗环节得到的网侧变换器电流内环的d轴指令值I_dref与网侧变换器输出d轴电流I_fd之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值U_std，将经虚拟阻抗环节得到的网侧变换器电流内环的q轴指令值I_qref与网侧变换器输出q轴电流I_fq之差经过PI调节器得到q轴调制电压指令值U_stq，控制策略的实现公式如下：

其中，L_f为变换器侧滤波电感；ω_g为电网角频率；k_pi和k_ii分别为电流环比例和积分系数；

步骤4.9：将网侧变换器调制电压指令值经过风电机组网侧变换器调制电压的相角θ_vsg得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号；

自同步电压源全功率变换风电机组的机侧变换器的稳态控制方法包括如下步骤：

步骤5.1：将机侧变换器输出的三相交流电流I_sabc以及发电机的转子角度θ_r输入至旋转坐标变换公式得到三相交流电流I_sabc输入的d轴和q轴分量，并根据机侧变换器三相交流电压U_sabc和三相交流电流I_sabc计算机侧变换器的瞬时有功功率P_s和无功功率Q_s的实时值；

步骤5.2：根据风力机的当前转速查转速-功率表得到风电机组的最大输出功率P_WT，并将网侧变换器的同步角频率与电网角频率额定值的差值经过比例谐振控制器得到机侧变换器的惯量响应功率ΔP，进而得到机侧变换器有功功率指令值P_sref，其实现公式如下：

其中，k_c为比例谐振控制器的比例系数；k_s为比例谐振控制器在谐振频率处的增益；ξ为比例谐振控制器的阻尼系数；ω_c为谐振角频率；

步骤5.3：将机侧变换器有功功率指令值P_sref与有功功率实际值P_s之差输入至有功功率调节器，有功功率调节器的输出值作为机侧变换器q轴电流指令值I_sqref，控制策略的实现公式如下：

其中，k_pp和k_ip分别为有功功率调节器的比例系数和积分系数；

步骤5.4：将机侧变换器电流内环的d轴指令值I_sdref与机侧变换器输出d轴实际值I_sd之差经过PI调节器得到d轴调制电压指令值U_sd，将机侧变换器电流内环的q轴指令值I_sqref与机侧变换器输出q轴实际值I_sq之差经过PI调节器得到q轴调制电压指令值U_sq，控制策略的实现公式如下：

其中，L_sd和L_sq为发电机的d轴和q轴电感；ω_m为发电机转子机械角频率；n_p为发电机极对数；ψ_r为发电机的额定磁链；k_{pi_m}和k_{ii_m}分别为机侧变换器电流环比例和积分系数；

步骤5.5：将机侧变换器调制电压指令值和转子角度θ_r经过旋转坐标反变换得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到机侧变换器的触发信号；

自同步电压源全功率变换风电机组的一次调频控制的稳态控制方法包括如下步骤：

步骤6.1：将机侧变换器的有功功率实际值P_s与有功功率指令值P_sref的差值输入功率控制器得到桨距角设定值，控制策略的实现公式为：

其中，β_s为桨距角设定值；k_ppj和k_ipj为功率控制器的比例系数和积分系数；

步骤6.2：将网侧变换器的同步角频率与电网角频率额定值的差值输入至一次调频调节器，一次调频调节器的输出与桨距角预设值β₀相加得到桨距角补偿值Δβ，控制策略的实现公式为：

Δβ＝β₀+k_pb(ω_syn-ω₀)

其中，k_pb为一次调频控制器的比例系数；

步骤6.3：将桨距角设定值和桨距角补偿值之和作为桨距角指令值送给变桨控制器控制风电机组的桨距角实现机组的一次调频功能；

自同步电压源全功率变换风电机组的暂态控制方法包括如下步骤：

步骤7.1：当直流电压大于k_a*U_dcref时卸荷电路动作，采用PI调节器对直流母线电压进行控制，调节器输出值与PWM发生器比较生成高频脉冲信号控制卸荷电路工作，控制策略的实现公式为：

其中，u_cp为卸荷电路控制器的输出；k_pc和k_ic分别为卸荷控制环比例系数和积分系数；k_a为直流电压卸荷动作系数；

步骤7.2：将网侧变换器的有功功率指令值P_gref和实际值P_g的差值输入虚拟同步控制器，虚拟同步控制器的输出与电网角频率额定值相加得到网侧变换器的同步角频率，对网侧变换器的同步角频率积分得到网侧变换器的相角，控制策略的实现公式为：

其中，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼；

步骤7.3：将无功功率指令值Q_gref与无功功率实际值Q_g之差输入至无功功率调节器，无功功率调节器的输出与风电机组网侧变换器出口电压的幅值相加得到网侧变换器调制电压的幅值，控制策略的实现公式为：

步骤7.4：网侧变换器电压内环的d轴指令值U_td和q轴指令值U_tq与d轴电压实际值U_od和q轴电压实际值U_oq的误差通过自适应虚拟阻抗环节得到网侧变换器输出电流d轴电流指令I_dref和q轴电流指令I_qref，其中，存在U_td＝U_t和U_tq＝0，自适应虚拟阻抗环节的表达式为：

其中，L_{v_ft}和R_{v_ft}分别为自适应虚拟阻抗环节的虚拟电感值和虚拟电阻值；I_lim为最大允许的输出电流幅值；

步骤7.5：网侧变换器输出电流d轴电流指令I_dref和q轴电流指令I_qref通过环形限幅器得到的限幅后的网侧变换器输出电流d轴和q轴电流指令值的表达式为：

其中，I_dlref和I_qlref分别为限幅后的d轴和q轴电流指令值；

步骤7.6：根据电网电压跌落深度设置视在功率指令值和有功功率指令值，视在功率指令值的表达式为：

其中，S_new为故障期间能够发出的最大视在功率；U_orms为风电机组端口电压有效值；

有功功率指令值的表达式为：

步骤7.7：机侧变换器在电网暂态故障时屏蔽惯量响应功能，风电机组的功率指令根据风力机的当前转速查转速-功率表得到；

自同步电压源全功率变换风电机组的暂稳态切换控制方法包括如下步骤：

步骤8.1：当同时检测到交流电压故障事件F₁和直流电压异常事件F₂时，自同步电压源全功率变换风电机组暂稳态切换控制信号FT有效，执行故障穿越控制策略，其中故障信号F₁用于判断交流电压故障，表达式为：

其中，a₁和a₂分别为交流电压逻辑判断比例因子；U_m为电网额定电压有效值；

故障信号F₂用于判断直流电压异常，表达式为：

其中，b₁和b₂分别为直流电压逻辑判断比例因子；U_dc0为直流侧电压额定值；

暂稳态切换控制信号FT由故障信号F₁和F₂综合生成：

FT＝F₁&F₂

步骤8.2：当暂稳态切换控制信号FT无效时，同步环节采用直流电压同步；当暂稳态切换控制信号FT有效时，同步环节采用功率同步控制方式；网侧变换器的同步环节选择在同步频率位置处进行切换，保证网侧变换器的输出相角不发生突变，有效避免切换过程中的冲击，控制策略的实现公式如下：

步骤8.3：当暂稳态切换控制信号FT无效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，附加至网侧变换器调制电压的致稳控制补偿量为0；即致稳控制补偿量仅用于提升稳态时网侧变换器控制系统稳定性，暂态时为0，控制策略的实现公式如下：

步骤8.4：当暂稳态切换控制信号FT无效时，风电机组响应电网频率事件，惯量响应功能有效；当暂稳态切换控制信号FT有效时，风电机组不响应电网频率事件，惯量响应附加功率为0；即暂态运行模式下闭锁机侧变换器的频率响应控制环节，惯量响应控制的实现公式如下：

其中，ω_a为谐振控制器的通带截止频率；ω为谐振角频率；

自同步电压源全功率变换风电机组的不对称输出电流控制方法包括如下步骤：

步骤9.1：利用网侧变换器的同步相角作为变换角度，采用四分之一延迟法得到风电机组三相交流电压和三相交流电流的正序分量和负序分量；

步骤9.2：由限幅后的网侧变换器dq轴电流指令值I_dlref和I_qlref与网侧变换器电压内环的dq轴电压实际值U_od和U_oq，得到网侧变换器的虚拟有功功率与虚拟无功功率，经低通滤波器滤除二倍频分量后得到有功功率指令值P_oref和无功功率指令值Q_oref，其计算公式为：

其中：T₃为低通滤波器时间常数；

步骤9.3：根据有功功率指令值P_oref和无功功率指令值Q_oref、风电机组交流电压的正序dq轴分量U_odp、U_oqp和负序dq轴分量U_odn、U_oqn，分别根据抑制负序电流、有功功率二倍频波动和抑制无功功率二倍频波动的控制目标，得到正负序电流的指令值I_dpref、I_qpref、I_dnref、I_qnref；

抑制负序电流控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制有功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

抑制无功功率二倍频波动控制目标下，正负序电流的指令值的计算公式为：

其中，

步骤9.4：将网侧变换器电流内环的正序d轴指令值I_dpref与网侧变换器输出的正序d轴电流I_fdp之差经过PI调节器得到正序d轴调制电压指令U_tdp，将网侧变换器电流内环的正序q轴指令值与网侧变换器输出的正序q轴电流I_fqp之差经过PI调节器得到正序q轴调制电压指令值U_tqp，控制策略的实现公式如下：

其中，k_{pi_p}和k_{ii_p}分别为正序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.5：将网侧变换器电流内环的负序d轴指令值I_dnref与网侧变换器输出的负序d轴电流I_fdn之差经过PI调节器得到负序d轴调制电压指令值U_tdn，将网侧变换器电流内环的负序q轴指令值I_qnref与网侧变换器输出的负序q轴电流I_fqn之差经过PI调节器得到负序q轴调制电压指令值U_tqn，控制策略的实现公式如下：

其中，k_{pi_n}和k_{ii_n}分别为负序电流环比例系数和积分系数；

步骤9.6：将网侧变换器正序dq轴调制电压指令值以及风电机组网侧变换器调制电压的相角θ_vsg输入至正序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器正序三相调制电压U_tp，将将网侧变换器负序dq轴调制电压指令值以及风电机组网侧变换器调制电压的相角θ_vsg输入至负序旋转坐标系到静止坐标系变换公式中得到网侧变换器负序三相调制电压U_tn；

步骤9.7：将正序三相调制电压U_tp与负序三相调制电压U_tn相加，作为网侧变换器的调制信号U_tabc，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号；

自同步电压源全功率变换风电机组的谐波电流控制方法包括如下步骤：

步骤10.1：将电压内环输出的dq轴电流指令值I_dref和I_qref通过旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换公式，并通过多阶限波器滤除谐波分量后得到两相静止坐标系下的电流指令值I_αref和I_βref，其实现公式为：

其中，H(s)为多阶限波器的传递函数，其表达式为：

其中，k为谐波次数，k＝6n±1，其中n取1和2；ξ_f为限波器的阻尼系数；

步骤10.2：采用多谐PR调节器对网侧变换器输出电流进行控制，以消除电流中的谐波分量，控制策略的实现公式为：

其中，U_tα和U_tβ分别为α轴和β轴调制电压指令值；I_fα和I_fβ分别为网侧变换器输出α轴和β轴电流；ω_rk为第k次谐波的谐振角频率；k_pr和k_ir分别为PR控制器比例系数和积分系数；

步骤10.3：将网侧变换器两相静止坐标系的调制电压指令值经两相静止坐标系到三相静止坐标系的坐标变换公式得到静止坐标系下的三相电压值，经过脉宽矢量调制得到网侧变换器的触发信号；

自同步电压源全功率变换风电机组的电网阻抗自适应控制方法包括如下步骤：

步骤11.1：根据自同步电压源全功率变换风电机组的控制架构，建立系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度性能指标与电网阻抗和系统控制参数的函数关系，表示为：

式中，Z_g为电网阻抗；P_r1,P_r2,...,P_rn为系统控制策略所涉及到的控制参数；n为控制参数的个数；IT_c为系统惯量响应能力；IT_t为系统惯量响应能力；Q_t为系统无功控制响应速度；f₁(x)为系统惯量响应能力关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₂(x)为系统惯量响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；f₃(x)为系统无功控制响应速度关于控制参数和电网阻抗的函数关系式；a₁₀、a₁₁、a₁₂，...，a_1n、a₂₀、a₂₁、a₂₂，...，a_2n和a₃₀、a₃₁、a₃₂，...，a_3n为关系式中各控制参数的系数；

步骤11.2：根据上述函数关系建立系统控制参数关于电网阻抗和系统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功响应速度性能指标的函数，其表达式为：

步骤11.3：通过电网阻抗辨识实时获取电网阻抗的数值大小，并根据统惯量响应能力、系统惯性响应速度和系统无功控制响应速度性能指标，求解系统控制参数的多簇数值解集合{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}；

步骤11.4：建立系统相角稳定裕度与系统控制参数和电网阻抗的函数关系，其表达式为：

PM＝g(Z_g,P_r1,P_r2,…,P_rn)＝g[Z_g,{P_ri}]

式中，PM为系统相角稳定裕度；

步骤11.5：将步骤11.3得到的系统控制参数的多簇数值解集合{P_ri(1)},...,{P_ri(m)}依次代入到系统稳定裕度函数中，并定义自同步电压源风电机组的性能函数per为：

per＝max(g[Z_g,{P_ri(1)}],g[Z_g,{P_ri(2)}],…,g[Z_g,{P_ri(m)}])

步骤11.6：当性能函数per取得最大值时，自同步电压源全功率变换风电机组在当前电网工况下的稳定裕度达到最优，取对应的一组控制参数的解作为当前系统控制参数。

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