CN115136440A - 电网形成矢量电流控制 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种被配置为仿真虚拟同步机(VSM)的电网形成矢量电流控制系统。所公开的系统包括下垂控制单元、电流控制单元、虚拟导纳单元和提供锁相回路(PLL)单元。虚拟导纳单元和PLL单元被配置为仿真VSM的惯量。虚拟电流源并联连接到VSM。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于电网形成矢量电流控制的系统和方法。
背景技术
传统上，输配电网的变化率很高。用同步发电机进行常规发电越来越多地被经变换器接口连接(converter-interfaced)的可再生能源资源所代替。在许多研究中已表明，如果公用电网配备有大量不采用任何电网支持控制策略的可再生能源资源，则存在电网不稳定的风险。不稳定的原因是，这种资源没有根据电网中的实际功率需求使其功率注入适应电网。
长期以来，这种电网无关的电流/功率控制策略在大多数经变换器接口连接的应用中很常见。然而，在过去的几十年里，更严格的法规已落实到位，例如用于光伏(PV)逆变器。现今，如果电网频率增加到高于标称值，则PV逆变器必须逐渐降低注入的有功功率。这种行为是朝电网支持功率变换器控制方向迈出的第一步。注入的有功功率响应于电网的实际需求缓慢地进行调适。这种简单的方法仅提供稳态电网支持，即，它仍然依赖于电网中接管瞬态负荷变化的同步发电机。
与此同时，已针对孤立电网、微电网和铁路电网开发了更复杂的变换器控制方法。这些控制方法旨在不仅提供稳态电网支持，而且提供瞬态电网支持。利用这种控制方法的经变换器接口连接的能源资源能够完全代替电网中的常规同步发电机。有可能在没有任何常规同步发电机连接到电网的情况下运行电网，这种情况例如在铁路电网中已经变得很普遍。
为了提供完整的电网支持，必须根据连接到电网的各种负荷的需求来调适到电网的注入功率量。这通过将行为从电网无关的恒定功率注入更改为更接近于电压源的行为来实现。配备有这种控制方法的变换器自动调适和共享注入功率，使得它们提供电网中的各种负荷所需求的实际功率。
由于与AC发电和配电中的传统设备向后兼容的原因，控制方法旨在向电网提供“惯性”，这意味着电网频率的变化率是有限的。
电压源特性和惯性的组合效果导致特性非常接近于同步发电机的行为。这种控制方法提供了完整的电网支持，并且可以完全代替电网中的同步发电机。
一般而言，根据目前工艺水平的控制机制可分为两个主组。
在下垂控制方法中，控制律基于感应电网中频率(或角度)和功率流的稳态耦合。存在各种实施方式变体，并且在过去几年中已提出了几种改进该方法的方式。在大多数实施方式变体中，该方法创建电压参考，该电压参考必须用附加的级联电压和电流控制回路来跟踪。在这方面，参考文献[1]和[3]。
在例如[2]中所描述的虚拟发电机方法中，控制律基于仿真同步发电机行为的原理。描述发电机行为的数学模型直接在控制器中实施。存在各种实施方式变体，它们的主要区别在于所实施的方程的细节和复杂程度。
为了仿真(emulate)虚拟发电机或虚拟同步机(virtual synchronous machine,VSM)，在控制器中实施同步发电机的数学方程以仿真发电机行为。在直接方法(电压源类型)中，求解定子电压的机器方程，定子电压作为参考要么直接给予调制级要么给予随后的级联电压和电流控制回路。在反向方法(电流源类型)中，求解定子电流的机器方程，定子电流作为参考给予随后的电流控制回路。
然而，上文引用的两种方法都需要各种附加的控制回路以便使该概念适用。特别地，级联电压和电流控制回路由直接方法给出并且提供包括电流限制在内的电流控制。
电流控制回路和PLL跟踪由反向方法给出的有功/无功功率参考并且提供包括电流限制在内的电流控制。而且，提供了电网同步和电网频率测量。
虚拟阻抗回路可仿真虚拟定子阻抗。
可使用附加部件来改进虚拟发电机的性能。这些附加部件可以是以下各者中的至少一者：
用于直接方法的附加PLL，以用于在闭合变换器的主断路器(MCB)之前或在故障情况期间与电网同步；自动电压调节器(AVR)，用以改进PCC处的电压调节和电网电流的前馈增益；以及PCC电压，用以改进PI控制回路的性能。阻尼绕组仿真用于改进对低频振荡的阻尼。在最简单的反向方法中，虚拟惯性效果是利用测量的电网频率的导数来仿真的。此外，常常需要对虚拟阻抗参考进行低通滤波，以减少由用于计算虚拟电感的导数引起的高频噪声放大。
然而，根据目前工艺水平的系统可能难以调谐并且需要大量的调试工作。由于具有较低切换频率的变换器中的带宽分离不足所致，控制回路之间也可能存在交互。在规则的系统中，在未知的交互的情况下，通常必须对约15个参数进行调谐。在强电网中，常常出现参考跟踪性能不足。此外，可能出现故障期间的失步。
正如刚才所讨论的，电网支持控制方法在各种应用中变得越来越重要，诸如并网电池储能(BESS)、微电网、PV逆变器、铁路联网(intertie)、HVDC和UPS。各国的输电系统运营商正在讨论更改针对并网能源资源的标准，使得电网支持变成对于所有并网能源是强制性的。今天的电网支持控制方法主要基于两个基本概念：“虚拟发电机”概念和下垂控制概念。两种方法都具有几个缺点，诸如复杂性高、调谐方法困难且调试工作量大、以及稳定性问题。此外，所提到的方法在强电网和弱电网中可能无法同时提供足够的控制性能，且因此在孤岛事件期间要么需要重新调整要么需要控制模式切换。
在该ID中，提出了一种新颖的通用电网形成(grid forming)/电网支持控制方法。它基于对虚拟机和并联连接的电流源的组合效果的仿真。
发明内容
根据本公开的方法提供了一种简化的且可靠的结构。它具有更少的级联控制回路、降低的复杂性、集成的阻尼、集成的电流控制和简单的调谐。此外，它在弱电网和强电网两者中都具有良好的性能，并且它实现孤岛运行。电网支持量可以利用单个参数灵活地构造。由于其简单性所致，新颖的控制方法大大减少了调试工作。由于其通用性质所致，只需稍作修改就可以将它用于各种应用中。
本发明在独立权利要求中指定。在从属权利要求中定义了优选实施例。该系统是针对一种被配置为仿真虚拟同步机(VSM)的电网形成矢量电流控制系统。特别地，所公开的系统包括下垂控制单元、电流控制单元、虚拟导纳单元和锁相回路(PLL)单元。虚拟导纳单元和PLL单元被配置为仿真VSM的惯量。虚拟电流源并联连接到VSM。
各种实施例可优选地实施以下特征：
下垂控制单元的输出信号可优选地连接到虚拟电流源以便仿真调速器。
优选地，下垂控制单元的输出信号连接到PLL单元以便仿真虚拟机械调速器。
该系统可进一步包括有源电压调节器(AVR)单元。
该系统优选地部署在以下各者中的至少一者中：微电网变换器或光伏(PV)逆变器或不间断电源(UPS)、或电网联网(intertie)变换器、或铁路电网联网变换器、或高压直流(HVDC)变换器、或电池储能系统(BESS)。
因子kVSM可被配置为通过用kVSM按比例缩放虚拟导纳的输出信号来从电压源到电流源连续地更改系统的特性。
因子kVSM优选地被馈送到下垂控制单元、虚拟导纳单元或PLL单元中的至少一者中，以便增加或减少系统对主电网中的扰动的惯性响应。优选地，以下各者中的至少一者连接到主电网：微电网变换器、或PV逆变器、或UPS、或电网联网变换器、或铁路电网联网变换器、或HVDC变换器、或BESS。更优选地，微电网变换器、PV逆变器或UPS连接到主电网。
优选地，kVSM通过以下方式来缩放VSM的标称功率：用kVSM按比例缩放虚拟导纳的输出信号、用kVSM按反比例缩放PLL的比例增益、以及/或用kVSM按比例缩放下垂常数。
因子kVSM优选地缩放自旋轮(spinning wheel)因子或瞬态功率或惯量中的至少一者。
下垂控制单元可包括快速电流源。AVR单元可被配置为使公共耦合点(Point ofCommon Coupling，PCC)处的电压的幅值保持恒定。
PLL单元优选地被配置为测量公共耦合点(PCC)处的电压。
本公开进一步涉及一种用于控制仿真虚拟同步机(VSM)的电网形成矢量电流控制的方法。该方法包括：提供下垂控制单元、提供电流控制单元、提供虚拟导纳单元、以及提供锁相回路(PLL)单元。仿真VSM的惯量，并且控制并联连接到VSM的虚拟电流源。
各种实施例可优选地实施以下特征：
对VSM的惯量的仿真可优选地利用虚拟导纳单元和PLL单元来实现。
下垂控制单元的输出信号优选地连接到虚拟电流源以便仿真调速器。
下垂控制单元的输出信号优选地连接到PLL单元以便仿真虚拟机械调速器。
因子kVSM可通过用kVSM按比例缩放虚拟导纳的输出信号来从电压源到电流源连续地更改系统的特性。
附图说明
将参考附图来描述本发明。
图1a和图1b示出了根据现有技术的示意图，
图2a和图2b示出了根据本公开的示意图，
图3a和图3b示出了根据本公开的实施例的示意性框图，
图4示出了所提出的电网支持方案的基本结构，
图5a至图5c示出了虚拟机变体，
图6a和图6b示出了所提出的控制方案的等效模型，
图7描绘了瞬态情况的矢量图，
图8是示出使用因子kVSM来调整电网支持量的框图，
图9和图10是示出在不同设定的情况下系统对故障的响应及其清除的图，
图11a和图11b示出了根据本公开的另一个实施例的示意性框图，
图12示出了所提出的控制概念的替代性实施方式，
图13是利用与电流源并联的可选有源阻尼器进行的控制概念的等效电路，
图14示出了根据图13的有源阻尼器分支的实施方式，
图15示出了根据本公开的实施例的框图。
具体实施方式
图1a示出了根据现有技术的控制系统的方案。它采用虚拟阻抗和VSM。VSM和虚拟阻抗两者的输出被馈送到级联电压和电流控制中。图1b是虚拟发电机控制方法的更详细视图。如从示意图可以看出，它是具有许多参数的相当复杂的结构，这些参数必须彼此调谐和调适。
在下文中，术语块和单元可互换地使用，且并不意在为排他性的。
图2示意性地描绘了根据本公开的矢量电流控制系统。特别地，图2a示出了具有并联连接的电流源的虚拟同步机(VSM)，而图2b示出了其等效电路图。该系统仿真虚拟机和并联连接的电流源的组合效果，该虚拟机的标称功率和电网支持量可以利用单个输入/参数来独立地和在线缩放。因此，该系统可进行远程控制。对于某些方面，例如故障处理，可优选地在应用程序代码内更改标称功率和电网支持量。
更详细地，根据示例性实施例的所公开的系统使用如图3中所示的控制块来仿真所提出的行为。下文将讨论其计算。图3a包括由公共耦合点(PCC)处的电压Vpcc馈送的锁相回路(PLL)块以及具有参考频率fref作为输入的速度控制块。PLL的输出与Vpcc和虚拟同步机的电压Vvsm一起被提供给虚拟导纳块。速度控制输出、虚拟导纳输出以及参考电流Iref然后在电流控制块中进行处理，该电流控制块输出电压Vout。
图3b附加地包括参数kVSM作为到PLL块、速度控制块和电流控制块中的至少一者的输入。由此，可控制主电网的电网支持量。kVSM还可用于从电压源到电流源平滑地更改控制方案的特性，其还支持两种特性的混合。在电网故障期间平滑切换到刚性电流控制可以是有益的，以保持与电网同步。控制模式不必更改。
该系统还可包括有源电压调节器(AVR)。根据示例性实施例的系统仿真虚拟惯量、阻尼绕组、虚拟定子阻抗、AVR和下垂调速器的组合效果。使用标准PLL块来仿真虚拟惯量和阻尼绕组。
与常规的虚拟机实施方式相反，有功功率设定点跟踪和下垂调速器概念性地是利用快速电流源来实施的。因此，强电网中不存在性能退化，性能退化在使用VSM控制时常常可以观察到。因此，在弱电网和强电网中实现了良好的性能。该方法支持非计划性孤岛和孤岛运行。
控制方案和相关调试工作的复杂性非常低。由于去除了级联电压控制回路并通过重用PLL来仿真惯量和阻尼所致，参数的数量可以从常规方法中的15个以上减少到只有7个参数，并且含义清晰且交互更少。因此，也可更容易地调谐系统。
所提出概念的进一步优点是有可能利用单个参数来构造电网支持量以简化在具有低储能的应用(诸如，数据中心中的UPS、具有低存储或无存储的PV、具有缓冲电池的EV充电、不敏感负荷等)中提供电网支持特征、以及在不失步的情况下以最大电流平滑转变为进入运行或停止运行，因此改进故障处理能力。
该系统提供明确的电流控制和电流限制以及明确的PLL，以便在闭合MCB之前与电网同步并且防止在故障期间失步。PLL与虚拟导纳一起充当虚拟摆动方程(virtual swingequation)，从而排除使用功率平衡进行同步。
图4至图6示出了所提出的电网支持控制方案和相应的等效电路的更详细概述。
图4的控制方案概念性地在图2a和图2b中描绘。图2a的控制方案可以分成两个功能部分：没有任何调节器的VSM，即，分别为自旋轮或惯量，如由虚线所示；以及在虚拟同步机的端子处并联连接的电流源。虚拟同步机的行为是利用PLL来仿真的。电流源并联工作。它同时充当快速功率设定点跟踪器和调速器，因为它确保了电网和自旋轮之间的稳态功率平衡。虚拟导纳确保了关于有功功率的惯性响应。在稳态下，电流源注入流到电网的完整功率。自旋轮仅在瞬态期间注入功率。
图4示出了根据实施例的系统，其具有下垂控制单元1、电流控制单元2、虚拟导纳单元3和锁相回路(PLL)单元4。虚拟导纳单元3和PLL单元4被配置为仿真VSM的惯量，并且虚拟电流源5并联连接到VSM。在该实施例中，下垂控制单元1的输出信号连接到虚拟电流源5以便仿真调速器。
现在将更详细描述根据优选实施例的系统。虚拟同步机的传统目前工艺水平的实施方式的最简单形式是基于摆动方程。虚拟同步机控制的目标是使变换器在公共耦合点(PCC)处的行为等于同步机的行为。
图5a至图5c是相应部件的等效电路，即，图1a和图1b中描绘的目前工艺水平的虚拟机变体。特别地，图5a示出了变换器，图5b示出了没有虚拟电感的VSM，且图5c示出了具有虚拟电感的VSM。
出于简单性原因，以下推导基于具有电感输出滤波器的变换器。然而，本文中所提出的控制方法适合于具有任何类型的输出滤波器结构的变换器，诸如L、LC或LCL。
摆动方程将电压源VC的频率变化与流出或流入机器的有功功率耦合。在没有虚拟电感的VSM的情况下，变换器电压VC等于虚拟机的反电动势(back-emf)。变换器滤波器电感LC等于虚拟机的定子电感，并且PCC电压Vpcc等于虚拟机的定子电压。变换器电压VC(虚拟back-emf)具有旋转频率ωr，以突出其与虚拟转子频率的等效性。PCC电压(虚拟定子电压)具有旋转频率ωpcc。摆动方程看起来如下：
在准稳态下，功率流由跨越变换器滤波器电抗XC＝ωN*LC的虚拟back-emf VC和PCC电压Vpcc之间的角度差给出。
跨越输电线的部分存在功率流、电抗和角度差的直接依赖关系，即
摆动方程因此变为
在第二步中，根据图5c，目前工艺水平的VSM实施方式已引入了虚拟电抗Xvs＝ωN*Lvs。虚拟电抗稍微更改了方程。相量记法中的变换器电压VC是根据下式来计算的：
VC＝Vv-jXvs·Ic (6)
机器的虚拟back-emf被指定为Vv(具有旋转频率ωr和角度θr)并且已移动到虚拟电抗Xvs后面。关于PCC处的行为，虚拟机现在具有Xv＝Xc+Xvs的总虚拟定子电抗，并且功率流方程更改为
并且摆动方程变为
应注意，虚拟电感Lvs与变换器滤波器电感LC串联，且因此加到从PCC看到的虚拟机的总虚拟定子电感。
图6a和图6b示出了根据示例性实施例的控制方案的等效模型。其中，摆动方程不像传统方法中那样直接实施。此外，将PLL与虚拟导纳一起的效果与摆动方程进行比较。角度θr不再通过摆动方程来计算，而是它是根据PLL方程的PLL输出：
计算等式(9)的导数得出：
对于小角度差(这是合理的PLL调谐的情况)，正弦函数可以近似为sin(θr-θpcc)≈(θr-θpcc)，并且其导数变为s.sin(θr-θpcc)≈ωr-ωpcc。
因此，方程组也可表述如下：
通过将方程(11)与原始摆动方程(1)进行比较，这两个方程的形式对等的PLL增益可为
调速器功率将在下文的后面一步中用并联电流源代替。因此，PLL的比例增益仿真阻尼绕组效果，并且积分增益将角度差与频率的增加/减小相结合，从而仿真同步机的自同步原理。
与摆动方程相反，PLL没有隐含地将功率流与角度差耦合，因为它仅描述了内部PLL角度θr的演变。必须利用电流控制器的附加电流参考来明确地确保功率流和角度差的耦合。该参考是在虚拟导纳等于虚拟定子阻抗的倒数的情况下创建的，即
Yv(s)＝Zv(s)-1 (13)
定子阻抗被假定为RL型的。如果导纳是在dq坐标系中实施的，则它可以被描述如下
电流参考iv，dq是根据虚拟导纳与以下两者之间的电压差的矩阵乘法来创建的：对齐到PLL坐标系的d方向的虚拟back-emf电压Vv(Vv＝VN+j*0)、和PCC电压Vpcc(这在图7中示出，其描绘了瞬态情况的矢量图)。
iv，d＝Yv，dd(s)·(Vpcc，d-VN)+Yv，dq(s)·Vpcc，q (16)
iv，q＝Yv，qd(s)·(Vpcc，d-VN)+Yv，qq(s)·Vpcc，q (17)
替代地，也有可能对复数有效并根据下式来实施导纳：
在稳态下并假设Rv＜＜ωN*Lv，导纳简化为
且因此导致以下稳态电流参考：
如果PCC电压Vpcc等于标称电压VN，则注入的q轴电流可以忽略不计。因此，在虚拟定子电抗(Xv＝ωN*LV)上q电压和沿d方向的有功电流之间的耦合可被描述为
其中，相关的功率流(假设快速电流跟踪)是
因此，根据本公开，确保了受摆动方程管控的准稳态功率流和通过PLL+虚拟导纳组合创建的功率流之间的等效性。
虚拟导纳可利用全动态模型来实施，以确保高频谐振的无源性和阻尼。然而，简化的导纳模型(忽略s*L项)也是可能的，因为更复杂的模型准许附加的滤波功能。甚至不对称导纳也是可能的。最低要求是实施q电压和有功电流之间的耦合。
已表明，针对PLL增益的特殊设定和虚拟导纳的组合允许利用常规的用于矢量电流控制的控制结构来仿真虚拟同步机的惯量、阻尼绕组和定子阻抗的效果。
在下文中，进一步描述下垂块。与原始VSM实施方式不同，所提出的控制方法仅实施自旋轮而没有调节器，以实现机械输入功率。因此，在稳态(iv，d＝0)下，来自自旋轮的注入功率将为零，并且角度θr与θpcc对齐。
调速器功率由确保稳态功率平衡的电流源代替。除了来自虚拟导纳的参考之外，还根据下式创建了有功电流参考：
这导致了以下的注入功率：
P＝Vpcc，d·id，ref＝Vpcc cos(θr-θpcc)·id，ref＝Pset+Kg·(ωr-ωset) (25)
主要区别在于，该电流参考被直接馈送到电流控制器，没有对摆动方程进行滤波。与常规的VSM实施方式相比，设定点变化直接馈送并快得多地被密切注意。
针对合理的负荷条件和自旋轮的合理的虚拟定子电抗，角度差θr-θpcc是小的，并且cos(θr-θpcc)接近于统一。在那种情况下，除以Vpcc，d可以用除以常数VN代替。
此外，可添加有源电压调节器(AVR)以使PCC电压的幅值保持恒定。AVR块可以是PI、或积分器(I)类型、或仅比例类型(P)。它创建了用于调节电压幅值的q电流参考iqref。
iqref＝Gavr(s)·(|Vpcc|-VN) (26)
然而，也可以省略AVR块，因为虚拟导纳已经利用下式实施了比例增益AVR效果
如上文已指示的，可使用因子kVSM。因子kVSM可被配置为通过用kVSM按比例缩放虚拟导纳的输出信号来从电压源到电流源连续地改变系统的特性。
因子kVSM可以被馈送到下垂块、虚拟导纳块或PLL块中的至少一者中，如贯穿说明书描述的，以便增加或减少系统对连接有微电网变换器、PV逆变器、UPS等的主电网中的扰动的惯性响应。优选地，以下各者中的至少一者连接到主电网：微电网变换器、或PV逆变器、或UPS、或电网联网变换器、或铁路电网联网变换器、或HVDC变换器、或BESS。更优选地，微电网变换器、PV逆变器或UPS被连接。其中，kVSM可通过用以下方式来缩放VSM的标称功率：用kVSM按比例缩放虚拟导纳的输出信号、用kVSM按反比例缩放PLL的比例增益、以及/或用kVSM按比例缩放下垂常数。
kVSM也可用于调整或缩放电网支持量。优选地，因子kVSM是连续的，并且范围为从0到1。在这个因子的情况下，有可能用单个因子来缩放虚拟机的标称功率，该虚拟机可以被认为与电流源并行运行。kVSM的连接和输入在图3b中示出。这些方程式如下：
Yvirt＝kVSM·Yvirt，N (28)
M＝kVSM·MN (29)
参考图4，下垂块、虚拟导纳块和PLL块的修改后的框图在图8中示出。
重要的是使PLL块中使用的kVSM倒数饱和到最大值，以使PLL回路保持稳定。PLL回路的过高的比例增益会导致不稳定性，这是利用PLL进行的标准矢量电流控制的众所周知的效果。
应注意，通过缩放VSM的标称功率来调整电网支持量是本公开的控制结构的独特特征。并联电流源的标称功率不受影响，且因此即使kVSM设定为零，控制结构也可以继续以常规的电流控制和以最大功率能力运行。
该特征可能是用常规的VSM实施方式所无法实现的。对于标准VSM，功率转移能力与VSM的标称功率挂钩。通过提前VSM中的虚拟back-emf的角度来控制功率流，并且将电压差施加在虚拟定子电抗上。降低VSM的标称功率导致电抗增加，且因此需要增加角度差来转移相同量的功率。由于最大角度差限制为90°，因此功率转移能力随着VSM的标称功率而降低。因此，在常规的控制方法中，无法独立地调整VSM的标称功率。除了本文中所公开的应用之外的其他应用也可能是可行的。
在故障事件期间的可能应用以及在故障清除之后的后续再同步在图9中示出。在不减小kVSM因子(类似于标准VSM行为)的情况下，由于在PCC电压接近于零时电网和VSM之间已失步，因此在故障清除之后触发严重的振荡。
相比之下，如果kVSM因子在LVRT事件期间减小到零，则实现平滑的再同步，并且在故障清除之后未观察到变换器和电网之间的振荡。这可以从图10中的图表中看出，这些图表示出了所提出的控制系统的行为。由于kVSM的暂时减小所致，控制特性已变成常规的刚性电流控制方案，该控制方案在故障事件期间具有可控和优选的行为。有可能在LVRT事件期间注入无功电流或外加任何其他预定义的电流参考。
在仅具有低储能能力的应用中，诸如在UPS系统中或在具有低储能或没有储能的PV中，电网支持也可在降低的标称功率(例如，10-20％)的情况下运行。可为电网支持保留一定百分比的标称功率，而应用的剩余功率需求则利用常规的电流控制来处理。
图11a和图11b将本公开的另一个优选实施例示为示意性框图。特别地，图11a涉及具有虚拟机械调速器而不是电流源调速器的替代性实施方式。这尤其通过将下垂控制块的输出信号连接到PLL块来实现。由此，得以仿真虚拟机械调速器。类似于如图3a中所示的控制方案，因子kVSM也可被馈送到PLL块和/或速度控制块和/或虚拟导纳块中。将省略对应于第一实施例的特征的描述。
图12示出了关于图4中所提出的方案的替代性构型。代替使用电流源作为调速器的是，可以实施虚拟机械调速器，其通过提前或延迟VSM的转子角度来更改功率流。这通过去除下垂块到电流控制器的直接连接来实现。代替地，PLL块需要附加的输入，它将调速器功率参考Pref变成虚拟转子角度位移。
换言之，图12示出了根据实施例的系统，其具有下垂控制单元1、电流控制单元2、虚拟导纳单元3和锁相回路(PLL)单元4。虚拟导纳单元3和PLL单元4被配置为仿真VSM的惯量，并且虚拟电流源5并联连接到VSM。在该实施例中，下垂控制单元1的输出信号连接到PLL单元4以便仿真虚拟机械调速器。
以下分别适用于实施例和控制方法两者。可通过使用到电流控制器的输入id,ref2将电流源并联连接到VSM，该电流源可以独立于VSM来操纵。仍然有可能用因子kVSM来调整VSM的标称功率。然而，随着VSM的标称功率PN,VSM减小，Pset只能在+-PN,VSM范围内变化，否则VSM可由于虚拟电抗增加所致而过载。为了利用变换器的全功率能力，需要利用电流源输入id,ref2来工作，该电流源输入是独立于VSM的标称功率的。
可选地，有源阻尼分支(例如，虚拟阻尼电阻器)可并联连接到电流源。因此，
iad，dq＝Gad，dq(s)·Vpcc，dq (33)
这种有源阻尼分支通常采用带通滤波器，使得其仅在某个频率范围内有效。与之前介绍的虚拟定子阻抗的区别在于，有源阻尼分支直接与PCC电压相乘，而没有计算PCC电压和虚拟back-emf电压Vv之间的电压差。因此，它沿与虚拟定子阻抗不同的另一个方向(即，对于虚拟电阻器)创建电流，该阻尼电流与PCC电压同相。有源阻尼分支不受用章节2.2.4中介绍的因子kVSM缩放VSM的标称功率的影响，因此如果VSM效果设定为零，则它也是有源的。有源阻尼器分支可潜在地用于两个实施例中，即，使用电流源调速器的变体和使用虚拟机械调速器的变体。
图13描绘了使用与电流源并联的有源阻尼器的控制概念的等效电路。图14是有源阻尼器分支的实施方式的详细视图。
可选地，可实施两个PLL块。电流控制器可利用快速PLL在所创建的坐标系中运行以改进性能，而VSM的响应是利用慢速PLL来仿真的。代替利用PI电流控制块的基于dq坐标系的方法的是，该概念还可以使用任何其他电流控制方法来实施，诸如基于比例谐振(PR)控制、状态反馈控制、LQR或MPC的电流控制。
控制方法的实施方式不限于同步dq坐标系，而是它也可以在任何其他坐标系中实施，诸如静止的α-β坐标系、或相位定向的abc坐标系、或任何其他合适的坐标系。根据上文所描述的实施例提出的控制方法不限于三相系统。它也可以针对单相系统来实施。
在不对称条件下运行的情况下，可采取以下措施来使系统适应这种情况。
正序/负序/零序分离器块可以用于提取和分离PCC电压和变换器电流的正序/负序/零序分量，并针对各个序列使用特定的控制方案。改进的负序电流控制可以利用dq坐标系中在二次谐频下调谐的比例谐振(PR)块来实现。
对于VSM的负序分量电流响应，可仿真零back-emf，该VSM具有正序和负序虚拟导纳的不同参数。利用比例谐振(PR)块进行的谐波电流控制可以调谐到特定的谐波频率或它们在dq坐标系中的对应频率。
根据本公开，所提出的控制方法极大地降低了电网形成矢量电流控制的复杂性，同时改进了对系统中的故障或不规则性的响应。
图15是根据本公开的电网形成矢量电流控制系统的示意图。该系统被配置为通过下垂控制单元1、电流控制单元2、锁相回路(PLL)单元4和虚拟电流源5来仿真虚拟同步机(VSM)。
其他方面、特征和优点将从以上概述以及从以下描述(包括附图和权利要求)变得显而易见。
虽然已在附图和前面描述中详细图示并描述了本发明，但是这种图示和描述将被认为是图示性的或示例性的而不是限定性的。将理解，普通技术人员可在以下权利要求的范围内作出改变和修改。特别地，本发明涵盖具有来自上文和下文描述的不同实施例的特征的任何组合的进一步实施例。
此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个单元可实现权利要求中叙述的几个特征的功能。与属性或值相关的术语“基本”、“大约”、“近似”等也分别确切地定义了属性或确切地定义了值。权利要求中的任何附图标记均不应被解释为限制范围。
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Claims (18)
1.一种被配置为仿真虚拟同步机VSM的电网形成矢量电流控制系统，所述系统包括：
下垂控制单元(1)；
电流控制单元(2)；
虚拟导纳单元(3)；以及
锁相回路PLL单元(4)，
其中，所述虚拟导纳单元(3)和所述PLL单元(4)被配置为仿真所述VSM的惯量，并且
其中，虚拟电流源(5)并联连接到所述VSM。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述下垂控制单元(1)的输出信号连接到所述虚拟电流源(5)以便仿真调速器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述下垂控制单元(1)的输出信号连接到所述PLL单元(4)以便仿真虚拟机械调速器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括有源电压调节器AVR单元。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统部署在以下各者中的至少一者中：微电网变换器或光伏PV逆变器或不间断电源UPS、或电网联网变换器、或铁路电网联网变换器、或高压直流HVDC变换器、或电池储能系统BESS。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，因子kVSM被配置为通过用kVSM按比例缩放所述虚拟导纳的输出信号来从电压源到电流源连续地更改所述系统的特性。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述因子kVSM被馈送到所述下垂控制单元(1)、所述虚拟导纳单元(3)或所述PLL单元(4)中的至少一者中，以便增加或减少所述系统对主电网中的扰动的惯性响应。
8.根据权利要求7所述的系统，当附加到至少权利要求5时，其中，以下各者中的至少一者连接到所述主电网：所述微电网变换器、或所述PV逆变器、或所述UPS、或所述电网联网变换器、或所述铁路电网联网变换器、或所述HVDC变换器、或所述BESS。
9.根据权利要求7所述的系统，当附加到至少权利要求5时，其中，所述微电网变换器、PV逆变器或UPS连接到所述主电网。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其中，kVSM通过以下方式来缩放所述VSM的标称功率：用kVSM按比例缩放所述虚拟导纳的所述输出信号、用kVSM按反比例缩放所述PLL的比例增益、以及/或用kVSM按比例缩放下垂常数。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的系统，其中，所述因子kVSM缩放自旋轮因子或瞬态功率或所述惯量中的至少一者。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述下垂控制单元(1)包括快速电流源。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的系统，其中，所述AVR单元被配置为使公共耦合点PCC处的电压的幅值保持恒定。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述PLL单元(4)被配置为测量公共耦合点PCC处的电压。
15.一种用于控制仿真虚拟同步机VSM的电网形成矢量电流控制的方法，所述方法包括：
-提供下垂控制单元(1)，
-提供电流控制单元(2)，
-提供虚拟导纳单元(3)，以及
-提供锁相回路PLL单元(4)，
仿真所述VSM的惯量，以及
控制并联连接到所述VSM的虚拟电流源。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述下垂控制单元的输出信号连接到所述虚拟电流源以便仿真调速器。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述下垂控制单元的输出信号连接到所述PLL单元以便仿真虚拟机械调速器。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，因子kVSM通过用kVSM按比例缩放所述虚拟导纳的输出信号来从电压源到电流源连续地更改所述系统的特性。
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