CN110323781A - 一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，步骤1：电网正常运行状态下，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；步骤2：当电网电压跌落，判断模块化多电平电力电子变压器并网点电压U的pu大小；如果并网点电压U≥0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；如果并网点电压U<0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用无功优先控制；当电网电压跌落引起系统能量不均衡，导致直流侧电压波动，采用储能协调控制用于维持直流侧母线电压的恒定。本发明实现在电网电压跌落期间；仍能保证模块化多电平电力电子变压器并网运行，实现低电压安全穿越。

Description

一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，属于电力电子设备技术领域。
背景技术
电力变压器作为电力系统的重要组成部分，主要承担电压等级转换及电气隔离、能量传递的功能。但是，传统的变压器功能单一，体积庞大，并且电力系统在受到扰动以及发生故障的情况下，会通过变压器进行传递，无法实现隔离。
因此，传统的电力变压器已经无法满足电网发展的需求。近年来，随着可再生能源接入低压交流、直流电网的需要以及功率半导体技术的进步引出了电力电子变压器的概念。它是一种利用电力电子变换技术与电磁感应原理实现电能高效传输及变换的新型变压器，除具有传统变压器的基本功能以外，还可实现潮流控制、无功补偿以及电能质量控制等多种功能，在电力系统中的应用十分广泛。
目前针对模块化多电平电力电子变压器在发生故障后，应保证其具有低电压穿越能力，使其不脱网继续运行一定长时间的相关方面研究较少。所以对模块化电力电子变压器的低电压穿越控制方法的研究具有重要的现实意义。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：
步骤1：电网正常运行状态下，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；
步骤2：当电网电压跌落，判断模块化多电平电力电子变压器并网点电压U的pu大小；如果并网点电压U≥0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；如果并网点电压U<0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用无功优先控制。
作为优选方案，还包括步骤3：
步骤3：当电网电压跌落引起系统能量不均衡，导致直流侧电压波动，采用储能协调控制用于维持直流侧母线电压的恒定。
作为优选方案，如果并网点电压U≤0.2，模块化多电平电力电子变压器脱网进入孤岛运行。
作为优选方案，如果并网点电压0.2<U<0.9，模块化多电平电力电子变压器注入电网的动态无功电流应满足：
iq≥1.5×(0.9-U)IN (1)
式中：iq为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在q轴上电流分量的实测值；U为模块化多电平电力电子变压器并网点电压；IN为额定电流。
作为优选方案，电网正常情况下，模块化多电平电力电子变压器以单位功率因数并网运行即：
id＝IN (2)
式中：id为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在d轴上电流分量的实测值。
作为优选方案，限定电网电压跌落时网侧输出电流不超过额定电流的1.1倍，若id以IN作为限制，则允许输出的最大无功电流为：
作为优选方案，当低电压穿越期间，采用无功优先控制确定无功支撑电流参考值为：
采用无功优先控制确定有功电流参考值为：
其中，U为并网点电压，IN为额定电流。
作为优选方案，当电网电压跌落期间，若直流侧母线电压高于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，对储能系统进行充电，能量从直流侧流向储能系统，从而减小直流侧母线电压；反之，若直流侧母线电压低于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，对储能系统进行放电，能量从储能系统流向直流侧母线，从而使直流侧母线电压升高。
有益效果：本发明提供的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，可以实现在模块化多电平电力电子变压器在发生故障时，电网电压跌落期间，保证模块化多电平电力电子变压器不脱网运行，实现低电压穿越能力。高压输入级变流器根据电网电压的幅值，实现有功无功切换控制。在低电压期间，通过储能协调控制实现直流侧母线电压的稳定，平衡系统能量；高压输入级变流器切换为无功优先控制，提供无功功率支撑电压恢复，实现模块化多电平电力电子变压器低电压穿越控制。
附图说明
图1为本方法的有功无功协调控制流程图；
图2为本方法的有功无功协调控制结构图；
图3为本方法中基于储能系统的模块化多电平电力电子变压器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，
步骤1：电网正常运行状态下，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则，即采用电压电流双闭环控制，优先满足有功电流，实现有功的最大化利用，同时控制直流母线电压的稳定。
步骤2：当电网电压跌落，进一步判断模块化多电平电力电子变压器并网点电压U(pu)大小；如果并网点电压U≥0.9，则认为处于正常运行状态，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；如果并网点电压U<0.9，则认为处于电压跌落状态，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用无功优先控制；由于模块化多电平电力电子变压器高压输入级变流器对输出电流值的限幅作用，若执行有功控制原则不变，则高压输入级变流器仅处于功率限幅状态，无法对系统提供无功支撑，因此需要切换为无功优先控制。
进一步如果并网点电压U≤0.2，则认为电网发生严重的故障，此时模块化多电平电力电子变压器脱网进入孤岛运行。
进一步如果并网点电压0.2<U<0.9，电网电压处于跌落状态，模块化多电平电力电子变压器注入电网的动态无功电流应满足：
iq≥1.5×(0.9-U)IN (1)
式中：iq为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在q轴上电流分量的实测值；U为模块化多电平电力电子变压器并网点电压；IN为额定电流。
正常情况下模块化多电平电力电子变压器以单位功率因数并网运行即
id＝IN (2)
式中：id为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在d轴上电流分量的实测值。
且限定电网电压跌落时网侧输出电流不超过额定电流的1.1倍，若id以IN作为限制，则允许输出的最大无功电流为：
为了避免模块化多电平电力电子变压器高压输入级变流器较长时间运行于最大限幅状态，此处取0.45IN,由式(1)得到对应的U为0.6。
进一步模块化多电平电力电子变压器高压输入级并网点电压U可细分为如下状态：
(1)0.6≤U＜0.9时，为了提高系统低电压穿越能力，则固定无功输出电流为：
iq_ref＝0.45IN (4)
式中：iq_ref为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在q轴上电流分量的参考值。
相应的有功输出电流为:
id_ref＝IN (5)
式中：id_ref为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在d轴上电流分量的参考值。
(2)0.2＜U＜0.6时，根据低电压穿越动态无功支撑要求，此时设定无功电流参考值为：
iq_ref＝1.5×(0.9-U)IN (6)
相应有功电流参考值为:
进一步低电压穿越期间，采用无功优先控制确定无功支撑电流参考值为：
进一步低电压穿越期间，采用无功优先控制确定有功电流参考值为：
步骤3：电网电压跌落状态下会引起系统能量不均衡，导致直流侧电压波动。利用储能协调控制来维持直流侧母线电压的恒定，并使系统能量得到最优利用。
进一步电网电压跌落期间，通过控制双向DC/DC变换器实现储能系统的协调控制来控制直流侧母线电压。当直流侧母线电压高于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，对储能系统进行充电，能量从直流侧流向储能系统，从而减小直流侧母线电压；反之，若直流侧母线电压低于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，对储能系统进行放电，能量从储能系统流向直流侧母线，从而使直流侧母线电压升高。
如图1所示，根据并网点电压情况，选择有功无功优先控制权，从而保证网侧电压跌落期间，能够获得动态无功支撑，实现低电压安全穿越。具体步骤为判断模块化多电平电力电子变压器并网点电压U(pu)大小；如果并网点电压U≥0.9，则认为处于正常运行状态，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；如果并网点电压U<0.9，则认为处于电压跌落状态，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用无功优先控制；如果并网点电压U≤0.2，则认为电网发生严重的故障，此时模块化多电平电力电子变压器脱网进入孤岛运行。
如图2所示，有功优先控制情况下，以稳定直流侧电压和并网点电压为控制目标，设计电压外环电流内环的控制方法；无功优先控制情况下，根据并网点电压计算出无功支撑电流参考值和有功电流参考值，与无功电流和有功电流实际值做反馈，设计直接电流环控制方法。
如图3所示，电网电压跌落状态下会引起系统能量不均衡，导致直流侧电压波动；利用储能协调控制来维持直流侧母线电压的恒定，并使系统能量得到最优利用。通过控制双向DC/DC变换器实现储能系统的协调控制来控制直流侧母线电压。当直流侧母线电压高于参考值时，变换器工作在Buck模式，对储能系统进行充电，能量从直流侧流向储能系统，从而减小直流侧母线电压；反之，若直流侧母线电压低于参考值时，变换器工作在Boost模式，对储能系统进行放电，能量从储能系统流向直流侧母线，从而使直流侧母线电压升高。
本发明通过利用储能协调控制和有功无功协调控制实现模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越。包括通过储能协调控制实现在网侧低电压期间维持直流母线电压恒定的目标，避免因母线电压大范围波动对系统稳定运行造成的影响；有功无功协调控制可避免高压输入级变流器输出过流，同时提供动态无功功率支撑网侧电压恢复。本发明能够实现在电网电压跌落期间；仍能保证模块化多电平电力电子变压器并网运行，实现低电压安全穿越。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：电网正常运行状态下，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；
步骤2：当电网电压跌落，判断模块化多电平电力电子变压器并网点电压U的pu大小；如果并网点电压U≥0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用有功优先控制原则；如果并网点电压U<0.9，模块化多电平电力电子变压器高压输入级采用无功优先控制。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：还包括步骤3：
步骤3：当电网电压跌落引起系统能量不均衡，导致直流侧电压波动，采用储能协调控制用于维持直流侧母线电压的恒定。
3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：如果并网点电压U≤0.2，模块化多电平电力电子变压器脱网进入孤岛运行。
4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：如果并网点电压0.2<U<0.9，模块化多电平电力电子变压器注入电网的动态无功电流应满足：
iq≥1.5×(0.9-U)IN (1)
式中：iq为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在q轴上电流分量的实测值；U为模块化多电平电力电子变压器并网点电压；IN为额定电流。
5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：电网正常情况下，模块化多电平电力电子变压器以单位功率因数并网运行即：
id＝IN (2)
式中：id为模块化多电平电力电子变压器高压输入级电流在d轴上电流分量的实测值。
6.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：限定电网电压跌落时网侧输出电流不超过额定电流的1.1倍，若id以IN作为限制，则允许输出的最大无功电流为：
7.根据权利要求1所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：当低电压穿越期间，采用无功优先控制确定无功支撑电流参考值为：
采用无功优先控制确定有功电流参考值为：
其中，U为并网点电压，IN为额定电流。
8.根据权利要求2所述的一种模块化多电平电力电子变压器的低电压穿越控制方法，其特征在于：当电网电压跌落期间，若直流侧母线电压高于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，对储能系统进行充电，能量从直流侧流向储能系统，从而减小直流侧母线电压；反之，若直流侧母线电压低于参考值时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，对储能系统进行放电，能量从储能系统流向直流侧母线，从而使直流侧母线电压升高。
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