CN112290540B - 一种交流低电压穿越与并网转离网统一控制方法 - Google Patents

一种交流低电压穿越与并网转离网统一控制方法 Download PDF

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Abstract

一种交流低电压故障穿越与并网转离网统一控制方法，适用于配电网用模块化多电平换流器。当换流器并网运行时检测到提供给交流负载的交流电压跌落时，确定交流电网发生故障，向交流系统注入换流器额定有功功率，支持交流电网恢复；当检测到交流电压恢复时，换流器切换至交流下垂控制模式，之后若收到继电保护动作指令，换流器保持交流下垂控制模式运行；若未收到继电保护动作指令，换流器切换至正常并网运行模式。本发明兼具低电压穿越与并网转离网功能，能够对交流电网非断路故障与断路故障进行统一处理。变流器对暂时性非断路故障可以进行有效的功率支援，帮助系统快速恢复，对断路故障可以进行快速并网转离网切换，实现负荷的连续供电。

Description

一种交流低电压穿越与并网转离网统一控制方法
技术领域
本发明涉及中压直流配电领域的可靠性供电方法，特别是一种适用于配电网用模块化多电平换流器的交流低电压故障穿越与并网转离网统一控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是构成直流配电网的基础设备，与柔性直流输电中的应用不同，在配电网应用中MMC需要具备并网运行、离网运行等多种功能，同时为应对高可靠性供电、潮流转供等需求，MMC需要具备对交流系统故障的有效应对能力。
并网运行时，MMC换流器的交流侧与直流侧分别与交流电网和直流电网相连，在交流电网与直流电网之间传输功率，交流负载由交流电网和MMC换流器共同供电，能量来源于交流电网和直流电网。离网运行时，MMC换流器的直流侧与直流电网相连，交流侧与交流负载相连，与交流电网之间通过AC断路器切断连接，由MMC换流器将直流母线的电压转换为交流电压向负载供电，能量仅来源于直流电网。
交流系统故障一般可以分为非断路故障和断路故障，非断路故障主要包括电压暂降、跌落，非永久的单相、两相短路故障等。断路故障主要包括交流断线、交流电源失电、永久性的单相、两相短路故障引发的交流跳闸等。
现有的MMC低电压应对方案一般对非断路故障和断路故障进行区别设计，即当低电压发生时，MMC无法进行有效区分，只能进行故障穿越或并网转离网其中一种应对方式，不能适用于多种交流系统故障的情况。
发明内容
本发明针对配网用MMC应对交流故障的响应需求，提出通用于断线故障和非断线故障的统一控制方法，有效提升了MMC在交流电网故障时的支撑能力，提高了交流系统的供电可靠性。
根据本发明的交流低电压穿越与并网转离网统一控制方法，其应用于配电网的换流器中，换流器包括与交流电网并网运行的并网运行状态，以及单独向交流负载供电的离网运行状态。
该控制方法包括：
通过检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否发生跌落从而判断交流电网是否发生故障；
当判断交流电网发生故障时，换流器输出换流器交流额定有功输出值；
检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否恢复至正常值，如果恢复，换流器的控制模式切换至交流下垂控制模式；
维持交流下垂控制模式一延时时间，在该延时时间内如果接收到继电保护动作指令，换流器则继续维持运行在交流下垂控制模式，在该延时时间内如果没有接收到继电保护动作指令，换流器则切换至故障前的并网运行状态。
换流器为模块化多电平换流器，交流电网的三相馈线连接至交流断路器的进线端，交流断路器的出线端在交流负载供电端(PCC)处连接至交流负载，并且交流断路器的出线端还连接到模块化多电平换流器的三相交流输出端，模块化多电平换流器的直流输入端连接至直流电网。
继电保护动作指令反映了交流断路器跳闸信息。
更进一步的，换流器故障前的并网运行状态包括：换流器工作于电流源控制模式，其电流指令为外环控制电流指令，并且在该电流源控制模式下，实时前馈交流负载供电端(PCC)处的交流瞬时电压值以使得换流器能够及时跟踪交流电网电压的瞬时变化。
另外，换流器输出换流器交流额定有功输出值的步骤包括：将换流器电流源控制模式的电流指令从外环控制电流指令切换至换流器交流额定有功输出值，换流器继续运行在电流源控制模式，换流器的容量大于或等于AC负载所需的容量。
交流电网的故障包括非断路故障和断路故障。非断路故障包括电压暂降、跌落，非永久的单相、两相短路故障；断路故障包括交流断线、交流电源失电、永久性的单相、两相短路故障引发的交流跳闸。
根据本发明的控制方法，判断交流电网发生故障后，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值包括：换流器的容量大于AC负载所需的容量，当交流电网故障为非断路故障时，随着交流电网故障消失，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值；当交流电网故障为断路故障时，在连接于交流电网和交流负载之间的交流断路器断开后，由于换流器输出的换流器交流额定有功输出值，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值。
本发明适用于配电网用模块化多电平换流器的交流低电压故障穿越与并网转离网统一控制方法，兼具低电压穿越与并网转离网功能，能够对交流系统发生暂降、跌落、短时短路等非断路故障与交流断线、长时短路导致的交流跳闸等断路故障统一处理。模块化多电平变流器对暂时性非断路故障可以进行有效的功率支援，帮助系统快速恢复，对断路故障可以进行快速并网转离网切换，实现负荷的连续供电。
附图说明
附图1示出了MMC系统拓扑图；
附图2示出了模块化多电平换流器的电流源控制模式控制框图；
附图3示出了模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法控制框图。
具体实施方式
本发明提出的一种适用于配电网用模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法，以提升模块化多电平换流器MMC在交流电网侧发生故障时的支撑能力，交流电网侧即图1中AC断路器的交流进线端与AC电网之间的区域。交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法包括交流电网侧故障发生时刻和故障消除时刻MMC的运行模式的切换与应对策略。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但是本发明的实施方式不限制于此。
图1涉及MMC系统拓扑图，AC电网的三相馈线连接至AC断路器的进线端，AC断路器的出线端在PCC点处连接至三相AC负载，AC电网的三相馈线通过AC断路器为三相AC负载进行供电，并且AC断路器的出线端还连接到MMC的三相交流输出端，MMC的直流输入端连接至直流电网。MMC包括由多个子模块串联构成的三相桥臂，子模块可由半桥子模块、全桥子模块或其他类型的子模块单独构成或混合构成。MMC的三相桥臂的上桥臂和下桥臂分别通过电感L连接至MMC的三相交流输出端。
MMC可工作于并网运行模式和离网运行模式，并网运行时，MMC换流器的交流侧与直流侧分别与交流电网和直流电网相连，在交流电网与直流电网之间传输功率，交流负载由交流电网和MMC换流器共同供电，能量来源于交流电网和直流电网。离网运行时，MMC换流器的直流侧与直流电网相连，交流侧与交流负载相连，与交流电网之间通过AC断路器切断连接，由MMC换流器将直流母线的电压转换为交流电压向负载供电，能量仅来源于直流电网。
在初始正常运行状态中，AC断路器闭合，AC负载由AC电网与MMC共同供电，MMC装置容量大于AC负载所需的容量。
在交流电网侧故障发生前，MMC与交流电网并网运行，并且工作于电流源控制模式，结合图1，其控制框图如图2所示，其中ir为外环控制得到的指令电流，该指令电流例如可由外部监控系统发送至MMC，v0为PCC点处供给AC负载的电压，iL为供给AC负载的并网电流，L为MMC的上下桥臂输出电感，TS为控制周期。在开环通道上，D为内环传递函数，代表电流环控制的增益，G为系统模型，L代表电感的电流生成过程，Gram代表采样过程，Gdelay代表控制周期的延迟过程。在此控制模式下，PCC点处的电压v0的实时前馈使MMC能及时跟踪交流电网电压的瞬时变化。
电流源控制模式包括但不限制于：将MMC输出的并网电流与指令电流的差值进行PI或无差拍控制，得到的电流内环控制结果与PCC点处的电压v0的前馈值进行加和运算，得到MMC输出电压的目标值，MMC根据上述控制目标值进行调制控制子模块开关管动作，从而输出相应的电压，得到与目标值相同的并网电流。
当交流电网侧故障发生时，根据PCC点处电压v0的暂态跌落特性，例如采用三相电压瞬时值与预测值分别进行实时对比的方法来检测PCC点处电压v0的暂态跌落的发生，MMC判断交流电网发生异常，此时MMC的电流指令ir由故障前的监控系统下发的外环控制的指令电流转变为MMC的额定交流有功输出值。MMC的额定交流有功输出值为MMC的标称额定工况定值。此时MMC继续运行于图2所示的电流源控制模式，该电流源控制模式下，PCC点处的电压v0前馈会实时反馈交流系统电压的变化，保证MMC的输出电流可以继续跟踪电流指令，从而输出设定的MMC额定交流有功输出值。
在交流电网侧故障持续过程中，MMC实时检测PCC点处的交流电压瞬时值，根据该交流电压瞬时值是否恢复为故障前的值，来作为MMC执行下一步动作的条件。
对于非断线故障，此时交流电网侧发生的是暂态故障，AC断路器没有断开，故障发生后经短时间后自动消失。MMC向交流系统注入的额定有功输出会流向AC负载、AC电网和故障点，此时PCC点处的交流电压瞬时值在交流电网侧发生故障时会被故障点钳位到故障钳位值，当故障消失后，PCC点处的交流电压瞬时值从故障钳位值恢复至正常电压值。因此MMC在非断线故障消失后会因为PCC点处的交流电压瞬时值恢复正常，而判断交流电网侧的故障已消除。
对于断线故障，此时交流电网侧由于故障长时间持续会导致AC断路器断开，由此AC电网与AC负载以及MMC的连接被切断，故障点也随之断开。虽然此时AC电网供给AC负载的供电电压消失，但是，MMC向交流系统中注入的MMC额定有功电流会全部流向AC负载，由于MMC装置容量大于或等于AC负载所需的容量，因此，PCC点处的交流电压会由于多余的有功注入而逐渐升高，MMC会检测到PCC点处的交流电压瞬时值会随着AC断路器的断开而逐渐恢复。
因此，不论是非断线故障还是断线故障，本发明的方法都可以用相同的判定条件进行MMC的模式切换，同时由于MMC额定有功的注入，在两种故障情况都可以迅速完成PCC点处的交流电压瞬时值的电压恢复。
在MMC检测到PCC点处的交流电压瞬时值恢复后，MMC从电流源控制模式切换至交流下垂控制模式，如下式所示：
Figure BDA0002723585920000051
其中：f0为交流电网电压的额定频率，kPf为下垂系数，E0为交流电网电压的额定幅值，kEQ为下垂系数，fac_ref为下垂频率指令，Eac_ref为下垂幅值指令，Pac为MMC装置输出交流有功功率测量值，Qac为MMC装置输出交流无功功率测量值。由此得到三相电压目标值：
Figure BDA0002723585920000052
其中n＝1、2···N，N＝int(10000/fac)。
对于非断线故障,由于下垂控制与交流电网电压的幅值和频率一致，此时MMC并网运行于交流下垂控制模式，运行固定时间后，MMC自动恢复至原来的并网运行模式下的电流源控制模式，此时MMC的电流指令值设定为监控系统下发的外环控制指令电流值。
对于断线故障，MMC离网运行于上述交流下垂模式，同时根据监控系统发送至MMC的继电保护动作指令，MMC保持该离网运行状态为AC负载供电。继电保护动作指令反映了交流电网AC断路器跳闸故障信息。
图3示出了模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法控制框图。
如图3所示，MMC首先与交流电网并网运行，向AC负载进行供电，此时MMC运行于电流源控制模式，其电流指令值ir为监控系统发送至MMC的外环控制指令电流值。在该电流源控制模式下，PCC点处的三相电压瞬时值的实时前馈，使MMC能跟踪交流系统电压的瞬时变化。
当MMC检测到PCC点处的三相电压瞬时值发生瞬时跌落时，判断此时交流电网侧发生电网故障，MMC将电流指令值ir由外环控制指令电流值变更为MMC额定交流有功输出值，继续运行于电流源控制模式，向交流系统输出MMC额定有功功率，并且实时检测PCC点处的三相电压瞬时值是否恢复。
当MMC检测到PCC点处的三相电压瞬时值恢复至正常值时，MMC从电流源控制模式切换到交流下垂控制模式，并且持续在交流下垂控制模式下运行一延时时间。在该延时时间内，如果MMC没有收到继电保护动作指令，则从交流下垂控制模式切换至并网运行状态的电流源控制模式，此时MMC的电流指令值设定为外环控制指令电流值；如果在该延时时间内MMC收到继电保护动作指令，MMC则维持运行在离网运行状态下的交流下垂控制模式。
另外，本发明提出的一种适用于配电网用模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法的操作以及各项数据可以存储在用于存储各种类型的数据的存储器中，可以理解，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read OnlyMemory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，SynchronousDynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序中。应用程序可以包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。
上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。
在示例性实施例中，本发明提出的一种适用于配电网用模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable LogicDevice)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU，Micro Controller Unit)、微处理器(Microprocessor)、或其他电子元件实现，用于执行前述方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时，执行：
检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否发生跌落从而判断交流电网是否发生故障；
当判断交流电网发生故障时，控制换流器输出换流器交流额定有功输出值；
检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否恢复至正常值，如果恢复，将换流器的控制模式切换至交流下垂控制模式；
维持交流下垂控制模式一延时时间，在该延时时间内如果接收到继电保护动作指令，控制换流器继续维持运行在交流下垂控制模式，在该延时时间内如果没有接收到继电保护动作指令，控制换流器则切换至故障前的并网运行状态。
以上实施例为本发明的较佳实施例，但本发明的实施方式不限制于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作出的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种交流低电压穿越与并网转离网统一控制方法，其应用于配电网的换流器中，换流器包括与交流电网并网运行的并网运行状态，以及单独向交流负载供电的离网运行状态，其特征在于：
该控制方法包括：
通过检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否发生跌落从而判断交流电网是否发生故障；
当判断交流电网发生故障时，换流器输出换流器交流额定有功输出值；
检测交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值是否恢复至正常值，如果恢复，换流器的控制模式切换至交流下垂控制模式；
维持交流下垂控制模式一延时时间，在该延时时间内如果接收到继电保护动作指令，换流器则继续维持运行在交流下垂控制模式，在该延时时间内如果没有接收到继电保护动作指令，换流器则切换至故障前的并网运行状态；
换流器故障前的并网运行状态包括：换流器工作于电流源控制模式，其电流指令为外环控制电流指令，并且在该电流源控制模式下，实时前馈交流负载供电端(PCC)处的交流瞬时电压值以使得换流器能够及时跟踪交流电网电压的瞬时变化；
换流器输出换流器交流额定有功输出值的步骤包括：将换流器电流源控制模式的电流指令从外环控制电流指令切换至换流器交流额定有功输出值，换流器继续运行在电流源控制模式。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
换流器的容量大于或等于所述交流负载所需的容量。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
换流器为模块化多电平换流器，交流电网的三相馈线连接至交流断路器的进线端，交流断路器的出线端在交流负载供电端(PCC)处连接至交流负载，并且交流断路器的出线端还连接到模块化多电平换流器的三相交流输出端，模块化多电平换流器的直流输入端连接至直流电网。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
交流电网的故障包括非断路故障和断路故障。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：
非断路故障包括电压暂降、跌落，非永久的单相、两相短路故障；断路故障包括交流断线、交流电源失电、永久性的单相、两相短路故障引发的交流跳闸。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：
判断交流电网发生故障后，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值包括：当交流电网故障为非断路故障时，随着交流电网故障消失，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值；当交流电网故障为断路故障时，在连接于交流电网和交流负载之间的交流断路器断开后，由于换流器输出的换流器交流额定有功输出值，交流负载供电端(PCC)的电压瞬时值恢复至正常值。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：
继电保护动作指令反映了交流断路器跳闸信息。
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