并网变流器跟网/构网柔性切换控制方法及系统

本发明涉及电力电子切换，具体地，涉及一种并网变流器跟网/构网柔性切换控制方法及系统。尤其涉及一种适用于并网变流器的在跟网控制与构网控制之间实现平稳过渡的柔性切换方法。

背景技术：

1、随着新能源发电装置和储能设备的大规模接入，电力系统中经由电力电子装置并网的电源比例持续上升。与传统同步发电机不同，变流器的外特性和动态行为主要由控制策略决定，因此控制方式的选择直接影响并网运行的稳定性、支撑能力以及暂态响应品质。

2、现有并网变流器通常采用两类典型控制方式。第一类为跟网型控制，依赖外部电网提供电压和频率基准，控制器通过锁相环获取相位信息，再按照功率或电流指令完成并网输出。该方式在强电网条件下具备响应快、实现成熟、功率调节直接等优点。第二类为构网型控制，该方式能够主动形成端口电压和频率参考，在弱电网、孤岛运行、黑启动支撑以及系统惯量不足等场景中具有明显优势。

3、但是，在实际运行过程中，电网强弱、系统结构以及运行任务并非固定不变，单一控制模式难以兼顾全部工况需求。若设备长期运行于跟网方式，当外部电网支撑能力下降时，可能出现同步能力减弱、抗扰性能不足等问题；若长时间保持构网方式，则可能带来控制耦合增强、协调难度增大以及运行经济性下降等情况。因此，变流器具备根据运行环境在两种控制模式之间切换的能力，已成为提升系统适应性的重要方向。

4、现有模式切换方案在工程应用中仍存在明显不足。其一，不少方法仅完成控制结构层面的“硬切换”，切换瞬间前后控制参考量不一致，容易导致电流指令突变。其二，当相角、幅值或内外环状态变量在切换时不能保持协调时，变流器输出电流常出现尖峰、振荡甚至短时失稳现象。其三，传统抑制手段多集中于积分复位、限幅或简单延时处理，虽然能够在一定程度上削弱冲击，但难以从控制状态连续演化的角度实现真正平滑的模式过渡。

5、文献并网逆变器的vsg/pq控制及其平滑切换方法[j].电力电子技术,2019,53(7):111-114.李茵,苏建徽,徐华电,等.针对并网逆变器在 vsg 控制与 pq 控制之间切换时电流、电压易发生畸变的问题，提出了一种平滑切换方法。其核心思想是将两种控制方式的输出变量统一为电流环指令值，并在切换过程中对电流环指令值、调制波相位以及相关初始状态进行处理，从而避免切换瞬间控制指令突变。然而，该文献主要通过切换时刻的状态采样和初值继承实现平滑切换，其重点在于保证切换瞬间电流环指令、调制波相位及相关初始状态尽量一致。该方法能够在一定程度上减小切换瞬间的突变，但其平滑过程主要依赖切换时刻的一次性初值设置，并没有针对跟网控制与构网控制在有功、无功指令不同情况下的参考电流差异建立持续的动态过渡机制。

6、具体而言，当两种控制模式的功率指令或参考电流差异较小时，初值继承方式可以较好地减小切换冲击；但当跟网控制和构网控制对应的有功、无功参考值存在明显差异时，仅继承切换前的电流初值、相位初值或电动势初值，无法主动消除新旧控制指令之间的偏差。切换完成后，参考电流仍需由目标控制模式自身外环重新调节并逐步收敛，容易造成电流参考变化不连续、功率过渡时间较长，甚至在弱电网或指令突变较大的工况下引发暂态振荡。因此，该类方法本质上属于切换瞬间的状态匹配方法，而不是面向不同控制指令的连续过渡控制方法。

7、在跟网转构网或者构网转跟网的瞬态过程中，若不能保证电流从原控制状态自然过渡到目标控制状态，会对并网点电能质量、功率交换平稳性及系统安全运行造成不利影响。

8、因此，如何构建一种能够兼顾两类控制优势、并在切换过程中实现电流连续演变而非突变的柔性切换方法，成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种并网变流器跟网/构网柔性切换控制方法及系统。旨在解决现有切换策略中存在的暂态冲击大、控制状态不连续以及切换稳定性不足等问题。

2、根据本发明提供的一种并网变流器跟网/构网柔性切换控制方法，包括：

3、步骤s1：搭建集成跟网控制支路、构网控制支路、相位同步环节、参考电流连续过渡环节的统一控制框架，跟网、构网控制支路并行实时运算；

4、步骤s2：相位预同步处理，由锁相环输出跟网相角，构网支路输出自建相角，通过频率、电压同步调节器动态修正构网侧相位与电压幅值，使跟网控制和构网控制相位基准连续衔接；

5、步骤s3：等效参考电流求解，基于并网点 dq 轴电压、模式功率参考指令，分别计算跟网等效参考电流、构网等效参考电流；

6、步骤s4：参考电流动态过渡调节，依据模式选择信号s1生成统一过渡目标电流，分别求解构网支路、跟网支路的参考电流偏差，经 pi 过渡环节输出补偿量叠加至对应支路外环输出电流；

7、步骤s5：电流内环连续输入，通过模式选择信号加权融合经过渡补偿后的两路支路参考电流，得到无阶跃突变的 dq 轴内环参考电流，生成调制电压驱动三相逆变桥；

8、所述方法在跟网、构网功率参考值存在差值时，仍保证切换全过程并网电流、功率平滑连续。

9、优选地，步骤 s2 中，由构网切跟网时，频率同步调节器、电压同步调节器同步修正构网相角与输出电压幅值，逐步逼近电网锁相相位与电网电压；

10、由跟网切构网时，直接以当前电网锁相相位作为构网相角初始值完成相位衔接。

11、优选地，步骤 s3 中，跟网等效参考电流、构网等效参考电流均由三相瞬时功率逆解 dq 轴电流公式求解，统一作为对侧控制支路的同步目标量。

12、优选地，骤 s4 中模式选择信号s1=0表示开关关断，为跟网运行，s1=1 表示开关导通，为构网运行，过渡目标电流为跟网等效参考电流与构网等效参考电流基于s1的线性加权组合。

13、优选地，构网电压环、跟网功率环分别配置独立的 d、q 轴 pi 过渡环节，过渡环节输出补偿量叠加至对应外环原生输出参考电流，消除目标电流与支路原生参考电流的稳态偏差。

14、优选地，步骤 s5 中电流内环采用 dq 轴解耦 pi 控制，引入滤波电感解耦项、并网点电压前馈项，依据连续无突变的内环参考电流输出三相调制电压指令。

15、根据本发明提供的一种并网变流器跟网/构网柔性切换控制系统，用于执行所述控制方法，包括：功率主电路硬件层、信号采样硬件层、数字控制硬件层、脉冲驱动输出层；

16、所述功率主电路硬件层包含直流电源、三相逆变桥、滤波电感、交流电网；

17、所述信号采样硬件层与所述功率主电路硬件层连接，用于采集并网变流器运行过程中的电压、电流信号，并对所采集信号进行信号调理和模数转换后传输至所述数字控制硬件层，为跟网控制、构网控制、运行状态判断及跟网/构网柔性切换提供实时反馈信号；

18、所述数字控制硬件层与信号采样硬件层连接，用于接收采集得到的电压、电流信号，并根据并网变流器运行状态执行跟网控制、构网控制以及计及参考电流连续过渡的跟网/构网平滑切换控制，并根据所得到的控制量进一步生成三相pwm脉冲信号，传输至脉冲驱动输出层；

19、所述脉冲驱动输出层连接于数字控制硬件层与三相逆变桥之间，将所述三相pwm脉冲信号转换为功率开关栅极驱动信号。

20、优选地，所述直流电源与三相逆变桥的直流侧连接，用于向三相逆变桥提供直流电能；

21、所述三相逆变桥的交流侧经滤波电感与交流电网连接，用于根据开关器件的通断状态实现直流侧与交流侧之间的能量变换；

22、所述滤波电感用于抑制三相逆变桥输出电流中的高频开关谐波，并实现并网电流的平滑调节。

23、优选地，所述数字控制硬件层集成锁相环、跟网控制模块、构网控制模块、相位同步模块、参考电流连续过渡模块；

24、在跟网运行模式下，数字控制硬件层根据电网同步信息及功率指令生成相应的控制量；

25、在构网运行模式下，根据电压和频率控制关系生成构网控制量。

26、优选地，在控制模式切换过程中，通过对切换前后控制状态及参考量进行协调，使控制参考量连续过渡。

27、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

28、1、本发明通过在切换过程中同时协调相位基准和参考电流，实现了跟网控制与构网控制之间的平滑过渡。相比于直接切换控制结构的传统方法，本发明能够有效避免切换瞬间相角、幅值及电流参考不连续造成的暂态冲击，提高变流器模式切换过程的稳定性。

29、2、本发明在构网电压环和跟网功率环中引入参考电流连续过渡环节，通过构造跟网等效参考电流和构网等效参考电流，并经 pi 过渡环节实现两类参考电流之间的动态衔接。该方法不要求跟网控制和构网控制在切换前具有完全相同的参考电流，能够在两种控制模式参考量存在差异的情况下，仍保证最终送入电流内环的参考电流连续变化，从而显著减小并网电流突变和功率波动。

30、3、本发明保持了跟网功率环、构网电压环以及电流内环的基本控制结构，仅通过增加相位同步和参考电流连续过渡环节实现模式切换过程优化，具有结构清晰、实现难度低、工程适应性强等优点。