CN107612012A - 一种无变压器的智能软开关及其交流故障穿越方法和系统 - Google Patents
一种无变压器的智能软开关及其交流故障穿越方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无变压器的智能软开关及其交流故障穿越方法和系统。SNOP在无变压器的情况下，零序分量所引起的过电压和过电流会对SNOP及所相连的交流配电网产生深远影响。本发明的智能软开关的交流故障穿越方法为：交流故障发生后，向发送模块向所有的非定直流电压控制换流站发送闭锁信号；检测交流故障发生端，获得相电压最大幅值；确定直流电压标幺值；调节直流电压控制换流站；以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；将所有定功率控制的换流站采用既定合适方式恢复功率传输。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流控制技术领域，具体地说是一种无变压器的智能软开关及其交流故障穿越方法和系统。
背景技术
配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户。当前，配电网存在网架结构薄弱、自动化水平低等问题；同时，光伏、风电等新型电源，以及电动汽车等新型负荷的接入，使得配电网内电压波动越限、馈线功率失衡等现象日趋严重。常规配电网调控手段无法有效解决以上问题。智能软开关(soft normally open point，SNOP)是在上述背景下衍生出的安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接馈线的有功功率与无功功率，从而有效应对分布式电源和负荷带来的随机性和波动性。
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的背靠背型两端/多端柔性直流配电系统是SNOP其中一种实现形式。MMC采用子模块级联实现多电平输出，无需器件直接串联，具有损耗低、可靠性高等优点，在国内外得到了广泛应用。MMC通常采用联结变压器与交流系统相连，联结变压器可以实现交直流系统的故障隔离，提高系统运行的可靠性；但是，联结变压器的配置使得柔性直流配电系统的成本和占地大幅度增加。SNOP离城市负荷中心较近，对紧凑化设计的要求较高，因此，SNOP需要考虑去变压器的设计方案。
SNOP在无变压器的情况下，交流系统的零序分量将不能被天然隔离，一个交流系统的零序分量将通过SNOP传递至其他相连的交流系统，扩大系统影响范围。当SNOP的一侧发生单相接地不对称故障时，交流侧的零序分量以共模形式出现在直流侧，并通过直流母线传输影响非故障侧的换流器，非故障交流系统会出现故障特征，产生零序电压。该零序分量所引起的过电压和过电流会对SNOP及所相连的交流配电网产生深远影响，需要采取一定的措施进行抑制。
发明内容
针对目前SNOP去变压器后存在的上述问题，本发明提供一种改进的无变压器SNOP，在满足系统运行要求的前提下，节省投资成本。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种无变压器的智能软开关，包括多个通过直流母线直接连接的换流站，每个换流站通过交流断路器与交流配电网直接连接，中间无联结变压器，每个换流站都采用混合型MMC；所述的混合型MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接桥臂电抗器，多个子模块包括n个HBSM和m个FBSM；
所述m和n的计算公式如下：
式中，r为直流电压标幺值，r≤1，km为电压调制比，kv为交流故障情况下相电压最大幅值，Nc为桥臂子模块个数基准值；floor为取整函数；
式中，Um为相电压额定幅值，Udc为直流极间电压额定值，Uc为子模块电容电压额定值；
所述的智能软开关，只有一个换流站处于直流电压控制状态，其余换流站都采用定功率控制。
本发明的另一目的在于提供上述智能软开关的交流故障穿越方法，以有效抑制供区内交流不对称故障所引发的直流电压波动和正常供区交流电压波动，将故障影响区域限制在一定范围内，有效提高配网供电可靠性。
所述智能软开关的交流故障穿越方法，包括：
1)交流故障发生后，向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
2)检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，利用如下公式获得相电压最大幅值kv,
3)根据下式确定直流电压标幺值r，为保证交流故障情况下，智能软开关尽量多地传输交换功率，r宜选大，
4)根据步骤3)确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc；
5)以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；
6)将所有定功率控制的换流站采用既定合适方式恢复功率传输。比如：可以同时将多个定功率控制换流站的功率以合适的速率恢复，也可以依次恢复各个换流站的功率。
进一步地，所述的步骤5)中，零序控制环如下：
1)将0值与零序电流i0作差，得到电流偏差ΔI，i0的计算公式如下：
式中，ia、ib、ic分别表示流入与故障馈线相连换流站的ABC三相交流电流。
2)将ΔI经PR控制器处理获得电压偏差ΔU，PR控制器的算法如下：
式中，Kp为比例系数；KR为谐振系数；ω0为控制交流信号的角频率；ωc为引入的截止频率，用于调节谐振控制器的带宽；s为拉普拉斯算子。
3)将ΔU和零序电压u0作和，得到零序电压控制量e0，u0的计算公式如下：
式中，ua、ub、uc分别表示与故障馈线相连换流站交流出口处的ABC三相交流电压。
4)将正负序控制环(现有技术)输出的d轴电压控制量ed和q轴电压控制量eq，以及零序电压控制量e0，经派克反变换，得到abc交流电压控制量，并经最近电平调制得到子模块的触发脉冲。
进一步地，所述派克反变换的计算公式如下：
式中，ea、eb、ec分别表示ABC三相交流电压控制量，θ表示相角。
本发明的再一目的是提供上述智能软开关的交流故障穿越系统，其包括：
1)发送闭锁信号模块：交流故障发生后，发送模块向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
2)获取最大幅值模块：检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，获得相电压最大幅值kv；
3)确定标幺值模块：根据下式确定直流电压标幺值r；
4)调节直流电压模块：根据确定标幺值模块确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc；
5)零序控制环投入模块：以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；
6)功率传输恢复模块：将所有定功率控制的换流站采用既定合适的方式恢复功率传输。
本发明具有的有益效果如下：
1)本发明无变压器的SNOP能够在满足系统运行要求的前提下，节省投资成本。
2)本发明SNOP的交流故障穿越方法，能够有效抑制供区内交流不对称故障所引发的直流电压波动和正常供区交流电压波动，将故障影响区域限制在一定范围内，有效提高配网供电可靠性。
附图说明
图1为本发明SNOP的系统接线示意图；
图2为本发明混合型MMC的结构示意图；
图3为本发明交流故障穿越方法的流程示意图；
图4为本发明零序控制环结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
实施例1
如图1所示的无变压器SNOP，其包括多个通过直流母线直接连接的换流站，所属的换流站个数依需要而建，大于等于2个。SNOP可连接同一个供区内的多条馈线，亦可连接多个不同供区内的多条馈线。每个换流站通过交流断路器与交流配电网直接连接，中间无联结变压器。每个换流站都采用混合型MMC，混合型MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接有桥臂电抗器，多个子模块包括n个半桥子模块(half-bridge sub-module，HBSM)和m个(full-bridge sub-module，FBSM)，子模块的驱动电路板由子模块的电容电压供电。通过MMC之间的功率协调配合，同一/不同供区内的馈线之间可实现功率的实时转供，同时，可调节所在馈线和供区的电压特性。MMC与交流系统共用接地支路。
如图2所示，混合型MMC采用三相六桥臂结构，每桥臂由n个HBSM和m个FBSM级联而成，同时配置有一个桥臂电抗L0，以抑制环流和故障电流上升率。HBSM由2个IGBT、2个续流二极管和1个电容C组成，FBSM由4个IGBT、4个续流二极管和1个电容C组成。
m和n的具体公式如下：
其中，r为直流电压标幺值(r≤1)，km为电压调制比，kv为交流故障情况下相电压最大幅值，Nc为桥臂子模块个数基准值；floor为取整函数。
其中，Um为相电压额定幅值，Udc为直流极间电压额定值，Uc为子模块电容电压额定值。直流电压标幺值r，电压调制比km，交流故障相电压最大幅值kv依不同工况而定。一般可取，r＝0.7，km＝0.85，kv＝1.73。
SNOP中，只有一个换流站处于直流电压控制状态，其余换流站都采用定功率控制。
实施例2
图3为无变压器SNOP的交流故障穿越方法，包括以下步骤：
(1)交流故障发生后，向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
(2)检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，利用如下公式，获得相电压最大幅值kv。
(3)根据下式确定直流电压标幺值r，为保证交流故障情况下，SNOP尽量多地传输交换功率，r宜选大。
(4)根据步骤(3)确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc。
(5)以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动。
(6)将所有定功率控制的换流站采用既定合适的方式恢复功率传输。
图4给出了步骤(5)的零序控制环框图。
(1)将0值与零序电流i0作差，得到电流偏差ΔI。i0的计算公式如下：
(2)将ΔI经PR控制器处理获得电压偏差ΔU，PR控制器的算法如下：
PR控制器为现有技术，Kp为比例系数；KR为谐振系数；ω0为控制交流信号的角频率；ωc为引入的截止频率，用于调节谐振控制器的带宽，以保证在测量等有误差的情况下在工作点提供足够大的增益。
(3)将ΔU和零序电压u0作和，得到零序电压控制量e0，u0的计算公式如下：
(4)将正负序控制环输出的d轴电压控制量ed和q轴电压控制量eq，以及零序电压控制量e0，经派克反变换，得到abc交流电压控制量，并经最近电平调制得到子模块的触发脉冲。其中，正负序控制环和派克反变换均为现有技术。派克反变换(dq0→abc)的计算公式如下：
实施例3
本实施例为智能软开关的交流故障穿越系统，其包括：
1)发送闭锁信号模块：交流故障发生后，发送模块向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
2)获取最大幅值模块：检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，获得相电压最大幅值kv；
3)确定标幺值模块：根据下式确定直流电压标幺值r；
4)调节直流电压模块：根据确定标幺值模块确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc；
5)零序控制环投入模块：以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；
6)功率传输恢复模块：将所有定功率控制的换流站采用既定合适的方式恢复功率传输。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (5)
1.一种无变压器的智能软开关，包括多个通过直流母线直接连接的换流站，每个换流站通过交流断路器与交流配电网直接连接，中间无联结变压器，每个换流站都采用混合型MMC；所述的混合型MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接桥臂电抗器，多个子模块包括n个HBSM和m个FBSM；其特征在于，
所述m和n的计算公式如下：
<mrow>
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式中，r为直流电压标幺值，r≤1，km为电压调制比，kv为交流故障情况下相电压最大幅值，Nc为桥臂子模块个数基准值；floor为取整函数；
<mrow>
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</mrow>
式中，Um为相电压额定幅值，Udc为直流极间电压额定值，Uc为子模块电容电压额定值；
所述的智能软开关，只有一个换流站处于直流电压控制状态，其余换流站都采用定功率控制。
2.权利要求1所述智能软开关的交流故障穿越方法，其包括：
1)交流故障发生后，向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
2)检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，利用如下公式获得相电压最大幅值kv,
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
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<mo>=</mo>
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3)根据下式确定直流电压标幺值r，为保证交流故障情况下，智能软开关尽量多地传输交换功率，r宜选大，
<mrow>
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</msub>
<mo>;</mo>
</mrow>
4)根据步骤3)确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc；
5)以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；
6)将所有定功率控制的换流站采用既定合适的方式恢复功率传输。
3.根据权利要求2所述的交流故障穿越方法，其特征在于：所述的步骤5)中，零序控制环如下：
1)将0值与零序电流i0作差，得到电流偏差ΔI，i0的计算公式如下：
<mrow>
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<mi>c</mi>
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<mn>3</mn>
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<mo>,</mo>
</mrow>
式中，ia、ib、ic分别表示流入与故障馈线相连换流站的ABC三相交流电流。
2)将ΔI经PR控制器处理获得电压偏差ΔU，PR控制器的算法如下：
<mrow>
<msub>
<mi>G</mi>
<mrow>
<mi>P</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
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<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，Kp为比例系数；KR为谐振系数；ω0为控制交流信号的角频率；ωc为引入的截止频率，用于调节谐振控制器的带宽；s为拉普拉斯算子；
3)将ΔU和零序电压u0作和，得到零序电压控制量e0，u0的计算公式如下：
<mrow>
<msup>
<mi>u</mi>
<mn>0</mn>
</msup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>c</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>3</mn>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，ua、ub、uc分别表示与故障馈线相连换流站交流出口处的ABC三相交流电压；
4)将正负序控制环输出的d轴电压控制量ed和q轴电压控制量eq，以及零序电压控制量e0，经派克反变换，得到abc交流电压控制量，并经最近电平调制得到子模块的触发脉冲。
4.根据权利要求3所述的交流故障穿越方法，其特征在于：
所述派克反变换的计算公式如下：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
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<mi>e</mi>
<mi>a</mi>
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<mn>3</mn>
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<mi>e</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中，ea、eb、ec分别表示ABC三相交流电压控制量，θ表示相角。
5.权利要求1所述智能软开关的交流故障穿越系统，其包括：
1)发送闭锁信号模块：交流故障发生后，发送模块向所有的非直流电压控制换流站发送闭锁信号；
2)获取最大幅值模块：检测交流故障发生端，三相交流相电压幅值的最大值Ux＝max{ua，ub，uc}，获得相电压最大幅值kv；
3)确定标幺值模块：根据下式确定直流电压标幺值r；
4)调节直流电压模块：根据确定标幺值模块确定的r，调节直流电压控制换流站，将直流电压下降至rUdc；
5)零序控制环投入模块：以零功率方式解锁所有闭锁的换流站，对与故障点直接相连的换流站投入零序控制环，控制零序电压和零序电流，平抑直流电压波动和非故障交流系统的交流电压波动；
6)功率传输恢复模块：将所有定功率控制的换流站采用既定合适的方式恢复功率传输。
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