一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法、装置及系统

本发明属于电力电子控制，具体涉及一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法、装置及系统。

背景技术：

1、随着新能源发电和储能装置经电力电子变流器接入电力系统的比例不断提高，构网型控制逐渐应用于储能变流器，使储能变流器呈现受控电压源特性，并为电网提供惯量、阻尼及电压支撑。现有构网型储能变流系统通常采用虚拟同步发电机控制或功率同步控制，根据有功功率偏差生成输出角频率和同步角，并根据无功功率偏差生成输出电压幅值参考，再通过电压外环、电流内环及调制环节控制变流器运行。现有技术文献“c. li, y.yang, y. cao, l. wang, t. dragičević, and f. blaabjerg, frequency and voltagestability analysis of grid-forming virtual synchronous generator attached toweak grid, ieee journal of emerging and selected topics in power electronics,vol. 10, no. 3, pp. 2662–2671, jun. 2022”针对接入弱电网的构网型虚拟同步发电机建立了频率及电压稳定性模型，分析了电网强度以及惯量、阻尼等控制参数对系统稳定运行的影响，表明电网强度降低会削弱构网型虚拟同步发电机与电网之间的同步能力，并可能引起低频振荡。

2、构网型变流器的输出角频率和同步角通常由功率同步控制环动态生成，有功功率、无功功率及输出电压幅值动态之间的耦合作用可能改变系统的等效阻尼，使输出频率和功率产生振荡。现有技术文献“y. yang, j. xu, c. li, w. zhang, q. wu, m. wen,and f. blaabjerg, a new virtual inductance control method for frequencystabilization of grid-forming virtual synchronous generators, ieeetransactions on industrial electronics, vol. 70, no. 1, pp. 441–451, jan.2023”建立了构网型虚拟同步发电机的小信号模型，通过反馈作用因子分析有功功率与无功功率耦合条件下的频率振荡机理，并提出基于能量守恒原理的虚拟电感控制策略，以抑制频率及功率振荡、提高系统阻尼和稳定裕度。该方法主要通过附加虚拟电感改变功率耦合关系和系统动态特性。

3、为改善虚拟同步发电机的频率动态和同步稳定性，现有技术还通过调整虚拟惯量或在有功功率控制环中增加附加阻尼环节，对系统的等效惯量及阻尼特性进行重塑。现有技术文献“x. hou, y. sun, x. zhang, j. lu, p. wang, and j. m. guerrero,improvement of frequency regulation in vsg-based ac microgrid via adaptivevirtual inertia, ieee transactions on power electronics, vol. 35, no. 2, pp.1589–1602, feb. 2020”提出了一种自适应虚拟惯量控制方法，在系统频率偏离额定值时增大虚拟惯量，以减缓频率变化并改善频率最低点；在系统频率恢复过程中减小虚拟惯量，以加快动态恢复。另一现有技术文献“x. xiong, c. wu, b. hu, d. pan, and f.blaabjerg, transient damping method for improving the synchronizationstability of virtual synchronous generators, ieee transactions on powerelectronics, vol. 36, no. 7, pp. 7820–7831, jul. 2021”分析了虚拟同步发电机在大扰动下的同步稳定性问题，并在有功功率控制环中增加暂态阻尼环节，以协调同步稳定性与惯量响应。上述方法表明，虚拟惯量和阻尼参数会同时影响频率变化速度、动态恢复过程及同步稳定性，仅通过参数整形难以在不同电网条件和运行工况下兼顾各项动态性能。

4、针对电网频率扰动以及变流器电流、功率容量约束对构网型控制稳定运行的影响，现有技术还通过引入电网频率反馈或构造复合功率—频率同步环改善变流器的频率响应。现有技术文献“t. xu, s. jiang, y. zhu, and g. konstantinou, compositepower-frequency synchronization loop for enhanced frequency responseconsidering current and power limits of grid-forming converters, ieeetransactions on power electronics, vol. 40, no. 4, pp. 4969–4983, apr. 2025”研究了电流限制和功率限制对构网型变流器频率响应及同步稳定性的影响，并在传统功率同步环中引入基于锁相环的下垂通道，形成复合功率—频率同步环，以提高严重频率扰动下的等效阻尼和同步稳定性。该方法依赖锁相环获取电网频率信息，其控制重点在于协调电流限制、功率限制及频率响应，对电网频率扰动和电网强度变化引起的综合作用进行统一在线估计和补偿仍存在改进空间。

5、因此，针对现有构网型储能变流系统在电网频率扰动以及电网强度变化条件下，有功功率同步环的稳定裕度降低，且仅通过调整虚拟惯量、阻尼参数或者引入显式电网频率反馈，难以兼顾频率扰动适应能力与功率同步动态性能的问题，有必要提出一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法，在保留基础功率同步控制结构的条件下，对作用于有功功率同步控制环的频率相关总扰动进行在线估计和补偿，以提高构网型储能变流系统的频率扰动适应能力和功率同步稳定性。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法、装置及系统，在保留基础功率同步控制结构的条件下，对作用于有功功率同步控制环的频率相关总扰动进行在线估计和补偿，以提高构网型储能变流系统的频率扰动适应能力和功率同步稳定性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、所述变流系统包括：储能单元，所述储能单元提供输入直流电，所述输入直流电经过三相变流桥并接入电网，实现储能单元与电网之间的双向功率变换；其特征在于，所述控制方法包括：

4、根据有功功率参考值和实际有功功率生成有功功率偏差信号，根据额定角频率和输出角频率生成角频率偏差信号；

5、以所述有功功率偏差信号作为被观测输出量，以所述角频率偏差信号作为观测输入量进行状态观测，得到频率相关总扰动估计量；

6、根据所述频率相关总扰动估计量和输入增益，生成频率补偿量；

7、将所述额定角频率、基础角频率偏差和所述频率补偿量进行叠加，得到输出角频率；

8、对所述输出角频率积分，生成同步角；

9、根据所述同步角生成开关驱动信号对变流系统的开关管进行控制。

10、进一步地，以所述有功功率偏差信号作为被观测输出量，以所述角频率偏差信号作为观测输入量进行状态观测，得到频率相关总扰动估计量，包括：

11、根据有功功率偏差信号

ep和第一状态估计量，生成观测误差信号

ε，表示如下：

12、；

13、对第二状态估计量进行更新，表示如下：

14、；

15、将所述第二状态估计量作为所述频率相关总扰动估计量表示为：

16、。

17、进一步地，根据所述频率相关总扰动估计量和所述输入增益，生成频率补偿量，包括：

18、根据所述第二状态估计量和所述扩张状态观测器的输入增益

b，生成频率补偿量

ωfc：

19、；

20、进一步地，将所述额定角频率、基础角频率偏差和所述频率补偿量进行叠加，得到输出角频率，包括：

21、将所述频率补偿量

ωfc与所述基础角频率偏差δ

ω0叠加，并引入所述额定角频率

ωref，得到所述输出角频率

ω：

22、；

23、所述对所述输出角频率积分，生成同步角，包括：

24、

25、式中，为t时刻的同步角，为时刻的同步角，为时刻对应的输出角频率。

26、进一步地，所述基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法还包括：

27、采集三相滤波电感并网侧的三相输出电压、三相并网电流和三相滤波电感电流；

28、根据所述三相输出电压和所述三相并网电流，计算实际有功功率和实际无功功率；

29、对所述三相输出电压和所述三相并网电流进行幅值不变的两相静止坐标变换，分别得到输出电压的α轴分量、β轴分量，以及并网电流的α轴分量、β轴分量；

30、根据下式计算所述实际有功功率

p和所述实际无功功率

q：

31、；

32、根据下式生成所述有功功率偏差信号

ep和所述角频率偏差信号

eω：

33、

34、式中，

pref为所述有功功率参考值，

ωref为所述额定角频率，

ω为所述构网型储能变流系统的输出角频率。

35、进一步地，根据所述同步角生成开关驱动信号对变流系统的开关管进行控制，包括：

36、根据所述三相输出电压计算实际输出电压幅值，并根据所述实际无功功率、无功功率参考值、额定输出电压幅值和所述实际输出电压幅值，生成输出电压幅值参考，所述输出电压幅值参考满足：

37、

38、式中，

dq为预设的无功—电压下垂系数，

τ为预设的无功功率控制比例系数，

vo为实际输出电压幅值，

q为实际无功功率，

qref为无功功率参考值，

vref为额定输出电压幅值；

39、根据所述同步角，对所述三相输出电压和所述三相滤波电感电流进行旋转坐标变换，得到输出电压的d轴分量和q轴分量以及滤波电感电流的d轴分量和q轴分量；

40、利用电压外环根据所述输出电压幅值参考和所述输出电压的d轴分量、q轴分量生成电流参考；

41、利用电流内环根据所述电流参考和所述滤波电感电流的d轴分量、q轴分量生成调制电压分量；

42、对所述调制电压分量进行坐标逆变换，得到所述三相调制参考信号；

43、根据所述三相调制参考信号执行脉宽调制运算，生成脉宽调制信号；

44、根据所述脉宽调制信号生成开关驱动信号，控制变流系统的功率开关管的导通和关断。

45、本发明提供一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器的控制系统，所述构网型储能变流器包括变流系统及控制系统，控制系统为变流系统提供开关驱动信号；

46、所述变流系统包括：储能单元，所述储能单元提供输入直流电，经过三相变流桥及交流滤波模块对输入直流电进行变换及滤波并接入电网，实现储能单元与电网之间的双向功率变换；其特征在于，所述控制系统包括：

47、偏差信号生成模块，所述偏差信号生成模块根据有功功率参考值与实际有功功率生成有功功率偏差信号，并根据额定角频率与反馈的输出角频率生成角频率偏差信号；

48、频率扰动观测模块，所述频率扰动观测模块根据输入增益，有功功率偏差信号和角频率偏差信号生成频率相关总扰动估计量；

49、频率补偿及同步角生成模块，所述频率补偿及同步角生成模块根据基础角频率偏差、频率相关总扰动估计量、输入增益和额定角频率，生成输出角频率和同步角；

50、开关驱动模块，所述开关驱动模块根据所述同步角生成开关驱动信号，控制功率开关管的导通和关断。

51、进一步地，所述基于频率扰动观测的构网型储能变流器的控制系统，包括：

52、输出电压采样模块，所述输出电压采样模块采集三相输出电压，并形成三相输出电压信号；

53、并网电流采样模块，所述并网电流采样模块采集三相并网电流，并形成三相并网电流信号；

54、滤波电感电流采样模块，所述滤波电感电流采样模块采集三相滤波电感电流，并生成三相滤波电感电流信号；

55、基础有功功率同步控制模块，所述基础有功功率同步控制模块根据有功功率偏差信号生成基础角频率偏差；

56、无功—电压控制模块，所述无功—电压控制模块根据实际无功功率、无功功率参考值、额定输出电压幅值和实际输出电压幅值生成输出电压幅值参考；

57、电压外环及电流内环双闭环控制模块，所述电压外环及电流内环双闭环控制模块根据输出电压幅值参考、同步角、三相输出电压信号和三相滤波电感电流信号，生成调制电压分量；

58、坐标逆变换及调制模块，所述坐标逆变换及调制模块根据同步角对调制电压分量进行坐标逆变换，生成三相调制参考信号和脉宽调制信号。

59、进一步地，所述基于频率扰动观测的构网型储能变流器的控制系统，包括频率扰动观测模块，所述频率扰动观测模块包括：

60、观测误差生成单元，所述观测误差生成单元根据有功功率偏差信号

ep和第一状态估计量，生成观测误差信号

ε表示如下：

61、

62、式中，所述第一状态估计量用于跟踪有功功率偏差信号

ep；

63、输入增益配置单元，所述输入增益配置单元生成输入增益表示如下：

64、

65、式中，

b为输入增益，

kδp为预设稳态工作点下功角变化量到有功功率变化量的标称小信号增益；

66、第一状态估计单元，所述第一状态估计单元对第二状态估计量进行更新，表示如下：

67、

68、

69、式中，

s表示拉普拉斯复变量，

g2为第二观测器增益，

ωo为是预设的观测器带宽；

70、第二状态估计单元，所述第二状态估计单元对第一状态估计量进行更新，表示如下：

71、

72、

73、式中，

g1为第一观测器增益，

n为无量纲增益系数；

74、总扰动估计输出单元，所述总扰动估计输出单元将所述第二状态估计量作为所述频率相关总扰动估计量输出，所述第二状态估计量用于估计作用于有功功率同步控制环的频率相关总扰动

ftd，因此，频率相关总扰动估计量表示为：

75、。

76、本发明提供一种基于频率扰动观测的构网型储能变流器，包括：

77、变流系统及控制系统，变流系统和控制系统连接，控制系统为变流系统提供开关驱动信号；

78、所述变流系统包括：储能单元，所述储能单元提供输入直流电，所述输入直流电经过三相变流桥及交流滤波模块进行变换得到三相滤波电感电流及三相输出电压并接入电网，实现储能单元与电网之间的双向功率变换。

79、进一步地，所述控制系统采用如上述任一项的基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制方法。

80、进一步地，所述控制系统集成上述任一项的基于频率扰动观测的构网型储能变流器控制系统。

81、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

82、本发明基于频率扰动观测的构网型储能变流系统有功功率同步环的动态特性，将电网角频率扰动与电网强度变化引起的有功功率小信号增益偏差统一表征为作用于有功功率同步控制环的频率相关总扰动，并在保留基础有功功率同步控制结构的前提下，以有功功率偏差信号为被观测输出量、以角频率偏差信号为观测输入量构建扩张状态观测器对所述频率相关总扰动进行在线估计，再将估计结果转化为频率补偿量叠加至基础输出角频率，从而在不依赖锁相环或显式电网频率检测的条件下，实现了对电网频率扰动和电网强度变化的统一补偿。

83、为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。