一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法及相关产品

技术领域

本申请涉及新能源发电技术领域，特别是涉及一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法及相关产品。

背景技术

虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)是一种以先进同步逆变技术和惯性储能单元为基础，使新能源发电拥有常规火电外特性的技术。它通过在并网变流器的控制算法中引入转子运动方程，控制惯性储能单元吸收或释放能量，模拟同步发电机转子中的机械能，使虚拟同步发电机在应对扰动时具有同步发电机对外的抗干扰特性，能有效提升新能源发电系统的惯量与阻尼水平，从而实现新能源的友好并网。

然而，在新能源发电系统中，并网变流器为采用虚拟同步发电机技术的变流器，采用虚拟同步发电机技术的变流器的过载能力有限。当电网发生故障，变流器公共点的端口电压超出正常工作范围时，即发生故障电压穿越时，由于变流器的过载能力有限，导致变流器因过流而发生停机。

发明内容

基于上述问题，本申请提供了一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法及相关产品，减小变流器的端口输出电流，避免变流器因过流而发生的停机。

本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，所述方法包括：

获取变流器公共点的端口电压；所述变流器采用虚拟同步发电机技术；

当所述端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；所述修正后的磁链与所述端口电压正相关，所述修正后的磁链与所述变流器的输出电压正相关；所述第一预设阈值大于所述第二预设阈值，所述端口电压大于所述第一预设阈值指示发生高电压故障穿越，所述端口电压大小于所述第二预设阈值指示发生低电压故障穿越；

根据所述修正后的磁链减小所述变流器的端口输出电流。

可选地，所述修正后的磁链与故障电压门限值和公共点正序电压的标幺值之间的差值正相关，所述方法还包括：

根据所述修正后的磁链向电网提供无功功率。

可选地，所述根据所述修正后的磁链向电网提供无功功率，具体包括：

当所述故障电压门限值大于所述公共点正序电压的标幺值时，向所述电网提供容性无功功率；

当所述故障电压门限值小于所述公共点正序电压的标幺值时，向所述电网提供感性无功电率功率。

可选地，所述方法还包括：

当所述变流器的网侧电流瞬时值大于网侧变流器输出的电流门限值时，对开关器件进行封波。

可选地，所述新能源发电系统为风力发电系统时，所述方法还包括：

维持所述变流器机侧电流环输出的有功功率。

可选地，所述风力发电系统的直流母线配置有能耗电阻，所述方法还包括：

根据能耗电阻抑制所述直流母线电压过压。

可选地，所述风力发电系统的直流母线配置有储能器件，所述方法还包括：

根据储能器件消纳所述变流器机侧输出的有功功率。

第二方面，本申请实施例提供一种基于虚拟同步发电机的变流器控制装置，所述装置包括：获取模块、修正模块和调整模块；

所述获取模块，用于获取变流器公共点的端口电压；所述变流器采用虚拟同步发电机技术；

所述修正模块，用于当所述端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；所述修正后的磁链与所述端口电压正相关，所述修正后的磁链与所述变流器的输出电压正相关；所述第一预设阈值大于所述第二预设阈值，所述端口电压大于所述第一预设阈值指示发生高电压故障穿越，所述端口电压大小于所述第二预设阈值指示发生低电压故障穿越；

所述调整模块，用于根据所述修正后的磁链减小所述变流器的端口输出电流。

可选地，所述装置还包括：无功支撑模块；

所述无功支撑模块，用于根据所述修正后的磁链向电网提供无功功率。

可选地，所述无功支撑模块，具体用于：

当所述故障电压门限值大于所述公共点正序电压的标幺值时，向所述电网提供容性无功功率；

当所述故障电压门限值小于所述公共点正序电压的标幺值时，向所述电网提供感性无功电率功率。

可选地，所述装置还包括：封波模块；

所述封波模块，用于当所述变流器的网侧电流瞬时值大于网侧变流器输出的电流门限值时，对所述风力发电系统中的开关器件进行封波。

可选地，所述装置还包括：维持模块；

所述维持模块，用于维持所述变流器机侧电流环输出的有功功率。

可选地，所述装置还包括：抑制模块；

所述抑制模块，用于根据能耗电阻抑制所述直流母线电压过压。

可选地，所述装置还包括：消纳模块；

所述消纳模块，用于根据储能器件消纳所述变流器机侧输出的有功功率。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面中任意一项所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法。

第四方面，本申请实施例提供一种控制设备，所述控制设备包括：处理器和存储器；所述存储器上存有可在所述处理器中运行的计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面中任意一项所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法。

第五方面，本申请实施例提供一种变流器，所述变流器包括如第二方面所述的基于虚拟同步发电机的变流器控制装置或者如第四方面所述的控制设备。

第六方面，本申请实施例提供一种新能源发电系统，所述新能源发电系统包括基于虚拟同步发电机的变流器控制方法的新能源发电机组和如第五方面所述的变流器，所述新能源发电机组通过所述变流器连接电网。

第七方面，本申请实施例提供一种储能系统，所述储能系统包括并网储能设备和如第五方面所述的变流器，所述并网储能设备通过所述变流器连接电网。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

获取变流器公共点的端口电压；当端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值；根据修正后的磁链减小变流器的端口输出电流。其中，修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值，端口电压大于第一预设阈值指示发生高电压故障穿越，端口电压大小于第二预设阈值指示发生低电压故障穿越。也就是说，当端口电压大于第一预设阈值时，修正后的磁链随之增大，变流器的输出电压也随之增大，减小端口电压与变流器的输出电压之间的压差，进而降低变流器的端口输出电流；当端口电压小于第二预设阈值时，修正后的磁链随之减小，变流器的输出电压也随之减小，减小端口电压与变流器的输出电压之间的压差，进而降低变流器的端口输出电流，避免变流器因过流而发生停机。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种修正磁链的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种变流器机侧故障电压穿越控制框图；

图4为本申请实施例提供的一种基于虚拟同步发电机的变流器控制装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的结构示意图。

具体实施方式

正如前文描述，为提升可再生能源应用的可靠性和适应性，相关技术从重塑变流器阻抗、使新能源发电机组具备类似同步发电机特性自主参与电网惯量响应等方面展开了积极研究。其中，虚拟同步机方案备受广泛关注，其序阻抗呈现出与电网线路阻抗相同的感性特征，不容易在与电网的交互过程中出现振荡问题，基于同步发电机的二阶方程(如下式所示)的虚拟同步机具有天然的惯量响应特性，能在一定程度上提升电网强度，改善局部电网的稳定性。其数学模型如下所示：

其中，上式中：

J：机组虚拟惯量；

T

T

m

e：VSG电压；

Q：VSG无功功率；

三相电流与cosθ相乘；

角速度ω；

角速度的微分。

由于电网故障，变流器公共点的端口电压会短时间超出正常工作范围，同步发电机一来自身较强的过载能力提供对电网的无功支撑，但是虚拟同步发电机基于变流器的硬件条件，过载能力有限，极易导致变流器因过流而发生停机。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法，获取变流器公共点的端口电压；变流器采用虚拟同步发电机技术；当端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值；根据修正后的磁链减小变流器的端口输出电流。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种基于虚拟同步发电机的变流器控制方法的流程图。

如图1所示，该方法包括：

S101：获取变流器公共点的端口电压；变流器采用虚拟同步发电机技术。

S102：当端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值，端口电压大于第一预设阈值指示发生高电压故障穿越，端口电压大小于第二预设阈值指示发生低电压故障穿越。

在一种实现方式中，根据图2所示的修正磁链的示意图，可知基本磁链经故障电压穿越磁链修正模块的修正之后，得到修正后的磁链，修正后的磁链的表达式如下：

M

其中，M

M

其中，V

S103：根据修正后的磁链减小变流器的端口输出电流。

根据第一磁链修正量M

其一，使得基本磁链随变流器公共点端口电压的变化，提高虚拟同步发电机在故障电压穿越时的响应速度，快速进入故障电压穿越状态。

其二，当端口电压大于第一预设阈值时，修正后的磁链随之增大，变流器的输出电压也随之增大，减小端口电压与变流器的输出电压之间的压差，进而降低变流器的端口输出电流；当端口电压小于第二预设阈值时，修正后的磁链随之减小，变流器的输出电压也随之减小，减小端口电压与变流器的输出电压之间的压差，进而降低变流器的端口输出电流，避免变流器因过流而发生停机。

根据第二磁链修正量M

当发生低电压故障穿越时，故障电压门限值等于0.9，公共点正序电压的标幺值为小于0.9的数值。即故障电压门限值大于公共点正序电压的标幺值，根据磁链与VSG无功功率之间的关系可知，此时向电网提供容性无功功率，支撑电网电压向正常工作电压靠拢。

当发生高电压故障穿越时，故障电压门限值等于1.1，公共点正序电压的标幺值为大于1.1的数值。即故障电压门限值小于公共点正序电压的标幺值，根据磁链与VSG无功功率之间的关系可知，此时向电网提供感性无功功率，支撑电网电压向正常工作电压靠拢。

可以理解的是，对磁链的修正是需要时间的，大致为一个基波周期。

作为示例，一个基波周期为20ms。也就是说，在这一个基波周期内，变流器网侧电流会产生尖峰脉冲，所以需要快速抑制变流器网侧电流的尖峰值。

所以，当网侧电流瞬时值大于对应的门限值时，对开关器件进行封波。

需要注意的是，封波时间可以根据变流器的控制环路和响应特性进行确定；门限值可以根据实际需求自行设定或调整；开关器件可以是IGBT。

由于封波处理的响应很快，进行封波处理之后的开关器件在电路中相当于二极管，可以在磁链的修正发生作用之前有效抑制故障电压穿越初期变流器网侧电流尖峰值。除此之外，对开关器件进行封波处理还可以在整个故障电压穿越期间发挥作用，在一定程度上抑制变流器的端口输出电流。

上述实施例中，适用于新能源发电系统，当上述实施例应用于风力发电系统时，通过变流器网侧的故障电压穿越控制策略降低了变流器的端口输出电流，但是对于变流器的输入电流(变流器机侧)而言并没有进行相应的控制，导致直流母线电压上升而故障退出。因此，本申请实施例除变流器网侧控制策略以外，还提供一种机侧的故障电压穿越控制策略，其控制框图如图3所示。

如图3所示，机侧的故障电压穿越控制策略为直流母线电压外环和电流内环的双环控制，辅助以弱磁环控制，此外还增加了故障电压穿越模块。当端口电压大于第一预设阈值(发生高电压故障穿越)或小于第二预设阈值(发生低电压故障穿越)时使能故障电压穿越模块，提高直流母线在故障电压穿越恢复阶段的有功功率输出能力，降低直流母线电压在故障电压穿越恢复阶段的跌落深度，进而减小机侧超调引发的冲击电流幅值。

除此之外，如果直流母线配有能耗电阻，可以通过能耗电阻抑制直流母线过电压。其中，能耗电阻可以是撬棒电阻Chopper。

如果直流母线配有储能器件时，可以通过储能器件消纳变流器机侧输入的多余的有功功率，稳定直流母线电压。其中，储能器件可以是电池或超级电容等。

本申请实施例提供一种基于虚拟同步发电机的变流器控制装置，装置包括：获取模块401、修正模块402和调整模块403；

获取模块401，用于获取变流器公共点的端口电压；变流器采用虚拟同步发电机技术；

修正模块402，用于当端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值；

调整模块403，用于根据修正后的磁链减小变流器的端口输出电流。

可选地，装置还包括：无功支撑模块；

无功支撑模块，用于根据修正后的磁链向电网提供无功功率。

可选地，无功支撑模块，具体用于：

当故障电压门限值大于公共点正序电压的标幺值时，向电网提供容性无功功率；

当故障电压门限值小于公共点正序电压的标幺值时，向电网提供感性无功电率功率。

可选地，装置还包括：封波模块；

封波模块，用于当变流器的网侧电流瞬时值大于网侧变流器输出的电流门限值时，对风力发电系统中的开关器件进行封波。

可选地，装置还包括：维持模块；

维持模块，用于维持变流器机侧电流环输出的有功功率。

可选地，装置还包括：抑制模块；

抑制模块，用于根据能耗电阻抑制直流母线电压过压。

可选地，装置还包括：消纳模块；

消纳模块，用于根据储能器件消纳变流器机侧输出的有功功率。

除此之外，本申请实施例提供一种新能源发电系统，新能源发电系统包括采用虚拟同步发电机技术的变流器和控制器；

当新能源发电系统为风力发电系统时，控制器用于执行如前述任一实施例中任一项的基于虚拟同步发电机的变流器控制方法；

当新能源洗发店系统为非风力发电系统时，如光伏发电系统和级联储能系统时，所述控制器用于：

获取变流器公共点的端口电压；变流器采用虚拟同步发电机技术。

当端口电压大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时，对磁链进行修正得到修正后的磁链；修正后的磁链与端口电压正相关，修正后的磁链与变流器的输出电压正相关；第一预设阈值大于第二预设阈值。

根据修正后的磁链减小变流器的端口输出电流。

图5是示出根据本申请的实施例的控制设备的框图。所述控制设备可以实现新能源发电机组的变流器或并网储能设备的变流器的控制，或者实现为新能源发电机组或并网储能设备中的其他控制。其中，新能源发电机组包括风力发电机组和/或光伏发电机组。

参照图5，根据本公开的实施例的控制设备500可包括处理器510和存储器520。处理器510可包括(但不限于)中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。存储器520存储将由处理器510执行的计算机程序。存储器520包括高速随机存取存储器和/或非易失性计算机可读存储介质。当处理器510执行存储器520中存储的计算机程序时，可实现如上所述的变流器的控制方法。

可选择地，控制设备500可以以有线/无线通信方式与新能源发电机组或并网储能设备中的各个组件进行通信，并且还可以以有线/无线通信方式与新能源发电机组或并网储能设备外部的设备进行通信。

另外，本申请实施例还提供了一种变流器，变流器包括前述的基于虚拟同步发电机的变流器控制装置或者前述的控制设备。

根据本申请实施例的变流器的控制方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当所述计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的变流器的控制方法。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘(SSD)、卡式存储器(诸如，多媒体卡、安全数字(SD)卡或极速数字(XD)卡)、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其它装置，所述任何其它装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行所述计算机程序。在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。

除此之外，本申请实施例还提供一种新能源发电系统，该新能源发电系统包括新能源发电机组和前述的变流器，新能源发电机组通过变流器连接电网。

应当理解，新能源发电机组包括但不限于风力发电机组和光伏发电机组。

本申请实施例还提供一种储能系统，该储能系统包括并网储能设备和前述的变流器，并网储能设备通过变流器连接电网。其中，并网储能设备是指具备并网功能的储能设备，可以支持电网平滑运行，帮助调节电网频率和电压，提高电网的稳定性和可靠性。

根据本申请实施例的新能源发电系统或储能系统的变流器，通过修正变流器中虚拟同步发电机的机械转矩和/或电磁转矩，可以有效降低变流器重载输出工况下的惯量响应过电流，保证采用虚拟同步发电机技术的变流器正常工作，同时能满足变流器支撑电网提供快速和必要的惯量响应的需求。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。