本發(fā)明屬于矢量電流控制、功率同步控制等，尤其涉及一種無鎖相環(huán)的矢量功率同步控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，可再生能源的快速發(fā)展和大規(guī)模接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的同步通常通過矢量電流控制(vcc)來實(shí)現(xiàn)。vcc依賴于鎖相環(huán)(pll)來跟蹤電網(wǎng)的相位信息，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的精確控制。這種方法在穩(wěn)定性和控制性能方面表現(xiàn)良好，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)控制當(dāng)中，特別是在強(qiáng)交流系統(tǒng)條件下。然而，隨著分布式能源的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中弱電網(wǎng)的比例增加，這對vcc的性能提出了更高的要求。pll對電網(wǎng)頻率和相位的波動比較敏感，在弱電網(wǎng)中，電網(wǎng)阻抗的變化和諧波干擾會導(dǎo)致pll無法準(zhǔn)確跟蹤，從而引發(fā)系統(tǒng)振蕩甚至失穩(wěn)。此外，傳統(tǒng)的vcc架構(gòu)在應(yīng)對復(fù)雜電網(wǎng)條件時，其靈活性和魯棒性有限，特別是在弱電網(wǎng)和高比例可再生能源接入的場景下。

2、為了克服這些挑戰(zhàn)，功率同步控制(psc)作為一種不依賴pll的新型并網(wǎng)控制策略，逐漸引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。psc通過直接利用電網(wǎng)的自然同步機(jī)制，避免了對pll的依賴，從而提升了系統(tǒng)的抗擾動能力和穩(wěn)定性。然而，psc有兩個突出的問題：1)psc中的有功功率和無功功率控制之間存在明顯的耦合，這種耦合會導(dǎo)致控制器設(shè)計(jì)和調(diào)試的復(fù)雜性增加，并可能在某些操作條件下降低系統(tǒng)性能。2)psc控制回路在基頻處包含兩個共軛極點(diǎn)，使得系統(tǒng)在強(qiáng)交流電網(wǎng)條件下運(yùn)行時面臨穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)，特別是在外部擾動較大的情況下，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不夠理想，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種無鎖相環(huán)的控制方法——矢量功率同步控制方法(vpsc)。本發(fā)明利用了psc的功率同步概念，實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的自同步。并利用vcc的交叉解耦控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有功無功解耦以及共軛極點(diǎn)的消除，從而提高了系統(tǒng)在強(qiáng)交流電網(wǎng)中的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能。本發(fā)明提出的矢量功率同步控制器設(shè)計(jì)由兩部分組成：1)開環(huán)控制；2)閉環(huán)控制。開環(huán)控制能夠有效地保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性并跟蹤參考信號；閉環(huán)控制則可以有效消除小信號擾動的影響。二者相互配合使得本發(fā)明提出的控制器設(shè)計(jì)方案不僅能夠滿足構(gòu)網(wǎng)型(gfm)控制器的要求，而且具有出色的動態(tài)性能和魯棒性，為未來電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了新的解決思路。

2、本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

3、一種無鎖相環(huán)的矢量功率同步控制方法，通過功率同步控制實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的自同步，利用矢量電流控制的交叉解耦控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有功無功解耦以及共軛極點(diǎn)的消除；采用的矢量功率同步控制器中，開環(huán)控制部分用于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性并跟蹤參考信號，閉環(huán)控制部分用于消除開環(huán)控制部分中小信號擾動的影響。

4、進(jìn)一步地，通過在控制系統(tǒng)中引入解耦矩陣cdec-vcc，以消除有功功率和無功功率之間的交叉耦合項(xiàng)，使得有功功率和無功功率獨(dú)立控制；在功率控制回路中，確保有功控制回路僅對有功功率產(chǎn)生影響，無功控制回路僅對無功功率產(chǎn)生影響。

5、進(jìn)一步地，所述開環(huán)控制部分采用構(gòu)網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)，通過功角方程得到換流器的電壓幅值vc0和相位θvc0：

6、

7、其中，qref和pref分別為有功功率和無功功率參考，為電網(wǎng)電壓vg的初始相角，為vc和vg的相位差，vc為電壓源型換流器電壓；ω1為基頻角頻率，vg0為電網(wǎng)電壓幅值，l為換流器電感，t代表時間。

8、進(jìn)一步地，所述閉環(huán)控制部分的控制特性如下：

9、

10、其中為構(gòu)網(wǎng)控制的被控對象；

11、cp-vcc和cdec-vcc分別表示矢量功率同步控制器的控制矩陣和解耦矩陣；和分別為電壓源型換流器電壓的相位擾動和幅值擾動的參考值；

12、回路增益為：

13、

14、其中hs(s)＝kps+kis/s為pi調(diào)節(jié)器；和分別為有功和無功控制的回路增益；根據(jù)閉環(huán)增益的截止頻率和相位裕度設(shè)計(jì)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)：

15、

16、其中ωsb和pms分別為vpsc的截止頻率和相位裕度。

17、進(jìn)一步地，通過以下慢速外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)有功功率-頻率下垂控制和電網(wǎng)電壓幅值控制：

18、設(shè)和分別為有功功率和無功功率的固有參考值，和分別為外環(huán)回路產(chǎn)生的附加參考值；則和為矢量功率控制器新的參考值

19、有源功率控制回路由頻率檢測部分和有功功率-頻率下垂控制部分組成；下垂系數(shù)kfd的大小取決于電網(wǎng)的動態(tài)特性；無功功率控制回路由通過clark變換實(shí)現(xiàn)的幅值檢測部分和通過pi控制器實(shí)現(xiàn)的電壓下垂控制部分組成。

20、進(jìn)一步地，采用的電壓幅值控制器的環(huán)路增益為：

21、

22、式中l(wèi)g為等效電網(wǎng)電感，vg0為額定電網(wǎng)電壓；δg為電網(wǎng)電感的功率角；

23、電壓幅值調(diào)節(jié)器hv(s)的參數(shù)通過以下規(guī)則確定：

24、

25、其中ωvb和pmv分別為電壓幅值控制的截止頻率和相位裕度；有功功率和無功功率參考值應(yīng)滿足視在功率約束：

26、

27、其中，svpsc為矢量功率同步控制方法的額定視在功率。

28、以及，一種無鎖相環(huán)的矢量功率同步控制裝置，基于上述控制方法，其控制系統(tǒng)模塊為矢量功率同步控制器，其中，開環(huán)控制部分用于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性并跟蹤參考信號，閉環(huán)控制部分用于消除開環(huán)控制部分中小信號擾動的影響，以對電壓源換流器進(jìn)行控制。

29、進(jìn)一步地，換流器模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及控制系統(tǒng)模塊；所述換流器模塊接收來自控制系統(tǒng)模塊的信號以控制功率電子器件的開關(guān)，并控制輸出電壓的幅值vcmag和相位調(diào)節(jié)換流器有功和無功功率的輸出；所述信號采集模塊實(shí)時監(jiān)測包括電壓、電流的電氣量信號，采集電網(wǎng)電壓的幅值vgmag和相位信息，將采集到的信號數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊，以計(jì)算包括功率、頻率的信號，并通過clark變換和park變換進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；所述數(shù)據(jù)處理模塊將計(jì)算處理后的控制目標(biāo)參考信號傳遞到控制系統(tǒng)模塊；所述控制系統(tǒng)模塊接收來自數(shù)據(jù)處理模塊的控制目標(biāo)參考信號，參考信號經(jīng)過控制器的處理后生成相應(yīng)的開關(guān)信號并傳遞給換流器模塊。

30、一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實(shí)現(xiàn)如上所述的一種無鎖相環(huán)的矢量功率同步控制方法的步驟。

31、一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)如上所述的一種無鎖相環(huán)的矢量功率同步控制方法的步驟。

32、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明及其優(yōu)選方案至少具備以下突出優(yōu)勢：

33、(1)消除有功功率和無功功率之間的交叉耦合項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)功率獨(dú)立控制

34、在傳統(tǒng)的功率控制中，有功功率和無功功率通常存在交叉耦合。這種耦合會導(dǎo)致以下問題：當(dāng)控制有功功率時，無功功率也可能受到影響；耦合使得控制變得復(fù)雜，尤其在動態(tài)響應(yīng)過程中難以精準(zhǔn)控制功率輸出。本發(fā)明提出的矢量功率同步控制方法，在控制系統(tǒng)中引入了解耦矩陣cdec-vcc，消除有功功率和無功功率之間的交叉耦合項(xiàng)，使得兩者可以獨(dú)立控制。在功率控制回路中，確保有功控制回路僅對有功功率產(chǎn)生影響，無功控制回路僅對無功功率產(chǎn)生影響。消除了傳統(tǒng)方法中兩者耦合帶來的不確定性,提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，尤其是在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

35、(2)消除基頻處的共軛極點(diǎn)，提升系統(tǒng)的魯棒性

36、在傳統(tǒng)的vsc控制策略中，基頻處的共軛極點(diǎn)容易引起系統(tǒng)的諧振和不穩(wěn)定現(xiàn)象。本發(fā)明所提出的矢量功率同步控制方法可以消除共軛極點(diǎn)，減少系統(tǒng)的振蕩，避免由此引發(fā)的系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象，增強(qiáng)系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明可以提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性，使其在面對動態(tài)負(fù)載或電網(wǎng)波動時仍然能夠保持良好的工作狀態(tài)。