用于控制功率变流器的方法和控制系统技术方案

本公开涉及控制连接到电网的功率变流器(17)以模拟同步发电机的方法，包括：确定关于设定点频率(fset)和电网实际频率(fact)的频率控制误差，基于频率控制误差确定到同步发电机惯性模型的输入功率，惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过输入功率调节惯性模型的旋转频率(f)，确定关于设定点电压(Uset)和由功率变流器输出实际电压(Uact)的电压控制误差，基于电压控制误差确定同步发电机模型的励磁机参数，通过励磁机参数调节同步发电机模型的输出电压(U)，基于同步发电机模型的定子虚拟阻抗调整旋转频率(f)或者从旋转频率获得的相角(θ)、和输出电压(U)，以及基于调整的旋转频率或相角以及调整的输出电压(U')控制功率变流器。

【技术实现步骤摘要】
用于控制功率变流器的方法和控制系统
本公开总体上涉及功率变流器。具体而言，本公开涉及控制连接到电网的功率变流器以模拟同步发电机的方法。
技术介绍
功率变流器可以用作功率转换系统(PCS)。PCS可以用于将电能从一种形式转换到另一种形式，诸如在从交流到直流的情况下其执行整流器动作，或者在从直流到交流的情况下其执行逆变器动作。如果可以实现双向流动，那么该PCS通常被称为变流器。PCS可以是电流受控制或电压受控制的。当交流电流受控制时，变流器交流侧上的电流被控制在特定设定点或接近特定设定点。由于交流电流类似于来自交流电流源的电流，所以交流电流受控制的PCS可以被称为电流源逆变器(CSI)。类似地，当交流电压受控制时，变流器交流侧上的电压被控制在特定设定点或接近特定设定点。由于交流电压类似于由交流电压源产生的电压，所以交流电压受控制的PCS可以被称为电压源逆变器(VSI)。VSI的一个用途是创建交流电气网络或交流电网。能量可以来自能量存储装置，诸如电池或飞轮或超级电容器，或者诸如发电机的能量产生装置。由于能量存储装置可以被充电和放电并且VSI还是双向的，所以来自能量存储器/VSI组合的能量可以被负载使用，在这种情况下，能量存储器和VSI充当发电机，或者可以从某些其他发电装置消耗能量，在这种情况下，能量存储器和VSI充当负载。这种产生和消耗能量的能力意味着存储器/VSI组合可以创建电网并作为该电网上唯一的电网形成装置来运行(即单独运行)，或者用于稳定由其他装置所形成电网的频率或电压。如果VSI具有固定的电压和频率设定点并且单独运行，那么不存在问题。但是，如果它与其他电压刚性装置(诸如其他VSI或同步发电机)并行运行，那么这些并行运行的装置会存在问题。同步发电机是电力系统中的主导发电装置。它包括两部分：原动机和同步电机。原动机是一种能量转换装置，其将诸如蒸汽或天然气等某些形式的能量转换成旋转能量。同步电机将该旋转能量转换成交流电能。同步发电机是柔性的，即它最初会对于其上负载的变化做出轻微反应。这种柔性的行为针对有功负载变化和无功负载变化而发生。有功功率变化的示例是，当同步发电机的负载增加时导致频率的初始骤降。速度或频率控制器或调速器感测到这种速度下降并通过增加原动机的功率输出来响应。这通常通过增加进入原动机的燃油或蒸汽流来完成。随着原动机功率输出的增加，速度和频率恢复到设定点。在无功功率负载变化的情况下，当同步发电机上的无功负载增加时，存在电压的初始骤降。自动电压调节器(AVR)感测到该电压下降并通过增加到同步电机的激励电流来响应。这种激励电流的增加可以经由静态或无刷励磁系统。随着励磁的增加，同步电机的电压输出恢复到设定点。标准的VSI不具有上述柔性，因此它可能非常刚性。在标准的VSI与另一个电压源装置(如同步发电机、另一个VSI或正常电网)并联运行时存在问题。这些问题在稳态中和暂态期间都会发生。并联工作并具有相同频率设定点的电压源装置(诸如同步发电机和VSI)不会固有地分配负载；需要单独的分配算法。类似地，并联运行并具有相同电压设定点的同步发电机和VSI不会固有地分配无功负载；需要单独的无功分配算法。在加载步骤期间，VSI与发电机之间的分配会被中断。如果发电机具有惯性并且VSI是常规类型，那么VSI将承担大部分的负载变化。这给VSI带来了很大的压力并且可能导致VSI过载，即使总负载在组合的VSI和发电机的负载能力范围内。当没有故障并且系统处于稳态时，发电机和VSI以发电机的内部电动势与VSI电压之间的静态角彼此同步的方式操作。当电力线上出现短路或故障时，网络上的线路电压被抑制到较低值并且连接到该线路的发电机和VSI通常会供给故障电流。在电压被抑制的时间期间，由连接到系统的发电机所产生的有功功率从它们的故障前的值变化；如果有功功率较低则发电机加速，或者如果有功功率较高则发电机减速。正常的VSI可能会改变其频率或可能不会改变其频率，所以发电机与VSI之间的同步可能会丢失。由于这种同步丢失，可能会出现两个问题。首先，这种同步丢失可能引起VSI和发电机在不同的相角提供故障电流，因此到故障点的净电流可能会从总和中减少，甚至变为零，即VSI和发电机的故障电流相等但是失相。第二个问题是，当故障被消除时，VSI与发电机之间可能存在大的角度差，这会引起发电机与VSI之间的大功率流动和/或要流动的大电流。这会导致过电流和/或功率保护装置跳闸。用于VSI的标准传统控制方法没有任何机制来防止上述问题。D'Arco等人在论文“AvirtualsynchronousmachineimplementationfordistributedcontrolofpowerconvertersinSmartGrids”ElectricPowerSystemResearch122(2015),pp.180-197中公开了虚拟同步机(VSM)的实现。该实现基于同步电机惯性和阻尼行为的内部表示，以及用于操作电压源变流器的级联电压和电流控制器。由于在负载阶跃的情况下不存在恢复机制，所以虚拟同步机能够处理有功负载变化但是提供较差的电压控制，因此它不能用作电网形成装置而只能用作跟网装置。
技术实现思路
鉴于上述内容，本公开的目的是提供一种控制功率变流器的方法，其解决或至少减轻了现有技术的问题。因此，根据本公开的第一方面，提供了一种控制连接到电网的功率变流器以模拟同步发电机的方法，其中所述方法包括：确定关于设定点频率和电网实际频率的频率控制误差，基于所述频率控制误差来确定到同步发电机惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率，确定关于设定点电压和由所述功率变流器输出实际电压的电压控制误差，基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压，基于所述同步发电机模型的定子虚拟阻抗调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)和获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，并且基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')来控制所述功率变流器。通过使用闭环反馈的旋转频率控制和输出电压控制、能够控制有功功率和无功功率变化而可获得的效果在于，通过该方法控制多个功率变换器(每个功率变换器分别控制)，可以在稳态期间、暂态期间和故障期间并联地操作并分配良好。它还允许了与同步发电机和/或诸如太阳能、风能、潮汐等可再生能源发电机的并联。此外，控制功率变流器的“虚拟发电机”可以被调谐成具有与传统发电机相同的特性，以使得它们在线路故障期间不会失去同步。此外，“虚拟发电机”可以根据需要被调谐成柔性或刚性的，这意味着它可以模拟大于或小于其额定功率的同步发电机。功率变流器还可以作为电网中唯一的电压源进行操作并且作为电压和频率参考，这使得能够使用由逆变器连接(例如太阳能)和由机器连接(例如风力发电机)的可再生能源。通过该方法控制的功率变换器创建正序电压源并且在线路故障期间是良好的参考；电源变流器可以传送故障电流并保持旋转的正序电压源。根据一个实施例，所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。根据一个实施例，所述励磁机参数是励磁机电流。根据一个实施例，所述控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制功率变流器(17)以模拟同步发电机的方法，所述功率变流器(17)连接到电网，其中所述方法包括：确定与设定点频率(fset)和所述功率变流器(17)的实际频率(fact)有关的频率控制误差，基于所述频率控制误差来确定到同步发电机的惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率(f)，确定与设定点电压(Uset)和由所述功率变流器(17)输出的实际电压(Uact)有关的电压控制误差，基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压(U)，基于所述同步发电机模型的定子的虚拟阻抗，来调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)而获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，和基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')，来控制所述功率变流器(17)。

【技术特征摘要】
2017.03.14 EP 17160732.81.一种控制功率变流器(17)以模拟同步发电机的方法，所述功率变流器(17)连接到电网，其中所述方法包括：确定与设定点频率(fset)和所述功率变流器(17)的实际频率(fact)有关的频率控制误差，基于所述频率控制误差来确定到同步发电机的惯性模型的输入功率，所述惯性模型模拟同步发电机的惯性，通过所述输入功率来调节所述惯性模型的旋转频率(f)，确定与设定点电压(Uset)和由所述功率变流器(17)输出的实际电压(Uact)有关的电压控制误差，基于所述电压控制误差来确定同步发电机模型的励磁机参数，通过所述励磁机参数来调节所述同步发电机模型的输出电压(U)，基于所述同步发电机模型的定子的虚拟阻抗，来调整所述旋转频率(f)或者从所述旋转频率(f)而获得的相角(θ)、和所述输出电压(U)，和基于所调整的旋转频率或所调整的相角(θ')以及基于所调整的输出电压(U')，来控制所述功率变流器(17)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述虚拟阻抗包括定子泄漏电感和定子电阻。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述励磁机参数是励磁机电流。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制涉及利用脉宽调制。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述功率变流器(17)是电压源逆变器。6.一种包括计算机可执行组件的计算机程序，所述计算机可执行组件在由控制系统(1)的处理电路(3)执行时使得所述控制系统(1)执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。7.一种包括存储介质(5)的计算机程序产品，所述存储介质(5)包括根据权利要求6所述的计算机程序。8.一种用于控制功率变流器(17)以...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·塔基，S·沃尔顿，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH