CN107482684A - 一种换流器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换流器控制方法，属于直流输电领域。本方法适应于两台或多台换流器交流侧并联的结构，通过基于过负荷限制的有功‑频率即PF下垂控制特性实现对换流器交流侧电压相位和幅值的控制；换流器交流侧发生交流瞬时故障时，本方法也可以实现对故障电流的限制及故障穿越。本方法将PF下垂控制策略与过负荷限制策略相结合，当换流器交流侧接入新能源孤岛或无源弱系统时，换流器应能提供稳定的交流电压，包括稳定的交流电压幅值和频率，同时在系统过负荷时，能较快实现功率下降，保证换流器和直流输电网种各设备的运行安全。本方法对孤岛和无源等弱系统应用于直流电网有着重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统直流输电技术领域，具体涉及一种换流器控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术，是实现大规模可再生能源多点汇集、清洁能源高效利用和灵活消纳的一项重要技术手段，同时也是能源互联网快速发展的重要技术支撑。利用柔性直流输电系统实现联网，孤岛或弱系统下的稳定运行是可再生能源灵活上网和消纳的重要前提。
当今适用于柔性直流输电工程应用的换流器一般采用两台或两台以上换流器的交流侧并联结构。由两台换流器构成的双极柔性直流输电系统更适合现场工程使用，每个换流器构成双极柔性直流输电系统的一个极，两台换流器直流侧公共端利用金属回线或大地回线与对站双极柔性直流输电系统公共端构成回路。且双极柔性直流输电系统该可灵活选择与大地相连形成接地参考点或金属回线运行方式。
换流器在孤岛或无源等弱系统下运行时，交流侧缺乏系统电压支撑，其控制策略不同于联网模式。由于换流器建模和控制均在dq坐标系下实现，三相静止坐标系和旋转坐标系下的变换均需要提供参考相位，而孤岛或无源等弱系统不能简单通过锁相环PLL获取同步相位，因此需要人为提供合适的控制相位实现换流器的无源或孤岛弱系统控制。针对新能源孤岛或无源等弱系统的应用背景，换流器需首先保证交流电网的电压幅值和频率稳定，在这一前提下，换流器控制需要选择合适的交流电压幅值、相位和频率控制方法。目前针对新能源孤岛弱电网或无源系统并入柔直换流站，尚缺乏成熟的工程技术控制方案。
为满足上述应用背景的使用需求，需要设计一种适应于新能源接入的换流器控制方法。当换流器交流侧接入新能源孤岛或无源弱系统时，换流器应能提供稳定的交流电压，包括稳定的交流电压幅值和频率，同时在系统过负荷时，能较快实现功率下降，保证换流器和直流输电网种各设备的运行安全。
本发明的目的是提供一种换流器控制方法，用以解决新能源孤岛或无源等弱系统下电能交换和交流电压、频率稳定性等问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
一种换流器控制方法，所述换流器为两台或两台以上交流侧并联结构，通过将换流器实测有功Ps、有功限制值Plim、有功参考值Pref以及电压相位额定值θnom作为控制输入信号得到系统电压相位参考值θref，通过控制相位参考值,实现对孤岛运行方式下换流器有功功率的分配，该控制方法的步骤如下：
1)根据系统额定频率fnom计算系统电压相位额定值θnom，具体计算公式为θnom＝2πfnomt,其中π为圆周率，t为时间；
2)根据换流器运行状态，由外部条件获得有功参考值Pref、有功限制值Plim；
3)将电压相位额定值θnom，换流器实测有功Ps，有功参考值Pref，有功限制值Plim，作为控制输入信号，通过基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法得到系统电压相位控制值θref。
进一步的,步骤3)所述的基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法，即基于过负荷限制的PF下垂控制；将换流器实测有功Ps、有功限制值Plim进行偏差调节，得到有功参考偏差ΔPref；再将有功参考偏差ΔPref和实测有功Ps以及有功参考值Pref进行偏差调节，得到电压相位偏差Δθref；该电压相位偏差Δθref和电压相位额定值θnom叠加后产生系统电压相位控制值θref。
进一步的,所述偏差调节包括比例积分、比例、积分调节方式。
进一步的,换流器实测有功Ps和有功限制值Plim的偏差仅考虑正偏差，即ΔPref(Plim-Ps)＞0时作为输入条件参于后续计算，否则ΔPref取值位0。
进一步的,初始条件下各换流器的Pref初始设定值保持相等。
进一步的,初始条件下各换流器的Pref初始设定值设置为0。
进一步的,将交流侧实时采集的三相电压Us。abc进行坐标变换得到D轴和Q轴下的网侧电压实时值Usd和Usq，对Usd和Usq进行比例积分变化和限幅调节得到内环电流控制器D轴和Q轴参考电流输入Idref和Iqref；内环电流控制器对输入进行处理得到换流器交流侧电压的控制目标Usdref和Usqref，并经过坐标反变换得到换流器交流侧的三相目标参考电压Uref。abc。
进一步的,坐标变换和反变换的参考相位θref由所述的基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法获得。
进一步的,内环电流控制器采用电流矢量控制。
进一步的,所述有功电流参考值Idref由交流母线侧三相电压、有功电压参考值Usdref、实测无功Qs、无功参考值Qref和系统电压相位控制值θref唯一确定；所述的无功电流参考值Iqref由交流母线侧三相电压、无功电压参考值Usqref和系统电压相位控制值θref唯一确定。
采用上述方案后，本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的一种换流器控制方法，当换流器交流侧接入新能源孤岛或无源弱系统时，换流器能提供稳定的交流电压，实现交流电压幅值和频率的稳定。
(2)本发明所述的一种换流器控制方法，采用了过负荷限制策略，保证了系统过负荷时较快实现功率下降，实现换流器和直流输电网中各设备的运行安全。
(3)本发明所述的一种换流器控制方法可以实现网侧瞬时交流故障下的故障穿越并限制故障期间的短路电流，提高系统运行的安全性。
(4)本发明所述的一种换流器控制方法对新能源孤岛或无源等弱系统接入直流电网具有重要的指导意义。
附图说明
图1为多换流器交流侧并联结构示意图；
图2为双台换流器构成双极柔性直流系统和风电场交流连接示意图；
图3为一种换流器控制方法的整体控制框图；
图4为过负荷限制策略框图；
图5(a)为有功-频率下垂控制曲线图；
图5(b)为有功-频率控制策略框图；
图6为比例积分变化环节和参考电流限幅环节框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方法做详细说明：本实施方法在以本发明技术方案为前提的条件下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于以下实施例。
本发明为一种换流器控制方法，换流器是两台或多台交流侧并联结构，多换流器交流侧并联结构的具体拓扑如图1，所有换流器将负极相连形成公共端金属回线N或大地回线GND。
图2中两台换流器交流侧并联结构为图1的一种典型实施例，一般称为双极柔性直流系统。以图2的双极柔性直流系统为例，在孤岛运行情况下，该系统交流母线侧和新能源孤岛风电场相连，为保证新能源孤岛稳定运行，双极柔性直流系统应向新能源孤岛供给稳定的交流电压幅值和频率，同双极直流输电系统吸收风电场提供的有功功率。为实现上述目标，双极柔性直流系统中两台换流器均分别采用本发明所述的一种换流器控制方法，通过带过负荷限制功能的PF下垂控制实现对交流网侧电压幅值和频率的调整。本方法的具体控制框图如图3所示，结合上述风机并入双极柔性直流系统交流侧的实施例说明本方法的具体步骤如下：
1)根据系统额定频率fnom计算系统电压相位额定值θnom，具体计算公式为θnom＝2πfnomt,其中π为圆周率，t为时间；
2)根据换流器运行状态，由外部条件获得有换流器有功参考值Pref和有功限制值Plim；初始运行状态下可设定两台换流器有功参考值Pref为0。
3)本实施例以送端换流器向交流侧提供有功功率的方向为正，图2中孤岛风电场并入换流站后向直流电网送电,则换流器交流侧有功功率实测值Ps为负,此时同样设定负的有功功率限制值Plim
4)由图4所示过负荷限制逻辑，当ΔPref(Plim-Ps)＞0时，过负荷逻辑启动，提供正的有功参考偏差ΔPref，当ΔPref(Plim-Ps)＜0后恢复ΔPref＝0。
5)交流电压频率和换流器输出功率满足图5(a)所示的关系，本实施例以换流器向交流侧发出功率为正，则随着换流器从交流侧吸收功率的增加，交流电压频率相应提高；反之，随着换流器向交流侧发出功率的增加则交流电压频率减小。将4)中得到的有功参考偏差ΔPref和实测有功Ps以及有功参考值Pref进行叠加得到有功功率总偏差ΔPall。ΔPall的变化反应了换流器交流侧电压频率的变化，将ΔPall通过比例积分调节得到电压相位偏差Δθref，该电压相位偏差Δθref和电压相位额定值θnom叠加后产生系统电压相位控制值θref。
上述控制流程如图5(b)，其中功率总偏差ΔPall的比例积分输出可理解为交流电压角频率的积分所对应的电压相位的变化Δθref。
6)采集换流器交流母线侧三相电压，并经过坐标变换得到旋转坐标系下的D轴电压Usd和Q轴电压Usq，换流器通过比例积分变换环节和电流限幅环节得到内环电流控制器的D轴有功参考电流输入Idref和Q轴无功参考电流输入Iqref。其中带限幅功能的PF下垂控制环节所得系统电压相位控制值θref作为坐标变换的相位输入。
7)上述6)中比例变化积分和电流限幅环节如图6所示：对实测无功Qs和无功参考值Qref的偏差ΔQref进行比例调节；对D轴电压分量实测值Usd和D轴电压参考值Usdref的偏差ΔUsd进行比例调节，再将两者叠加后经过比例积分和限幅调节得到有功电流参考值Idref。比例积分调节的输入信号等于kQ*ΔQref+ku*ΔUsd，kQ和ku分别为无功偏差和直流电压偏差比例调节中的固定系数。同样地，将Q轴电压分量实测值Usq和Q轴电压参考值Usqref的偏差ΔUsq进行叠加，经过比例积分和限幅调节得到无功电流参考值Iqref。可固定Q轴电压参考值Usqref＝0。
8)将5)中带限幅功能的PF下垂控制环节所得系统电压相位控制值θref和D轴有功参考电流输入Idref及Q轴无功参考电流输入Iqref共同作为内环电流控制的输入，再经过坐标反变换即可得到换流器交流侧的三相目标参考电压Uref。abc。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种换流器控制方法，所述换流器为两台或两台以上交流侧并联结构，其特征在于,通过将换流器实测有功Ps、有功限制值Plim、有功参考值Pref以及电压相位额定值θnom作为控制输入信号得到系统电压相位参考值θref，通过控制相位参考值,实现对孤岛运行方式下换流器有功功率的分配，该控制方法的步骤如下：
1)根据系统额定频率fnom计算系统电压相位额定值θnom，具体计算公式为θnom＝2πfnomt,其中π为圆周率，t为时间；
2)根据换流器运行状态，由外部条件获得有功参考值Pref、有功限制值Plim；
3)将电压相位额定值θnom，换流器实测有功Ps，有功参考值Pref，有功限制值Plim，作为控制输入信号，通过基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法得到系统电压相位控制值θref。
2.如权利要求1所述的一种换流器控制方法，其特征在于,步骤3)所述的基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法，即基于过负荷限制的PF下垂控制；将换流器实测有功Ps、有功限制值Plim进行偏差调节，得到有功参考偏差ΔPref；再将有功参考偏差ΔPref和实测有功Ps以及有功参考值Pref进行偏差调节，得到电压相位偏差Δθref；该电压相位偏差Δθref和电压相位额定值θnom叠加后产生系统电压相位控制值θref。
3.如权利要求2所述的一种换流器控制方法，其特征在于,所述偏差调节包括比例积分、比例、积分调节方式。
4.如权利要求2所述的一种换流器控制方法，其特征在于,换流器实测有功Ps和有功限制值Plim的偏差仅考虑正偏差，即ΔPref(Plim-Ps)＞0时作为输入条件参于后续计算，否则ΔPref取值位0。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种换流器控制方法，其特征在于,初始条件下各换流器的Pref初始设定值保持相等。
6.如权利要求5所述的一种换流器控制方法，其特征在于,初始条件下各换流器的Pref初始设定值设置为0。
7.如权利要求1所述的一种换流器控制方法，其特征在于,将交流侧实时采集的三相电压Us。abc进行坐标变换得到D轴和Q轴下的网侧电压实时值Usd和Usq，对Usd和Usq进行比例积分变化和限幅调节得到内环电流控制器D轴和Q轴参考电流输入Idref和Iqref；内环电流控制器对输入进行处理得到换流器交流侧电压的控制目标Usdref和Usqref，并经过坐标反变换得到换流器交流侧的三相目标参考电压Uref。abc。
8.如权利要求7所述的一种换流器控制方法，其特征在于,坐标变换和反变换的参考相位θref由所述的基于过负荷限制的有功-频率斜率控制方法获得。
9.如权利要求7所述的一种换流器控制方法，其特征在于,内环电流控制器采用电流矢量控制。
10.如权利要求7所述的一种换流器控制方法，其特征在于,所述有功电流参考值Idref由交流母线侧三相电压、有功电压参考值Usdref、实测无功Qs、无功参考值Qref和系统电压相位控制值θref唯一确定；所述的无功电流参考值Iqref由交流母线侧三相电压、无功电压参考值Usqref和系统电压相位控制值θref唯一确定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171215 |