CN107769263B - 基于锁相环同步控制的vsc黑启动装置及黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法，提供了VSC在未并入电网时频率建立和电压建立的解决方案，实现设备电压、频率的独立可控。该方法采用分步式启动，首先启动前完成变换器直流测的充电并将直流电压稳定在额定值；然后在控制回路中将相应开关断开等待黑启动信号；接收到黑启动信号后，启动过程开始，根据信号逐步建立设备的频率电压；待电压频率稳定后，根据黑启动信号将开关切换到设备原有的控制支路实现闭环控制，从而完成启动过程。本发明能够实现基于锁相同步的变流器在孤岛电网下的类同步功能，为解决采用VSC作为电网接口的设备在大停电事故后快速自启动问题提供了可行、有效的解决方案。

Description

基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法

技术领域

本发明属于可再生能源发电和高压直流输电技术领域，更具体地，涉及一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法。

背景技术

随着全球资源短缺问题的日益严重，新能源因其清洁、安全、高效、可再生性等优势，已成为世界各国重点发展的产业。加快新能源发展、推动能源清洁低碳转型已成为全球趋势。风能和太阳能资源充足，目前已成为新能源中重点发展的产业，为人类社会摆脱对化石能源的依赖，建立以清洁能源为主体的能源供应体系提供了有力的支撑。截止2016年底，中国风电和太阳能发电装机分别为1.5亿千瓦和0.8亿千瓦，均居世界第一。预期至2030年我国的风机装机将达4亿千瓦，太阳能发电装机2亿千瓦。目前在建的大型可再生能源区域包括甘肃酒泉，内蒙古乌兰察布、锡林郭勒、通辽、赤峰等数个500万千瓦以上的风力发电集中开发区，山东沿海、江苏沿海等大型海上风电基地，西藏、青海、新疆等大型光伏发电站。由于这些新能源发电基地均离负荷中心较远，往往需要依靠高压直流输电技术进行输电。风电场和光伏电站大量采用电压源变换器(Voltage Source Converter，VSC)等电力电子变换装备，提升了其发电效率和可控性，但同时也改变了电源的动态特性，极大地改变了电力系统的特性。

在输电技术上，柔性直流输电(HVDC Flexible)为距电网较远的风电场顺利接入系统提供了有力支撑。VSC型直流输电相比传统直流输电来说具有能实现有功功率和无功功率的快速解耦控制，不存在换相失败的风险，输出电压电流谐波含量低等优点，因此越来越受到研究者的关注。目前，我国建成了包括2011年投运的上海南汇柔直工程，2013年投运的广东南澳柔直工程，2014年投运的浙江舟山柔直工程等。

目前可再生能源发电技术存在无法脱离电网独立运行的缺陷。以风力发电机为例，目前的控制都是基于电网锁相同步，电压(或是功率)外环、电流内环的dq解耦的电流矢量控制策略。在强电网下，该控制策略具有独立调节有功、无功功率的优越性能。但在弱电网下，该控制策略本身存在稳定性问题。锁相同步方式使得风力发电机完全依赖于电网，因为需要电网频率或者相位作为自身的控制基准，因此风机无法像同步机一样可以脱网进行自启动和独立运行，这就导致了风机在发生停电事故后无法快速恢复对系统的供电，从而有可能造成更多损失或者扩大危害。对于其他基于VSC的电力电子装置而言，也存在着同样的问题。

综上所述，基于电网中大规模可再生能源发电系统的使用越来越多，电力系统有迅速电力电子化的现实和趋势，要求可再生能源发电基地能够在发生电网停电事故时进行快速的自启动，保证及时供电；可再生能源发电基地通过高压直流输电(High-VoltageDirect Current，HVDC)进行孤岛供电并能在负荷中心大停电后进行再启动；然而，现有的可再生能源发电技术存在缺陷，无法独立于电网建立电压频率，因此不能实现停电事故时的自启动或者孤岛供电。随着电源侧，负荷侧以及输电方面电力电子设备的运用愈发广泛，新能源发电占比越来越高，基于VSC的电力电子设备在面对停电事故时的自启动能力对于维持用户侧供电，恢复系统稳定方面都将会有巨大的贡献。基于VSC现有控制策略无法实现脱网自启动和独立运行的缺点，应用新的控制方法来实现以VSC作为电网接口的电力电子设备在发生停电事故后的快速黑启动。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法，由此解决基于VSC现有控制策略无法实现脱网自启动和独立运行的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置，包括：黑启动箱、开关T1、开关T2以及开关T3；

所述黑启动箱为四输入三输出模块，输入分别为黑启动信号、d轴直流电压v_d、q轴直流电压v_q和电压幅值指令v_m*，输出信号分别为b1、b2以及b3，其中，输出信号b1被控制为0，v_q和0做差后经过所述黑启动箱中的第一PI控制器得到输出信号b2，v_d与电压幅值指令v_m*做差后经过所述黑启动箱中的第二PI控制器得到b3；

所述开关T1的第一端与锁相环PLL中的第三PI控制器的输入端相连，所述开关T1的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b1相连，所述开关T1的第三端与abc-dq变换模块的输出信号端v_q相连；

所述开关T2的第一端与电流内环控制部分中的第一比较器的正输入端相连，所述开关T2的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b2相连，所述开关T2的第三端与电压功率外环控制部分中的第四PI控制器的输出端相连；

所述开关T3第一端与电流内环控制部分中的第二比较器的正输入端相连，所述开关T3的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b3相连，所述开关T3的第三端与电压功率外环控制部分中的第五PI控制器的输出端相连。

优选地，所述电压幅值指令v_m*为斜坡信号。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述任意一项所述的黑启动装置的锁相环同步控制的VSC黑启动方法，包括：

(1)将本地电网负荷接入断路器开关SW1，将电网断路器开关SW2断开，以完成电压源变换器VSC直流侧预充电，并保持控制VSC直流电压稳定在额定值；

(2)控制开关T1、开关T2以及开关T3断开，并等待黑启动信号；

(3)输入黑启动信号Start-up flag＝1；

(4)由黑启动箱接收黑启动信号，同时，控制开关T1、开关T2以及开关T3分别与黑启动箱的输出信号端b1、b2以及b3相连，以实现VSC黑启动的电压建立；

(5)在电压和频率稳定后，改变黑启动信号Start-up flag＝0，控制开关T1、开关T2以及开关T3同时进行切换，并分别与abc-dq变换模块的输出信号端v_q、第四PI控制器的输出端以及第五PI控制器的输出端相连，启动完成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)在黑启动箱中的输出信号b1被控制为0，端电压q轴分量v_q和0做差后经过PI控制器得到b2，端电压d轴分量v_d与电压幅值指令v_m*做差后经过PI控制器得到b3。当启动开始时，控制系统开关T1-T3同时投入到第1支路后，锁相环中PI控制器的输入变为b1，d轴电流控制的输入变为b2，q轴电流控制输入为b3。此时，VSC不再依赖电网，而是根据黑启动箱的控制策略建立自身的频率电压。变换器VSC出口端电压幅值是额定值，频率是PLL里设定的初始频率。

(2)在步骤(5)中，待电压频率稳定后，黑启动信号Start-up flag＝0，使得控制系统开关T1-T3同时切换到第2支路。即闭合锁相环PLL内部的开关T1，实现锁相环闭环控制。由于这时候v_q仍然被i_d电流支路直接控制成0，因此这一步切换不会带来任何冲击，实现了第一步的无缝切换。将T2、T3切换到第2支路——实现有功功率、频率控制以及交流电压幅值控制。

附图说明

图1是基于现有锁相环同步技术的电流控制型控制方案的变流器物理和控制结构图；

图2是基于锁相同步控制的VSC黑启动方法流程图；

图3是频率调节控制框图；其中，图3(a)是频率调节策略(FRS)构成；图3(b)是惯量控制框图；图3(c)是一次调频控制框图；图3(d)是二次调频控制框图；

图4是启动仿真结果，系统在5s的时候讲开关由第一支路切换到第二支路，10s时带负荷运行；其中。图4(a)是三相端电压和三相电流的仿真结果；图4(b)是端电压幅值和频率的仿真结果；图4(c)是分别是端电压dq分量和VSC输出电流dq分量的仿真结果。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法。在现有锁相环同步技术的基础之上，采用了一种电流控制型控制方案。原有的控制策略使得VSC必须依靠电网才能建立起电压频率，但该技术表明了其在孤岛电网下能具有类同步机的功能，即不需要电网的情况下就可以实现电压、频率的独立可控。

本发明的关键核心内容是实现基于VSC的新能源发电系统以及其他电力电子设备能够在电网发生停电事故后进行快速的黑启动。黑启动采用分步启动方式，启动开始前，本地电网负荷接入断路器开关SW1，电网断路器SW2断开，完成变换器直流侧预充电，并保持控制其直流电压稳定在额定值，然后，控制回路中的开关均断开，等待黑启动信号；之后，启动开始，控制系统开关均投入第一支路，根据黑箱信号建立电压频率；在启动过程中，为了避免电压上升过快带来的电流冲击，其中的电压幅值指令采用斜坡上升到额定值；待VSC输出电压和频率稳定后，将控制系统开关切换至第二支路，实现原来的闭环控制。至此就完成了启动全过程，如若后续还有负荷加入，只需直接并入即可。

本发明所提出的基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置及黑启动方法，可以适用于所有基于VSC的新能源发电系统(风电场、光伏电站)、基于VSC的输电系统(VSC-HVDC)等。本发明可以解决由大规模的可再生能源发电设备、柔性直流输电设备等构成的电力电子化电力系统在大停电事故后的快速启动问题，同样也可以运用于基于VSC的新能源发电系统，如风电场、光伏等，通过HVDC进行孤岛供电的场景以及负荷中心大停电之后的再启动问题。

本发明具体实施例以VSC作为解释，来说明这种方法和装置的可行性和适用性。

本发明旨在解决现有基于锁相环同步控制的VSC由于需要电网频率或者相位作为自身的控制基准，必须完全依靠电网才能建立自身频率和电压，从而导致了其无法脱离电网独立运行等缺陷，以及不能实现在面临大停电事故的情况下进行快速的自启动等问题。本发明提出的基于锁相环同步控制的VSC黑启动方法和装置的最终目标是要通过运用一种基于现有锁相环同步控制技术的电流控制型控制方案来实现VSC在孤岛电网下的类同步功能，即不需要电网的情况下实现电压和频率的独立可控，从而为基于VSC作为电网接口的电力电子设备在大停电事故之后的快速自启动问题提供一种可行的解决方案。

基于现有锁相环同步技术的电流型控制方案的变流器物理和控制结构图如图1所示。本发明实施例包括VSC、本地负荷以及无穷大电网，其中，VSC通过滤波电感和滤波电容连接到PCC上，本地负荷通过断路器SW1连到PCC上，VSC和本地负荷均通过断路器SW2连到电网。

变流器的控制策略主要有外环控制和内环控制。外环控制分为有功功率控制、端电压控制和频率控制。端电压频率指令值f_ref和实际的端电压频率值f之差经过频率调节控制器(FRS)后，再与有功功率指令值P_ref加起来得到P*，P*与反馈有功功率P之差经过PI控制器后，就可以得到d轴电流指令值。

电压幅值指令值v_m*和实际端电压幅值v_d之差经过PI控制器后可以得到q轴电流指令值。外环控制所得的dq电流指令值一般会直接作为电流内环的输入信号。

电流内环包括d轴电流控制和q轴电流控制。d轴电流指令值i_dref与测量后再经过坐标变换得到的实际d轴电流i_d做差后，经过PI控制器，PI控制器输出信号与电压前馈项v_d以及交叉耦合项ωL_fi_q经过代数计算后得到内电势d轴分量E_d；同样，q轴电流指令值i_qref与测量后再经过坐标变换得到的实际q轴电流i_q做差后经过PI控制器，PI控制器的输出信号和电压前馈项v_q以及交差耦合项ωL_fi_d经过代数计算得到内电势q轴分量E_q。最后E_d和E_q经过坐标变换后送入PWM发生器产生调制脉冲，产生所需要的VSC输出内电势。

锁相环(Phase Locked Loop，PLL)同步是一种常用的同步方式。采集的三相交流电压经过坐标变换，得到旋转坐标系下的d轴直流电压v_d和q轴直流电压v_q，选定直流电压v_d作为参考分量，反映在矢量图上就是锁相环输出的d轴去捕捉端电压相位，稳定情况下，端电压位置就在d轴上，v_q就为0，这就是锁相环同步的原理。而当锁定的相位与端电压相位不一致时，v_q便不等于0，则锁相环就通过PI控制器改变输出θ值，直到v_q再次为0。锁相环被使用来跟踪和同步系统的频率和相位，为电力电子设备并网提供了一个相位基准。变流器的控制部分都是对直流信号进行控制。控制器生成的直流指令E_d、E_q根据锁相环的输出θ角，进行坐标变换，生成E_a，E_b，E_c，输入到PWM控制器中生成触发信号，从而控制VSC开关的开合，将直流量转为交流量。由于锁相环的输出信号θ角中包含了接入端交流系统的频率和相位信息，这样就能使逆变得到的交流源与接入的交流系统保持同样的频率和一定的相位差，达到了与交流系统同步的目的。

现有的利用锁相环实现锁相同步控制的控制目标是快速、准确地去锁定并入交流系统的频率和相位，从而让受变流器控制的系统能够迅速与交流系统同步。但是可以看出，锁相同步方式使得VSC完全依赖于电网，因为必须依靠电网频率或相位作为自身的控制基准，使得基于VSC的电力电子设备，如风机，无法像同步机一样可以脱离电网进行启动和独立运行。因此，现有新能源发电系统以及其他基于VSC作为电网接口的电力电子设备无法在大停电事故之后快速地自启动。

需要说明的是，本发明在VSC原有控制策略的基础上进行了改善，使其能实现对电压和频率的独立可控功能。在锁相环的PI控制器前以及电流环输入前加入了三个控制开关T1、T2、T3，而这三个开关的输入分别对应由黑启动箱控制的第1支路和外环及锁相环控制的第2支路。其中锁相环的第1支路输入为b1，d轴电流控制的第1支路输入为b2，q轴电流控制的第1支路输入为b3。黑启动箱是一个四输入三输出的系统，输入分别为Start-up flag、v_q、v_d和v_m*(斜坡信号)，输出信号分别为b1、b2、b3。其中，输出信号b1被控制为0，v_q和0做差后经过PI控制器得到b2，v_d与电压幅值指令v_m*做差后经过PI控制器得到b3。

图2所示的是，本发明提供的基于锁相同步控制的VSC黑启动方法的实现流程图，包括以下内容：

(1)启动过程前进行物理电路的准备工作。本地电网负荷接入断路器开关SW1，电网断路器开关SW2断开；完成变换器直流侧预充电，并保持控制其直流电压稳定在额定值；

(2)启动过程前进行控制回路的准备工作。在控制回路中，将开关T1-T3断开，变流器控制系统等待黑启动信号；

(3)黑启动信号发出，Start-up flag＝1，启动开始；

(4)黑启动箱接收黑启动信号，开始运行，同时，控制系统开关T1-T3同时投入到第1支路，此时，锁相环中PI控制器的输入信号直接被控制为0，锁相环输出的同步信号频率依旧是50HZ(即PLL里设定的初始频率)，而电流内环的电流基准值则依靠端电压dq轴分量来决定，这样实现了变流器黑启动的电压、频率的建立。为了避免电压上升过快带来电流冲击，其中电压幅值指令采用斜坡逐渐上升到额定值。变换器出口端电压幅值是额定值，频率是50Hz(PLL里设定的初始频率)。电流i_d应该等于0(没有接入负荷，忽略线路等损耗)，i_q会有一定的值来抵消变换器出口滤波电感电容产生的无功。这时候电网电压的频率和幅值达到负荷接入的要求，可以投入少量本地负荷。

(5)控制切换。等到电压和频率稳定后，黑启动信号Start-up flag＝0，使得控制系统开关T1-T3同时切换到第2支路。即闭合锁相环PLL内部的开关T1，实现锁相环闭环控制(由于这时候v_q仍然被i_d电流支路直接控制成0，因此这一步切换不会带来任何冲击，实现了第一步的无缝切换)。将T2、T3切换到第2支路——实现有功功率、频率控制以及交流电压幅值控制。

(6)至此，启动过程全部完成。如果后续还有负荷加入，只需直接并入即可，而带动同步机加入或并入大电网，需要进行同期并网过程，从而自动实现了与其它同步机的功率动态分配。

其中，如图1所示，在本发明实施例中的第1支路表示与黑启动箱的输出信号b1、b2以及b3对应相连的支路，第2支路表示与abc-dq变换模块的输出信号v_q、电压功率外环控制部分中的第四PI控制器的输出信号以及电压功率外环控制部分中的第五PI控制器的输出信号对应相连的支路。

为进一步保证开关由第1支路切换到第2支路时频率的稳定性，本发明采用了频率控制策略(FRS)，如图3所示。频率控制策略包括惯量控制、一次调频和二次调频。图3(b)给出了惯量控制的框图，图3(c)给出了一次调频的框图，图3(d)给出了二次调频的框图。频率调节策略往往由这些控制组合而成，其中惯量控制能降低频率下降的速率和下降的最大值，一次调频能将频率拉回到合理的范围内，而二次调频能够将频率拉回到50HZ，实现无差调频。

为说明图1中所提出的基于锁相环同步技术的电流控制型控制方案的变流器的可行性，图4给出了该简单系统的仿真结果，其中，5s的时候开关从第一支路切换到第二支路，10s时开始带负荷运行。图4(a)表示的是三相端电压和VSC输出三相电流的仿真结果，从图中可以看出，5s开始的切换过程非常平稳，不会带来任何冲击；10s时开始带负荷运行也十分稳定。图4(b)表示的是频率和电压幅值的响应过程。图4(c)分别表示了v_d、v_q、i_d、i_q的动态响应。综合仿真结果可以看出，本发明提出的基于锁相环同步控制的VSC黑启动方法和装置在脱网的情况下能够实现电压频率的独立可控，并且在控制切换的过程中不会带来任何冲击，在并网带负荷后也能实现平稳的过渡，其可行性得到了验证。因此本发明所提出的方法和装置能够用于解决采用VSC作为电网接口的电力电子设备在大停电事故之后快速自启动的问题。

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 (3)

1.一种基于锁相环同步控制的VSC黑启动装置，其特征在于，包括：黑启动箱、开关T1、开关T2以及开关T3；

所述黑启动箱为四输入三输出模块，输入分别为黑启动信号、d轴直流电压v_d、q轴直流电压v_q和电压幅值指令v_m*，输出信号分别为b1、b2以及b3，其中，输出信号b1被控制为0，v_q和0做差后经过所述黑启动箱中的第一PI控制器得到输出信号b2，v_d与电压幅值指令v_m*做差后经过所述黑启动箱中的第二PI控制器得到b3；

所述开关T1的第一端与锁相环PLL中的第三PI控制器的输入端相连，所述开关T1的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b1相连，所述开关T1的第三端与abc-dq变换模块的输出信号端v_q相连；

所述开关T2的第一端与电流内环控制部分中的第一比较器的正输入端相连，所述开关T2的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b2相连，所述开关T2的第三端与电压功率外环控制部分中的第四PI控制器的输出端相连；

所述开关T3第一端与电流内环控制部分中的第二比较器的正输入端相连，所述开关T3的第二端与所述黑启动箱的输出信号端b3相连，所述开关T3的第三端与电压功率外环控制部分中的第五PI控制器的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压幅值指令v_m*为斜坡信号。

3.一种基于权利要求1或2任意一项所述的黑启动装置的锁相环同步控制的VSC黑启动方法，其特征在于，包括：

(1)将本地电网负荷接入断路器开关SW1，将电网断路器开关SW2断开，以完成电压源变换器VSC直流侧预充电，并保持控制VSC直流电压稳定在额定值；

(2)控制开关T1、开关T2以及开关T3断开，并等待黑启动信号；

(3)输入黑启动信号Start-up flag＝1；

(4)由黑启动箱接收黑启动信号，同时，控制开关T1、开关T2以及开关T3分别与黑启动箱的输出信号端b1、b2以及b3相连，以实现VSC黑启动的电压建立；

(5)在电压和频率稳定后，改变黑启动信号Start-up flag＝0，控制开关T1、开关T2以及开关T3同时进行切换，并分别与abc-dq变换模块的输出信号端v_q、第四PI控制器的输出端以及第五PI控制器的输出端相连，启动完成。