本发明涉及一种三相四桥臂变流器无感同步并网系统及方法，属于变流器并网。
背景技术：
1、在实际电力系统中，存在一些单相负载和三相不对称负载，四桥臂变流器是为不对称负载供电和并网连接的替代解决方案。随着电力需求的持续上升和环境保护意识的加强，以太阳能和风能为代表的可再生能源受到了越来越多的关注。大力发展清洁能源由此产生的微电网具有在离网、并网状态下稳定运行的能力，能够灵活地在独立运行和并网模式之间切换。
2、但构网型储能变流器在独立运行和并网模式之间切换时可能会引发电流冲击，对微电网的安全稳定性带来危害。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提供了一种三相四桥臂变流器无感同步并网系统及方法，在并网时刻可以实现非对称负载下三相四桥臂变流器输出电压幅值与相位与电网保持同步，有效降低了并网时的冲击电流，增强了系统稳定性和电能质量。
2、术语解释：
3、1、vsg：virtual synchronous generator，虚拟同步发电机。
4、2、pcc点：point of common coupling，中文含义为公共连接点，指电网与独立电源之间的接口点。
5、3、pll模块：pll全称为phase-locked loop，中文含义锁相环。
6、4、abc坐标系为三相静止坐标系，αβ坐标系为两相静止坐标系，dq坐标系为两相旋转坐标系，三者之间可以相互变换，由abc坐标系到αβ坐标系的变换称为克拉克变换，其变换矩阵为：
7、；
8、由abc坐标系到dq坐标系的变换称为帕克变换，其变换矩阵为：
9、，式中， θ为 d轴和 q轴之间的夹角。
10、本发明的技术方案如下：
11、一种三相四桥臂变流器无感同步并网系统，包括采样模块、坐标变换模块、正负序分离模块、改进的vsg控制模块、双环控制模块、调制模块、角速度积分模块、相位预同步模块和电压预同步模块；
12、所述采样模块采集得到pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，变流器输出的a、b、c三相交流电流 i a、 i b、 i c，变流器流过滤波电感的a、b、c三相交流电流 i la、 i lb、 i lc以及电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc；
13、所述坐标变换模块将输入的abc坐标系下的 i la、 i lb、 i lc、 u an、 u bn、 u cn、 i a、 i b和 i c均转换为αβ坐标系的值并输入至双环控制模块；
14、所述正负序分离模块的输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，以及变流器输出的a、b、c三相交流电流 i a、 i b、 i c，第一输出端输出变流器a、b、c三相正序电流 i a +、 i b +、 i c +并输入至改进的vsg控制模块，第二输出端输出变流器a、b、c三相负序电流 i a -、 i b -、 i c -，第三输出端输出pcc点a、b、c三相正序电压 u an +、 u bn +、 u cn +，第四输出端输出pcc点a、b、c三相负序电压 u an -、 u bn -、 u cn -；
15、所述相位预同步模块内包括pll模块，电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc经过pll模块得到电网相角 θ g，pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn和电网相角 θ g输入相位预同步模块，相位预同步模块控制pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn以电网相角 θ g为参考角进行帕克变换得到dq坐标系下的逆变器电压 u qn为零；相位预同步模块输出的角频率补偿量δ ω输入角速度积分模块；角速度积分模块输出的相角差δ θ输入改进的vsg控制模块对vsg进行相角补偿，并同时引入衰减函数减小相位预同步开始时刻变流器输出有功突增；
16、所述pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn和电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc输入电压预同步模块，电压预同步模块控制变流器的均方根电压 u i和电网的均方根电压 u ga、 u gb、 u gc保持一致实现电压预同步，电压预同步模块的输出的电压差δ u输入改进的vsg控制模块对vsg进行幅值补偿；
17、所述改进的vsg控制模块与双环控制块的输入端相连，改进的vsg控制模块采用改进vsg控制策略控制变流器三相系统的完整电压参考 u refa、 u refb、 u refc，经过改进的vsg控制模块和双环控制模块进入调制模块生成调制波完成对vsg的预同步控制。
18、优选的，所述改进的vsg控制模块包括四个输入端和四个输出端，第一输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，第二输入端输入变流器a、b、c三相正序电流 i a +、 i b +、 i c +，第三输入端输入相角差δ θ，第四输入端输入电压差δ u，第一输出端输出变流器a相的完整电压参考 u refa，第二输出端输出变流器b相的完整电压参考 u refb，第三输出端输出变流器c相的完整电压参考 u refc，并与双环控制块输入端相连；
19、改进vsg控制策略的表达式如下：
20、（1）；
21、式中， p ref和 p e分别是pcc点处的有功功率参考值和有功功率计算值；类似地， q ref和 q e是pcc点处的无功功率参考值和无功功率计算值； j和 d1分别代表虚拟惯性常数和阻尼系数； d2和 k分别代表电压调节系数和积分调节系数；s为时域信号通过拉普拉斯变换得到的复频域信号中的复变量； ω n和 ω是系统的参考角频率和实际输出的角频率； e m是空载电动势， i abc表示变流器输出的a、b、c三相交流电流，包括 i a、 i b和 i c； u ref和 u m分别是电压均方根值的参考值和测量值；和分别是 p e和 q e去掉高频分量后pcc点处有功功率和无功功率的直流分量； z v+是正序虚拟阻抗； t表示时间； u refabc表示变流器三相的完整电压幅值参考，包含 u refa、 u refb、 u refc；
22、改进的vsg控制模块的目的是通过变流器输出的pcc点处有功功率和无功功率的直流分量、和正序虚拟阻抗 z v+控制变流器三相的完整电压参考 u refa、 u refb、 u refc；具体的，通过公式（1）计算得到变流器实际输出的角频率 ω和三相系统的完整电压幅值参考 u refa、 u refb、 u refc，之后角频率 ω通过积分可得到相角 θ，结合相角 θ和完整电压幅值参考 u refa、 u refb、 u refc可得三相系统的完整电压参考 u refa、 u refb、 u refc。
23、优选的，所述相位预同步模块包括两个输入端和一个输出端，第一输入端输入电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc，首先对 u ga、 u ga、 u gc进行帕克变换得到 u gd、 u gq、 u g0，将其中的 u gq经过一个pi控制器后，与100 π相加，相加后的和在经过积分后对2 π取余，得到的余数即为电网相角 θ g，输出端输出角频率补偿量δ ω；
24、只有当电网电压的相位与变流器输出电压的相位相等时，逆变器电压 u qn为零；
25、角频率补偿量δ ω输入到角速度积分模块，对角频率补偿量δ ω进行时间上的积分，得到并输出相角差δ θ，输入改进的vsg控制模块，相角差δ θ与通过公式（1）得到的实际输出的角频率 ω的积分结果相角 θ相加能够实现对vsg的相角补偿。
26、优选的，所述相位预同步模块中的预同步初期引入衰减函数，衰减函数为：
27、（2）；
28、式中， α衰减系数； t表示从预同步开始时刻（ t=0）起经过的时间；
29、设衰减系数 α选取的最大值与预同步开始阶段功率波动的时间δ t、预同步开始阶段功率波动的最大值与最小值之差δ p、pcc点处的有功功率计算值 p e之间存在关系：
30、（3）；
31、式中， k、 β、 γ为固定常数；
32、衰减系数 α计算式中 k、 β、 γ的计算方法为：
33、（4）；
34、式中， pe1、 pe2、 pe3分别为10%额定功率、40%额定功率、100%额定功率； α m1、 α m2、 α m3分别为输出功率为10%额定功率、40%额定功率、100%额定功率时测试得到的衰减系数值；δ t1、δ t2、δ t3分别为输出功率为10%额定功率、40%额定功率、100%额定功率时对应的功率波动时间；δ p1、δ p2、δ p3分别为输出功率为10%额定功率、40%额定功率、100%额定功率时对应的功率波动的最大值与最小值之差；
35、方程组中的三组等式在等号两边同时取以10为底的对数，得：
36、（5）；
37、求解公式（5）得到衰减系数 α中 k、 β、 γ。
38、优选的，所述电压预同步模块包括两个输入端和一个输出端，第一输入端输入电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc，第二输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，将 u ga、 u ga、 u gc的均方根值电压 u ga、 u gb、 u gc与 u an、 u bn、 u cn的均方根值电压 u i相减，得到的差值经过pi控制器，pi控制器的输出为电压差δ u；pi控制器控制 u i和 u ga、 u gb、 u gc保持一致，输出的电压差δ u输入到改进的sg控制模块中，与通过式（1）得到的空载电动势 e m相加，改变vsg的空载电动势 e m，进而改变了变流器三相的完整电压幅值参考 u refa、 u refb、 u refc，使变流器输出的电压与电网电压保持一致。
39、优选的，所述坐标变换模块包括九个输入端和九个输出端，第一至第三输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，第四至第六输入端输入a、b、c三相交流电流 i a、 i b、 i c，第七至第九输入端输入流过滤波电感的a、b、c三相交流电流 i la、 i lb、 i lc；第一至第三输出端输出在αβ坐标系下pcc点电压 u α、 u β、 u 0并输入到双环控制模块，第四至第六输出端输出在αβ坐标系下变流器输出电流 i α、 i β、 i 0并输入到双环控制模块，第七输出端至第九输出端输出在αβ坐标系下变流器流过滤波电感电流 i lα、 i lβ、 i l0并输入到双环控制模块。
40、优选的，所述双环控制模块包括四个输入端和三个输出端，第一至第三输入端分别输入变流器三相系统的完整电压参考 u refa、 u refb、 u refc，第四输入端输入坐标变换模块输出的九个输出量，第一至第三输出端输出变流器未经lc滤波时的三相参考电压并输入至调制模块；
41、双环控制模块中设置电流控制环和电压控制环，电流控制环为一个p控制器，以电容电流 i cf作为反馈信号；电压控制环中使用pr控制器，谐振部分是pr控制器的核心，它能够提供对特定频率（如电网频率）的零稳态误差。谐振控制器在谐振频率（如电网频率）处具有无穷大的增益，这样可以确保在该频率下的电压误差被完全补偿，实现精确的电压参考跟踪。
42、优选的，所述调制模块包括六个输入端和八个输出端，第一至第三输出端为变流器未经lc滤波时的三相参考电压，第四输入端为常数，其含义为载波周期，第五输入端为常数，其含义为直流电压幅值，第六输入端为常数，其含义为两倍的采样周期；第一至第八输出端分别对应第一桥臂上下igbt至第四桥臂上下igbt的开关信号（第一桥臂指igbt中t1和t2组成的一个分支；第二桥臂指igbt中t3和t4组成的一个分支；第三桥臂指igbt中t5和t6组成的一个分支；第四桥臂指igbt中t7和t8组成的一个分支；igbt指insulated gatebipolar transistor，中文为绝缘栅双极晶体管），使用3d-svpwm调制，调制模块输出信号分别输入到主电路igbt的门极，驱动igbt上下导通。
43、一种基于上述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统的方法，包括如下步骤：
44、（1）当预同步开始时，采样模块采集pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，变流器输出的a、b、c三相交流电流 i a、 i b、 i c，变流器流过滤波电感的a、b、c三相交流电流 i la、 i lb、 i lc以及电网输出电压的a、b、c相电压 u ga、 u ga、 u gc；
45、（2）将pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u cn，和变流器输出的a、b、c三相交流电流 i a、 i b、 i c输入至正负序分离模块，正负序分离模块输出变流器a、b、c三相正序电流 i a +、 i b +、 i c +并输入至改进的vsg控制模块； i la、 i lb、 i lc、 u an、 u bn、 u cn、 i a、 i b和 i c输入坐标变换模块，输出各输入量在αβ坐标系下的值并输入至双环控制模块；
46、（3）a、b、c三相正序电流 i a +、 i b +、 i c +和pcc点电压 u an、 u bn、 u cn输入至改进的vsg控制模块；
47、（4）在相位预同步模块中通过pll模块获得电网相角 θ g，pcc点电压的a、b、c相电压 u an、 u bn、 u c以电网相角 θ g为参考角通过帕克变换转换成dq参考系下的逆变器电压 u qn；构建pi控制器使 u qn等于零；pi控制器输出角频率补偿量δ ω，角频率补偿量δ ω输入到角速度积分模块，角频率补偿量δ ω对时间进行积分得到相角差δ θ，相位预同步模块输出的相角差δ θ输入改进的vsg控制模块；
48、（5）在电压预同步模块中pi控制器控制变流器的均方根电压 u i和电网的均方根电压 u ga、 u gb、 u gc保持一致，电压预同步模块输出的电压差δ u输入改进的vsg控制模块进行幅值补偿；
49、（6）在改进的vsg控制模块中，将相角差δ θ与变流器通过公式（1）得到的实际输出的角频率 ω的积分结果相角 θ相加；
50、（7）在改进的vsg控制模块中，将电压预同步模块得出的电压差δ u输入到改进的vsg控制模块中，与通过式（1）得到的空载电动势 e m相加，改变vsg的空载电动势 e m；并引入正序虚拟阻抗，在原始空载电动势 e m中减去电流在正序虚拟阻抗上的压降，得出三相系统的完整电压幅值参考 u refa、 u refb、 u refc；
51、（8）将改进的vsg控制模块的三相系统的完整电压幅值参考 u refa、 u refb、 u refc和相角 θ输入到双环控制模块和调制模块中，通过3d-svpwm（即三维空间矢量脉宽调制），得到igbt的开关信号；
52、（9）在并网完成后，断开相位预同步模块和电压预同步模块。
53、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
54、本发明的有益效果为：
55、本发明的三相四桥臂变流器无感同步并网系统及方法，可以根据电网电压和相位、变流器输出电压，通过所发明的非对称负载下基于vsg的三相四桥臂变流器预同步方法可实现无感同步并网，并减少了系统在非对称负载条件下的波动和不稳定现象。在实现过程中，引入了衰减函数，避免了预同步初期的有功突增，有效降低了并网时的冲击电流，增强了系统稳定性和电能质量。
1.一种三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，包括采样模块、坐标变换模块、正负序分离模块、改进的vsg控制模块、双环控制模块、调制模块、角速度积分模块、相位预同步模块和电压预同步模块；
2.根据权利要求1所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述改进的vsg控制模块包括四个输入端和四个输出端，第一输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压uan、ubn、ucn，第二输入端输入变流器a、b、c三相正序电流ia+、ib+、ic+，第三输入端输入相角差δθ，第四输入端输入电压差δu，第一输出端输出变流器a相的完整电压参考urefa，第二输出端输出变流器b相的完整电压参考urefb，第三输出端输出变流器c相的完整电压参考urefc，并与双环控制块输入端相连；
3.根据权利要求2所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述相位预同步模块包括两个输入端和一个输出端，第一输入端输入电网输出电压的a、b、c相电压uga、uga、ugc，首先对uga、uga、ugc进行帕克变换得到ugd、ugq、ug0，将其中的ugq经过一个pi控制器后，与100π相加，相加后的和在经过积分后对2π取余，得到的余数即为电网相角θg，输出端输出角频率补偿量δω；
4.根据权利要求3所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述相位预同步模块中的预同步初期引入衰减函数，衰减函数为：
5.根据权利要求4所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述电压预同步模块包括两个输入端和一个输出端，第一输入端输入电网输出电压的a、b、c相电压uga、uga、ugc，第二输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压uan、ubn、ucn，将uga、uga、ugc的均方根值电压uga、ugb、ugc与uan、ubn、ucn的均方根值电压ui相减，得到的差值经过pi控制器，pi控制器的输出为电压差δu；pi控制器控制ui和uga、ugb、ugc保持一致，输出的电压差δu输入到改进的sg控制模块中，与通过式（1）得到的空载电动势em相加，改变vsg的空载电动势em，进而改变了变流器三相的完整电压幅值参考urefa、urefb、urefc，使变流器输出的电压与电网电压保持一致。
6.根据权利要求5所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述坐标变换模块包括九个输入端和九个输出端，第一至第三输入端输入pcc点电压的a、b、c相电压uan、ubn、ucn，第四至第六输入端输入a、b、c三相交流电流ia、ib、ic，第七至第九输入端输入流过滤波电感的a、b、c三相交流电流ila、ilb、ilc；第一至第三输出端输出在αβ坐标系下pcc点电压uα、uβ、u0并输入到双环控制模块，第四至第六输出端输出在αβ坐标系下变流器输出电流iα、iβ、i0并输入到双环控制模块，第七输出端至第九输出端输出在αβ坐标系下变流器流过滤波电感电流ilα、ilβ、il0并输入到双环控制模块。
7.根据权利要求6所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述双环控制模块包括四个输入端和三个输出端，第一至第三输入端分别输入变流器三相系统的完整电压参考urefa、urefb、urefc，第四输入端输入坐标变换模块输出的九个输出量，第一至第三输出端输出变流器未经lc滤波时的三相参考电压并输入至调制模块；
8.根据权利要求7所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统，其特征在于，所述调制模块包括六个输入端和八个输出端，第一至第三输出端为变流器未经lc滤波时的三相参考电压，第四输入端为常数，其含义为载波周期，第五输入端为常数，其含义为直流电压幅值，第六输入端为常数，其含义为两倍的采样周期；第一至第八输出端分别对应第一桥臂上下igbt至第四桥臂上下igbt的开关信号，使用3d-svpwm调制，调制模块输出信号分别输入到主电路igbt的门极，驱动igbt上下导通。
9.一种基于权利要求8所述的三相四桥臂变流器无感同步并网系统的方法，包括如下步骤：
