技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子系统变流器控制技术领域，具体涉及一种基于反步法控制器的构网型变流器控制方法及装置。
相关背景技术
[0002] 在大力推动能源产业升级优化背景下，新能源发电的渗透率逐渐增加，包括光伏发电、风力发电、氢能发电等新能源发电的比重大大提高，形成高比例新能源电力系统。这些新能源的发电方式相较于传统的发电方式多通过电力电子变换器进行并网控制，具有绿色环保、具有极好的可再生性、减少对化石能源的依赖等优点，但由于新能源的电力来源具有一定的不确定性和不稳定性，例如收到天气，海拔位置等的影响，使得这类新能源电力系统的输出具有较大的波动，传统的跟网型变流器方式在这方面并不能很好的解决输出功率波动的问题，因为其不具备足够的电压支撑能力和频率支撑能力来保证系统的稳定性。为了更好的解决掉新能源电力系统的并网稳定性问题，构网型变流器应运而生，其主要通过模拟同步发电机的工作特性来实现并网。两种变流器的主要工作方式和特点如下：
[0003] (1)跟网型变流器：体现为电流源形式输出，相当于分层控制结构里一层控制方法中的P/Q控制，借助锁相环来实现电网相位同步，同时跟踪下发的输出功率，控制馈入电网的有功或无功功率。
[0004] (2)构网型变流器：体现为电压源形式输出，相当于分层控制结构里的一层控制方法中的V/F控制，通过借鉴同步发电机的并网控制机理，实现对电网的相位同步。
[0005] 跟网型变流器的优缺点都很明显，在跟网型变流器控制结构中，能够快速且直接的控制并网电流，具有较快的响应能力，切不容易产生电流过冲，谐波含量过高等情况。但跟网型本身不具有电压和频率支撑能力，在高比例新能源的电力系统中，随着装机容量的提升，电网的稳定性也就越弱，同时锁相环也会随着电网强度的变化产生精度上的变化，容易导致并网变流器失稳解列，造成难以估计的经济损失。因此，为了保障并网电压和频率的稳定性，现在主要研究构网型变流器的控制策略，保障高比例新能源电力系统的稳定性。
[0006] 而构网型的控制策略有多种，最为常见的两种是下垂控制算法和虚拟同步发电机控制算法。这两者都是通过模拟同步发电机的并网机理来实现相位同步，但虚拟同步发电机控制算法具有更高一阶的动态特性，传统的虚拟同步发电机控制方法中，双闭环PI在解耦的基础上实现控制，要求内环动态速度快过外环动态速度，才能达到稳定效果，且控制参数繁多，调参过程及其复杂，不便于控制，且没有更好的极点配置过程，不具有理论依据。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 实施例1
[0047] 参阅附图1，图1是本发明的一个实施例的基于反步法控制器的构网型变流器控制方法的主要步骤流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的基于反步法控制器的构网型变流器控制方法主要包括以下步骤：
[0048] 步骤S101：设计反步法控制器，并利用所述反步法控制器替代虚拟同步发电机控制策略中的双闭环比例‑积分控制器，得到新的虚拟同步发电机控制策略；
[0049] 步骤S102：利用所述新的虚拟同步发电机控制策略对构网型变流器进行控制。
[0050] 本实施例中，虚拟同步发电机(VSG)控制策略是最为常见的构网型的控制策略，本发明通过对虚拟同步发电机控制策略进行改进，得到的新的虚拟同步发电机控制策略能够配置闭环系统的极点，从而明确系统的动态性能，同时调参过程有理论指导，能够简化调参过程，能够很大程度上提升构网型变流器的控制稳定性和安全性，新的虚拟同步发电机控制策略原理图如图2所示；
[0051] 图中，VLdq表示输出电压向量，Iidq表示电感电流向量，ILdq表示输出电流向量，Vg表*示电网电压，E和θ分别表示通过VSG计算出的输出电压的参考幅值和相位。
[0052] VSG功率外环可以通过机械转子方程和下垂过程进行描述：
[0053]
[0054] 其中，w和wn分别代表构网型变流器输出的角频率和额定角频率，E*和En分别表示电压参考值和电压额定值，Pm和P分别代表有功功率参考值和真实值，Qm和Q分别代表无功功率的参考值和真实值，J和D分别表示转动惯量和阻尼系数，θ表示功角，n表示无功下垂系数。
[0055] 取VLdq的误差 其中 根据之前的状态方程定义，可以得出 根据反步法的定义，这里需要对ev1单独设立一个
Lyapunov函数 为满足稳定性需求需要让其导数满足负定。对V1求导有：
[0056]
[0057] 其中C0代表滤波电容的真实值，期望能够得到上述的负定形式，则必须要满足括号内的Iidq有如下形式：
[0058]
[0059] 同上，取Iidq的误差 可以得出 公式如下：
[0060]
[0061] 令该公式为公式a，其中L0代表滤波电感的真实值，在获得上述表达式后，需要对ev1、ei1共同设立一个Lyapunov函数 为满足稳定性需求需要让其导数满足负定。对V2求导有如下的期望形式：
[0062]
[0063] 所以根据上述对 的定义式，可以得到一个能计算控制输入Vidq的表达式：
[0064]
[0065] 令该公式为公式b，联立公式a和公式b可得到：所述反步法控制器的数学模型如下：
[0066]
[0067] 上式中，Vidq为控制输入量，M为预设矩阵， w为系统的角频率，L0为滤波电感的真实值，C0为滤波电容的真实值，VLdq为构网型变流器的输出电压向量，Iidq为电感电流向量，ILdq为构网型变流器的输出电流向量， 为构网型变流器的输出电流向量的导数，kv为第一增益参数，ki为第二增益参数，ei1为电感电流向量的误差，ev1为构网型变流器的输出电压向量的误差。
[0068] 在一个实施方式中，所述构网型变流器的输出电压向量的误差如下：
[0069]
[0070] 所述电感电流向量的误差如下：
[0071]
[0072] 上式中， 为构网型变流器的输出电压参考值向量， 为电感电流参考值向量。
[0073] 在一个实施方式中，所述电感电流参考值向量满足：
[0074] 在一个实施方式中，所述第一增益参数和第二增益的获取过程包括：
[0075] 构建闭环误差系统的状态量方程，并获取所述闭环误差系统的状态量方程中的状态矩阵；
[0076] 将所述闭环误差系统的状态量方程中的状态矩阵代入极点配置方程并求解获取所述第一增益参数和第二增益。
[0077] 在一个实施方式中，所述闭环误差系统的状态量方程如下：
[0078]T
[0079] 上式中，e为闭环误差系统的状态量，e＝[ev1ei1] ，Ae为状态矩阵，为e的导数，T为转置符号， 为ev1的导数， 为ei1的导数。
[0080] 在一个实施方式中，所述状态矩阵如下：
[0081]
[0082] 在一个实施方式中，所述极点配置方程如下：
[0083] |SI‑Ae|＝(S+p1)(S+p2)
[0084] 上式中，I为2*2的单位矩阵，S为拉普拉斯微分算子，p1为采用极点配置的方法选定的第一极点位置，p2为采用极点配置的方法选定的第二极点位置。
[0085] 在一个实施方式中，所述 如下
[0086]
[0087] 实施例2
[0088] 基于同一种发明构思，本发明还提供了一种基于反步法控制器的构网型变流器控制装置，所述基于反步法控制器的构网型变流器控制装置包括：
[0089] 替换模块，用于设计反步法控制器，并利用所述反步法控制器替代虚拟同步发电机控制策略中的双闭环比例‑积分控制器，得到新的虚拟同步发电机控制策略；
[0090] 控制模块，用于利用所述新的虚拟同步发电机控制策略对构网型变流器进行控制。
[0091] 优选的，所述反步法控制器的数学模型如下：
[0092]
[0093] 上式中，Vidq为控制输入量，M为预设矩阵， w为系统的角频率，L0为滤波电感的真实值，C0为滤波电容的真实值，VLdq为构网型变流器的输出电压向量，Iidq为电感电流向量，ILdq为构网型变流器的输出电流向量， 为构网型变流器的输出电流向量的导数，kv为第一增益参数，ki为第二增益参数，ei1为电感电流向量的误差，ev1为构网型变流器的输出电压向量的误差。
[0094] 进一步的，所述构网型变流器的输出电压向量的误差如下：
[0095]
[0096] 所述电感电流向量的误差如下：
[0097]
[0098] 上式中， 为构网型变流器的输出电压参考值向量， 为电感电流参考值向量。
[0099] 进一步的，所述电感电流参考值向量满足：
[0100] 进一步的，所述第一增益参数和第二增益的获取过程包括：
[0101] 构建闭环误差系统的状态量方程，并获取所述闭环误差系统的状态量方程中的状态矩阵；
[0102] 将所述闭环误差系统的状态量方程中的状态矩阵代入极点配置方程并求解获取所述第一增益参数和第二增益。
[0103] 进一步的，所述闭环误差系统的状态量方程如下：
[0104]
[0105] 上式中，e为闭环误差系统的状态量，e＝[ev1ei1]T，Ae为状态矩阵，为e的导数，T为转置符号， 为ev1的导数， 为ei1的导数。
[0106] 进一步的，所述状态矩阵如下：
[0107]
[0108] 进一步的，所述极点配置方程如下：
[0109] |SI‑Ae|＝(S+p1)(S+p2)
[0110] 上式中，I为2*2的单位矩阵，S为拉普拉斯微分算子，p1为采用极点配置的方法选定的第一极点位置，p2为采用极点配置的方法选定的第二极点位置。
[0111] 进一步的，所述 如下
[0112]
[0113] 实施例3
[0114] 基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种基于反步法控制器的构网型变流器控制方法的步骤。
[0115] 实施例4
[0116] 基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non‑volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种基于反步法控制器的构网型变流器控制方法的步骤。
[0117] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0118] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0119] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0120] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0121] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
