CN115313524A - 一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统 - Google Patents

一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统，其中方法包括：在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；基于所述内电势幅值计算变流器的参考电流；在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；将所述参考电压作为所述变流器的PWM调制信号，对所述变流器的开关管进行控制。

Description

一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源并网控制技术领域，更具体地，涉及一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统。
背景技术
构建新型电力系统，光伏发电作为目前最成熟和最具发展前景的可再生能源发电技术之一，近年来保持着强劲的发展势头，我国光伏发电建设规模实现快速发展。
光伏发电具有随机性，间歇性和波动性等出力特点，以及其主要通过电力电子逆变器以最大功率跟踪方式并网运行，本身不具备惯量支撑及调频调压能力的问题，产能发展的同时也存在着严重弃光现象。因此，高质量的并网控制策略是提升光伏发电消纳水平的关键。
目前，光伏发电系统中变流器控制多采用跟网型控制策略，与电网同步需要依靠锁相环(PLL)。其对外表现为受控电流源，电压输出性能较差且无法实现自主惯量支撑，如恒功率控制等。为适应新能源光伏发电设备的快速发展，解决弱电网中稳定性问题，模仿传统同步发电机的控制特点，具有受控电压源外特性的构网型控制策略得到广泛研究，如下垂控制，虚拟同步机控制等。下垂控制模拟同步发电机P-f、Q-U下垂特性，响应速度快，但却不具备惯性和阻尼特性，容易引起电压和频率振荡。而传统的虚拟同步机模型以同步发电机经典二阶模型为基础，引入了同步机转子运动方程及励磁调压方程，但是由于忽略了励磁绕组的暂态过程，对励磁控制产生的影响考虑不全，存在系统振荡风险。
现有技术基于电压锁相环的电网跟随型光伏发电系统并网变换，通过锁相环PLL观测光伏发电系统公共耦合点的电压，功率外环根据实测功率与参考功率计算电流内环参考值，电流内环实现电流指令跟踪，最终通过控制输出电流(有功电流、无功电流)来控制光伏输出功率。锁相环及跟网型光伏发电系统具体控制框图如图1、图2所示。
现有技术中光伏发电系统采用跟网型控制技术仅可以并网运行，不能工作在孤网模式；在弱网情况下，由于锁相环与电网阻抗之间的强耦合，运行容易失步；另外，跟网型控制技术不能实现电网电压支撑及自主惯量支撑。
因此，需要一种技术，以实现基于构网型变流器的光伏发电并网控制。
发明内容
本发明技术方案提供一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统，以解决如何基于构网型变流器对光伏发电系统进行并网控制的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法，所述方法包括：
在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
基于所述内电势幅值计算变流器的参考电流；
在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
将所述参考电压作为所述变流器的PWM调制信号，对所述变流器的开关管进行控制。
优选地，所述基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角之后，还包括：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将所述三相电流与所述三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure BDA0003764090280000031
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
优选地，所述基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure BDA0003764090280000032
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量； Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure BDA0003764090280000033
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
优选地，所述确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure BDA0003764090280000041
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值。
优选地，所述基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure BDA0003764090280000042
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure BDA0003764090280000043
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为 d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
优选地，所述基于所述内电势幅值计算参考电流，包括：
将所述内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定内电势dq轴参考值 Ucdref和Ucqref：
Figure BDA0003764090280000051
基于dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX 计算参考电流：
Figure BDA0003764090280000052
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j 为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；Ucdref为d轴虚拟内电势；Ucqref为q轴虚拟内电势；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
优选地，所述基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统，系统包括：
确定单元，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
第一获取单元，用于在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
第二获取单元，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
计算单元，用于基于内电势幅值计算变流器的参考电流；
第三获取单元，用于在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
执行单元，用于将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对变流器的开关管进行控制。
优选地，还包括第四获取单元，用于：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将三相电流与三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure BDA0003764090280000061
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
优选地，第一获取单元，用于基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure BDA0003764090280000071
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量； Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure BDA0003764090280000072
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
优选地，确定单元，用于确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure BDA0003764090280000073
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值。
优选地，第二获取单元，用于基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure BDA0003764090280000081
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure BDA0003764090280000082
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为 d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
优选地，计算单元，用于基于内电势幅值计算参考电流，包括：
将内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定内电势dq轴参考值Ucdref和 Ucqref：
Figure BDA0003764090280000083
基于dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX 计算参考电流：
Figure BDA0003764090280000084
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j 为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；Ucdref为d轴虚拟内电势；Ucqref为q轴虚拟内电势；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
优选地，第三获取单元，用于基于参考电流与内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
本发明技术方案提供了一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法及系统，其中方法包括：在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；基于内电势幅值计算变流器的参考电流；在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对变流器的开关管进行控制。本发明技术方案避免锁相环依赖，通过自产相位，实现构网型光伏发电系统控制，达到电网电压支撑，一次调频和自主惯量支撑等目的。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据现有实施方式的锁相环控制框示意图；
图2为根据现有实施方式的跟网型光伏发电系统并网控制示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法流程图；
图4为根据本发明优选实施方式的光伏系统整体控制流程图；
图5为根据本发明优选实施方式的虚拟调频控制框示意图；
图6为根据本发明优选实施方式的虚拟惯量和阻尼控制框示意图；
图7为根据本发明优选实施方式的虚拟励磁控制框示意图；
图8为根据本发明优选实施方式的虚拟电路控制框示意图；
图9为根据本发明优选实施方式的电流内环控制流程图；以及
图10为根据本发明优选实施方式的基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图3为根据本发明优选实施方式的基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法流程图。本发明提供一种基于构网型变流器的光伏发电系统并网控制策略，通过模拟同步发电机三阶模型特性，避免锁相环依赖，自产相位，实现构网型光伏发电系统控制，达到电网电压支撑，一次调频和自主惯量支撑等目的。
如图3所示，本发明提供一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法，方法包括：
步骤101，在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
优选地，确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure BDA0003764090280000111
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值。
步骤102，在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
优选地，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure BDA0003764090280000112
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量； Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure BDA0003764090280000113
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
本发明生成内电势虚拟相位角。此部分包括虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制两个模型环节，模型表达式如下所示：
Figure BDA0003764090280000121
其中，Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数。
虚拟惯量和阻尼控制环节模拟同步发电机转子运动方程，在光伏逆变器控制中引入转子惯量特性，使得功率和频率在动态变化中具备惯性；引入阻尼分量，增强系统抑制功率振荡的能力。其中，虚拟阻尼由并联的两部分组成：包括虚拟阻尼系数D，以及由一级隔直环节与一级移相环节组成的阻尼增强环节，数学表达式如下：
Figure BDA0003764090280000122
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数。
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
虚拟调频控制模型考虑传统同步机调速器参与一次调频的原理与执行器的响应时间。从电网侧采集电压计算得到的频率测量值与参考值的偏差值，首先经过一次调频死区控制，得到有功变化量初值ΔPref1：
Figure BDA0003764090280000123
其中，fdeadzone为设定死区。再经过功率限幅得到最终有功变化量ΔPref。
由于光伏发电系统常以最大功率点跟踪(MPPT)方式运行，对于是否带储能的光伏发电系统的虚拟机械功率Pm的取值存在不同。当光伏发电系统配备储能装置，具有有功备用时，有功参考值即为光伏MPPT功率 (Pref＝PMPPT)，通过储能充放电控制使光伏发电系统参与系统一次调频，输出虚拟机械功率为：
Pm＝PMPPT+ΔPref
当光伏发电系统无储能装置，无有功备用环节时，设定光伏系统降功率控制，即Pref＝PMPPT-ΔP，ΔP为降功率额度。此时光伏系统输出虚拟机械功率为：
Figure BDA0003764090280000131
步骤103，在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
优选地，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure BDA0003764090280000132
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure BDA0003764090280000141
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为 d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
本发明在上述步骤中，生成内电势幅值。建立虚拟励磁器模型，模拟同步发电机励磁调压模型，与现有同步机的励磁控制器在结构上保持一致，引入调差环节及串联PID限幅控制，忽略励磁机本身的动态过程，保留其控制器部分的特性，避免励磁器输出直接作用于端电压引入较高频的振荡风险。调差环节可表示如下：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻，XC为调差电抗。该调差环节的引入可以防止并联运行的发电设备同时调一个母线电压时引起振荡。
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，得到与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure BDA0003764090280000142
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值。
之后根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure BDA0003764090280000143
步骤104，基于内电势幅值计算变流器的参考电流；
优选地，基于内电势幅值计算参考电流，包括：
将内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定内电势dq轴参考值Ucdref和 Ucqref：
Figure BDA0003764090280000151
基于dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX 计算参考电流：
Figure BDA0003764090280000152
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j 为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；Ucdref为d轴虚拟内电势；Ucqref为q轴虚拟内电势；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
本发明在上述步骤中，计算虚拟电流。将前述步骤(3)(4)计算得到的虚拟内电势Em∠θ定位到dq坐标系，并规定内电势dq轴参考值Ucdref和 Ucqref：
Figure BDA0003764090280000153
以dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX计算参考电流公式如下：
Figure BDA0003764090280000154
之后再对dq轴参考电流进行限幅：(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，如有功优先控制、无功优先控制和有功无功等比例控制等，单位圆的半径设为Idqlim；(c)限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
步骤105，在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；优选地，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。如图9所示。
在本发明上述步骤中，进行电流内环控制。电流内环控制框图如图9 所示。将上述步骤中得到的电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过 PI控制及前馈解耦控制环节等，得到电压参考波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的电压参考波。
步骤106，将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对变流器的开关管进行控制。
本发明进行PWM调制。将上述步骤中得到的三相静止坐标系下的电压作为变流器的PWM调制信号，实现对该变流器开关管的控制。如图4 所示。
优选地，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角之后，还包括：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将三相电流与三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure BDA0003764090280000171
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
检测电网及光伏发电系统实时运行状态及运行数据。采集逆变器输出的三相电流Isabc与三相端电压Usabc，并将其依据内电势虚拟相位角θ进行Park 变换，以获得dq旋转坐标系下的电流Isdq与电压Usdq。通过功率计算模块获得光伏逆变器实际输出有功功率Pe和无功功率Qe，计算公式如下：
Figure BDA0003764090280000172
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
图5为根据本发明优选实施方式的虚拟调频控制框示意图。
图6为根据本发明优选实施方式的虚拟惯量和阻尼控制框示意图。
图7为根据本发明优选实施方式的虚拟励磁控制框示意图。
图8为根据本发明优选实施方式的虚拟电路控制框示意图。
图10为根据本发明优选实施方式的基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统结构图。如图10所示，本发明提供一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统，系统包括：
确定单元701，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
优选地，确定单元701，用于确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure BDA0003764090280000173
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值。
第一获取单元702，用于在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
优选地，第一获取单元702，用于基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure BDA0003764090280000181
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量； Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure BDA0003764090280000182
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
第二获取单元703，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
优选地，第二获取单元703，用于基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure BDA0003764090280000191
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure BDA0003764090280000192
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为 d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
计算单元704，用于基于内电势幅值计算变流器的参考电流；
优选地，计算单元，用于基于内电势幅值计算参考电流，包括：
将内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定内电势dq轴参考值Ucdref和 Ucqref：
Figure BDA0003764090280000193
基于dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX 计算参考电流：
Figure BDA0003764090280000201
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j 为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；Ucdref为d轴虚拟内电势；Ucqref为q轴虚拟内电势；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
第三获取单元705，用于在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
优选地，第三获取单元705，用于基于参考电流与内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
执行单元706，用于将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对变流器的开关管进行控制。
优选地，系统还包括第四获取单元，用于：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将三相电流与三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure BDA0003764090280000211
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
本发明实施方式提供的一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统与本发明提供的另一实施方式一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法相对应，在此不再进行赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制方法，所述方法包括：
在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
基于所述内电势幅值计算变流器的参考电流；
在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
将所述参考电压作为所述变流器的PWM调制信号，对所述变流器的开关管进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，所述基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角之后，还包括：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将所述三相电流与所述三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure FDA0003764090270000011
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
3.根据权利要求1所述的方法，所述基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure FDA0003764090270000021
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量；Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure FDA0003764090270000022
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
4.根据权利要求1所述的方法，所述确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure FDA0003764090270000023
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；fdeadzone为设定死区。
5.根据权利要求1所述的方法，所述基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure FDA0003764090270000031
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure FDA0003764090270000032
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
6.根据权利要求1所述的方法，所述基于所述内电势幅值计算参考电流，包括：
将所述内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定d轴虚拟内电势Ucdqref和q轴虚拟内电势Ucqref：
Figure FDA0003764090270000033
基于d轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX计算参考电流：
Figure FDA0003764090270000041
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
7.根据权利要求1所述的方法，所述基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
8.一种基于构网型变流器的光伏发电并网控制系统，系统包括：
确定单元，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的有功变化量初值；
第一获取单元，用于在确定的变流器的有功变化量初值后，在虚拟惯量和阻尼控制与虚拟调频控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角；
第二获取单元，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器的内电势幅值；
计算单元，用于基于内电势幅值计算变流器的参考电流；
第三获取单元，用于在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
执行单元，用于将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对变流器的开关管进行控制。
9.根据权利要求8的系统，还包括第四获取单元，用于：
获取逆变器输出的三相电流与三相电压，将三相电流与三相电压基于内电势虚拟相位角进行Park变换，以获取dq旋转坐标系下的电流与电压，基于dq旋转坐标系下的电流与电压计算逆变器实际输出的有功功率Pe和无功功率Qe：
Figure FDA0003764090270000051
其中，Usd、Usq是逆变器端电压的dq轴分量；Isd、Isq分别是逆变器输出电流的dq轴分量。
10.根据权利要求8的系统，第一获取单元，用于基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取内电势虚拟相位角，包括：
建立数学模型，表达式为：
Figure FDA0003764090270000052
其中，θ为内电势虚拟相位角；ω为控制器虚拟角速度；J为虚拟惯量；Pm为虚拟机械功率；Pe为光伏发电系统实际输出有功功率；ω0为系统角速度；Pref表示设定的有功功率参考值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；DEqu为等效虚拟阻尼系数：
Figure FDA0003764090270000061
其中，D为虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；
将逆变器输出有功功率与给定有功功率参考值的差值通过惯量和阻尼控制，得到内电势虚拟相位。
11.根据权利要求8的系统，确定单元，用于确定变流器的有功变化量初值，包括：
Figure FDA0003764090270000062
其中，ΔPref1为有功变化量初值；Kp为下垂控制系数；Fref为电网参考频率；Fmes为从电网侧采集电压计算得到的电网频率测量值；fdeadzone为设定死区。
12.根据权利要求8的系统，第二获取单元，用于基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取变流器内电势幅值，包括：
引入调差环节：
VC＝|Us+(RC+jXC)Is|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；Us为变流器端电压；Is为变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
将VC滤波后的励磁调压器实际电压信号与参考信号的偏差值作为虚拟励磁器的控制信号，获取与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势Eqe：
Figure FDA0003764090270000063
其中，K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；Vref为励磁调压器参考电压值；V为计算得励磁调压器实际电压值；s为拉普拉斯算子；
根据三阶模型中的一阶转子电压平衡方程得到内电势幅值Em：
Figure FDA0003764090270000071
T′d0为励磁绕组时间常数；Eqe为强制空载电动势；E′q为暂态电势；id为d轴电流分量；xd为同步电抗；x′d为d轴暂态电抗。
13.根据权利要求8的系统，计算单元，用于基于内电势幅值计算参考电流，包括：
将内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并确定d轴虚拟内电势Ucdref和q轴虚拟内电势Ucqref：
Figure FDA0003764090270000072
基于dq轴虚拟内电势Ucdqref、dq轴实测并网点电压Usdq和支路阻抗R+jX计算参考电流：
Figure FDA0003764090270000073
Isdref为电流内环d轴电流参考值；Isqref为电流内环q轴电流参考值；j为虚单位；Usd为并网点d轴电压；Usq为并网点q轴电压；R为虚拟支路电阻；X为虚拟支路电抗；
对dq轴参考电流进行限幅，包括：
(a)根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定总电流限幅Idqlim；
(b)依据交流系统对光伏发电系统的性能需求，将Isdref、Isqref按照单位圆限幅的方法进行限制，单位圆的半径设为Idqlim；
(c)将限幅后的Isdref、Isqref作为电流内环控制的电流参考值。
14.根据权利要求8的系统，第三获取单元，用于基于参考电流与内电势虚拟相位角获取参考电压，包括：
将电流参考值Isdqref与电流实测值Isdq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
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