CN110137997A - 一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，包含定直流电压控制模式、定有功功率控制模式、下垂控制模式，可以在装置串并联侧功率不平衡及任意换流器故障停运等工况下实现直流电压母线电压的安全稳定控制和快速的有功平衡控制。本发明的控制方法中，各个控制模式间可以自动切换，避免了换流器之间的控制权冲突问题，减少了高精度的通信成本，提高了基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置的运行可靠性。本发明适用于统一潮流控制器、统一电能质量控制器、线间潮流控制器、可转换式静止补偿器及其他结构相似的基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置。

Description

一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法

技术领域

本发明涉及柔性交流输电技术领域，尤其涉及一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法。

背景技术

随着社会的飞速发展，用户对电力的需求稳定增加，从电网实际情况来看，随着电网结构的进一步扩大，新的运行控制问题相继凸显：骨干网架中自然分布的潮流分布不均、负荷结构显著变化、新能源大规模接入、电压支撑能力不足、短路电流过大、机电振荡等问题相互交织，给电网带引入了新的挑战。

传统技术手段对上述问题难以发挥作用，此背景下，随着上世纪末电力电子技术的迅猛发展，电力电子装置利用大功率电力电子器件替代传统的机械开关，结合先进的现代控制技术，对电力系统的参数和变量进行连续地控制，在不改变线路固有结构的基础上，实现快速的电压调节、线路电抗补偿、移相、调节线路有功和无功潮流、改善系统稳定性、阻尼电力系统震荡、提高系统传输能力等作用，受到了国内外学者们的广泛关注。

电力电子装置按照接入电网的方式可以分为并联型、串联型及串并联混合型三大类，其中串并联混合型电力电子装置具有并联型和串联型装置的优点，可以对电流和电压同时进行调节，功能强大，性能优越，典型代表包括统一潮流控制器、统一电能质量调节器等。图1为典型的双回路主接线串并联混合型电力电子装置拓扑图，4个换流器通过隔离开关共用直流母线且互为备用，换流器1、换流器2为并联侧换流器，换流器3、换流器4为串联侧换流器。

串并联混合型电力电子装置中，直流母线是连接并联侧换流器和串联侧换流器的纽带，有功功率通过直流母线双线流动。当串、并联侧的有功功率出现不平衡时，直流电压会相应变化，因此对直流电压的首要控制目标为实现系统串并联侧功率的快速平衡，而不需要控制直流母线电压一直稳定在参考值，只要控制其稳定在安全运行范围内即可。为了充分利用双回路主接线拓扑结构的灵活性和可靠性，需要使两台并联换流器协调配合控制直流母线电压，防止两台换流器的控制器之间产生冲突，提高装置整体运行的可靠性。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，使装置在暂态过程或换流器故障时均能快速的调节系统串并联侧有功平衡和保证直流母线电压稳定在安全运行范围内，提高整个装置的可靠性。

技术方案：本发明串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，包含换流器1和换流器2的定直流电压控制、下垂控制、裕度控制。初始阶段由并联侧换流器1采用定直流电压控制将直流母线电压稳定在参考值U_dcref，换流器2维持零有功功率输出。若串联侧有功需求增加，换流器1增加有功输出。当换流器1的有功输达到预设值P_H后，转为直流电压——功率下垂控制，引起直流电压下降；当直流母线电压降至U_dcref-U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制，与换流器1一起承担串联侧的功率缺额；当换流器1的有功输出达到P_max时，换流器1转为定有功功率控制，将功率输出维持在P_max；若串并联侧功率缺额仍然存在，直流电压继续下降；当直流母线电压降至运行下限U_dcrefL时，换流器2转为定直流低电压控制，将直流母线电压稳定在U_dcrefL；若串联侧有功需求减少导致直流电压上升时，控制方法同理。

其中，U_dcrefL为直流母线电压安全运行范围下限值，取0.9U_dcref～0.95U_dcref。

预设值P_H为接近换流器1功率极限附近的临界值。当串联侧的有功需求较大时，若并联侧只由一个换流器提供全部功率缺额，其功率输出易越限，影响系统的安全运行。因此当换流器1输出功率超过临界值P_H后，转为下垂控制以降低直流电压，从而迫使换流器2转为下垂控制，与换流器1一起分担功率缺额。

-U_dz为预设的死区电压，用于防止直流电压受到轻微扰动后，在参考值附近发生微小波动时引起换流器2的有功功率振荡，从而误动为下垂控制模式。

P_max为换流器输出功率的极限值，用于防止换流器输出功率越限。

在装置稳定运行后的并联侧换流器1的定直流电压控制模式中，将直流电压参考值U_dcref与直流电压实测值U_dc的差值经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K_p，K_i为电压控制器比例、积分系数。

在换流器2的零有功功率输出模式中，将功率参考值0与换流器2输出功率实测值P_sh2的差值经过比例积分后得到内环电流参考值，计算公式如下：

其中，K_p，K_i为功率控制器比例、积分系数。

在换流器1的直流电压——功率下垂控制模式中，将换流器1输出功率实测值P_sh1与P_H的差值经过比例控制后加入到直流电压参考值中，再与直流电压实测值U_dc经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₁为直流电压——功率下垂曲线的斜率。

在换流器2的功率——直流电压下垂控制模式中，将直流电压参考值U_dcref与直流电压实测值U_dc的差值经过比例控制后加入到功率参考值0中，再与换流器2输出功率实测值P_sh2经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₂为功率——直流电压下垂曲线的斜率。

在换流器1的定有功功率控制模式中，将P_max与换流器1输出功率实测值P_sh1的差值经过比例积分后得到内环电流参考值，计算公式如下：

在换流器2的定直流低电压控制模式中，将直流电压运行下限参考值U_dcrefL与直流电压实测值U_dc的差值经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

换流器1下垂曲线的斜率K₁大小和换流器2下垂曲线的斜率K₂大小与各自对应的换流器容量成反比，K₁和K₂有下述关系：

其中，S₁为换流器1的容量，S₂为换流器2的容量。

若串联侧有功需求减少引起直流电压上升，控制方法同理，即将换流器1的P_H替换为P_L＝-P_H,P_max替换为P_min＝-P_max，换流器2的电压死区替换为+U_dz，直流电压运行下限U_dcrefL替换为运行上限U_dcrefH，取1.05U_dcref～1.1U_dcref。

本发明基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置的高可靠性直流电压协同控制方法中，当换流器1因故障退出运行后，可以自动将直流母线电压控制在直流电压安全运行范围内，具体过程如下：

1)换流器1因故障退出运行，换流器2保持零有功功率输出，串并联侧出现瞬时的功率缺额，直流母线电压下降；

2)当直流母线电压降至U_dcref—U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制模式，为串联侧提供有功功率。若能够满足功率缺额，则直流母线电压将稳定在U_dcref～U_dcrefL内的某一值；

3)若换流器2的下垂阶段不能满足功率缺额，直流母线电压将继续下降，当直流电压降至运行下限U_dcrefL时，换流器2转为定直流电压控制模式，将直流母线电压稳定在运行下限U_dcrefL。

其中，无需上层控制器，每个换流器的控制模式可以根据直流电压实测值自动切换。

本发明控制方法适用于各种包含并联侧换流器、串联侧换流器及公共直流母线的串并联混合型电力电子装置。

有益效果：与现有技术相比，本发明可以在串联侧不同的有功需求及任意换流器故障停运等工况下实现直流电压母线电压的安全稳定控制和快速的有功平衡控制，避免了两个换流器的控制权冲突问题。其方法简单，各个控制模式可以自动切换，减少了高精度的通信成本，提高了串并联混合型电力电子装置的运行可靠性。本发明适用于统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)、统一电能质量控制器(Unified PowerQuality Conditioner，UQPC)、线间潮流控制器(Interline Power Flow Controller，IPFC)、可转换式静止补偿器(Convertible Static Compensator，CSC)及其他结构相似的串并联混合型电力电子装置。

附图说明

图1为典型的基于公共直流母线的双回路主接线串并联混合型电力电子装置拓扑图；

图2为本发明中直流电压协同控制的直流电压——功率曲线原理图；

图3为本发明中基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置并联侧换流器1的控制框图；

图4为本发明中基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置并联侧换流器2的控制框图。

具体实施方式

本发明公开了一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，结合了定直流电压控制、下垂控制、裕度控制。装置稳定运行后由并联侧换流器1采用定直流电压控制将直流母线电压稳定在参考值U_dcref，换流器2维持零有功功率输出。若串联侧有功需求增加，换流器1的有功输出增加。当换流器1的有功输达到预设值P_H后，转为直流电压——功率下垂控制，引起直流电压下降；当直流母线电压降至U_dcref-U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制，与换流器1一起承担串联侧的功率缺额；当换流器1的有功输出达到P_max时，换流器1转为定有功功率控制，将功率输出维持在P_max；若串并联侧功率缺额仍然存在，直流电压继续下降；当直流母线电压降至运行下限U_dcrefL时，换流器2转为定直流低电压控制，将直流母线电压稳定在U_dcrefL。

图2是本发明中直流电压协同控制的直流电压——功率曲线原理图。当串联侧换流器与电网交换的有功增加时，串联侧需要从并联侧吸收有功功率。若串联侧的有功需求较小，并联侧一个换流器即能够满足功率需求且功率输出不会越限，因此由换流器1提供全部功率缺额。此种工况下换流器1采用定直流电压控制，快速弥补有功缺额，增加有功输出，维持直流母线电压稳定在参考值U_dcref。其电流内环参考值由下式给出：

此时，换流器2与串联侧的有功功率交换为0，其电流内环参考值由下式给出：

其中，K_p，K_i为控制器比例、积分系数。此种工况下并联侧控制原理图如图2(a)所示，其中点A为并联侧运行点，此时直流母线电压稳定在U_dcref。

若串联侧有功需求较大时，换流器1会持续增加有功输出，直至输出达到接近功率极限附近的临界值P_H，系统工作点由A运行至B点。在B点，当换流器1的有功输出大于P_H时，若并联侧只由换流器1提供全部功率缺额，其功率输出易越限，影响系统的安全运行，因此在B点换流器1转为直流电压——功率下垂控制模式，运行特性进入图2(b)中的BD阶段。当并联侧的系统运行点越过B点后，直流电压会下降，当直流电压降为U_dcref-U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制模式，与换流器1一起快速的弥补功率差额。值得注意的是，U_dz是一个小的电压死区，防止直流母线电压在参考值附近发生微小波动时换流器2误动引起有功功率振荡。

在换流器1的直流电压——功率下垂控制模式中，将换流器1输出功率实测值P_sh1与P_H的差值经过比例控制后加入到直流电压参考值中，再与直流电压实测值U_dc经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₁为直流电压——功率下垂曲线的斜率。

在换流器2的功率——直流电压下垂控制模式中，将直流电压参考值U_dcref与直流电压实测值U_dc的差值经过比例控制后加入到功率参考值0中，再与换流器2输出功率实测值P_sh2经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₂为功率——直流电压下垂曲线的斜率。

K₁和K₂的大小与各自对应的换流器容量成反比，K₁和K₂可由下述关系确定：

其中，S₁为换流器1的容量，S₂为换流器2的容量。

并联侧两台换流器沿着各自的斜率曲线寻找新的运行点，快速实现装置串、并联侧的有功平衡。在图2(b)中的BD阶段，若并联侧两个换流器的有功输出能够满足串联侧的功率缺额，则系统运行点会稳定在BD段中的某一点，直流电压偏离参考值较小且处于安全范围内。

若系统运行点移动到D点，则换流器1的输出功率达到极限值P_max，即将越限，因此需要对其进行限幅，因此换流器1改为定有功功率控制，保持有功输出为P_max，由换流器2继续提供串联侧的功率缺额。换流器1的定有功功率控制模式中，将P_max与换流器1输出功率实测值P_sh1的差值经过比例积分后得到内环电流参考值，计算公式如下：

若直流电压继续下降，降至运行下限值U_dcrefL时，为了防止电压偏离过大而危害设备安全运行，换流器2转为定直流低电压控制，将直流母线电压稳定在运行下限U_dcrefL。在此控制模式中，将直流电压运行下限参考值U_dcrefL与直流电压实测值U_dc的差值经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

当换流器1因故障退出运行后，装置串、并联侧的有功功率失去平衡，系统运行点改变，直流电压持续下降，本发明可以自动将直流母线电压控制在安全运行范围内，保证设备的安全运行，具体过程如下：

1)换流器1因故障退出运行，换流器2保持零有功功率输出，串并联侧出现瞬时的功率缺额，直流母线电压下降，换流器2检测到直流母线电压下降；

2)当直流母线电压降至U_dcref—U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制模式，沿着有功输出增加的方向寻找稳定运行点，为串联侧提供有功功率。若能够满足功率缺额，则直流母线电压将稳定在U_dcref～U_dcrefL内的某一值；

3)若换流器2的下垂阶段不能满足功率缺额，直流母线电压将继续下降，当直流电压降至运行下限U_dcrefL时，换流器2转为定直流电压控制模式，将直流母线电压稳定在运行下限U_dcrefL。

上述分析是基于串联侧有功需求增加的假设，当串联侧有功需求下降引起直流电压上升时控制策略同理：首先由并联侧换流器1采用定直流电压控制将直流母线电压稳定在参考值U_dcref，换流器2维持零有功功率输出。若串联侧有功需求减小，换流器1的有功输出减小，维持直流母线电压。当换流器1的有功输达到预设值P_L＝-P_H后，转为直流电压——功率下垂控制，引起直流电压上升；当直流母线电压升至U_dcref+U_dz时，换流器2转为功率——直流电压下垂控制，与换流器1一起吸收串联侧多余的有功功率；当换流器1的有功输出达到P_min＝-P_max时，换流器1转为定有功功率控制，将功率输出维持在P_min；若串并联侧功率不平衡仍然存在，直流电压继续上升；当直流母线电压升至运行上限U_dcrefH时，换流器2转为定直流高电压控制，将直流母线电压稳定在U_dcrefH。直流母线电压运行下限U_dcrefL的一般取值为0.9U_dcref～0.95U_dcref，运行上限U_dcrefH的一般取值为1.05U_dcref～1.1U_dcref。

前述的基于公共直流母线的串并联混合型电力电子装置的高可靠性直流电压协同控制方法中，无需上层控制器，每个换流器的控制模式可以根据直流电压实测值自动切换，避免了通信的需求。本发明适用于各种包含并联侧换流器、串联侧换流器及公共直流母线的串并联混合型电力电子装置。

如图3所示为并联侧换流器1的控制框图。在定直流电压控制的电压参考值中加入下垂分量和电流限幅。当换流器1的实测输出功率P的幅值小于等于PH的幅值时，下垂分量为0，此时控制器为定直流电压控制；当P的幅值大于PH的幅值时，下垂分量不为0，此时控制器为电压——功率下垂控制；当电流参考值达到功率极限所对应的幅值时，控制器为定有功功率控制。

如图4所示为并联侧换流器2的控制框图。定直流低电压控制、功率——电压下垂控制、定直流高电压控制部分输出的电流参考值分别为i_sh2d ^ref1、i_sh2d ^ref2、i_sh2d ^ref3,最终并联侧换流器2电流参考值i_sh2d ^ref由下式决定：

Claims (10)

1.一种串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：由定直流电压控制、下垂控制、裕度控制相结合；初始阶段由并联侧换流器(1)采用定直流电压控制将直流母线电压稳定在参考值U_dcref，换流器(2)维持零有功功率输出；若串联侧有功需求增加，当换流器(1)的有功输达到预设值P_H后，转为直流电压——功率下垂控制，直流电压下降；当直流母线电压降至U_dcref-U_dz时，换流器(2)转为功率——直流电压下垂控制；当换流器(1)的有功输出达到P_max时，换流器(1)转为定有功功率控制；当直流母线电压降至运行下限U_dcrefL时，换流器(2)转为定直流低电压控制；若串联侧有功需求减少，控制方法同上；

其中，U_dcrefL为直流母线电压安全运行范围下限值，取0.9U_dcref～0.95U_dcref；

预设值P_H为接近换流器(1)功率极限附近的临界值；

-U_dz为预设的死区电压，用于防止直流电压在参考值附近发生微小波动时引起换流器2的有功功率振荡；

P_max为换流器输出功率的极限值，用于防止换流器输出功率越限。

2.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：初始阶段由并联侧换流器(1)采用定直流电压控制，直流电压参考值U_dcref与直流电压实测值U_dc的差值经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K_p，K_i为电压控制器比例、积分系数。

3.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(2)维持零有功功率输出，功率参考值0与换流器(2)输出功率实测值P_sh2的差值经过比例积分后得到内环电流参考值，计算公式如下：

其中，K_p，K_i为功率控制器比例、积分系数。

4.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(1)直流电压——功率下垂控制具体指：将换流器(1)输出功率实测值P_sh1与P_H的差值经过比例控制后加入到直流电压参考值中，再与直流电压实测值U_dc经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₁为直流电压——功率下垂曲线的斜率。

5.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(2)的功率——直流电压下垂控制具体指：将直流电压参考值U_dcref与直流电压实测值U_dc的差值经过比例控制后加入到功率参考值0中，再与换流器(2)输出功率实测值P_sh2经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

其中，K₂为功率——直流电压下垂曲线的斜率。

6.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(1)的定有功功率控制具体指：将P_max与换流器1输出功率实测值P_sh1的差值经过比例积分后得到内环电流参考值，计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(2)的定直流低电压控制具体指：将直流电压运行下限参考值U_dcrefL与直流电压实测值U_dc的差值经过比例积分后得到电流参考值，计算公式如下：

8.根据权利要求4或5中任一项所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：换流器(1)下垂曲线的斜率K₁和换流器(2)下垂曲线的斜率K₂大小与对应的换流器容量成反比，K₁和K₂有下述关系：

其中，S₁为换流器(1)的容量，S₂为换流器(2)的容量。

9.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：若串联侧有功需求减少，控制方法为：将换流器(1)的P_H替换为P_L＝-P_H,P_max替换为P_min＝-P_max，换流器(2)的电压死区替换为+U_dz，直流电压运行下限U_dcrefL替换为运行上限U_dcrefH，取1.05U_dcref～1.1U_dcref。

10.根据权利要求1所述的串并联型交直流变换装置的直流电压协同控制方法，其特征在于：当换流器(1)因故障退出运行后，可以自动将直流母线电压控制在直流电压安全运行范围内，过程如下：

1)换流器(1)因故障退出运行，换流器(2)保持零有功功率输出，直流母线电压下降；

2)当直流母线电压降至U_dcref—U_dz时，换流器(2)转为功率——直流电压下垂控制，为串联侧提供功率缺额，若能够满足功率缺额，直流母线电压将稳定在U_dcref～U_dcrefL内某一值；

3)若直流母线电压继续下降，降至运行下限U_dcrefL时，换流器(2)转为定直流电压控制，维持直流母线电压稳定在运行下限U_dcrefL。