CN113078671A - 交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备 - Google Patents

交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备。其中，该方法包括：当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定交流配电网中的负序电流；采用直流配电网中的第一换流器对负序电流进行抑制，其中，直流配电网采用双端拓扑结构，双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，第一换流器采用定功率控制，第二换流器采用定直流电压控制。本发明解决了现有技术中由于交流系统非对称故障对直流配电网产生影响，无法保证直流配电网在交流系统故障时仍维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术问题。

Description

交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备
技术领域
本发明涉及交直流配电系统领域，具体而言，涉及一种交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备。
背景技术
随着分布式电源渗透率的提高与直流负荷的快速发展，直流配电网以其变换环节少、可控性强、电能质量问题少等优点，成为了可再生能源消纳的重要配电方式。但是就技术发展趋势和电网发展特征而言，直流配电网近期内不会取代交流配电网，电力技术的发展向着直流-交流-交/直混合的趋势变化，交、直流配电网灵活衔接、优势互补、协调发展是配电网发展的趋势。交直流配电网通过电力电子换流器进行互联，对于互联后的交直流配电系统，一方面体现为交直流配电网相互支撑，即交流配电网可以对直流配电网提供电压稳定支撑，而直流配电网也可为交流配电网提供电压支撑功能。另一方面则体现为交直流配电网相互影响，配电系统交流侧或直流侧发生故障时，故障可能传播至另一侧，加剧故障的严重程度。尤其是在实际运行中，交流配电网发生单相接地故障的几率较大，这将导致分布式发电系统出现输出功率波动、输出电流幅值上升等问题。
在交流系统故障对换流器直流侧的影响方面，目前研究多集中于高压直流输电系统，主要关注的是故障后负序电流分量对换流装置的威胁及相应的保护策略。而直流配电网中包括大量各类分布式电源与敏感的直流负荷，分布式电源的高效发电与直流负荷的正常工作都对直流电压的质量提出了更高的要求。目前学界普遍认为，单相接地故障将导致换流器直流侧电压出现二倍频波动。但对于具体的影响机理，大多文献仅考虑了不对称故障点处的2倍频有功功率分量，忽略了交流滤波电感上瞬时功率特性。但在故障情况下，由于故障电流非常大，滤波电感上瞬时功率不容忽视，需要对故障情况下滤波电感上的瞬时有功功率特性进行分析和推导，以进一步明确交流故障对直流电压的影响。
对于直流电压波动的抑制，目前主流的控制策略是基于双同步参考坐标系的负序电流控制。但是负序电流控制需要获得精确的交流正序电压的相位，由于负序电压分量的存在，传统的锁相环(Phase-locked Loop,PLL)无法实现准确的相位跟踪。同时，当系统中存在谐波分量时，也会对PLL的跟踪性能产生影响。基于解耦双同步参考坐标系的锁相环(Decouple Double Synchronous Reference Frame PLL,DDSRF-PLL)是一种已被业界广泛使用并证明其性能优越性的锁相环同步技术，可以实现不对称故障情况下的正序电压相位跟踪。但是此方法一是较为复杂，需要使用双同步旋转坐标变换消去负序分量。二则需要使用滤波器消去谐波分量，降低了系统的动态特性。为避免复杂的相序分离运算，现有技术中还提出了基于滑模控制的直接功率控制方式，简化了控制系统的结构，但是滑模控制需要不断切换控制量，从而产生抖振。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种交直流配电系统的控制方法、装置、存储介质和电子设备，以至少解决现有技术中由于交流系统非对称故障对直流配电网产生影响，无法保证直流配电网在交流系统故障时仍维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种交直流配电系统的控制方法，包括：当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制。
可选的，确定上述交流配电网中的负序电流，包括：获取上述交流配电网中的电流分量usabc的第一计算公式，其中，上述第一计算公式为
Figure BDA0003002670370000021
上述电流分量包括：正序电流
Figure BDA0003002670370000022
和负序电流
Figure BDA0003002670370000023
上述电流分量包括：正序电流
Figure BDA0003002670370000024
和负序电流
Figure BDA0003002670370000025
Figure BDA0003002670370000026
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000027
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000028
表示三相电压中c相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000029
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure BDA00030026703700000210
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure BDA00030026703700000211
表示三相电压中c相电压的正序分量；基于上述第一计算公式确定上述负序电流。
可选的，上述方法还包括：获取上述交流配电网中的电压分量isabc的第二计算公式，其中，上述第二计算公式为
Figure BDA0003002670370000031
上述电压分量isabc包括：正序电压
Figure BDA0003002670370000032
和负序电压
Figure BDA0003002670370000033
Figure BDA0003002670370000034
表示三相电流中a相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000035
表示三相电流中b相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000036
表示三相电流中c相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000037
表示三相电流中a相电流的负序分量，
Figure BDA0003002670370000038
表示三相电流中b相电流的负序分量，
Figure BDA0003002670370000039
表示三相电流中c相电流的负序分量；基于上述第二计算公式确定上述负序电压。
可选的，当上述交流配电网发生不对称故障时，确定上述交流配电网的故障点的有功功率，其中，上述有功功率包括：直流分量和二倍频分量，其中，上述直流分量基于正序电压与正序电流的乘积以及负序电压与负序电流的乘积产生，上述二倍频分量基于正序电压与负序电流的乘积以及负序电压与正序电流的乘积产生。
可选的，确定上述交流配电网的故障点的有功功率包括：根据瞬时功率定理，计算得到上述交流配电网中的第一换流器的交流出口处的瞬时有功功率，其中，上述瞬时有功功率包括：正序分量和负序分量；采用坐标变换公式将上述正序分量投影到正向旋转的帕克变换坐标系上，将上述负序分量投影到反向旋转的帕克变换坐标系上，得到上述故障点的有功功率。
可选的，上述方法还包括：当上述交流配电网发生单相接地故障时，检测上述第一换流器的等效电感是否流过正序电流和负序电流；当检测到上述等效电感中既有正序电流又有负序电流流过时，确定上述等效电感上的瞬时有功功率为二倍频波动量；其中，上述二倍频波动量由正序电流引起的电感压降与负序电流的乘积和负序电流引起的电感压降与正序电流的乘积产生。
可选的，上述方法还包括：当上述二倍频波动量引起直流电压发生二倍频波动时，在上述直流配电网中采用上述第二换流器向上述直流配电网注入用于维持直流电压稳定的有功功率，其中，上述第一换流器的直流输入功率包含二倍频分量，上述有功功率的直流分量的幅值大于上述二倍频分量的幅值，上述直流配电网的直流电压包含直流分量和二倍频分量。
可选的，采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制包括：采用上述直流配电网中的第一换流器构建目标共轭零点；采用上述目标共轭零点消除上述直流配电网中的二倍频分量带来的影响，其中，上述目标共轭零点的方式不会影响到上述交直流配电系统的动态响应特性。
可选的，上述方法还包括：在采用锁相方法获得正序电压相位后，分解出第一换流器输出的交流电流的正序分量和负序分量；采用经典的双同步参考坐标系方法，对上述第一换流器输出的电流进行控制，其中，正序电流环控制和负序电流环控制的正负序等效电路存在对称性。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种交直流配电系统的控制装置，包括：确定模块，用于当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；抑制模块，用于采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，上述非易失性存储介质存储有多条指令，上述指令适于由处理器加载并执行任意一项上述的交直流配电系统的控制方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，上述处理器用于运行程序，其中，上述程序被设置为运行时执行任意一项上述的交直流配电系统的控制方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，上述存储器中存储有计算机程序，上述处理器被设置为运行上述计算机程序以执行任意一项上述的交直流配电系统的控制方法。
在本发明实施例中，通过当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制，达到了提供直流配电网对交流配电网的故障穿越控制策略的目的，从而实现了保证直流配电网在交流系统故障时仍能维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术效果，进而解决了现有技术中由于交流系统非对称故障对直流配电网产生影响，无法保证直流配电网在交流系统故障时仍维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种交直流配电系统的控制方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种可选的交直流配电系统拓扑结构的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的MMC等效拓扑结构的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种可选的PLL控制框图；
图5是根据本发明实施例的一种可选的PLL开环传函的波特图；
图6是根据本发明实施例的一种可选的正负序电流分解原理图；
图7是根据本发明实施例的一种可选的正序电流环控制框图；
图8是根据本发明实施例的一种可选的负序电流环控制框图；
图9是根据本发明实施例的一种交直流配电系统的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种交直流配电系统的控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种交直流配电系统的控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；
步骤S104，采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制。
在本发明实施例中，通过当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制，达到了提供直流配电网对交流配电网的故障穿越控制策略的目的，从而实现了保证直流配电网在交流系统故障时仍能维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术效果，进而解决了现有技术中由于交流系统非对称故障对直流配电网产生影响，无法保证直流配电网在交流系统故障时仍维持分布式电源的高效发电与对直流负荷的高质量供电的技术问题。
需要说明的是，虽然直流配电网以其高效消纳直流电能的优势，成为未来分布式电源并网的重要方式。但是，交流配电网发生非对称故障会引起与其互联的直流配电网电压波动，从而导致分布式电源出现输出功率波动、输出电流幅值上升等问题。
为此，本申请实施例首先分析了交流配电网发生单相接地故障情况下有功功率和直流电压波动的特性，尤其推导给出了滤波电感上瞬时有功功率的表达式，并指出了滤波电感上的瞬时有功功率是导致直流电压波动的重要原因。其次，提出了一种改进锁相环对正序电压的相位进行跟踪，所提方法仅对传统锁相环的补偿器进行重新设计，原理清晰，易于实现。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建典型的双端交直流配电系统仿真模型，验证了理论分析正确性及所提控制方法的有效性。
为了不引入新的控制形式，本申请实施例仍采用基于双同步参考坐标系的负序电流控制，但是通过对PLL补偿器的合理设计来实现对正序电压相位的跟踪，从而避免了复杂的相序分离计算。
作为一种可选的实施例，本申请实施例首先分析交流非对称故障情况下滤波电感的有功功率特性，进而推导建立了更为精确的有功功率平衡模型，理论分析了直流电压2倍频纹波的产生机理，随后，给出了可以准确跟踪正序电压相位的PLL补偿器设计方法，并将其用于负序电流抑制控制中，最后，通过PSCAD/EMTDC仿真验证理论分析和所建模型的正确性。
一般而言，对于不同的电压等级和应用场景，交直流配电系统具有不同的拓扑结构。本申请实施例的直流配电网采用典型的双端(手拉手)拓扑结构，如图2所示，根据示范工程情况，双端拓扑结构中的第一换流器(换流器1，即MMC1)和第二换流器(换流器2，即MMC2)均为模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)，其中，MMC1采用定功率控制，MMC2采用定直流电压控制。本申请实施例主要研究内容是当交流配电网1发生单相接地故障时，直流配电网如何通过MMC1的控制实现故障穿越。
作为一种可选的实施例，MMC1的等效拓扑结构如图3所示，图中usabc、utabc与isabc分别为交流系统三相电压、MMC桥臂输出三相电压与MMC输出三相电流，udc与idc分别为直流电压和MMC输入的直流电流。L0、R0分别为桥臂电感及桥臂等值电阻，LT为换流变压器漏感，Lf、Rf分别为MMC等效电感与等效电阻，Ceq为直流侧等效电容。交直流配电网通过MMC进行功率融通，其中pext为直流配电网注入MMC有功功率，pdc为直流侧注入三相桥的有功功率，pt为三相桥输出至交流侧的有功功率，ps为MMC输出至交流配电网的有功功率。
在一种可选的实施例中，当上述交流配电网发生不对称故障时，确定上述交流配电网的故障点的有功功率，其中，上述有功功率包括：直流分量和二倍频分量，其中，上述直流分量基于正序电压与正序电流的乘积以及负序电压与负序电流的乘积产生，上述二倍频分量基于正序电压与负序电流的乘积以及负序电压与正序电流的乘积产生。
在一种可选的实施例中，确定上述交流配电网中的负序电流，包括：获取上述交流配电网中的电流分量usabc的第一计算公式，其中，上述第一计算公式为
Figure BDA0003002670370000071
上述电流分量包括：正序电流
Figure BDA0003002670370000072
和负序电流
Figure BDA0003002670370000073
上述电流分量包括：正序电流
Figure BDA0003002670370000074
和负序电流
Figure BDA0003002670370000075
Figure BDA0003002670370000076
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000077
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000078
表示三相电压中c相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000079
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000081
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure BDA0003002670370000082
表示三相电压中c相电压的正序分量；基于上述第一计算公式确定上述负序电流。
在一种可选的实施例中，上述方法还包括：获取上述交流配电网中的电压分量isabc的第二计算公式，其中，上述第二计算公式为
Figure BDA0003002670370000083
上述电压分量isabc包括：正序电压
Figure BDA0003002670370000084
和负序电压
Figure BDA0003002670370000085
Figure BDA0003002670370000086
表示三相电流中a相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000087
表示三相电流中b相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000088
表示三相电流中c相电流的正序分量，
Figure BDA0003002670370000089
表示三相电流中a相电流的负序分量，
Figure BDA00030026703700000810
表示三相电流中b相电流的负序分量，
Figure BDA00030026703700000811
表示三相电流中c相电流的负序分量；基于上述第二计算公式确定上述负序电压。
在本申请实施例中，对于图3所示MMC拓扑结构，当其交流侧发生单相接地短路故障时，交流侧电压和电流包括正序和负序分量，可分别表示为：
Figure BDA00030026703700000812
Figure BDA00030026703700000813
根据瞬时功率定理，换流器交流出口瞬时有功功率为：
Figure BDA00030026703700000814
结合坐标变换公式，将式(3)中的正序分量投影到正向旋转的dq坐标系上，将负序分量投影到反向旋转的dq坐标系上，得到瞬时功率方程如下：
Figure BDA0003002670370000091
其中，θ为坐标变换角。上式表明，当交流系统发生不对称故障时，交流系统故障点的有功功率由直流分量和2倍频分量组合而成。其中直流分量由正序电压与正序电流的乘积以及负序电压与负序电流的乘积引起，2倍频分量由正序电压与负序电流的乘积以及负序电压与正序电流的乘积引起。
在一种可选的实施例中，确定上述交流配电网的故障点的有功功率包括：
步骤S202，根据瞬时功率定理，计算得到上述交流配电网中的第一换流器的交流出口处的瞬时有功功率，其中，上述瞬时有功功率包括：正序分量和负序分量；
步骤S204，采用坐标变换公式将上述正序分量投影到正向旋转的帕克变换坐标系上，将上述负序分量投影到反向旋转的帕克变换坐标系上，得到上述故障点的有功功率。
在本申请实施例中，结合分析MMC等效电感的有功功率特性，MMC桥臂电阻R0为桥臂电感L0的寄生电阻，其阻值非常小，通常忽略不计。因此主要分析MMC等效电感的有功功率特性，当交流单相接地故障时，MMC等效电感上的瞬时功率为：
Figure BDA0003002670370000092
其中，abc三相电流由正序和负序分量组成，即
Figure BDA0003002670370000093
将式(6)代入式(5)，可得
Figure BDA0003002670370000094
结合派克变换公式，正序分量投影到正向旋转的dq坐标系上，将负序分量投影到反向旋转的dq坐标系上，即：
Figure BDA0003002670370000101
得到式(7)中各分量为：
Figure BDA0003002670370000102
故电感上的瞬时功率方程如下：
Figure BDA0003002670370000103
在一种可选的实施例中，上述方法还包括：
步骤S302，当上述交流配电网发生单相接地故障时，检测上述第一换流器的等效电感是否流过正序电流和负序电流；
步骤S304，当检测到上述等效电感中既有正序电流又有负序电流流过时，确定上述等效电感上的瞬时有功功率为二倍频波动量；其中，上述二倍频波动量由正序电流引起的电感压降与负序电流的乘积和负序电流引起的电感压降与正序电流的乘积产生。
在稳态情况下，MMC输出的三相电流为恒定值，因此式(10)可简化为：
Figure BDA0003002670370000111
由上式可知，当电感中既有正序电流又有负序电流流过时，电感上的瞬时有功功率为2倍频波动量(即二倍频波动量)，上述2倍频有功功率波动由正序电流引起的电感压降与负序电流的乘积和负序电流引起的电感压降与正序电流的乘积产生。
在一种可选的实施例中，上述方法还包括：
步骤S402，当上述二倍频波动量引起直流电压发生二倍频波动时，在上述直流配电网中采用上述第二换流器向上述直流配电网注入用于维持直流电压稳定的有功功率，其中，上述第一换流器的直流输入功率包含二倍频分量，上述有功功率的直流分量的幅值大于上述二倍频分量的幅值，上述直流配电网的直流电压包含直流分量和二倍频分量。
作为一种可选的实施例，结合直流系统的有功功率及电压特性可知，忽略换流器内部的功率损耗，那么根据图3可知，MMC1直流侧注入三相桥的功率为：
pdc＝pt＝ps+pL (12)
考虑电容储存的能量变化，有：
Figure BDA0003002670370000112
其中，等式左边第二项为电容所储能量的变化率。联立式(12)和(13)可得：
Figure BDA0003002670370000113
对于上式，当ps和pL的2倍频分量引起直流电压发生2倍频波动时，直流配电网另一端采用定直流电压控制的MMC2将向直流配电网注入有功功率以维持直流电压的稳定，在MMC1侧则体现为其直流输入功率pext也将包含2倍频分量，并且pext的目标是抵消ps和pL的2倍频分量，从而维持直流电压的稳定。但现实情况是，MMC2原有的定直流电压控制被设计用于输出恒定有功功率(稳态情况)，因此无法实现pext对ps和pL的准确抵消。也即，pext-ps-pL也将包含2倍频分量。不妨设
Figure BDA0003002670370000114
代入(14)可得：
Figure BDA0003002670370000121
上式中P2为有功功率2倍频分量的幅值，Pcons为与系统初始状态相关的常数。由于有功功率的直流分量P0远大于2倍频分量的幅值P2，因此直流电压udc不仅包含直流分量，也包含2倍频分量。
在本申请实施例中，对于交流单相接地故障时控制策略，根据上式(4)、(11)和(15)可知，交流电流的负序分量是引起直流电压2倍频纹波的主要原因。因此，设计相应的控制策略对负序电流进行抑制。
在一种可选的实施例中，采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制包括：
步骤S502，采用上述直流配电网中的第一换流器构建目标共轭零点；
步骤S504，采用上述目标共轭零点消除上述直流配电网中的二倍频分量带来的影响，其中，上述目标共轭零点的方式不会影响到上述交直流配电系统的动态响应特性。
在本申请实施例中，可以但不限于结合锁相环控制及参数设计，通过PLL补偿器的合理设计来实现对正序电压相位的跟踪，并给出补偿器参数的通用设计方法。一种可选的PLL控制框图如图4所示，其中，ω0t+θ0为交流电压的相位，θ为PLL输出相位，ω为PLL输出的角频率，H(s)为PLL的补偿器。其中，PLL的性能取决于补偿器H(s)，由上节的分析可知H(s)的设计需要考虑下列因素：
1)PLL在电压三相不平衡及含电压谐波的情况下，仍能准确跟踪正序电压的相位；
2)由于参考输入ω0t+θ0包含一个直流量θ0和一个斜坡函数ω0t，由内模原理可知，开环通路中至少需要包含两个积分因子1/s，观察图4可知开环传递函数中已包含一个1/s，所以H(s)中应至少包含一个1/s；
3)控制系统具有足够的相位裕度以保证系统的稳定性。
假设交流电压三相不平衡且包含5次谐波，其表达式为：
Figure BDA0003002670370000122
对式(16)进行派克变换有：
Figure BDA0003002670370000131
由上式可知，uq包含2倍频和6倍频的正弦量，为实现PLL中ω和ρ不受其干扰，H(s)的设计必须削弱2倍频和6倍频正弦量的影响，且由于2倍频正弦量的频率小，幅值k1相对较大，尤其需要减小2倍频正弦量的影响。虽然可以通过开环传函的低通特性抑制2倍频正弦量，但这样会减小闭环传函的带宽，从而影响系统的动态响应特性。为此，本申请实施例采用构建s＝±j2ω0的共轭零点来消除二倍频分量带来的影响，此方法不会影响系统的动态响应特性。同时，为消除6倍频分量的影响，保证开环传函的幅频特性曲线在ω＞2ω0时仍以-40dB/dec的速率下降，设置一对s＝-2ω0的极点以抵消引入共轭零点s＝±j2ω0带来的影响。
下面给出一种可选的补偿器参数的详细设计方法，通过上述分析，设补偿器的表达式为：
Figure BDA0003002670370000132
式中，h为常数，用以调节幅值穿越频率；F(s)为不包含积分因子1/s的传函，用以调节相位裕度。由式(18)和图4可得系统的开环传函为：
Figure BDA0003002670370000133
设幅值穿越频率ωc＝200rad/s，则当hF(s)＝1时，∠l(j200)＝-215°，此时稳定裕度γ＝-35°，可使用两个超前环节将相位裕度补偿至γ＝55°，每个超前环节补偿δm＝45°，即取
Figure BDA0003002670370000134
式中：
Figure BDA0003002670370000141
计算可得：
Figure BDA0003002670370000142
将式(22)代入式(19)，得：
Figure BDA0003002670370000143
由|l(j200)|＝1，计算得：
h＝2.85×105 (24)
将式(22)、(24)代入式(18)，可得补偿器为：
Figure BDA0003002670370000144
根据式(23)和(24)画出系统开环传函的波特图，如图5所示，由图5所示的波特图可知：1)ω＝0处开环传函的增益非常大，保证了闭环传函在ω＝0处的增益为1；2)幅值穿越频率ωc＝200rad/s，对应的相位裕度为55°，保证了控制系统的稳定性；3)ω＝2ω0处开环传函的增益非常小使得2倍频分量削减为0，幅频特性曲线在ω＞2ω0时仍以-40dB/dec的速率下降减小了谐波的影响，保证所设计得到的PLL满足要求。
在一种可选的实施例中，上述方法还包括：
步骤S602，在采用锁相方法获得正序电压相位后，分解出第一换流器输出的交流电流的正序分量和负序分量；
步骤S604，采用经典的双同步参考坐标系方法，对上述第一换流器输出的电流进行控制，其中，正序电流环控制和负序电流环控制的正负序等效电路存在对称性。
可选的，通过以下可选的实施例对上述交流侧正负序电流分解方法进行示例说明：利用上述锁相方法获得正序电压相位后，可以分解出MMC1输出的交流电流的正序分量和负序分量，如图6所示。其中，
Figure BDA0003002670370000151
为正序分量在正向旋转dq坐标系下的直流分量，
Figure BDA0003002670370000152
为负序分量在正向旋转dq坐标系下的二倍频分量，
Figure BDA0003002670370000153
为谐波分量在正向旋转dq坐标系下的谐波分量，
Figure BDA0003002670370000154
为负序分量在反向旋转dq坐标系下的直流分量，
Figure BDA0003002670370000155
为正序分量在反向旋转dq坐标系下的二倍频分量，
Figure BDA0003002670370000156
为谐波分量在反向旋转dq坐标系下的谐波分量。
作为一种可选的实施例，可以通过如下的方式实现负序电流抑制控制：获得交流电流的正序分量和负序分量后，使用经典的双同步参考坐标系方法对换流器输出的电流进行控制，其中，正序电流环控制和负序电流环控制的控制框图分别如图7和图8所示。
考虑到正负序等效电路的对称性，正序和负序电流内环补偿器PI参数设计公式为：
kp1＝kp2＝Lf/τi (26)
ki1＝ki2＝Rf/τi (27)
为了抑制不对称故障情况下的不对称分量，设置负序电流的参考值为0，即：
Figure BDA0003002670370000157
而正序电流的参考值按照定功率控制确定，即：
Figure BDA0003002670370000158
经上述方法得到的控制量
Figure BDA0003002670370000159
和
Figure BDA00030026703700001510
分别位于正向旋转和反向旋转的dq坐标系中，将这些控制量进行坐标反变换，得到abc坐标系下正序和负序控制量：
Figure BDA00030026703700001511
Figure BDA0003002670370000161
将正序和负序控制量进行叠加，从而得到abc三相控制量：
Figure BDA0003002670370000162
作为另一种可选的实施例，通过以下实施例进行仿真验证：根据PSCAD/EMTDC中搭建交直流配电网模型，对交流配电网1发生单相接地故障的情况及所提控制策略进行仿真分析，其中，可选的仿真的参数如表1所示。一种可选的采用负序电流抑制控制后的故障波形仿真过程如下：刚开始时，MMC1采用定PQ控制空载启动，MMC2采用定直流电压控制启动，同时锁相环投入控制；t＝1.2s时，PCC点发生金属性c相接地故障，故障持续时间为0.3s；t＝1.5s时，c相接地故障切除。
表1电路与控制参数
Figure BDA0003002670370000163
Figure BDA0003002670370000171
作为另一种可选的实施例，通过以下实施例进行锁相环有效性验证,系统在t＝1.2s发生c相接地故障，在t＝1.2s-1.5s故障期间，c相电压变为0，a相电压和b相电压峰值升为原来的
Figure BDA0003002670370000172
倍。由于10kV的交流配电网采用不接地方式，所以发生单相接地故障后交流系统仍可继续运行一段时间。基于换流站MMC1交流出口电压经坐标变换后在q轴上的投影可知，在t＝1.2s之前，交流系统正常运行情况下，锁相环实现相位跟踪使usq＝0。t＝1.2s-1.5s，系统发生单相接地故障，锁相环跟踪正序电压相位，负序电压在正向旋转的dq坐标系中的投影为2倍频分量，因此仿真波形中，usq在0的基础上叠加了一个2倍频分量，仿真结果与理论分析一致。
作为另一种可选的实施例，通过以下实施例进行负序电流抑制控制策略有效性验证：当交流系统发生c相接地故障时，不采用负序电流抑制控制时仿真得到的故障波形和采用负序电流抑制控制后的故障波形相比较，其中，不采用负序电流抑制控制后的故障波形无负序电流抑制控制，Lf＝9.35mH；采用负序电流抑制控制后的故障波形有负序电流抑制控制，Lf＝9.35mH；无负序电流抑制控制，Lf＝8.35mH。
可选的，采用负序电流抑制控制后，交流故障点的2倍频有功功率分量峰峰值由15MW下降至10MW，这说明负序电流抑制控制并不能让故障点的2倍频有功功率降为0，由式(4)可知，这是因为负序电压与正序电流的乘积仍会引发2倍频有功功率。
不采用负序电流控制时，电感上的2倍频瞬时有功功率峰峰值高达60MW，出现如此大的2倍频有功功率是因为较大的短路故障电流在电感上造成了大量的功率损耗。而在采用负序电流控制后，电感上的2倍频瞬时有功功率峰峰值由60MW下降至0MW，对比观察采用负序电流抑制控制前后交流故障点有功功率变化(-5MW)和电感上的2倍频有功功率变化(-60MW)，我们可以得出结论：交流非对称故障情况下，电感的2倍频有功功率不容忽视，而负序电流抑制控制主要消除了电感的2倍频有功功率。
参考故障时换流站MMC1交流出口处abc三相电流可知，不加负序电流抑制器的故障电流幅值超过4kA，且三相电流明显不对称。而采用负序电流抑制器的故障电流幅值不超过1kA，且三相电流保持对称，负序电流抑制器可以较好的抑制换流站交流出口故障电流。
作为一种可选的实施例，加负序电流抑制器的直流母线电压，电压产生一个二倍频波动，波动电压幅值约为4kV，其纹波率为
Figure BDA0003002670370000181
不满足直流电压的纹波要求]，影响直流配电网负荷及所接入分布式电源的正常运行。当采用负序电流抑制控制时，直流母线电压基本维持恒定，但仍产生一个微小的2倍频电压波动，波动电压幅值约为1kV。根据式(4)可知，此直流纹波由负序电压与正序电流的乘积引起。由于直流纹波率
Figure BDA0003002670370000182
因此满足直流配电网的运行要求。
作为另一种可选的实施例，通过以下实施例进行电感的有功功率特性分析：根据上述分析可知，导致直流电压出现2倍频纹波的原因不仅是交流系统故障点处的2倍频有功功率，电感上的2倍频瞬时有功功率也不容忽视。为进一步验证理论分析的正确性，将等效滤波电感由Lf＝9.35mH改为Lf＝8.35mH，仿真研究系统的故障特性。
当等效滤波电感由Lf＝9.35mH改为Lf＝8.35mH后，电感的2倍频瞬时有功功率峰峰值由60MW下降至50MW左右，在此情况下，直流电压的2倍频纹波峰峰值也从8kV降至6kV左右，上述分析表明，交流故障情况下采用较小的滤波电感可以减小2倍频瞬时有功功率，从而缓解直流电压的波动程度，但是，较小的滤波电感也会导致换流器交流出口侧的滤波能力降低，从而使得系统功率和电压的波形产生畸变。
本申请实施例对交流发生单相接地故障时交直流配电系统的故障特性进行了研究，推导给出了交流故障导致直流电压波动的机理，本申请实施例的主要技术效果包括但不限于：
1)通过理论推导和仿真分析指出了故障情况下滤波电感上的瞬时有功功率不容忽视，并且经典的负序电流抑制控制很大程度上抑制的是电感上的2倍频有功功率，而不是注入交流故障点的2倍频有功功率。
2)通过对传统PLL的补偿器合理设计实现了对正序电压相位的准确跟踪，给出了通用的参数设计方法。如此，避免了DDSRF-PLL方法在信号采集方面的复杂性和对系统动态特性的影响。
实施例2
根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述交直流配电系统的控制方法的装置实施例，图9是根据本发明实施例的一种交直流配电系统的控制装置的结构示意图，如图9所示，上述交直流配电系统的控制装置，包括：确定模块110和抑制模块112，其中：
确定模块110，用于当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；抑制模块112，用于采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，例如，对于后者，可以通过以下方式实现：上述各个模块可以位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的方式位于不同的处理器中。
此处需要说明的是，上述确定模块110和抑制模块112对应于实施例1中的步骤S102至步骤S104，上述模块与对应的步骤所实现的实例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为装置的一部分可以运行在计算机终端中。
需要说明的是，本实施例的可选或优选实施方式可以参见实施例1中的相关描述，此处不再赘述。
上述的交直流配电系统的控制装置还可以包括处理器和存储器，上述确定模块110和抑制模块112等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元，上述内核可以设置一个或以上。存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
根据本申请实施例，还提供了一种非易失性存储介质的实施例。可选地，在本实施例中，上述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，在上述程序运行时控制上述非易失性存储介质所在设备执行上述任意一种交直流配电系统的控制方法。
可选地，在本实施例中，上述非易失性存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中，上述非易失性存储介质包括存储的程序。
可选地，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行以下功能：当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定上述交流配电网中的负序电流，其中，上述负序电流导致上述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；采用上述直流配电网中的第一换流器对上述负序电流进行抑制，其中，上述直流配电网采用双端拓扑结构，上述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，上述第一换流器采用定功率控制，上述第二换流器采用定直流电压控制。
根据本申请实施例，还提供了一种处理器的实施例。可选地，在本实施例中，上述处理器用于运行程序，其中，上述程序运行时执行上述任意一种交直流配电系统的控制方法。
根据本申请实施例，还提供了一种电子设备的实施例，包括存储器和处理器，上述存储器中存储有计算机程序，上述处理器被设置为运行上述计算机程序以执行上述任意一种的交直流配电系统的控制方法。
根据本申请实施例，还提供了一种计算机程序产品的实施例，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有上述任意一种的交直流配电系统的控制方法步骤的程序。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取非易失性存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个非易失性存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的非易失性存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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 (13)

1.一种交直流配电系统的控制方法，其特征在于，包括：
当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定所述交流配电网中的负序电流，其中，所述负序电流导致所述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；
采用所述直流配电网中的第一换流器对所述负序电流进行抑制，其中，所述直流配电网采用双端拓扑结构，所述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，所述第一换流器采用定功率控制，所述第二换流器采用定直流电压控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述交流配电网中的负序电流，包括：
获取所述交流配电网中的电流分量usabc的第一计算公式，其中，所述第一计算公式为
Figure FDA0003002670360000011
所述电流分量包括：正序电流
Figure FDA0003002670360000012
和负序电流
Figure FDA0003002670360000013
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure FDA0003002670360000014
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure FDA0003002670360000015
表示三相电压中c相电压的正序分量，
Figure FDA0003002670360000016
表示三相电压中a相电压的正序分量，
Figure FDA0003002670360000017
表示三相电压中b相电压的正序分量，
Figure FDA0003002670360000018
表示三相电压中c相电压的正序分量；
基于所述第一计算公式确定所述负序电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述交流配电网中的电压分量isabc的第二计算公式，其中，所述第二计算公式为
Figure FDA0003002670360000019
所述电压分量isabc包括：正序电压
Figure FDA00030026703600000110
和负序电压
Figure FDA00030026703600000111
表示三相电流中a相电流的正序分量，
Figure FDA00030026703600000112
表示三相电流中b相电流的正序分量，
Figure FDA0003002670360000021
表示三相电流中c相电流的正序分量，
Figure FDA0003002670360000022
表示三相电流中a相电流的负序分量，
Figure FDA0003002670360000023
表示三相电流中b相电流的负序分量，
Figure FDA0003002670360000024
表示三相电流中c相电流的负序分量；
基于所述第二计算公式确定所述负序电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述交流配电网发生不对称故障时，确定所述交流配电网的故障点的有功功率，其中，所述有功功率包括：直流分量和二倍频分量，其中，所述直流分量基于正序电压与正序电流的乘积以及负序电压与负序电流的乘积产生，所述二倍频分量基于正序电压与负序电流的乘积以及负序电压与正序电流的乘积产生。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述交流配电网的故障点的有功功率包括：
根据瞬时功率定理，计算得到所述交流配电网中的第一换流器的交流出口处的瞬时有功功率，其中，所述瞬时有功功率包括：正序分量和负序分量；
采用坐标变换公式将所述正序分量投影到正向旋转的帕克变换坐标系上，将所述负序分量投影到反向旋转的帕克变换坐标系上，得到所述故障点的有功功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述交流配电网发生单相接地故障时，检测所述第一换流器的等效电感是否流过正序电流和负序电流；
当检测到所述等效电感中既有正序电流又有负序电流流过时，确定所述等效电感上的瞬时有功功率为二倍频波动量；其中，所述二倍频波动量由正序电流引起的电感压降与负序电流的乘积和负序电流引起的电感压降与正序电流的乘积产生。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述二倍频波动量引起直流电压发生二倍频波动时，在所述直流配电网中采用所述第二换流器向所述直流配电网注入用于维持直流电压稳定的有功功率，其中，所述第一换流器的直流输入功率包含二倍频分量，所述有功功率的直流分量的幅值大于所述二倍频分量的幅值，所述直流配电网的直流电压包含直流分量和二倍频分量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用所述直流配电网中的第一换流器对所述负序电流进行抑制包括：
采用所述直流配电网中的第一换流器构建目标共轭零点；
采用所述目标共轭零点消除所述直流配电网中的二倍频分量带来的影响，其中，所述目标共轭零点的方式不会影响到所述交直流配电系统的动态响应特性。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在采用锁相方法获得正序电压相位后，分解出第一换流器输出的交流电流的正序分量和负序分量；
采用经典的双同步参考坐标系方法，对所述第一换流器输出的电流进行控制，其中，正序电流环控制和负序电流环控制的正负序等效电路存在对称性。
10.一种交直流配电系统的控制装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于当交直流配电系统中的交流配电网发生单相接地故障时，确定所述交流配电网中的负序电流，其中，所述负序电流导致所述交直流配电系统中的直流配电网产生直流电压的二倍频纹波；
抑制模块，用于采用所述直流配电网中的第一换流器对所述负序电流进行抑制，其中，所述直流配电网采用双端拓扑结构，所述双端拓扑结构中的第一换流器和第二换流器均为模块化多电平换流器，所述第一换流器采用定功率控制，所述第二换流器采用定直流电压控制。
11.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1至9中任意一项所述的交直流配电系统的控制方法。
12.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序被设置为运行时执行权利要求1至9中任意一项所述的交直流配电系统的控制方法。
13.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至9中任意一项所述的交直流配电系统的控制方法。
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