1.本技术涉及光伏储能技术领域，尤其是一种并网功率变换器及其功率控制方法、以及储能系统。
背景技术：
2.在光伏或储能发电中，随着交流负载数量变化，光伏或储能发电输出的功率与交流负载的需求功率之间的平衡被打乱，导致交流电的频率不稳定。以该交流电并入交流电网为例，当交流电的频率小于50hz时，代表光伏或储能发电输出的功率小于交流负载的需求功率；当交流电的频率大于50hz时，代表光伏或储能发电输出的功率大于交流负载的需求功率。
3.为了维持交流电的频率稳定，目前针对功率变换器的控制方式可以采用构网控制方式(grid forming，gfm)，即通过控制功率变换器输出的电压幅值和电压频率，主动为交流电网提供频率支撑。然而，在目前的构网控制方式中，功率变换器无法向交流电网提供稳定的频率支撑。
技术实现要素：
4.本技术提供了一种并网功率变换器及其功率控制方法、以及储能系统，可以使得电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
5.第一方面，本技术提供了一种并网功率变换器，该并网功率变换器包括功率变换电路和控制器，其中，功率变换电路的第一端通过直流母线连接直流源，功率变换电路的第二端通过交流母线连接交流电网。
6.具体实现中，控制器响应于交流电网的频率为第一频率，控制功率变换电路的输出功率从预设参考功率调节至第一功率，其中，预设参考功率为交流电网稳定时功率变换电路的输出功率，第一功率为预设参考功率与第一惯量功率之和，第一惯量功率为功率变换电路模拟同步发电机的惯性特性而得到的功率。该第一惯量功率一般与并网功率变换器的自身属性以及交流电网的频率波动程度有关。并且，控制器还响应于交流电网的频率为第二频率，控制功率变换电路的输出功率从第一功率调节至第二功率，其中，第二功率为第一功率与第一调频功率之和，第二频率与交流电网工频之差的绝对值大于第一频率与交流电网工频之差的绝对值。另外，第一频率和第二频率既可以是固定值，也可以是频率区间。可选地，交流电网工频为交流电网正常工作状态下所对应的频率。
7.在交流电网欠频时，第一频率小于交流电网工频，第一惯量功率的取值为正数；第二频率小于第一频率，第一调频功率的取值为正数。在交流电网过频时，第一频率大于交流电网工频，第一惯量功率的取值为负数；第二频率大于第一频率，第一调频功率的取值为负数。
8.在交流电网的频率偏离交流电网工频时，通过优先在预设参考功率的基础上叠加第一惯量功率，可以使得交流电网得到快速的频率支撑，在交流电网的频率进一步偏离交
流电网工频时，通过在预设参考功率和第一惯量功率的基础上继续叠加第一调频功率，可以使得交流电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
9.在一种可能的实现方式中，在交流电网欠频时，第二频率小于交流电网工频。当第二频率与交流电网工频之差的绝对值增大时，第一调频功率增大，即此时第一调频功率的数值是增大的。在交流电网过频时，第二频率大于交流电网工频。当第二频率与交流电网工频之差的绝对值增大时，第一调频功率减小，即此时第一调频功率的数值是减小的。如此设置，可以在交流电网的欠频程度或者过频程度逐渐增大时，为交流电网提供动态的频率支撑。
10.在一种可能的实现方式中，在交流电网欠频时，第二频率小于交流电网工频，此时第二功率小于或等于功率变换电路的最大输出功率。在交流电网过频时，第二频率大于交流电网工频，此时第二功率大于或等于功率变换电路的最小输出功率。如此设置，可以使得功率变换电路的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
11.在一种可能的实现方式中，控制器响应于交流电网的频率为第三频率，控制功率变换电路的输出功率从第二功率调节至第三功率。其中，第三功率为第二功率与第一惯量功率之差，第三频率与交流电网工频之差的绝对值大于第二频率与交流电网工频之差的绝对值。在交流电网欠频时，第三频率小于交流电网工频且第三频率小于第二频率。在交流电网过频时，第三频率大于交流电网工频且第三频率大于第二频率。可以理解的是，在交流电网的频率为第三频率时，第一惯量功率退出，从而对交流电网提供稳定的频率支撑。
12.在一种可能的实现方式中，控制器响应于交流电网的频率从第三频率变为第四频率，控制功率变换电路的输出功率从第三功率调节至第四功率。其中，第四功率为第三功率叠加第二惯量功率和第二调频功率之后的功率，第四频率与交流电网工频之差的绝对值小于第三频率与交流电网工频之差的绝对值。其中，第四频率既可以是固定值，也可以是频率区间。在交流电网欠频时，第四频率大于第三频率，且第四频率小于交流电网工频，此时第二惯量功率的取值为负数，第二调频功率的取值为正数。在交流电网过频时，第四频率小于第三频率，且第四频率大于交流电网工频，此时第二惯量功率的取值为正数，第二调频功率的取值为负数。基于相同原理，如此设置，可以使并网功率变换器为交流电网提供稳定且准确的频率支撑。
13.在一种可能的实现方式中，在交流电网欠频时，第四频率小于交流电网工频。当第四频率与交流电网工频之差的绝对值减小时，第二调频功率减小，即此时第二调频功率的数值是减小的。在交流电网过频时，第四频率大于交流电网工频。当第四频率与交流电网工频之差的绝对值减小时，第二调频功率增大，即此时第二调频功率的数值是增大的。如此设置，可以在交流电网的欠频程度或者过频程度逐渐减小时，为交流电网提供动态的频率支撑。
14.在一种可能的实现方式中，在交流电网欠频时，第四频率小于交流电网工频，此时第四功率大于或等于功率变换电路的最小输出功率。在交流电网过频时，第四频率大于交流电网工频，此时第四功率小于或等于功率变换电路的最大输出功率。如此设置，可以使得功率变换电路的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
15.在一种可能的实现方式中，控制器响应于交流电网的频率从第四频率变为交流电网工频，控制功率变换电路的输出功率从第四功率调节至预设参考功率。如此设置，可以在交流电网的频率逐渐恢复至交流电网工频的过程中，为交流电网提供动态的频率支撑。
16.在一种可能的实现方式中，第一调频功率为控制器基于预设的功率与频率下垂曲线，由预设参考功率、功率变换电路的输出功率、交流电网的频率以及预设下限频率确定，其中，预设下限频率为第一频率的最小值。如此设置，可以使得一次调频功率的准确程度更高。
17.第二方面，本技术提供了一种储能系统，该储能系统包括储能电池以及结合第一方面或结合第一方面上述任意一种可能实现方式中的并网功率变换器。其中，储能电池通过直流母线连接功率变换电路的第一端。功率变换电路基于储能电池提供的直流电输出，或者功率变换电路向储能电池输出直流电。可以理解的是，并网功率变换器可以在交流电网欠频或者过频时为交流电网提供更加稳定和准确的频率支撑，从而提升了储能系统的供电可靠性和供电稳定性，适用性强。
18.第三方面，本技术提供了一种并网功率变换器的功率控制方法，该方法包括，响应于交流电网的频率为第一频率，控制并网功率变换器的输出功率从预设参考功率调节至第一功率；其中，预设参考功率为交流电网稳定时并网功率变换器的输出功率，第一功率为预设参考功率与第一惯量功率之和，第一惯量功率为并网功率变换器模拟同步发电机的惯性特性而得到的功率。并且，还响应于交流电网的频率为第二频率，控制并网功率变换器的输出功率从第一功率调节至第二功率，其中，第二功率为第一功率与第一调频功率之和，第二频率与交流电网工频之差的绝对值大于第一频率与交流电网工频之差的绝对值。其中，第一频率和第二频率既可以是固定值，也可以是频率区间。可选地，交流电网工频为电网正常工作状态下所对应的频率。
19.在交流电网的频率偏离交流电网工频时，通过优先在预设参考功率的基础上叠加第一惯量功率，可以使得交流电网得到快速的频率支撑，在交流电网的频率进一步偏离交流电网工频时，通过在预设参考功率和第一惯量功率的基础上继续叠加第一调频功率，可以使得交流电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
20.在一种可能的实现方式中，响应于第二频率小于交流电网工频，且第二频率与交流电网工频之差的绝对值增大，升高第一调频功率，即此时第一调频功率的数值是增大的。响应于第二频率大于交流电网工频，且第二频率与交流电网工频之差的绝对值增大，降低第一调频功率，即此时第一调频功率的数值是减小的。如此设置，可以在交流电网的欠频程度或者过频程度逐渐增大时，为交流电网提供动态的频率支撑。
21.在一种可能的实现方式中，响应于第二频率小于交流电网工频，控制第二功率小于或等于并网功率变换器的最大输出功率。响应于第二频率大于交流电网工频，控制第二功率大于或等于并网功率变换器的最小输出功率。如此设置，可以使得并网功率变换器的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
22.在一种可能的实现方式中，响应于交流电网的频率为第三频率，控制并网功率变换器的输出功率从第二功率调节至第三功率。其中，第三功率为第二功率与第一惯量功率之差，第三频率与交流电网工频之差的绝对值大于第二频率与交流电网工频之差的绝对
值。可以理解的是，在交流电网的频率为第三频率时，第一惯量功率退出，从而对交流电网提供稳定的频率支撑。
23.在一种可能的实现方式中，响应于交流电网的频率从第三频率变为第四频率，控制并网功率变换器的输出功率从第三功率调节至第四功率。其中，第四功率为第三功率与第二惯量功率以及第二调频功率的叠加值。第四频率与交流电网工频之差的绝对值小于第三频率与交流电网工频之差的绝对值。这里的第四频率既可以是固定值，也可以是频率区间。基于相同原理，如此设置，可以使并网功率变换器为交流电网提供稳定且准确的频率支撑。
24.在一种可能的实现方式中，响应于第四频率小于交流电网工频，且第四频率与交流电网工频之差的绝对值减小，降低第二调频功率，即此时第二调频功率的数值是减小的。响应于第四频率大于交流电网工频，且第四频率与交流电网工频之差的绝对值减小，升高第二调频功率，即此时第二调频功率的数值是增大的。如此设置，可以在交流电网的欠频程度或者过频程度逐渐减小时，为交流电网提供动态的频率支撑。
25.在一种可能的实现方式中，响应于第四频率小于交流电网工频，控制第四功率大于或等于并网功率变换器的最小输出功率。响应于第四频率大于交流电网工频，控制第四功率小于或等于并网功率变换器的最大输出功率。如此设置，可以使得并网功率变换器的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
26.在一种可能的实现方式中，响应于交流电网的频率从第四频率变为交流电网工频，控制并网功率变换器的输出功率从第四功率调节至预设参考功率。如此设置，可以在交流电网的频率逐渐恢复至交流电网工频的过程中，为交流电网提供动态的频率支撑。
27.在一种可能的实现方式中，第一调频功率基于预设的功率与频率下垂曲线，由预设参考功率、并网功率变换器的输出功率、交流电网的频率以及预设下限频率确定，其中，预设下限频率为第一频率的最小值。如此设置，可以使得一次调频功率的准确程度更高。
28.上述各方面和各方面可能的实现方式的具体实现以及有益效果可相互参考。
附图说明
29.图1为本技术实施例提供的储能系统的结构框图；
30.图2为本技术实施例提供的并网功率变换器的输出功率的一波形示意图；
31.图3为本技术实施例提供的控制器的一控制框图；
32.图4为本技术实施例提供的控制器的控制信号流的一示意图；
33.图5为现有技术中并网功率变换器的输出功率的一波形示意图；
34.图6为现有技术中并网功率变换器的输出功率的另一波形示意图；
35.图7至图15为本技术实施例提供的并网功率变换器的输出功率的又一波形示意图；
36.图16为本技术实施例提供的并网功率变换器的功率控制方法的流程示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
38.下面结合附图来对本技术的技术方案的实施作进一步的详细描述。
39.参见图1，图1为本技术实施例提供的储能系统的结构框图。如图1所示，储能系统包括储能电池101以及并网功率变换器102。其中，并网功率变换器102包括功率变换电路1021和控制器1022。
40.储能电池101通过直流母线连接功率变换电路1021的第一端。储能电池101放电时，储能电池101向功率变换电路1021输出直流电；储能电池101充电时，储能电池101接收功率变换电路1021输出的直流电。同理的，图1中示出的储能系统可以包括多个储能电池，多个储能电池可以串联、并联或者串并联之后与功率变换电路1021的第一端连接。即本技术实施例不对储能系统中包括的储能电池的数量进行限制。
41.功率变换电路1021的第二端通过交流母线接入公共连接点(point of common coupling，pcc)1，该pcc1点可以连接交流电网11或交流负载。
42.功率变换电路1021的第三端连接控制器1022，该控制器1022可以控制功率变换电路1021将储能电池101输出的直流电转换为向交流电网11输出的交流电，还可以将交流电网11上的交流电转换为向储能电池101输出的直流电。此时，控制器1022具体控制的是功率变换电路1021输出的电压幅值和电压频率，即控制器1022可以控制功率变换电路1021的输出功率。示例性的，该控制器1022可以具体实现为微控制器(micro control unit，mcu)、中央处理单元(central processing unit，cpu)、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)、现场可编程门阵列(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。
43.在本技术中，并网功率变换器中的控制器改变了对功率变换电路的控制方式，在构网控制方式中，在交流电网欠频或者过频时可以为交流电网提供更加稳定和准确的频率支撑，从而提升了储能系统的供电可靠性和供电稳定性，适用性强。
44.下面结合附图对功率变换电路的具体控制方式进行详细介绍。
45.控制器响应于交流电网的频率为第一频率，控制功率变换电路的输出功率从预设参考功率调节至第一功率。其中，预设参考功率为交流电网稳定时功率变换电路的输出功率，第一功率为预设参考功率与第一惯量功率之和，第一惯量功率为功率变换电路模拟同步发电机的惯性特性而得到的功率。该第一惯量功率一般与并网功率变换器的自身属性以及交流电网的频率波动程度有关。并且，控制器还响应于交流电网的频率为第二频率，控制功率变换电路的输出功率从第一功率调节至第二功率。其中，第二功率为第一功率与第一调频功率之和，第二频率与交流电网工频之差的绝对值大于第一频率与交流电网工频之差的绝对值。这里的第一频率和第二频率既可以是固定值，也可以是频率区间。可选地，交流电网工频为交流电网正常工作状态下所对应的频率。示例性的，交流电网工频可以是50hz或者60hz。
46.在交流电网欠频时，第一频率小于交流电网工频，第一惯量功率的取值为正数；第二频率小于第一频率，第一调频功率的取值为正数。在交流电网过频时，第一频率大于交流
电网工频，第一惯量功率的取值为负数；第二频率大于第一频率，第一调频功率的取值为负数。
47.可以理解的是，在交流电网的频率偏离交流电网工频时，通过优先在预设参考功率的基础上叠加第一惯量功率，可以使得交流电网得到快速的频率支撑，在交流电网的频率进一步偏离交流电网工频时，通过在预设参考功率和第一惯量功率的基础上继续叠加第一调频功率，可以使得交流电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
48.示例性的，在交流电网处于正常工作状态时，交流电网的频率为交流电网工频，此时功率变换电路的输出功率为预设参考功率。
49.在交流电网欠频时，功率变换电路的输出功率的波形示意图可以如图2所示。fn为交流电网工频，f
set-为预设下限频率，fg为交流电网的频率；p
out
为功率变换电路的输出功率，p
ref
为交流电网工频。其中，预设下限频率为第一频率的最小值。可以看出，在t
40
时刻至t
41
时刻，交流电网的频率小于交流电网工频fn，大于预设下限频率f
set-，则控制器在t
40
时刻至t
41
时刻检测到交流电网的频率即为第一频率，即第一频率表示t
40
时刻至t
41
时刻的频率区间。在t
41
时刻之后，交流电网的频率小于预设下限频率f
set-，则控制器在t
41
时刻之后检测到交流电网的频率即为第二频率。
50.具体实现中，控制器在检测到交流电网的频率为第一频率时，随着第一频率与交流电网工频fn之差的绝对值增大控制第一惯量功率增大，直至功率变换电路的输出功率从预设参考功率p
ref
增大至第一功率p
41
，该第一功率p
41
为预设参考功率p
ref
与第一惯量功率之和。其中，第一惯量功率增大为第一惯量功率的数值是增大的。在交流电网的频率减小的过程中，第一惯量功率的取值为正数，表示为δpj。则第一功率p
41
＝
ref
δpj。第一惯量功率在t
41
时刻响应到位。
51.控制器在检测到交流电网的频率为第二频率时，随着第二频率与交流电网工频fn之差的绝对值增大升高第一调频功率，即此时第一调频功率增大，直至功率变换电路的输出功率从第一功率p
41
调节至第二功率，从而在交流电网的欠频程度逐渐增大时为交流电网提供动态的频率支撑。其中，第二功率是第一功率p
41
与第一调频功率之和，第一调频功率增大为第一调频功率的数值是增大的。
52.由上述图2可以看出，功率变换电路的输出功率在t
41
时刻开始在第一功率p
41
的基础上叠加第一调频功率。具体实现中，控制器可以监测功率变换电路的输出功率，在功率变换电路的输出功率达到第一功率时向功率变换电路发送控制信号。可选的，控制器可以在检测到交流电网的频率开始从交流电网工频变为第一频率时，即图2中的t
40
时刻，预先设置好第一预设时长，在该第一预设时长内第一惯量功率可以响应到位，然后从t
40
时刻开始等待第一预设时长之后，再向功率变换电路发送控制信号。其中，控制信号用于控制功率变换电路的输出功率在第一功率p
41
的基础上叠加第一调频功率。
53.控制器是控制功率变换电路优先响应第一惯量功率，然后再快速响应第一调频功率。具体实现中，控制器可以按照图3中示出的控制框图来对功率变换电路的输出功率进行控制。如图3所示，控制器501中包括虚拟惯量和功角控制模块5011、附加功率调节模块5012、一次调频模块5013和内电势控制模块5014。
54.交流电网的频率大于预设下限频率且小于预设上限频率时，虚拟惯量和功角控制模块5011根据预设参考功率p
ref
和功率变换电路的输出功率p
out
计算得到功角θ。其中，该预
设上限频率为第一频率的最大值。内电势控制模块5014根据功角θ和功率变换电路的输出电压幅值ue生成功率变换电路的输出电压矢量功角θ表征功率变换电路的输出电压矢量与交流电的电压矢量之间的夹角。此时虚拟惯量和功角控制模块5011控制功率变换电路的输出功率p
out
可以表示为：
[0055][0056]
其中，x为功率变换电路与交流电网或交流负载之间的阻抗值。
[0057]
可以看出，在交流电网的频率大于预设下限频率且小于预设上限频率时，附加功率调节模块5012和一次调频模块5013都可以不工作。
[0058]
在交流电网的频率降低至预设下限频率或交流电网的频率增大至预设上限频率时，功率变换电路的输出电压与交流电的电压之间的功角θ变大或变小，功率变换电路的输出功率p
out
与交流电网或交流负载的需求功率不平衡，此时虚拟惯量和功角控制模块5011首先产生惯量功率(例如第一惯量功率、第二惯量功率)。其中，惯量功率与交流电网的频率的变化量负相关，公式可以表示为：
[0059][0060]
其中，kj为惯量功率增益预设值，代表交流电网的频率的变化量。在交流电网的频率降低的过程中，取值为负数，则第一惯量功率的取值为正数。
[0061]
则在交流电网的频率降低至预设下限频率时，功率变换电路的输出功率p
out
在第一预设时长内从预设参考功率增大至第一功率，具体波形如图3中示出的t
40
时刻至t
41
时刻的波形。
[0062]
在交流电网的频率降低至预设下限频率或交流电网的频率增大至预设上限频率时，一次调频模块5013基于预设的频率与功率下垂曲线，根据交流电网的频率以及预设频率范围计算一次调频模块5013的有功功率变化量δpf，公式可以表示为：
[0063][0064]
其中，kf为预设的频率与功率下垂曲线的斜率，f
set
为预设上限频率，f
set-为预设下限频率。
[0065]
由公式3可以看出，在交流电网的频率低于预设下限频率时增加有功功率变化量，在交流电网的频率高于预设上限频率时减小有功功率变化量。
[0066]
附加功率调节模块5012根据一次调频模块5013的有功功率变化量δpf、预设参考功率p
ref
、功率变换电路的输出功率p
out
以及交流电网的频率fg，计算得到有功功率调节量以及功角控制量，公式可以表示为：
[0067][0068]
其中，δp
fo
为有功功率调节量，即为第一调频功率。
[0069]
功角控制量与有功功率调节量具有预设函数关系，则附加功率调节模块5012可以根据有功功率调节量得到功角控制量，公式表示为：
[0070][0071]
其中，δfc为功角控制量，g(x)为δp
fo
的函数，且g(x)
∝
δp
fo
，g(x)根据δfc叠加的位置确定。
[0072]
此时，附加功率调节模块5012将有功功率调节量和功角控制量传输至虚拟惯量和功角控制模块5011。虚拟惯量和功角控制模块5011在第一惯量功率输出到位时，虚拟惯量和功角控制模块5011中的信号流如图4所示，有功功率调节量与预设参考功率p
ref
叠加，并将叠加后的结果传输至附加功率调节模块5012，并且叠加后的结果还传输至虚拟同步发电机中，在虚拟同步发电机中，d为阻尼系统，js为虚拟转动惯量，wn为频率参考值。叠加后的结果经过虚拟同步发电机的计算，得到功角变化量δwc。功角变化量δwc与功角控制量δfc进行叠加得到功角输出量δw
out
，虚拟惯量和功角控制模块5011对功角输出量δw
out
进行积分运算得到功角θ。此时内电势控制模块5014根据公式1可以计算得到功率变换电路的输出功率。示例性的，功率变换电路的输出功率还可以用公式表示为：
[0073]
p
out
＝k
θp
.sinθ
ꢀꢀꢀ
公式6
[0074]
其中，k
θp
为功角至功率的传输增益。结合公式1和公式6，可以得到
[0075]
区别于现有技术中功率变换电路的输出功率的控制，本技术实施例在一次调频模块5013与虚拟惯量和功角控制模块5011之间增加了附加功率调节模块5012，在交流电网的频率降低至预设下限频率时，优先响应第一惯量功率，再通过附加功率调节模块5012快速准确响应第一调频功率。由图4可以看出的是，附加功率调节模块将计算得到的功角控制量与有功功率调节量分别输出，其中有功功率调节量经过虚拟同步发电机，而功角控制量没有经过虚拟同步发电机。
[0076]
本技术实施例与现有技术中直接将一次调频模块输出的有功功率变化量全部直接叠加在预设参考功率上的区别在于，虚拟同步发电机中存在虚拟惯量，一次调频模块输出的有功功率变化量响应速度较慢，导致功率变换电路的输出功率无法快速向交流电网或交流负载提供频率支撑。此时功率变换电路的输出功率可以参见图5，图5为现有技术中功率变换器的输出功率的一波形示意图。如图5所示，在t
70
时刻，交流电网的频率降低至预设下限频率，但由于虚拟惯量的存在，一次调频模块输出的有功功率变化量在t
71
时刻才开始叠加在p
ref
δpj上。在t
70
时刻至t
71
时刻之间只有惯量功率在支撑交流电网的频率，即在交流电网的频率降低至预设下限频率之后的δt
71
时长，一次调频模块才在功率变换电路上输出。由于δt
71
时长太长，δt
71
时长远大于图2中示出的δt
41
时长，一次调频模块基本失效，表现为图5中示出的t
71
时刻之后的功率变换电路即使叠加了有功功率变化量，功率变换电路的输出功率的斜率还是很小，小于图2中示出的t
41
时刻之后的斜率。因此，在本技术实施例中，附加功率调节模块5012计算得到的功角控制量δfc直接参与功角的计算，没有经过虚拟同步发电机，使得本技术实施例的第一调频功率的响应迅速。
[0077]
现有技术中也有直接将一次调频模块输出的有功功率变化量全部不经过虚拟同步发电机，直接参与功角的计算，此时功率变换电路的输出功率可以参见图6，图6为现有技
术中功率变换器的输出功率的另一波形示意图。如图6所示，在t
80
时刻，交流电网的频率降低至预设下限频率，一次调频模块输出的有功功率变化量快速响应，使得交流电网的频率在t
80
时刻至t
81
时刻之间发生频率穿越，即交流电网的频率变化很小的时候，一次调频模块输出的有功功率变化量就快速响应并开始叠加在功率变换电路的输出功率中，破坏了虚拟惯量的输出，表现为惯量功率损失，导致一次调频模块对交流电网的频率降低至预设下限频率的起始阶段支撑不足。因此，在本技术实施例中，附加功率调节模块5012计算得到的有功功率调节量δp
fo
还是经过虚拟同步发电机，使得本技术实施例的第一调频功率的响应准确。
[0078]
本技术实施例通过增加附加功率调节模块，根据一次调频模块的输出分别计算得到有功功率调节量和功角控制量，其中有功功率调节量需要经过虚拟同步发电机，而功角控制量无需经过虚拟同步发电机，兼顾了惯量功率与一次调频功率的响应速度和准确程度，从而使得交流电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
[0079]
可选的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率为第三频率，控制功率变换电路的输出功率从第二功率调节至第三功率。其中，第三频率与交流电网工频之差的绝对值大于第二频率与交流电网工频之差的绝对值。在交流电网欠频时，第三频率小于交流电网工频且第三频率小于第二频率。在交流电网过频时，第三频率大于交流电网工频且第三频率大于第二频率。可以理解的是，在交流电网的频率为第三频率时，第一惯量功率退出，从而对交流电网提供稳定的频率支撑。
[0080]
示例性的，在交流电网欠频时，功率变换电路的输出功率的波形示意图可以如图7中示出的t
41
时刻至t
44
时刻之间的波形。控制器在t
41
时刻至t
42
时刻检测到的交流电网的频率为第二频率，即第二频率表示t
41
时刻至t
42
时刻的频率区间。在t
42
时刻至t
44
时刻检测到的交流电网的频率为第三频率。可以看出第三频率是固定值。
[0081]
具体实现中，功率变换电路的输出功率在t
41
时刻至t
42
时刻之间持续叠加第一调频功率(即叠加有功功率调节量)。在交流电网的频率降低的过程中，第一调频功率的取值是正数，表示为δp
fo
，则功率变换电路的输出功率可以表示为p
ref
δpj δp
fo
。功率变换电路的输出功率在t
42
时刻达到第二功率p
42
。
[0082]
可以看出，t
42
时刻是交流电网的频率从降低到不变的时刻，即交流电网的频率变化结束的时刻。此时控制器控制功率变换电路的输出功率在t
42
时刻开始降低，并在t
43
时刻降低至第三功率p
43
。该第三功率p
43
为第二功率p
42
与第一惯量功率之差，第三功率p
43
＝
42-δpj。即交流电网的频率不变时，第一惯量功率退出。在交流电网的频率不变的过程中，功率变换电路的输出功率也不变，维持在第三功率p
43
。
[0083]
更进一步的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率从第三频率变为第四频率，控制功率变换电路的输出功率从第三功率调节至第四功率。其中，第四功率为第三功率叠加第二惯量功率和第二调频功率之后的功率，第四频率与交流电网工频之差的绝对值小于第三频率与交流电网工频之差的绝对值。该第四频率可以是固定值，也可以是频率区间。在交流电网欠频时，第四频率大于第三频率，且第四频率小于交流电网工频，此时第二惯量功率的取值为负数，第二调频功率的取值为正数。在交流电网过频时，第四频率小于第三频率，且第四频率大于交流电网工频，此时第二惯量功率的取值为正数，第二调频功率的取值为负数。实施本技术实施例，可以使并网功率变换器为交流电网提供稳
定且准确的频率支撑。
[0084]
示例性的，在交流电网欠频时，功率变换电路的输出波形示意图可以如图7中示出的t
44
时刻至t
46
时刻之间的波形。可以看出，在t
44
时刻至t
46
时刻，交流电网的频率从不变到增大，虽然此时交流电网的频率开始增大，但交流电网的频率还是低于交流电网工频fn的，则控制器在t
44
时刻至t
46
时刻检测到的交流电网的频率为第四频率，即第四频率表示t
44
时刻至t
46
时刻的频率区间，并且第四频率小于交流电网工频fn。
[0085]
t
44
时刻可以理解为交流电网的频率开始恢复的时刻，功率变换电路的输出功率响应第二惯量功率，由于此时取值是正数，根据公式2可以得到第二惯量功率的取值是负数，表示为-δpj。则功率变换电路的输出功率在t
44
时刻开始减小。
[0086]
功率变换电路的输出功率在t
45
时刻开始在响应第二惯量功率的基础上进一步叠加第二调频功率，随着第四频率与交流电网工频fn之差的绝对值减小，控制器会降低第二调频功率，即此时第二调频功率减小，直至功率变换电路的输出功率从第三功率p
43
调节至第四功率p
44
，从而在交流电网的欠频程度逐渐减小时，为交流电网提供动态的频率支撑。其中，第二调频功率减小为第二调频功率的数值是减小的。
[0087]
并且，根据公式3和公式4可以得到第二调频功率的取值是正数，表示为δp
fo
，则第四功率p
44
＝
ref-δpj δp
fo
，其中，第四功率p
44
为功率变换电路在t
46
时刻的输出功率。可以理解的是，在t
45
时刻至t
46
时刻，功率变换电路的输出功率是预设参考功率、第二惯量功率和第二调频功率三者的叠加，由于第二惯量功率取值是负数，第二调频功率即使是正数，第二惯量功率的绝对值大于第二调频功率，所以在t
45
时刻至t
46
时刻，功率变换电路的输出功率还是减小，但相对t
44
时刻至t
45
时刻，叠加了取值为正数的第二调频功率，功率变换电路的输出功率减小的速度变慢了。
[0088]
同理的，控制器在交流电网的频率从不变到增大时，还是控制功率变换电路优先响应第二惯量功率，然后再快速响应第二调频功率。具体实现中，可以按照图3中示出的控制框图来实现，具体可以参考前文结合图3的描述，此处不再赘述。
[0089]
更进一步的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率从第四频率变为交流电网工频，控制功率变换电路的输出功率从第四功率调节至预设参考功率。实施本技术实施例，可以在交流电网的频率逐渐恢复至交流电网工频的过程中，为交流电网提供动态的频率支撑。
[0090]
具体实现中，在交流电网欠频时，控制器在检测到交流电网的频率从第四频率增大至交流电网工频时，控制功率变换电路的输出功率从第四功率增大至预设参考功率。此时，功率变换电路的输出波形示意图可以如图7中示出的t
46
时刻之后的波形。控制器在t
46
时刻检测到交流电网的频率增大至交流电网工频fn，t
46
时刻可以理解为交流电网的频率恢复结束的时刻。第二惯量功率和第二调频功率在t
46
时刻开始退出，并在t
47
时刻退出完成，则在t
47
时刻，功率变换电路的输出功率为预设参考功率p
ref
。
[0091]
可选的，在一些可行的实施方式中，在功率变换电路响应了第一惯量功率之后再叠加第一调频功率得到的功率较大，示例性的，可以对功率变换电路的输出功率的上限进行限制，具体地，在交流电网欠频时，第二频率小于交流电网工频，此时第二功率小于或等于功率变换电路的最大输出功率。此时，功率变换电路的输出功率的波形示意图如图8所
示。从图8可以看出，在t
41
时刻至t
42
时刻，功率变换电路的输出功率表示为p
out
′
，最大为上限功率p
42
′
。
[0092]
同理的，在功率变换电路响应了第二惯量功率之后再叠加第二调频功率可以得到的功率较小，示例性的，可以对功率变换电路的输出功率的下限进行限制，具体地，在交流电网欠频时，第四频率小于交流电网工频，此时第四功率大于或等于功率变换电路的最小输出功率。此时，从图8可以看出，在t
45
时刻至t
46
时刻，功率变换电路的输出功率最小为下限功率p
45
′
。
[0093]
其中，功率变换电路的最大输出功率或最小输出功率可以是预先设置的值，或者是根据并网功率变换器中所使用的器件决定的值。示例性的，功率变换电路的最大输出功率或最小输出功率为并网功率变换器的最大输出功率或最小输出功率。
[0094]
实施本技术实施例，可以使得功率变换电路的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
[0095]
前文结合图2至图8所描述实施例是以交流电网欠频时，并网功率变换器向交流电网输出功率为例，定义的是并网功率变换器向交流电网输出功率的方向为正方向，则并网功率变换器即功率变换电路的输出功率的曲线都是在0轴之上。
[0096]
可选的，在一些可行的实施方式中，在交流电网欠频时，并网功率变换器可以应用在充电场景下，即交流电网向并网功率变换器输出功率，依然以并网功率变换器向交流电网输出功率的方向为正方向，则此时功率变换电路的输出功率的曲线都是在0轴之下，具体波形示意图可以参见图9至图10。
[0097]
参见图9，图9为本技术实施例提供的并网功率变换器的输出功率的又一波形示意图。如图9所示，功率变换电路的输出功率的波形示意图与图7中示出的波形示意图的区别在于，功率变换电路的输出功率小于0。具体实现中，控制器对功率变换电路的输出功率的控制可以参考图7所描述实施例。
[0098]
同理的，图10中示出的波形示意图与图8中示出的波形示意图的区别在于，功率变换电路的输出功率小于0。具体实现中，控制器对功率变换电路的输出功率的控制可以参考图8所描述实施例。
[0099]
可选的，在一些可行的实施方式中，在交流电网过频时，功率变换电路的输出功率的波形示意图可以如图11所示。fn为交流电网工频，f
set
为预设上限频率，f
g1
为交流电网的频率；p
out1
为功率变换电路的输出功率，p
ref
为交流电网工频。可以看出，在t
130
时刻至t
131
时刻，交流电网的频率大于交流电网工频fn，小于预设上限频率f
set
，则控制器在t
130
时刻至t
131
时刻检测到交流电网的频率即为第一频率，即第一频率表示t
130
时刻至t
131
时刻的频率区间。在t
131
时刻之后，交流电网的频率大于预设上限频率f
set
，则控制器在t
131
时刻之后检测到交流电网的频率即为第二频率。
[0100]
具体实现中，控制器在检测到交流电网的频率为第一频率时，随着第一频率与交流电网工频fn之差的绝对值增大控制第一惯量功率减小，直至功率变换电路的输出功率从预设参考功率p
ref
减小至第一功率p
131
。其中，第一功率p
131
为预设参考功率p
ref
与第一惯量功率之和，第一惯量功率减小可以理解为第一惯量功率的数值是减小的。根据公式2可以得知，在交流电网的频率增大的过程中，第一惯量功率的取值为负数，表示为-δpj。则第一功率p
131
＝
ref-δpj。第一惯量功率在t
131
时刻响应到位。
[0101]
并且，控制器在检测到交流电网的频率为第二频率时，随着第二频率与交流电网工频fn之差的绝对值增大降低第一调频功率，即此时第一调频功率减小，直至功率变换电路的输出功率从第一功率p
131
调节至第二功率，从而可以在交流电网的过频程度逐渐增大时，为交流电网提供动态的频率支撑。其中，第二功率为第一功率p
131
与第一调频功率之和，第一调频功率减小可以理解为第二调频功率的数值是减小的。
[0102]
在一些可行的实施方式中，由图11可以看出，功率变换电路的输出功率在t
131
时刻开始在第一功率p
131
的基础上叠加第一调频功率。具体实现中，控制器可以监测功率变换电路的输出功率，在功率变换电路的输出功率达到第一功率时，即向功率变换电路发送控制信号。可选的，控制器可以在检测到交流电网的频率开始从交流电网工频变为第一频率时，即图11中的t
130
时刻，预先设置好第二预设时长，在该第二预设时长内第一惯量功率可以响应到位，然后从t
130
时刻开始等待第二预设时长之后，再向功率变换电路发送控制信号。其中，控制信号用于控制功率变换电路的输出功率在第一功率p
131
的基础上叠加第一调频功率。
[0103]
控制器还是控制功率变换电路优先响应第一惯量功率，然后再快速响应第一调频功率。具体实现可以参考前文结合图3和图4所描述实施例，此处不再赘述。
[0104]
进一步的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率为第三频率，控制功率变换电路的输出功率从第二功率调节至第三功率。示例性的，在交流电网过频时，功率变换电路的输出功率的波形示意图可以如图11中示出的t
131
时刻至t
134
时刻之间的波形。
[0105]
控制器在t
131
时刻至t
132
时刻检测到的交流电网的频率为第二频率，即第二频率表示t
131
时刻至t
132
时刻的频率区间。在t
132
时刻至t
134
时刻检测到的交流电网的频率为第三频率。可以看出第三频率是固定值。
[0106]
具体实现中，功率变换电路的输出功率在t
131
时刻至t
132
时刻之间持续叠加第一调频功率(即叠加有功功率调节量)。在交流电网的频率增大的过程中，第一调频功率的取值是负数，表示为-δp
fo
，则功率变换电路的输出功率可以表示为p
ref-δp
j-δp
fo
。功率变换电路的输出功率在t
132
时刻达到第二功率p
132
。
[0107]
可以看出，t
132
时刻是交流电网的频率从增大到不变的时刻，即交流电变化结束的时刻。此时功率变换电路的输出功率在t
132
时刻开始增大，并在t
133
时刻增大至第三功率p
133
。该第三功率p
133
为第二功率p
132
与第一惯量功率之差，第三功率p
133
＝
132
δpj。即交流电网的频率不变时，第一惯量功率退出。在交流电网的频率不变的过程中，功率变换电路的输出功率也不变，维持在第三功率p
133
。
[0108]
更进一步的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率从第三频率变为第四频率，控制功率变换电路的输出功率从第三功率调节至第四功率。示例性的，在交流电网过频时，功率变换电路的输出波形示意图可以如图12中示出的t
134
时刻至t
136
时刻之间的波形。可以看出，在t
134
时刻至t
136
时刻，交流电网的频率从不变到减小，虽然此时交流电网的频率开始减小，但交流电网的频率还是高于交流电网工频fn的，则控制器在t
134
时刻至t
136
时刻检测到的交流电网的频率为第四频率，即第四频率表示t
134
时刻至t
136
时刻的频率区间。
[0109]
t
134
时刻可以理解为交流电网的频率开始恢复的时刻，功率变换电路的输出功率
响应第二惯量功率，由于此时取值是负数，根据公式2可以得到第二惯量功率的取值是正数，表示为δpj。则功率变换电路的输出功率在t
134
时刻开始增大。
[0110]
功率变换电路的输出功率在t
135
时刻开始响应第二惯量功率的基础上进一步叠加第二调频功率，随着第四频率与交流电网工频fn之差的绝对值逐渐减小，控制器升高第二调频功率，即此时第二调频功率增大，直至功率变换电路的输出功率从第三功率p
133
调节至第四功率p
134
，从而在交流电网的过频程度逐渐减小时，为交流电网提供动态的频率支撑。其中，第二调频功率增大为第二调频功率的数值是增大的。
[0111]
并且，根据公式3和公式4可以得到第二调频功率的取值是负数，表示为-δp
fo
，则第四功率p
134
＝
ref
δp
j-δp
fo
，其中，第四功率p
134
为功率变换电路在t
136
时刻的输出功率。可以理解的是，在t
135
时刻至t
136
时刻，功率变换电路的输出功率是预设参考功率、第二惯量功率和第二调频功率三者的叠加，由于第二惯量功率取值是正数，第二调频功率即使是负数，第二惯量功率的绝对值大于第二调频功率的绝对值，所以在t
135
时刻至t
136
时刻，功率变换电路的输出功率还是增大，但相对t
134
时刻至t
135
时刻，叠加了取值为负数的第二调频功率，功率变换电路的输出功率增大的速度变慢了。
[0112]
同理的，控制器在交流电网的频率从不变到减小时，还是控制功率变换电路优先响应第二惯量功率，然后再快速响应第二调频功率。具体实现中，可以按照图3中示出的控制框图来实现，具体可以参考前文结合图3的描述，此处不再赘述。
[0113]
更进一步的，在一些可行的实施方式中，控制器响应于交流电网的频率从第四频率变为交流电网工频，控制功率变换电路的输出功率从第四功率调节至预设参考功率。具体实现中，在交流电网过频时，控制器在检测到交流电网的频率从第四频率减小至交流电网工频时，控制功率变换电路的输出功率从第四功率减小至预设参考功率。此时，功率变换电路的输出波形示意图可以如图13中示出的t
136
时刻之后的波形。控制器在t
136
时刻检测到交流电网的频率减小至交流电网工频fn，t
136
时刻可以理解为交流电网的频率恢复结束的时刻。第二惯量功率和第二调频功率在t
136
时刻开始退出，并在t
137
时刻退出完成，则在t
137
时刻，功率变换电路的输出功率为预设参考功率p
ref
。
[0114]
可选的，在一些可行的实施方式中，在功率变换电路响应了第一惯量功率之后再叠加第一调频功率得到的功率较小，示例性的，可以对功率变换电路的输出功率的下限进行限制，具体地，在交流电网过频时，第二频率大于交流电网工频，此时第二功率大于或等于功率变换电路的最小输出功率。此时，功率变换电路的输出功率的波形示意图如图13所示。从图13可以看出，在t
131
时刻至t
132
时刻，功率变换电路的输出功率表示为p
out1
′
，最小为下限功率p
132
′
。
[0115]
同理的，在功率变换电路响应了第二惯量功率之后再叠加第二调频功率可以得到的功率较大，示例性的，可以对功率变换电路的输出功率的上限进行限制，具体地，在交流电网过频时，第四频率大于交流电网工频，此时第四功率小于或等于功率变换电路的最大输出功率。此时，从图13可以看出，在t
135
时刻至t
136
时刻，功率变换电路的输出功率最大为下限功率p
135
′
。
[0116]
实施本技术实施例，可以使得功率变换电路的输出功率位于额定的安全功率区间，进而提高并网功率变换器的使用安全性以及对交流电网的支撑可靠性。
[0117]
前文结合图11至图13所描述实施例是以交流电网过频时，并网功率变换器向交流电网输出功率为例，定义的是并网功率变换器向交流电网输出功率的方向为正方向，则并网功率变换器即功率变换电路的输出功率的曲线都是在0轴之上。
[0118]
可选的，在一些可行的实施方式中，交流电网过频时，并网功率变换器可以应用在充电场景下，即交流电网向并网功率变换器输出功率，依然以并网功率变换器向交流电网输出功率的方向为正方向，则此时功率变换电路的输出功率的曲线都是在0轴之下，具体波形示意图可以参见图14至图15。
[0119]
参见图14，图14为本技术实施例提供的并网功率变换器的输出功率的又一波形示意图。如图14所示，功率变换电路的输出功率的波形示意图与图12中示出的波形示意图的区别在于，功率变换电路的输出功率小于0。具体实现中，控制器对功率变换电路的输出功率的控制可以参考图12所描述实施例。
[0120]
同理的，图15中示出的波形示意图与图13中示出的波形示意图的区别在于，功率变换电路的输出功率小于0。具体实现中，控制器对功率变换电路的输出功率的控制可以参考图13所描述实施例。
[0121]
参见图16，图16为本技术实施例提供的并网功率变换器的功率控制方法的流程示意图。如图16所示，该方法包括以下步骤s101-步骤s102。
[0122]
步骤s101，响应于交流电网的频率为第一频率，控制并网功率变换器的输出功率从预设参考功率调节至第一功率。
[0123]
其中，预设参考功率为交流电网稳定时并网功率变换器的输出功率，第一功率为预设参考功率与第一惯量功率之和，第一惯量功率为并网功率变换器模拟同步发电机的惯性特性而得到的功率。
[0124]
步骤s102，响应于交流电网的频率为第二频率，控制并网功率变换器的输出功率从第一功率调节至第二功率。
[0125]
其中，第二功率为第一功率与第一调频功率之和，第二频率与交流电网工频之差的绝对值大于第一频率与交流电网工频之差的绝对值。其中，第一频率和第二频率可以既是固定值，也可以是频率区间。可选地，交流电网工频为交流电网正常工作状态下所对应的频率。
[0126]
具体实现中，本技术实施例提供的并网功率变换器的功率控制方法的具体实现方式可参见上述图1至图15所描述实施例，在此不再赘述。并且，该方法中并网功率变换器的输出功率、最大输出功率以及最小输出功率分别与图1至图15所描述实施例中的功率变换电路的输出功率、最大输出功率以及最小输出功率对应。
[0127]
在本技术实施例中，在交流电网的频率偏离交流电网工频时，通过优先在预设参考功率的基础上叠加第一惯量功率，可以使得交流电网得到快速的频率支撑，在交流电网的频率进一步偏离交流电网工频时，通过在预设参考功率和第一惯量功率的基础上继续叠加第一调频功率，可以使得交流电网得到更加稳定和准确的频率支撑。
[0128]
需要说明的是，上述术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0129]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。