CN102820646A - 一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，包括控制单元，检测单元、可切换制动电阻单元、功率电压调节单元和全桥制动单元；可切换制动电阻单元：用于对整流端的输出进行第一级功率释放的装置；功率电压调节单元：用于对可切换制动电阻单元的输出进行第二级功率释放的装置；全桥制动单元：用于对逆变端的输出进行第三级功率释放的装置。本发明方法实时检测直流侧母线电压与交流侧母线电压，检测到故障信号时，直流切换开关断开、第二全控开关的关合、动态导通第一全控开关，进行动态电压调节，实现剩余功率的最大释放。本方法能有效抑制直流母线过电压，避免直流输电系统设备闭锁，保证剩余功率最大传输，并能在故障期间正常工作。

Description

一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置及方法
技术领域
本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置及方法。
背景技术
对于柔性直流输电而言，为了不影响交流电网稳定运行的环境以及直流设备本身的安全可靠性，要求当电网出现电网电压跌落严重故障时（如三相短路故障等），直流输电设备尽可能不要进行故障闭锁，直流的故障闭锁以及故障恢复后的重新投入会对整个交直流并联系统带来很大的冲击，同时对柔性直流输电系统的损害性也是巨大的。因此要求柔性直流输电系统能够在故障发生时继续运行，实现故障穿越功能。截止目前，柔性直流技术处于新兴发展阶段，现有的故障穿越技术还仅仅停留在采用单一的Crowbar电路原理，发生故障时进行过剩功率释放，或是仅仅依靠调节柔性直流输电系统的控制方式切换来完成稳定直流母线电压的作用。这些技术存在严重的局限性，没有很好的达到提高柔性直流交流故障穿越水平以及抑制直流母线电压波动。因此设计出结合控制方法与控制硬件结构，能够以最优化方式为故障时过剩功率提供路径并同时稳定直流母线电压的研究工作显得极其重要。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置及方法，使故障电流分解，降低逆变器过流损耗，实现柔性直流输电的故障穿越。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，包括控制单元，检测单元，还包括可切换制动电阻单元、功率电压调节单元和全桥制动单元；
所述的可切换制动电阻单元是用于对整流端的输出进行第一级功率释放的装置，所述的功率电压调节单元是用于对可切换制动电阻单元的输出进行第二级功率释放的装置，所述的全桥制动单元是用于对逆变端的输出进行第三级功率释放的装置，其中，可切换制动电阻单元与柔性直流输电系统逆变端的直流母线串联，功率电压调节单元与柔性直流输电系统逆变端的直流母线并联，全桥制动单元与柔性直流输电系统逆变端的交流母线并联，并且可切换制动电阻单元的输出端连接功率电压调节单元的输入端，全桥制动单元的输入端连接逆变端的输出端，检测单元的两个控制端连接柔性直流输电系统整流端的输出端，两个控制端连接逆变端的输入端，另外三个输出端连接电网的输入端。
所述可切换制动电阻单元包括直流切换开关和第一制动电阻，且二者并联，通过使直流切换开关处于断开状态，使第一制动电阻导通，功率释放。
所述功率电压调节单元包括第一电容、第二电容、储能电感、第一全控开关、电力二极管和第二制动电阻，第一电容的正极分别连接可切换制动电阻单元的输出端和储能电感的一端，第一电容的负极连接到直流母线，储能电感的另一端分别连接电力二极管一端和第一全控开关的一端，电力二极管的另一端分别连接第二制动电阻的一端和第二电容的一端，第二电容的另一端分别连接第二制动电阻的另一端和第一全控开关的另一端，第一电容的负极连接第一全控开关的另一端，通过使第一全控开关处于导通状态进行功率释放。
所述全桥制动单元包括全桥整流电路、第三制动电阻和第二全控开关，其中，全桥整流电路并联在柔性直流输电系统逆变端的交流侧母线上，全桥整流电路的输出端串联第三制动电阻和第二全控开关，通过使第二全控开关处于导通状态，进行功率释放。
所述检测单元用于实时检测柔性直流输电系统逆变端的直流侧母线电压与交流侧母线电压。
所述控制单元通过向可切换制动电阻单元、功率电压调节单元和全桥制动单元发送控制信号，实现功率调节。
采用上述柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置实现柔性直流输电时电网故障穿越的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：检测单元实时检测柔性直流输电系统逆变端的直流侧母线电压与交流侧母线电压；
步骤2：对检测到的信号进行AD转换，转换后的数字信号传输至控制单元；
步骤3：判断该信号是否为故障信号，是则执行步骤4，否则返回步骤1；
判断检测信号是否为故障信号，具体如下：故障瞬间柔性直流输电系统输送的功率大于故障瞬间逆变端输出的功率，两功率直接产生的功率差形成剩余功率，导致直流母线电压迅速上升，若故障时检测单元检测到逆变端的直流母线电压U1≥2Udc（Udc为故障前直流母线电压）且逆变端的交流侧母线电压Uabc≤0.1Uabc（Uabc为故障前逆变端交流侧母线电压值），则柔性直流输电系统逆变端的交流侧出现电网电压跌落故障，即判断检测信号为电网电压跌落故障信号，此时执行步骤4；
步骤4：控制单元生成直流切换开关断开信号、第二全控开关的关合信号、导通第一全控开关的PWM控制信号；
故障时的直流母线电压和电流作为柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置的输入电压和输入电流，进入可切换制动电阻单元，当直流切换开关断开时，该直流母线输入电流通过第一制动电阻，在第一制动电阻上释放一部分功率，剩余功率进入功率电压调节单元，控制单元发出PWM控制信号控制第一全控开关动态导通，第一电容向储能电感储能，从而消耗一部分功率，剩余功率作为功率电压调节单元的输出信号，经逆变端输出至逆变端的交流侧，此时第二全控开关关合，经逆变端输出的剩余功率流经第三制动电阻，消耗一部分剩余功率。
步骤5：依据实时检测的故障时逆变端的直流母线电压U1与经过功率电压调节的直流母线反馈电压U2，动态判断
Figure BDA00001999290600031
是否成立，不成立则执行步骤6，成立则继续循环执行步骤5；
步骤6：对经过功率电压调节的直流母线反馈电压U2进行PI控制调节，计算PWM占空比，并输出PWM控制信号动态维持
Figure BDA00001999290600032
实现剩余功率的最大释放；
步骤7：检测单元检测到故障信号隔离或消失，执行步骤8；
步骤8：控制单元向可切换制动单元与全桥制动单元发送退出运行的控制信号，向功率电压调节单元发送PWM脉冲闭锁控制信号，使直流切换开关闭合，第一全控开关和第二全控开关断开；
步骤9：完成故障穿越。
有益效果：
本发明有利于提高柔性直流输电的交流故障穿越能力。在柔性直流输电系统中，加入可切换制动电阻单元、功率电压调节单元、全桥制动单元，构成柔性直流输电系统交流故障穿越的协调控制结构，通过本发明的控制方法对该控制结构进行协调控制，实现故障过程中过剩功率的最大释放通路，抑制由交流故障引起的直流母线过电压，同时避免直流输电系统设备闭锁，使其在故障过程中进行功率传输，同时通过应用该控制装置与控制方法减小了逆变器侧的故障电流，以最优方式来分解故障电流，保证剩余功率最大传输，降低了逆变器过流损耗，并能在故障期间正常工作，整体实现了柔性直流输电的交流故障穿越。为系统安全稳定提供了良好的运行环境。整体控制结构紧凑，各单元间优化合理协调工作，以最低损耗的方式实现了故障穿越，具有推广意义。
附图说明
图1本发明具体实施方式的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置结构示意图，其中，1-可切换制动电阻单元，2-功率电压调节单元，3-全桥制动单元，4-检测单元，5-控制单元，6-整流端，7-逆变端，8-三相电网；
图2本发明具体实施方式的柔性直流输电系统电网故障穿越控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。
本实施方式中，柔性直流输电系统输电容量为100MW，直流母线电压为±220KV，如图1所示，本实施方式的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，包括可切换制动电阻单元1、功率电压调节单元2、全桥制动单元3、检测单元4和控制单元5；该装置连接到柔性直流输电系统中，该系统包括三相电网8、整流端6和逆变端7；
可切换制动电阻单元1串联在柔性直流输电系统逆变端7的直流母线上，功率电压调节单元2并联在柔性直流输电系统逆变端7的直流母线上，且功率电压调节单元的输入端连接可切换制动电阻单元的输出端，全桥制动单元3并联在柔性直流输电系统逆变端7的交流母线上，检测单元4的检测端中，其中两个检测端连接整流端6的输出端，两个检测端连接柔性直流输电系统逆变端7输入端，三个检测端连接三相电网8的输入端，控制单元5的控制端分别与可切换制动电阻单元1、功率电压调节单元2、全桥制动单元3连接。
所述可切换制动电阻单元1包括直流切换开关S1和第一制动电阻R1，第一制动电阻R1与直流切换开关S1并联；直流切换开关S1为大容量的含辅助切换功能的电力晶闸管，第一制动电阻R1为大功率电阻，阻值为4Ω，控制单元通过控制直流切换开关的关断来实现功率的消耗，即通过使直流切换开关处于断开状态，使第一制动电阻导通，功率释放。
所述功率电压调节单元2包括第一电容C1、第二电容C2、储能电感L1、第一全控开关VT1、电力二极管VD1和第二制动电阻R2，第一电容C1的正极分别连接可切换制动电阻单元2的输出端和储能电感L1的一端，第一电容C1的负极连接到直流母线，储能电感L1的另一端分别连接电力二极管VD1一端和第一全控开关VT1的一端，电力二极管VD1的另一端分别连接第二制动电阻R2的一端和第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端分别连接第二制动电阻R2的另一端和第一全控开关VT1的另一端，第一电容C1的负极连接第一全控开关VT1的另一端，通过使第一全控开关VT1处于导通状态进行功率释放。
通过控制单元5输出的PWM（脉冲宽度调制）控制信号对第一全控开关VT1进行控制，调节占空比，实现功率电压调节单元2两端的电压调节，进而完成功率电压单元2并联端口的剩余功率控制。当第一全控开关VT1导通时，导通时间为ton，第一电容C1向储能电感L1储能，能量为U2I，当第一全控开关VT1关断时，关断时间为toff，储能电感L1通过电力二极管VD1向第二电容C2与第二制动电阻R2释放能量，整个过程中能量守恒，得出公式为：U2Iton=(U0-U2)Itoff。该单元输入输出电压关系式为：
Figure BDA00001999290600041
定义
Figure BDA00001999290600042
其中β为全控开关的占空比，T为全控开关进行开通与关断整体动作过程的周期。输入平均电流为：
Figure BDA00001999290600051
输入阻抗为：因此，通过调节第一全控开关VT1可以调节功率电压调节单元2的输入阻抗。可见通过调节第一全控开关VT1实现输入阻抗的调节，功率电压调节单元2的输入阻抗与逆变端7输出阻抗之和等于第一制动电阻R1时，逆变端7直流母线在故障期间传送的剩余功率是最大的，因此平稳了直流母线电压，同时完成了故障穿越过程。
所述全桥制动单元3包括全桥整流电路、第三制动电阻R3和第二全控开关VT2，其中，全桥整流电路并联在柔性直流输电系统逆变端的交流侧母线上，全桥整流电路的输出端串联第三制动电阻R3和第二全控开关VT2；当逆变端的交流侧发生电网电压跌落故障时，控制单元5控制第二全控开关VT2关合，故障电流流过第三制动电阻R3，并消耗进入全桥制动单元3的剩余功率。第三制动电阻R3为大功率电阻，阻值2Ω。
本实施方式中，检测单元4采用高压直流隔离互感器与TYD-500/
Figure BDA00001999290600053
防污型电压互感器，实时检测柔性直流输电系统逆变端7的直流侧母线电压与交流侧母线电压，检测单元4的输出端连接控制单元5的输入端，把检测信号传送给控制单元5。
本实施方式中，控制单元5采用以嵌入式控制芯片DSP28335为核心的可编程控制装置，根据检测单元4的检测信号判断三相电网8是否出现故障，控制单元5的控制端与直流切换开关S1、第一全控开关VT1以及第二全控开关VT2的控制端相连；当出现故障时，控制单元5生成直流切换开关S1开断信号、第一全控开关VT1的PWM功率电压调节信号、第二全控开关VT2的关合信号，并将所生成的控制信号分别传送给可切换制动电阻单元1、功率电压调节单元2、全桥制动单元3。
采用上述柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置进行柔性直流输电系统电网故障穿越的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：检测单元实时检测柔性直流输电系统逆变端的直流侧母线电压与交流侧母线电压；
步骤2：对检测到的信号进行AD转换，转换后的数字信号送入控制单元；
步骤3：判断该信号是否为故障信号，是则执行步骤4，否则返回步骤1；
判断检测信号是否为故障信号，具体如下：故障瞬间柔性直流输电系统输送的功率大于故障瞬间逆变端输出的功率，两功率直接产生的功率差形成剩余功率，导致直流母线电压迅速上升，若检测单元检测到逆变端的直流母线电压U1≥2Udc（Udc为故障前直流母线电压）且逆变端的交流侧母线电压Uabc≤0.1Uabc（Uabc为故障前逆变端交流侧母线电压值），则判断为柔性直流输电系统逆变端的交流侧出现电网电压跌落故障，此时执行步骤4；
步骤4：控制单元生成直流切换开关断开信号、第二全控开关的关合信号、第一全控开关的PWM控制信号；
故障时的直流母线电压和电流作为柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置的输入电压和输入电流，进入可切换制动电阻单元，当直流切换开关断开时，该直流母线输入电流通过第一制动电阻，在第一制动电阻上释放一部分功率，剩余功率进入功率电压调节单元，控制单元发出PWM控制信号控制第一全控开关导通，第一电容向储能电感储能，从而消耗一部分功率，剩余功率作为功率电压调节单元的输出信号，经逆变端输出至逆变端的交流侧，此时第二全控开关关合，经逆变端输出的剩余功率流经第三制动电阻，消耗一部分剩余功率。
步骤5：依据实时检测的故障时柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置的输入电压U1与经过功率电压调节的直流侧母线电压U2，动态判断
Figure BDA00001999290600061
等式是否成立，等式不成立则执行步骤6，成立则继续循环执行步骤5；
步骤6：对经过功率电压调节的直流侧母线电压U2进行PI控制调节，计算PWM占空比，并输出PWM控制信号动态维持
Figure BDA00001999290600062
实现剩余功率的最大释放；
当时，对直流侧母线反馈电压U2进行PI控制调节：给定值
Figure BDA00001999290600064
与直流母线反馈电压值U2作比较，经过比例积分环节调节，计算并确定调节占空比β，输出具有β占空比的PWM控制指令给第一全控开关（VT1）进行电压U2调节，以
Figure BDA00001999290600065
为调节基准，实现动态调节过程U2↑→Rin↑→ΔP↑→U1↓→U2↓（其中Rin为U2端口的输入电阻，ΔP为释放的剩余功率），时刻维持
Figure BDA00001999290600066
保持剩余功率ΔP最大释放，从而完成故障过程中，保证功率瞬间不平衡情况下的系统正常运行，达到故障穿越要求。
步骤7：检测单元检测到故障信号消失，执行步骤8；
步骤8：控制单元向可切换制动单元与全桥制动单元发送退出运行的控制信号，向功率电压调节单元发送PWM脉冲闭锁控制信号，使直流切换开关闭合，第一全控开关和第二全控开关断开；
步骤9：完成故障穿越。

Claims (9)

1.一种柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，包括：控制单元（5），检测单元（4），其特征在于：还包括可切换制动电阻单元（1）、功率电压调节单元（2）和全桥制动单元（3）；
可切换制动电阻单元（1）：用于对整流端的输出进行第一级功率释放的装置；
功率电压调节单元（2）：用于对可切换制动电阻单元的输出进行第二级功率释放的装置；
全桥制动单元（3）：用于对逆变端的输出进行第三级功率释放的装置；
其中，可切换制动电阻单元（1）与柔性直流输电系统逆变端的直流母线串联，功率电压调节单元（2）与柔性直流输电系统逆变端的直流母线并联，全桥制动单元（3）与柔性直流输电系统逆变端的交流母线并联，并且可切换制动电阻单元（1）的输出端连接功率电压调节单元（2）的输入端，全桥制动单元（3）的输入端连接逆变端（7）的输出端，检测单元（4）的两个控制端连接柔性直流输电系统整流端（6）的输出端，两个控制端连接逆变端（7）的输入端，另外三个输出端连接电网的输入端。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述可切换制动电阻单元包括直流切换开关和第一制动电阻，且二者并联，通过使直流切换开关处于断开状态，使第一制动电阻导通，进行功率释放。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述功率电压调节单元（1）包括第一电容、第二电容、储能电感、第一全控开关、电力二极管和第二制动电阻，第一电容的正极分别连接可切换制动电阻单元（1）的输出端和储能电感的一端，第一电容的负极连接到直流母线，储能电感的另一端分别连接电力二极管一端和第一全控开关的一端，电力二极管的另一端分别连接第二制动电阻的一端和第二电容的一端，第二电容的另一端分别连接第二制动电阻的另一端和第一全控开关的另一端，第一电容的负极连接第一全控开关的另一端。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述第一全控开关，通过控制占空比指令使该开关处于动态导通状态并进行功率释放。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述全桥制动单元（3）包括全桥整流电路、第三制动电阻和第二全控开关，其中，全桥整流电路并联在柔性直流输电系统逆变端的交流侧母线上，全桥整流电路的输出端串联第三制动电阻和第二全控开关。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述的第二全控开关，通过使该开关处于导通状态，进行功率释放。
7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述检测单元（4）用于实时检测柔性直流输电系统逆变端（7）的直流侧母线电压与交流侧母线电压。
8.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置，其特征在于：所述控制单元通过向可切换制动电阻单元（1）、功率电压调节单元（2）和全桥制动单元（3）发送控制信号，实现功率调节。
9.采用权利要求1所述的柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置进行故障穿越的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：实时检测柔性直流输电系统逆变端的直流侧母线电压与交流侧母线电压；
步骤2：对检测到的信号进行AD转换，转换后的数字信号传输至控制单元；
步骤3：判断该信号是否为故障信号，是则执行步骤4，否则返回步骤1；
判断检测信号是否为故障信号，具体如下：故障瞬间柔性直流输电系统输送的功率大于故障瞬间逆变端输出的功率，两功率直接产生的功率差形成剩余功率，导致逆变端直流母线电压迅速上升，若故障时逆变端的直流母线电压U1≥2Udc，其中，Udc为故障前直流母线电压，并且逆变端的交流侧母线电压Uabc≤0.1Uabc，其中Uabc为故障前逆变端交流侧母线电压值，则柔性直流输电系统逆变端的交流侧出现电网电压跌落故障，即判断检测信号为电网电压跌落故障信号，此时执行步骤4；
步骤4：控制单元生成直流切换开关断开信号、第二全控开关的关合信号、导通第一全控开关的PWM控制信号；
步骤5：依据实时检测的故障时柔性直流输电系统电网故障穿越控制装置的输入电压U1与经过功率电压调节的直流母线反馈电压U2，动态判断
Figure FDA00001999290500021
是否成立，不成立则执行步骤6，成立则继续循环执行步骤5；
步骤6：对经过功率电压调节的直流母线反馈电压U2进行PI控制调节，计算PWM占空比，并输出PWM控制信号动态维持
Figure FDA00001999290500022
实现剩余功率的最大释放；
步骤7：检测单元检测到故障信号隔离或消失，执行步骤8；
步骤8：控制单元控制直流切换开关闭合，第一全控开关和第二全控开关断开；
步骤9：完成故障穿越。
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