CN112670970A - 海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法 - Google Patents

海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,这种方法针对送端交流电网发生故障时产生的过电压问题,通过调节MMC换流器电压参考值,加入负序电压抑制器及采用改进的负序电流参考值切换逻辑等改进措施,实现了对于送端电网故障过电压的有效抑制。与已有方法相比,本方法:(1)在故障发生阶段输出电流中不会存在负序成分;(2)在故障线路切除后电网电压能够平稳迅速恢复,具有良好的控制性能;(3)控制系统更为简单。综上所述,本方法具有很强的工程实用价值。

Description

海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域,具体涉及一种海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法。
背景技术
目前,海上风电场的建设逐渐由近距离、小容量向着深远海、大规模方向发展。基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流输电技术具有制造难度低,开关损耗低,波形质量高等优点,在远距离海上风电的汇集和输送中有十分良好的应用前景。目前,我国的海上风场柔性直流输电技术正处于一个从理论研究走向工程实践的重要时期,还存在很多技术上的难题亟需解决。
当海上风场柔性直流输电系统送端交流电网发生故障时,其运行性能将会受到严重影响。其中,由于故障导致的过电压问题,不仅会威胁整个系统的安全稳定运行,还会对设备和线路的过电压和绝缘水平提出很高的要求,大大增加了工程建设成本。因此,对于海上风场柔性直流输电系统故障过电压抑制策略的研究具有重要意义。
已有的针对海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压产生机理与抑制策略的研究还比较有限。有文献针对海上风场柔性直流输电系统送端交流电网的故障特性展开分析,并提出了对应的控制策略,有效抑制了系统的故障过电压水平。然而,该文献中提出的控制策略在故障期间输出电流将会存在大量负序成分,且在故障线路切除后将会产生一定的电压波动。此外,该文献中提出的过电压抑制策略控制结构比较复杂,需要在正、反转同步旋转坐标系中分别实现对于正、负序分量的控制。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术在电网故障阶段会存在负序电流,在故障线路切除后会产生电压波动,且控制系统较为复杂的不足,提供一种结构简单,控制性能良好的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法。
为了实现上述发明目的,本方法采取如下技术方案:
一种海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,包括:采样模块、坐标变换模块、电压参考值计算模块、正序电压控制器、正序电流控制器、负序电压抑制器、负序电流参考值切换模块、负序电流控制器、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块;
所述采样模块中,包括:
电压采样模块,对送端MMC交流电网侧三相电压Ugabc进行采样;
电流采样模块,对送端MMC交流电网侧三相电流Igabc,MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc进行采样;
所述坐标变换模块中,包括:
Park变换模块,对送端MMC电网侧三相电压Ugabc和三相电流Igabc进行Park变换,得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量Ugdq和电流矢量Igdq,Park变换采用的角度为交流电网相位θg
Park反变换模块,对参考差模电压Udifdq进行Park反变换,得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifabc,Park反变换采用的角度为交流电网相位θg
所述电压参考值给定模块根据电网负序电压幅值调节电网电压参考值Ugdqref,从而实现对故障过电压的抑制;
所述正序电压控制器对d、q轴电压Ugdq的正序分量通过PI控制器进行控制,使其分别跟随给定的参考值Ugdref及Ugqref,两个控制器的输出经过限幅环节后,分别作为d、q轴正序电流的参考值Igdref+和Igqref+
所述正序电流控制器对d、q轴电流Igdq的正序分量采用PI控制器进行控制,使其跟随电压外环控制器输出的参考值,控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的正序分量Udifdq+
所述负序电压抑制器将电压矢量的d、q轴分量Ugd、Ugq直接作为反馈值,无需对其进行正负序分离,且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电压的抑制,抑制器的输出作为负序电流参考值的选择之一Igdqref1
所述负序电流参考值切换模块根据连接风电场输电线路上开关的通断状态,实时切换负序电流参考值Igdqref-
所述负序电流控制器将电流矢量的d、q轴分量Igd、Igq直接作为反馈值,无需对其进行正负序分离,且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电流的控制,负序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的负序分量Udifdq-
所述参考差模电压计算模块将参考差模电压的正序分量Udifdq+与负序分量Udifdq-相加,得到其d、q轴分量Udifdq
所述内部环流控制器根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到内部环流Icabc,将其直接作为内部环流控制器的反馈值,无需对其进行旋转坐标变换,在静止坐标系下即可实现控制;所述内部环流控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomabc
所述桥臂电压计算模块利用参考差模电压Udifabc和参考共模电压Ucomabc,经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc
所述调制模块,根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc,实现对送端MMC的控制。
进一步地:在电压参考值计算模块中,根据以下方法计算d、q轴电压参考值。
Figure BDA0002904596330000041
其中,|Ug-|为电网负序电压幅值,1p.u.表示标幺值为1,即额定电压。
进一步地:负序电压抑制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值设置为0。
进一步地:负序电流参考值切换模块根据以下逻辑实现:当连接风电场输电线路上开关由于电网故障断开时,采用负序电压抑制器的输出Igdqref1作为负序电流参考值;当连接风电场输电线路上开关处于闭合状态时,采用0作为负序电流参考值。
进一步地:负序电流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值由负序电流参考值切换模块给定。
进一步地:内部环流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值设置为0。
本发明的有益效果是:
由于采用本发明的技术方案,通过调节MMC换流器电压参考值,加入负序电压抑制器及采用改进的负序电流参考值切换逻辑等改进措施,实现了对于送端电网故障过电压的有效抑制。与已有方法相比,本方法控制结构更加简单,在故障发生阶段输出电流中不会存在负序分量,在故障线路切除后电网电压的能够平稳迅速恢复,具有良好的控制性能。
附图说明
图1为模块化多电平换流器(MMC)的一个具体示例结构图。其中,uga、ugb、ugc为电网电压;iga、igb、igc为电网电流;upa、upb、upc为MMC上桥臂电压;una、unb、unc为MMC下桥臂电压;ipa、ipb、ipc为MMC上桥臂电流;ina、inb、inc为MMC下桥臂电流;Udc为直流母线电压,idc为直流母线电流,L0为桥臂电感,SM(N)为MMC中的子模块;N为子模块序号。
图2为本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。各模块名称如下:
1、MMC换流器,2、海上风电场,3、电压传感器,4、电流传感器,5、线路开关信号反馈模块,6、Park变换模块,7、电压参考值计算模块,8、正序电压控制器,9、正序电流控制器,10、负序电压抑制器,11、负序电流参考值切换模块,12、负序电流控制器,13、参考差模电压计算模块,14、Park反变换模块,15、内部环流控制器,16、桥臂电压计算模块,17、调制模块。
图3为负序电压控制器控制框图;其中:FR100(s)为二阶广义积分器的传递函数,kg为二阶广义积分器的增益系数,ωc为截止频率,在本实施方式中,谐振频率选择为±100Hz,截止频率选择为12Hz。
图4为负序电流控制器控制框图;其中:FR100(s)为二阶广义积分器的传递函数,在本实施方式中,谐振频率选择为±100Hz,截止频率选择为12Hz。
图5为内部环流控制器控制框图;其中:FR100(s)为二阶广义积分器的传递函数,在本实施方式中,谐振频率选择为±100Hz,截止频率选择为12Hz。
图6为验证本发明有效性的基于PSCAD/EMTDC仿真环境的一个具体实施例的结构示意图。仿真过程中,海上风电场向送端MMC换流器输送恒定功率,在2.0s时送端交流电网发生故障,在2.3s时切断故障线路两侧的断路器。
图7为送端交流电网单相接地故障下采用本发明中过电压抑制方法的仿真波形图,从上至下分别为MMC交流电网侧三相电压波形Ugabc、电流波形Igabc、有功功率波形P、无功功率波形Q。从仿真结果可以看出,当采用本发明中所提出的过电压抑制方法时,故障过电压得到了有效抑制,故障线路切除后电网电压能够平稳迅速地恢复,故障期间输出电流中不存在负序分量,保障了系统的安全稳定运行。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明中海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法的系统实现如图2所示,包括送端MMC换流器1、海上风电场2、电压传感器3、电流传感器4、线路开关信号反馈模块5、Park变换模块6、电压参考值计算模块7、正序电压控制器8、正序电流控制器9、负序电压抑制器10、负序电流参考值切换模块11、负序电流控制器12、参考差模电压计算模块13、Park反变换模块14、内部环流控制器15、桥臂电压计算模块16、调制模块17。
如图2所示,本发明中海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法包括以下步骤:
通过电压传感器3采集MMC交流电网侧三相电压Ugabc,通过电流传感器4采集MMC交流电网侧三相电流Igabc,以及MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc
利用Park变换模块6分别对三相电压Ugabc和三相电流Igabc进行Park变换,对应得到同步旋转d-q坐标系下的电压矢量Ugdq和电流矢量Igdq
利用电压参考值计算模块7计算得到电压参考值Ugdqref,具体计算方法如下:
Figure BDA0002904596330000061
其中,|Ug-|为电网负序电压幅值,1p.u.表示标幺值为1,即额定电压。
采用正序电压控制器8对送端交流电网电压d、q轴分量进行控制,使其分别跟随给定的参考值Ugdref及Ugqref,两个控制器输出经过限幅模块后分别作为d、q轴正序电流的参考值Igdref+和Igqref+,正序电压控制器8的实现方式如下:
Figure BDA0002904596330000062
Figure BDA0002904596330000071
其中:FPI(s)为PI控制器的传递函数,kp为比例系数,ki为积分系数,Igdref,Igqref对应为电流矢量Igdqref的d轴,q轴分量。
在同步旋转坐标系下采用正序电流控制器9对电流Igdq的正序分量进行控制,使其跟随正序电压控制器输出的参考值,控制器输出作为MMC参考差模电压的正序分量Udifdq+,正序电流控制器9的实现方式如下:
Figure BDA0002904596330000072
L为包含换流变压器和桥臂电抗器的等效电感,Ugd和Ugq分别为电压矢量的d轴、q轴分量,Udifd+,Udifq+对应为电压矢量Udifdq+的d轴,q轴分量,ωg为电网电压角频率,由控制系统给定。
在负序电压抑制器10中,采用谐振频率为±100Hz的二阶广义积分器对电压Ugdq进行控制,将其参考值给定为零,以实现对负序电压的抑制,控制器的输出作为负序电流参考值的选择之一Igdqref1,控制器的实现方式如图3所示。
利用线路开关信号反馈模块5得到输电线路上开关的通断状态。利用负序电流参考值切换模块11根据连接风电场输电线路上开关的通断状态,实时切换负序电流参考值Igdqref-
在负序电流控制器12中,采用谐振频率为±100Hz的二阶广义积分器对电流Igdq进行控制,控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的负序分量Udifdq-,控制器的实现方式如图4所示。
在参考差模电压计算模块13中,将参考差模电压的正序分量Udifdq+与负序分量Udifdq-相加,得到Udifdq;利用Park反变换模块14对参考差模电压Udifdq进行Park反变换,得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifabc,Park反变换采用的角度为交流电网相位θg
在内部环流控制器15中,根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到三相内部环流Icabc,采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器对Icabc进行控制,将其参考值给定为零,以实现对内部环流的抑制,控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomabc,控制器的实现方式如图5所示。
利用桥臂电压计算模块16,根据参考差模电压Udifabc和参考共模电压Ucomabc计算得到MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc,再利用采用最近电平逼近法的调制模块17输出开关开断信号,实现对MMC的控制,其中,上、下桥臂参考电压的计算方法如下:
Figure BDA0002904596330000081
其中,Uprefa,Uprefb和Uprefc对应为电压矢量Uprefabc的a轴,b轴和c轴分量,Unrefa,Unrefb和Unrefc对应为电压矢量Uprefabc的a轴,b轴和c轴分量。
参见图6,为验证本发明的有效性,基于PSCAD/EMTDC仿真环境搭建如图6所示仿真系统,展开仿真研究。仿真过程中,海上风电场向送端MMC换流器输送恒定功率,在2.0s时送端交流电网发生故障,在2.3s时切断故障线路两侧的断路器。仿真结果如图7所示。
参见图7,从上至下分别为MMC交流电网侧三相电压波形Ugabc、电流波形Igabc、有功功率波形P、无功功率波形Q。可以看到通过采用本发明中的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,当送端交流电网发生单相接地故障时,故障过电压得到了有效抑制,故障线路切除后电网电压能够平稳迅速地恢复,故障期间输出电流中不存在负序分量,功率波形也十分平稳,保障了系统的安全稳定运行。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于,所述方法采用的送端电网过电压抑制系统包括:采样模块、坐标变换模块、电压参考值计算模块、正序电压控制器、正序电流控制器、负序电压抑制器、负序电流参考值切换模块、负序电流控制器、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块;
所述采样模块中,包括:
电压采样模块,对送端MMC交流电网侧三相电压Ugabc进行采样;
电流采样模块,对送端MMC交流电网侧三相电流Igabc,MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc进行采样;
所述坐标变换模块中,包括:
Park变换模块,对送端MMC电网侧三相电压Ugabc和三相电流Igabc进行Park变换,得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量Ugdq和电流矢量Igdq,Park变换采用的角度为交流电网相位θg
Park反变换模块,对参考差模电压Udifdq进行Park反变换,得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifabc,Park反变换采用的角度为交流电网相位θg
所述电压参考值给定模块根据电网负序电压幅值调节电网电压参考值Ugdqref,从而实现对故障过电压的抑制;
所述正序电压控制器对d、q轴电压Ugdq的正序分量通过PI控制器进行控制,使其分别跟随给定的参考值Ugdref及Ugqref,两个控制器的输出经过限幅环节后,分别作为d、q轴正序电流的参考值Igdref+和Igqref+
所述正序电流控制器对d、q轴电流Igdq的正序分量采用PI控制器进行控制,使其跟随电压外环控制器输出的参考值,控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的正序分量Udifdq+
所述负序电压抑制器将电压矢量的d、q轴分量Ugd、Ugq直接作为反馈值,无需对其进行正负序分离,且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电压的抑制,抑制器的输出作为负序电流参考值的选择之一Igdqref1
所述负序电流参考值切换模块根据连接风电场输电线路上开关的通断状态,实时切换负序电流参考值Igdqref-
所述负序电流控制器将电流矢量的d、q轴分量Igd、Igq直接作为反馈值,无需对其进行正负序分离,且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电流的控制,负序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的负序分量Udifdq-
所述参考差模电压计算模块将参考差模电压的正序分量Udifdq+与负序分量Udifdq-相加,得到其d、q轴分量Udifdq
所述内部环流控制器根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到内部环流Icabc,将其直接作为内部环流控制器的反馈值,无需对其进行旋转坐标变换,在静止坐标系下即可实现控制;内部环流控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomabc
所述桥臂电压计算模块利用参考差模电压Udifabc和参考共模电压Ucomabc,经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc
所述调制模块,根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc,实现对送端MMC的控制。
2.根据权利要求1所述的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于:在电压参考值计算模块中,根据以下方法计算d、q轴电压参考值;
Figure FDA0002904596320000021
其中,|Ug-|为电网负序电压幅值,1p.u.表示标幺值为1,即额定电压。
3.根据权利要求1所述的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于:负序电压抑制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值设置为0。
4.根据权利要求1所述的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于:负序电流参考值切换模块根据以下逻辑实现:当连接风电场输电线路上开关由于电网故障断开时,采用负序电压抑制器的输出Igdqref1作为负序电流参考值;当连接风电场输电线路上开关处于闭合状态时,采用0作为负序电流参考值。
5.根据权利要求1所述的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于:负序电流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值由负序电流参考值切换模块给定。
6.根据权利要求1所述的海上风场柔性直流输电系统送端电网过电压抑制方法,其特征在于:内部环流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现,其参考值设置为0。
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