CN104578736B - 基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法及变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法及变流器，控制方法包括下述步骤(1)采集电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc及直流母线电压V_dc；(2)根据所述电网电压v_gabc、所述变流器输出电流i_abc、所述直流母线电压V_dc以及变流器最大允许电流I_max获得用于保障变流器输出电压的安全的输出电压范围Ψ；(3)判断控制电压e_abc是否在安全的输出电压范围Ψ内，若是，则将所述输出电压e_abc输出，若否，则对所述控制电压e_abc进行限制后输出安全限制电压e_sabc。由于本发明采用直接限制变流器输出电压的方式限制变流器输出电流，无需切换至电流控制方法，且无需闭锁原有的虚拟同步控制，因此可提高系统的稳定性，并在故障期间对系统提供所需的惯性支撑。

Description

基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法及变流器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法及变流器。

背景技术

近年来，电力电子技术不断发展，越来越多的风电、光伏等新能源发电设备及用电设备，均通过变流器接入电网。虚拟同步控制是近年来新兴的变流器控制方法，其根据变流器与电网间流动的瞬时有功、无功功率直接控制变流器输出的电压，不同于传统的基于快速锁相环的电流控制。基于虚拟同步控制的变流器可为电网提供惯性支撑，电网友好性更佳。但在电网故障期间，电网电压快速变化，由于基于虚拟同步控制的变流器的输出电压由于惯性作用变化较慢，使得变流器的输出电压无法快速跟踪电网电压变化，变流器的输出电压与电网电压间的电压差增大，从而导致基于虚拟同步控制变流器的输出电流快速增大，使变流器因流经电流过大而被迫脱网以避免变流器损坏，可能会引起电网进一步连锁故障，不利于电网故障恢复。因此为提高经变流器并网设备的可靠性和故障穿越能力，需在电网故障期间对变流器输出电流加以限制。这极大地限制了虚拟同步控制在变流器中的应用。

现阶段，在电网短路故障期间，虚拟同步控制变流器的主要限流保护方法需经过快速的故障识别、闭锁虚拟同步控制，将控制算法切换到传统的电流控制方法，故障期间采用传统的电流控制方法。这样虽然对变流器的输出电流有一定的限制作用，但由于受故障检测方法和电流控制响应速度的限制，基于该方法电流限制性能并不理想，另外控制方法的切换容易造成系统不稳定；而且在故障期间虚拟同步控制方法闭锁，无法为系统提供所需的惯性支撑。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法及变流器，其目的在于有效限制电网故障时变流器的输出电流，保障设备的运行安全；旨在解决变流器因电网过载或短路故障引起的过流问题。

本发明提供了一种基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法，包括下述步骤：

(1)采集电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc及直流母线电压V_dc；

(2)根据所述电网电压v_gabc、所述变流器输出电流i_abc、所述直流母线电压V_dc以及变流器最大允许电流I_max获得用于保障变流器输出电压的安全的输出电压范围Ψ；

(3)判断控制电压e_abc是否在安全的输出电压范围Ψ内，若是，则将所述控制电压e_abc输出；若否，则对所述控制电压e_abc进行限制后输出安全限制电压e_sabc。

更进一步地，步骤(2)中获得所述安全的输出电压范围Ψ具体包括：

(2.1)获得所述电网电压v_gabc的相位θ_g，并根据所述相位θ_g将所述电网电压v_gabc和所述变流器输出电流i_abc分别进行PARK变换，获得电网电压d轴分量v_d、电网电压q轴分量v_q、电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q；

(2.2)根据变流器最大有功电流参考值I_dref和变流器最大允许电流值I_max获得最大无功电流参考值

(2.3)将所述电网电流d轴分量i_d与所述最大有功电流参考值I_dref作差，获得d轴电流差ΔI_d；对所述d轴电流差ΔI_d进行PI控制获得d轴输出电流误差值ΔI_d′；将d轴输出电流误差值ΔI_d′乘以变流器滤波器阻抗X后获得q轴电压差值ΔV_q；将电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q相加后获得q轴输出电压上限值e_qmax，并将电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q相减后获得q轴输出电压下限值e_qmin；

(2.4)将电网电流q轴分量i_q与最大无功电流参考值I_qref相减后获得q轴电流差ΔI_q；对所述q轴电流差ΔI_q进行PI控制获得q轴输出电流误差值ΔI_q′；将所述q轴输出电流误差值ΔI_q′乘以变流器滤波器阻抗X后获得d轴电压差值ΔV_d；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d相加后获得d轴输出电压上限值e_dmax；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d相减后获得d轴输出电压下限值e_dmin；

(2.5)所述d轴输出电压上限值e_dmax、d轴输出电压下限值e_dmin、q轴输出电压上限值e_qmax和q轴输出电压下限值e_qmin构成所述安全的输出电压范围Ψ。

更进一步地，步骤(3)具体为：

(3.1)根据相位θ_g对变流器控制单元的控制电压e_abc进行PARK变换，获得d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q；

(3.2)分别判断d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q是否在Ψ内；若d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q均在Ψ内，则将所述d轴控制电压e_d和所述q轴控制电压e_q直接输出；若d轴控制电压e_d或q轴控制电压e_q超出Ψ范围，则采用Ψ的边界值对d轴控制电压e_d或q轴控制电压e_q分别进行限制处理。获得d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q；

(3.3)将d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q输入直流电压限制器，得d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq；

(3.4)利用相位θ_g对d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq分别进行PARK反变换，获得安全限制电压e_sabc，用于产生PWM信号驱动变流器。

更进一步地，步骤(3.2)具体包括：

当e_d＞e_dmax时，输出e′_d＝e_dmax；当e_dmin≤e_d≤e_dmax时，输出e′_d＝e_d；当e_d＜e_dmin时，输出e′_d＝e_dmin；

当e_q＞e_qmax时，输出e′_q＝e_qmax；当e_qmin≤e_q≤e_qmax时，输出e′_q＝e_q；当e_q＜e_qmin时，输出e′_q＝e_qmin；

其中，e_d、e_q分别为d轴控制电压、q轴控制电压；e′_d、e′_q分别为d轴限制电压、q轴限制电压；e_dmax、e_dmin分别为第一限制器的上、下限值，e_qmax、e_qmin分别为第二限制器的上、下限。

更进一步地，步骤(3.3)具体包括：根据d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q获得限制电压若限制电压则d轴安全限制电压e_sd＝e′_d、q轴安全限制电压e_sq＝e′_q；若限制电压则d轴安全限制电压q轴安全限制电压

更进一步地，所述最大有功电流参考值I_dref是根据变流器最大有功容量来设定。

本发明提供了一种变流器，包括依次连接至电网端的储能单元、电力电子变换器和滤波器；所述变流器还包括信号测量单元、控制单元、限幅单元、电压限制单元和PWM调制器；所述信号测量单元的输入端连接至所述滤波器与所述电网之间的并网点；所述控制单元的第一输入端和第二输入端分别连接至所述信号测量单元的第一输出端和第二输出端；所述限幅单元的第一输入端和第二输入端分别连接至所述信号测量单元的第一输出端和第二输出端；所述电压限制单元的第一输入端连接在所述储能单元和所述电力电子变换器之间，所述电压限制单元的第二输入端连接至所述控制单元的输出端，所述电压限制单元的第三输入端连接至所述限幅单元的第一输出端，所述电压限制单元的第四输入端连接至所述限幅单元的第二输出端；所述PWM调制器的输入端连接至所述电压限制单元的输出端，所述PWM调制器的输出端连接至所述电力电子变换器的控制端。

更进一步地，限幅单元包括锁相环、第一PARK变换器、第二PARK变换器、第一减法器、第二减法器、第一PI控制器、第二PI控制器、第一乘法器、第二乘法器、第一加法器、第三减法器、第二加法器、第四减法器以及安全区域合成器；所述锁相环的输入端用于接收所述电网电压v_gabc，所述第一PARK变换器的第一输入端用于接收所述变流器输出电流i_abc，所述第二PARK变换器的第一输入端用于接收所述电网电压v_gabc，所述第一PARK变换器的第二输入端和所述第二PARK变换器的第二输入端均连接至所述锁相环的输出端；所述第一减法器的第一输入端连接至所述第一PARK变换器的第一输出端，所述第一减法器的第二输入端用于接收所述变流器最大有功电流参考值I_dref；所述第一PI控制器的输入端连接至所述第一减法器的输出端，所述第一PI控制器的第一限制端用于接收所述变流器最大有功电流参考值I_dref，所述第一PI控制器的第二限制端输入0；所述第一乘法器的输入端连接至所述第一PI控制器的输出端，所述第一乘法器用于将所述第一PI控制器的输出乘以变流器滤波器阻抗X后获得q轴电压差值ΔV_q；所述第二减法器的第一输入端连接至所述第一PARK变换器的第二输出端，所述第二减法器的第二输入端用于接收所述变流器最大无功电流参考值I_qref；所述第二PI控制器的输入端连接至所述第二减法器的输出端，所述第二PI控制器的第一限制端用于接收所述变流器最大无功电流参考值I_qref，所述第二PI控制器的第二限制端输入0；所述第二乘法器的输入端连接至所述第二PI控制器的输出端，所述第二乘法器用于将所述第二PI控制器的输出乘以变流器滤波器阻抗X后获得d轴电压差值ΔV_d；所述第一加法器的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第一输出端，所述第一加法器的第二输入端用于接收所述第二乘法器输出的d轴电压差值ΔV_d；所述第三减法器的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第一输出端，所述第三减法器的第二输入端用于接收所述第二乘法器输出的d轴电压差值ΔV_d；所述第二加法器的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第二输出端，所述第二加法器的第二输入端用于接收所述第一乘法器输出的q轴电压差值ΔV_q；所述第四减法器的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第二输出端，所述第四减法器的第二输入端用于接收所述第一乘法器输出的q轴电压差值ΔV_q；所述安全区域合成器的第一输入端连接至第一加法器的输出端；所述安全区域合成器的第二输入端连接至第三减法器的输出端；所述安全区域合成器的第三输入端连接至第二加法器的输出端；所述安全区域合成器的第四输入端连接至第四减法器的输出端；所述安全区域合成器用于输出安全的输出电压范围Ψ。

更进一步地，电压限制单元包括第三PARK变换器、第一限制器、第二限制器、直流电压限制器以及PARK反变换器；所述第三PARK变换器的第一输入端用于接收所述控制单元输出的控制电压e_abc，所述第三PARK变换器的第二输入端连接至所述锁相环的输出端；所述第一限制器的输入端连接至所述第三PARK变换器的第一输出端；所述第一限制器的第一限制端用于接收所述第一加法器输出的d轴输出电压上限值e_dmax，所述第一限制器的第二限制端用于接收所述第三减法器输出的d轴输出电压下限值e_dmin；所述第二限制器的输入端连接至所述第三PARK变换器的第二输出端；所述第二限制器的第一限制端用于接收所述第二加法器输出的q轴输出电压上限值e_qmax，所述第二限制器的第二限制端用于接收所述第四减法器输出的q轴输出电压下限值e_qmin；所述直流电压限制器的第一输入端连接至所述第一限制器的输出端，所述直流电压限制器的第二输入端连接至所述第二限制器的输出端；所述PARK反变换器的第一输入端连接至所述直流电压限制器的第一输出端，所述PARK反变换器的第二输入端连接至所述直流电压限制器的第二输出端，所述PARK反变换器的第三输入端连接至所述锁相环的输出端；所述PARK反变换器的输出端连接至所述PWM调制器。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本发明采用直接限制变流器输出电压的方式限制变流器输出电流，无需切换至电流控制方法，且无需闭锁原有的虚拟同步控制。因此可以提高系统在切换控制过程中的稳定性，并且在故障期间对系统提供所需的惯性支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法实现流程图；

图2为本发明实施例提供的变流器的原理框图；

图3为本发明实施例提供的变流器中限幅单元的结构框图；

图4为本发明实施例提供的变流器中电压限制单元的结构框图；

图5为本发明实施例提供的电压限制单元中直流电压限制器逻辑框图；

图6(a)为电网故障时电网电压波形示意图，图6(b)为电网故障时，变流器无输出电压限制的输出电流示意图，图6(c)为电网故障时，变流器有输出电压限制的输出电流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种通过自发限制变流器输出电压，实现电网故障时变流器的输出电流限制的控制方法，该方法主要包括限幅值计算单元和电压限制单元；信号检测单元主要用于检测电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc和直流母线电压V_dc；限幅计算单元主要用于根据电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc和直流母线电压V_dc计算输出安全的输出电压范围Ψ；电压限制单元主要用于对输出电压e_abc进行判断、调节，将其限定在安全的输出电压范围Ψ内。

如图1所示，本发明实施例提供的基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法具体包括如下步骤(S)：

S1：根据不同控制需求，由相应控制算法得到输出电压e_abc；

S2：利用信号检测单元，采集电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc及直流母线电压V_dc；

S3：根据检测得到信号电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc、直流母线电压V_dc及变流器最大允许电流I_max，利用限幅值计算单元(A中说明)，计算保障变流器安全的输出电压范围Ψ；

S4：利用电压限制单元，对S1所得的输出电压e_abc输出范围进行判断，将其限定在安全电压范围Ψ内，输出安全限制电压e_sabc；

在本发明实施例中，限幅计算单元的一种计算算法(A)如下：

A1：测量电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc；

A2：测量电网电压v_gabc的相位θ_g，并利用相位θ_g将电网电压v_gabc和变流器输出电流i_abc进行PARK变换得电网电压d轴分量v_d、电网电压q轴分量v_q和电网电流d轴分量i_d、电网电流q轴分量i_q；

A3：根据变流器最大有功容量设定最大有功电流参考值I_dref，再根据变流器最大允许电流值I_max，由下式计算最大无功电流参考值

A4：将电网电流d轴分量i_d与变流器最大有功电流参考值I_dref输入第一减法器作差得d轴电流差ΔI_d；将d轴电流差ΔI_d输入第一PI控制器，第一PI控制器的输出下限值为0，上限值为I_dref；将第一PI控制器输出乘以变流器滤波器阻抗X得q轴电压差值ΔV_q；将电网电压q轴分量v_q与q轴电压差值ΔV_q输入第二加法器得q轴输出电压上限值e_qmax；将电网电压q轴分量v_q与q轴电压差值ΔV_q输入第四减法器得q轴输出电压下限值e_qmin；

A5：将电网电流q轴分量i_q与最大无功电流参考值I_qref输入第二减法器作差得q轴电流差ΔI_q；将q轴电流差ΔI_q输入第二PI控制器，第二PI控制器的输出下限值为0，上限值为I_qref；将第二PI控制器输出乘以变流器滤波器阻抗X得d轴电压差值ΔV_d；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d输入第一加法器得d轴输出电压上限值e_dmax；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d输入第三减法器得d轴输出电压下限值e_dmin；

A6：d轴输出电压上限值e_dmax、d轴输出电压下限值e_dmin、q轴输出电压上限值e_qmax、和q轴输出电压下限值e_qmin构成变流器输出电压的安全的输出电压范围Ψ。

在本发明实施例中，关于安全范围划定和判断有多种方法，上述方法只是多种方法中的一种。

在本发明实施例中，电压限制单元的一种算法(B)如下：

B1：利用相位θ_g对变流器控制单元输出电压e_abc进行PARK变换，得d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q；

B2：分别判断d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q是否在Ψ内；若e_d和e_q均在Ψ内，则将e_d和e_q直接输出；若e_d或e_q超出Ψ范围，则将令e_d或e_q分别等于其Ψ的边界值；分别得到d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q；

B3：将d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q输入直流电压限制器，得d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq；

B4：利用相位θ_g对d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq进行PARK反变换得安全限制电压e_sabc，用于产生PWM信号驱动变流器。

作为本发明的一个实施例，步骤B2具体为：

B21：将d轴控制电压e_d输入以e_dmax和e_dmin为上、下限的第一限制器：若e_d＞e_dmax，则输出d轴限制电压e′_d＝e_dmax；若e_dmin≤e_d≤e_dmax，则输出d轴限制电压e′_d＝e_d；若e_d＜e_dmin，则输出d轴限制电压e′_d＝e_dmin；

B22：将q轴控制电压e_q输入以e_qmax和e_qmin为上、下限的第二限制器e′_q；

若e_q＞e_qmax，则输出q轴限制电压e′_q＝e_qmax；若e_qmin≤e_q≤e_qmax，则输出q轴限制电压e′_q＝e_q；若e_q＜e_qmin，则输出q轴限制电压e′_q＝e_qmin；

在本发明实施例中，直流电压限制器(C)流程如下：

C1：输入d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q，求e′_d和e′_q平方和的平方根获得限制电压

C2：若限制电压令d轴安全限制电压e_sd＝e′_d、q轴安全限制电压e_sq＝e′_q；若限制电压令d轴安全限制电压和q轴安全限制电压

C3：输出d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq；

综上，本发明技术根据电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc及直流母线电压V_dc得到变流器安全的输出电压范围Ψ，并通过一系列逻辑判断将控制算法所得输出电压限制在这一范围。通过限制内电势的方式，限制变流器的输出电流。当电网正常时，变流器输出电压e_abc本身在安全的输出电压范围Ψ内，则经过限流保护控制方法得到的输出电压保持不变，安全限制电压e_sabc＝e_abc；当电网故障时，变流器输出电压e_abc超出安全的输出电压范围Ψ，则经过限流保护控制方法得到的输出电压将其限制在Ψ的边界上，安全限制电压e_sabc＝e_Ψ。

通过本发明以上的技术方案，可有效限制电网故障时变流器的输出电流，解决变流器特别是基于虚拟同步控制变流器、静止同步发电机、虚拟同步发电机等设备的因电网过载或短路故障引起的过流问题，保障设备的运行安全。

本发明实施例提供的限流保护方法通过控制输出电压矢量达到限流目的。避免了现有基于电流闭环的限流保护方法中，因故障切换至电流闭环控制，而导致电压闭环控制失效的问题。

图2示出了本发明实施例提供的变流器的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于虚拟同步控制的变流器1接入电网2。其中，基于虚拟同步控制的变流器1包括：储能单元11，电力电子变换器12，滤波器13，信号检测电源14，控制算法单元15，限幅计算单元16，电压限制单元17，PWM调制器18。

储能单元11用于为电力电子变换器12提供暂态过程中需要补偿的有功功率，也可通过电力电子变换器12从电网2吸收能量，进行充电。

电力电子变换器12的第二输入输出端口连接储能单元11，两者之间可以进行电能的双向传输；电力电子变换器12的第二输入输出端口连接滤波器13的输入端；电力电子变换器12的控制端接收PWM调制器17输出的触发脉冲信号。

滤波器13用于滤除电力电子变换器12输出电压中的高频成分；滤波器13的输出端连接外部电网2。

信号检测单元14的输入端连接并网点，采集电网电压v_gabc和变流器输出电流i_abc。输出信号分别连接至控制算法单元15和限幅计算单元16。

控制算法单元15的控制方法泛指各种虚拟同步控制方法，其输入端口连接信号测量单元14采集到的电网电压和电流信号，输出端口连接至电压限制单元17，输出通过控制算法得到的控制电压e_abc。

限幅计算单元16的输入端连接信号测量单元14采集到的电网电压和电流信号，输出端口连接至电压限制单元17，输出电网相位θ_g和安全的输出电压范围Ψ，这个输出安全区域形状可依需求改变。

电压限制单元17的第一输入端与控制算法单元15相连，得到电压信号e_abc。第二输入端与电力电子变换器12直流侧相连，获得电力电子变换器12直流侧的电压。输出端口连接至PWM调制器18，输出经限流保护控制方法处理过的安全限制电压e_sabc。

PWM调制器18的输入端连接电压限制单元17的输出信号e_sabc，输出端连接电力电子变换器12的控制端。PWM调制器18对输入信号e_sabc进行脉宽调制，得到电力电子变换器12的六个开关信号S_abc。

图3为限幅计算单元控制框图。限幅计算单元有两个输入端，分别输入由信号检测单元14采集的电网电压信号v_gabc和变流器输出电流i_abc。锁相环单元1601输入端连接电网电压信号v_gabc，通过采集到的电网电压v_gabc获得电网相位θ_g。利用θ_g对采集到的电网电压v_gabc经过PARK变换得到电网电压d轴分量v_d和电网电压q轴分量v_q；利用相位θ_g对采集到的变流器输出电流i_abc进行PARK变换得到电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q。

第一减法器1602用于对变流器最大有功电流参考值I_dref与电网电流d轴分量i_d求差，得到d轴电流差ΔI_d；第一PI控制器1604用于将电流差值ΔI_d经过一个下限为0、上限为I_dref的限制处理，得到d轴输出电流误差值ΔI′_d；第一乘法器1606用于将d轴输出电流误差值ΔI′_d乘以变流器滤波器阻抗X得到q轴电压差值ΔV_q。第二减法器1603用于对最大无功电流参考值I_qref与电网电流q轴分量i_q求差，得到q轴电流差ΔI_q；第二PI控制器1605用于将q轴电流差ΔI_q经过一个下限为0、上限为I_qref的限制处理，得到q轴输出电流误差值ΔI_q′；第二乘法器1607用于将q轴输出电流误差值ΔI_q′乘以变流器滤波器阻抗X得到d轴电压差值ΔV_d。

第一加法器1608用于对电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d求和，得到d轴输出电压上限值e_dmax；第三减法器1609用于对电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d求差，得到d轴输出电压下限值e_dmin；第二加法器1610用于对电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q求和，得到q轴输出电压上限值e_qmax；第四减法器1611用于对电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q经求差，得q轴输出电压下限值e_qmin。

安全区域合成器1612用于将四个限制值e_dmax、e_dmin、e_qmax、e_qmin，通过逻辑判断形成一个安全的输出电压范围Ψ，作为限幅计算单元的输出信号。关于安全范围划定和判断有多种方法，本发明只举一种实例。

图4为电压限制单元控制框图。此部分由第一限制器171、第二限制器172、直流电压限制器173组成。利用θ_g对输入信号e_abc进行PARK变换得到d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q。

第一限制器171用于限制d轴控制电压e_d输出范围，得到d轴限制输出电压e′_d：当e_d超出限制器上限e_dmax，则令输出电压e′_d＝e_dmax；若e_d在限制器限制范围内，则令输出电压e′_d＝e_d；若e_d低于限制器下限e_dmin，则令输出e′_d＝e_dmin。

第二限制器172用于限制q轴控制电压e_q输出范围，得到q轴限制输出电压e′_q：当e_q超出限制器上限e_qmax，则令输出电压e′_q＝e_qmax；若e_q在限制器限制范围内，则令输出电压e′_q＝e_q；若e_q低于限制器下限e_qmin，则令输出e′_q＝e_qmin。

直流电压限制器173作用是根据采样所得直流电压V_dc大小，等比例调节e′_d、e′_q，使输出的d轴安全限制电压e_sd、q轴安全限制电压e_sq满足变流器输出能力。

图5为直流电压限制器逻辑框图。旨在解释直流电压限制器调节流程。首先根据求得限制电压矢量幅值，再比较限制电压e′与大小。若则输出电压保持不变，d轴安全限制电压e_sd＝e′_d、q轴安全限制电压e_sq＝e′_q；若则输出电压等比例减小，d轴安全限制电压q轴安全限制电压

图6为仿真实例验证限流效果，图6(a)为电网故障时电网电压波形，图6(b)电网故障时，变流器无输出电压限制的输出电流，图6(c)电网故障时，变流器有输出电压限制的输出电流。为验证变流器输出电压限制方法的有效性，对虚拟同步控制变流器有、无输出电压限制方法情况进行对比仿真，为对比效果更加清楚仿真中对无输出电压限制方法情况下变流器未采取任何保护措施。在电网故障时，电网电压跌落至约20％额定值，若无输出电压限制时，变流器的输出电流会快速增大，甚至会达到约5倍额定电流；若采用“基于动态矢量限幅的变流器限流保护控制方法”限制输出电压，变流器的输出电流会得到有效抑制，可有效保障变流器的安全。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于动态矢量限幅的变流器限流保护的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采集电网电压v_gabc、变流器输出电流i_abc及直流母线电压V_dc；

(2)根据所述电网电压v_gabc、所述变流器输出电流i_abc、所述直流母线电压V_dc及变流器最大允许电流I_max获得用于保障变流器输出电压的安全的输出电压范围Ψ；

(3)判断控制电压e_abc是否在安全的输出电压范围Ψ内，若是，则将所述控制电压e_abc输出；若否，则对所述控制电压e_abc进行限制后输出安全限制电压e_sabc；

步骤(2)中获得所述安全的输出电压范围Ψ具体包括：

(2.1)获得所述电网电压v_gabc的相位θ_g，并根据所述相位θ_g将所述电网电压v_gabc和所述变流器输出电流i_abc分别进行PARK变换，获得电网电压d轴分量v_d、电网电压q轴分量v_q、电网电流d轴分量i_d和电网电流q轴分量i_q；

(2.2)根据变流器最大有功电流参考值I_dref和变流器最大允许电流I_max获得最大无功电流参考值

(2.3)将所述电网电流d轴分量i_d与所述最大有功电流参考值I_dref作差，获得d轴电流差ΔI_d；对所述d轴电流差ΔI_d进行PI控制获得d轴输出电流误差值ΔI′_d；将d轴输出电流误差值ΔI′_d乘以变流器滤波器阻抗X后获得q轴电压差值ΔV_q；将电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q相加后获得q轴输出电压上限值e_qmax，并将电网电压q轴分量v_q与所述q轴电压差值ΔV_q相减后获得q轴输出电压下限值e_qmin；

(2.4)将电网电流q轴分量i_q与最大无功电流参考值I_qref相减后获得q轴电流差ΔI_q；对所述q轴电流差ΔI_q进行PI控制获得q轴输出电流误差值ΔI′_q；将所述q轴输出电流误差值ΔI′_q乘以变流器滤波器阻抗X后获得d轴电压差值ΔV_d；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d相加后获得d轴输出电压上限值e_dmax；将电网电压d轴分量v_d与d轴电压差值ΔV_d相减后获得d轴输出电压下限值e_dmin；

(2.5)所述d轴输出电压上限值e_dmax、d轴输出电压下限值e_dmin、q轴输出电压上限值e_qmax和q轴输出电压下限值e_qmin构成所述安全的输出电压范围Ψ。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

(3.1)根据所述电网电压v_gabc的相位θ_g对变流器控制单元的控制电压e_abc进行PARK变换，获得d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q；

(3.2)分别判断d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q是否在Ψ内；若d轴控制电压e_d和q轴控制电压e_q均在Ψ内，则将所述d轴控制电压e_d和所述q轴控制电压e_q直接输出；若d轴控制电压e_d或q轴控制电压e_q超出Ψ范围，则采用Ψ的边界值对d轴控制电压e_d或q轴控制电压e_q分别进行限制处理，获得d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q；

(3.3)将d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q输入直流电压限制器，得d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq；

(3.4)利用相位θ_g对d轴安全限制电压e_sd和q轴安全限制电压e_sq分别进行PARK反变换，获得安全限制电压e_sabc，用于产生PWM信号驱动变流器。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤(3.2)具体包括：

当e_d＞e_dmax时，输出e′_d＝e_dmax；当e_dmin≤e_d≤e_dmax时，输出e′_d＝e_d；当e_d＜e_dmin时，输出e′_d＝e_dmin；

当e_q＞e_qmax时，输出e′_q＝e_qmax；当e_qmin≤e_q≤e_qmax时，输出e′_q＝e_q；当e_q＜e_qmin时，输出e′_q＝e_qmin；

其中，e_d、e_q分别为d轴控制电压、q轴控制电压；e′_d、e′_q分别为d轴限制电压、q轴限制电压；e_dmax、e_dmin分别为第一限制器的上、下限值，e_qmax、e_qmin分别为第二限制器的上、下限。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤(3.3)具体包括：根据d轴限制电压e′_d和q轴限制电压e′_q获得限制电压若限制电压则d轴安全限制电压e_sd＝e′_d、q轴安全限制电压e_sq＝e′_q；若限制电压则d轴安全限制电压q轴安全限制电压

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，最大有功电流参考值I_dref是根据变流器最大有功容量来设定。

6.一种基于权利要求1所述的控制方法实现的变流器，包括依次连接至电网端的储能单元(11)、电力电子变换器(12)和滤波器(13)；其特征在于，所述变流器还包括信号测量单元(14)、控制单元(15)、限幅单元(16)、电压限制单元(17)和PWM调制器(18)；

所述信号测量单元(14)的输入端连接至所述滤波器(13)与电网(2)之间的并网点；

所述控制单元(15)的第一输入端和第二输入端分别连接至所述信号测量单元(14)的第一输出端和第二输出端；

所述限幅单元(16)的第一输入端和第二输入端分别连接至所述信号测量单元(14)的第一输出端和第二输出端；

所述电压限制单元(17)的第一输入端连接在所述储能单元(11)和所述电力电子变换器(12)之间，所述电压限制单元(17)的第二输入端连接至所述控制单元(15)的输出端，所述电压限制单元(17)的第三输入端连接至所述限幅单元(16)的第一输出端，所述电压限制单元(17)的第四输入端连接至所述限幅单元(16)的第二输出端；

所述PWM调制器(18)的输入端连接至所述电压限制单元(17)的输出端，所述PWM调制器(18)的输出端连接至所述电力电子变换器(12)的控制端。

7.如权利要求6所述的变流器，其特征在于，所述限幅单元(16)包括锁相环(1601)、第一PARK变换器、第二PARK变换器、第一减法器(1602)、第二减法器(1603)、第一PI控制器(1604)、第二PI控制器(1605)、第一乘法器(1606)、第二乘法器(1607)、第一加法器(1608)、第三减法器(1609)、第二加法器(1610)、第四减法器(1611)以及安全区域合成器(1612)；

所述锁相环(1601)的输入端用于接收电网电压v_gabc，所述第一PARK变换器的第一输入端用于接收变流器输出电流i_abc，所述第二PARK变换器的第一输入端用于接收所述电网电压v_gabc，所述第一PARK变换器的第二输入端和所述第二PARK变换器的第二输入端均连接至所述锁相环(1601)的输出端；

所述第一减法器(1602)的第一输入端连接至所述第一PARK变换器的第一输出端，所述第一减法器(1602)的第二输入端用于接收变流器最大有功电流参考值I_dref；所述第一PI控制器(1604)的输入端连接至所述第一减法器(1602)的输出端，所述第一PI控制器(1604)的第一限制端用于接收所述变流器最大有功电流参考值I_dref，所述第一PI控制器(1604)的第二限制端输入0；所述第一乘法器(1606)的输入端连接至所述第一PI控制器(1604)的输出端，所述第一乘法器(1606)用于将所述第一PI控制器(1604)的输出乘以变流器滤波器阻抗X后获得q轴电压差值ΔV_q；

所述第二减法器(1603)的第一输入端连接至所述第一PARK变换器的第二输出端，所述第二减法器(1603)的第二输入端用于接收所述变流器最大无功电流参考值I_qref；所述第二PI控制器(1605)的输入端连接至所述第二减法器(1603)的输出端，所述第二PI控制器(1605)的第一限制端用于接收所述变流器最大无功电流参考值I_qref，所述第二PI控制器(1605)的第二限制端输入0；所述第二乘法器(1607)的输入端连接至所述第二PI控制器(1605)的输出端，所述第二乘法器(1607)用于将所述第二PI控制器(1605)的输出乘以变流器滤波器阻抗X后获得d轴电压差值ΔV_d；

所述第一加法器(1608)的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第一输出端，所述第一加法器(1608)的第二输入端用于接收所述第二乘法器(1607)输出的d轴电压差值ΔV_d；所述第三减法器(1609)的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第一输出端，所述第三减法器(1609)的第二输入端用于接收所述第二乘法器(1607)输出的d轴电压差值ΔV_d；

所述第二加法器(1610)的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第二输出端，所述第二加法器(1610)的第二输入端用于接收所述第一乘法器(1606)输出的q轴电压差值ΔV_q；

所述第四减法器(1611)的第一输入端连接至所述第二PARK变换器的第二输出端，所述第四减法器(1611)的第二输入端用于接收所述第一乘法器(1606)输出的q轴电压差值ΔV_q；所述安全区域合成器(1612)的第一输入端连接至第一加法器(1608)的输出端；所述安全区域合成器(1612)的第二输入端连接至第三减法器(1609)的输出端；所述安全区域合成器(1612)的第三输入端连接至第二加法器(1610)的输出端；所述安全区域合成器(1612)的第四输入端连接至第四减法器(1611)的输出端；所述安全区域合成器(1612)用于输出安全的输出电压范围Ψ。

8.如权利要求7所述的变流器，其特征在于，所述电压限制单元(17)包括第三PARK变换器、第一限制器(171)、第二限制器(172)、直流电压限制器(173)以及PARK反变换器；

所述第三PARK变换器的第一输入端用于接收所述控制单元输出的控制电压e_abc，所述第三PARK变换器的第二输入端连接至所述锁相环(1601)的输出端；

所述第一限制器(171)的输入端连接至所述第三PARK变换器的第一输出端；所述第一限制器(171)的第一限制端用于接收所述第一加法器(1608)输出的d轴输出电压上限值e_dmax，所述第一限制器(171)的第二限制端用于接收所述第三减法器(1609)输出的d轴输出电压下限值e_dmin；

所述第二限制器(172)的输入端连接至所述第三PARK变换器的第二输出端；所述第二限制器(172)的第一限制端用于接收所述第二加法器(1610)输出的q轴输出电压上限值e_qmax，所述第二限制器(172)的第二限制端用于接收所述第四减法器(1611)输出的q轴输出电压下限值e_qmin；

所述直流电压限制器(173)的第一输入端连接至所述第一限制器(171)的输出端，所述直流电压限制器(173)的第二输入端连接至所述第二限制器(172)的输出端；

所述PARK反变换器的第一输入端连接至所述直流电压限制器(173)的第一输出端，所述PARK反变换器的第二输入端连接至所述直流电压限制器(173)的第二输出端，所述PARK反变换器的第三输入端连接至所述锁相环(1601)的输出端；所述PARK反变换器的输出端连接至所述PWM调制器(18)。