CN113346483B - 一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统 - Google Patents

一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统 Download PDF

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CN113346483B CN202110548601.6A CN202110548601A CN113346483B CN 113346483 B CN113346483 B CN 113346483B CN 202110548601 A CN202110548601 A CN 202110548601A CN 113346483 B CN113346483 B CN 113346483B
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Abstract

本发明公开了一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统，属于电力系统技术领域。在低压穿越运行中，充分考虑电力电子变压器的控制模式、功率方向及直流电压质量等因素的影响。在定功率模式下，采用无功功率优先的负序电流抑制策略，并维持故障前后有功功率的方向和水平。在定电压模式下，采用有功功率优先的直流电压波动抑制策略，并向电网提供无功支撑。在STATCOM模式下，采用有功功率优先的负序电流抑制策略，并向电网提供无功支撑。此外，采用与配电网阶段式电流保护的故障切除时间相配合的分段式电流限值给定方法。本发明能够适应电力电子变压器的多控制模式、双向功率等复杂工况，充分发挥其控制效能，有效提高电网供电可靠性。

Description

一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，更具体地，涉及一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统。
背景技术
随着分布式能源并网容量和直流负荷占比的增长，电力电子变压器因其优越的分布式电源接纳能力和直流负荷匹配性能而得到推广应用。在电网故障期间，采用性能良好的低压穿越运行控制方法，不仅能够保证电力电子变压器自身的运行安全，而且能够维持不间断运行，协助电网的故障切除及运行恢复，有效提高电网供电可靠性。
电力电子变压器的拓扑设计及正常控制方法等方面的研究已经相对成熟。对其在电网故障期间的低压穿越运行控制方法，相关研究业已展开，但仍然存在一些问题，集中表现为：(1)沿用光伏发电、直驱风力发电等逆变型电源的低压穿越控制方法，忽略了电力电子变压器的功率双向传输的特点；(2)对电力电子变压器所采用的定功率控制和定电压控制等多种控制模式的影响，以及不同控制模式对低压穿越运行的需求考虑不够全面；(3)在低压穿越运行控制期间的电流限值选取较为保守，无法充分发挥电力电子变压器的控制效能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法及系统，旨在充分发挥电力电子变压器在电网故障期间的控制效能，适应其双向功率传输特点及不同控制模式需求，改善电网故障期间的运行性能，并协助故障隔离后电网的运行恢复。
为实现上述目的，本发明一方面提出一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，包括以下步骤：
S1.采用d轴电压定向，对采集到的交流侧的三相电压和三相电流进行Park变换，并利用额定值进行标幺处理，得到如下状态变量：正向旋转坐标系中，正序电压的d轴和q轴分量
Figure BDA0003074509200000021
和
Figure BDA0003074509200000022
正序电流的d轴和q轴分量
Figure BDA0003074509200000023
和
Figure BDA0003074509200000024
反向旋转坐标系中，负序电压的d轴和q轴分量
Figure BDA0003074509200000025
和
Figure BDA0003074509200000026
负序电流的d轴和q轴分量
Figure BDA0003074509200000027
和
Figure BDA0003074509200000028
S2.将
Figure BDA0003074509200000029
和阈值Udset比较，若
Figure BDA00030745092000000210
则进入步骤S3。否则，电力电子变压器仍运行于正常状态，返回步骤S1；其中，阈值Udset整定为0.9～0.95p.u.。
S3.启动计时元件，以配电网中三段式电流保护的故障切除时间为依据，在不同的时间间隔内，结合电力电子开关器件的最大允许过载水平，分段地给定电力电子变压器低压穿越运行期间的电流限值Ilim；然后进入步骤S4。
电流限值的具体给定方法如下：
正常运行时，电流限值选取为长期运行允许电流值I0。
从故障时刻t0起，电流限值选取与配电网三段式电流保护的故障切除时间相配合，以充分发挥电力电子变压器控制效能。交流配电网分段式过流保护的I段，II段和III段的故障切除时间为t1，t2和t3。在Δt1＝t1-t0内的最大允许过流值Imax1的基础上，考虑可靠系数Krel，以Imax1/Krel作为Δt1内的电流限值I1。其中，可靠系数取值为1.1～1.2。在Δt2＝t2-t1内的电流限值I2，以及Δt3＝t3-t2内的电流限值I3分别为Imax2/Krel和Imax3/Krel。其中，Imax2和Imax3分别为Δt2和Δt3内的最大允许过流值。一旦时间超过电流保护III段的故障切除时间，或者
Figure BDA00030745092000000211
条件下计时元件复位后，电流限值返回至长期运行允许电流值。
由上述原则得到的电流限值的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000031
S4.若变压器采用定功率控制，则闭锁变压器的有功功率外环和无功功率外环，采用正序和负序电流内环进行直接控制，进入步骤S5；若变压器采用定电压控制，则保留变压器的电压外环，并闭锁无功功率外环，将采集到的直流端口电压udc与直流电压阈值Udcset比较，若udc＞Udcset，则进入步骤S6；否则，将电力电子变压器切换至STATCOM模式，进入步骤S7；其中，阈值Udcset整定范围为0.85～0.9p.u.。
S5.在电流限值Ilim允许范围内，采用无功功率优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8；电流指令值的具体计算方法如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000032
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000033
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000034
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000035
其中，P*为定功率控制模式下的有功功率指令值。函数sign用于提取故障前电力电子变压器的功率方向，P*＞0时，取值为1；P*＝0时，取值为0；P*＜0时，取值为-1。min为最小值函数，提取各变量中的最小值。
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000036
和
Figure BDA0003074509200000037
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000041
S6.在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功功率优先的有功波动抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8；电流指令值的具体计算方法如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000042
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000043
其中，
Figure BDA0003074509200000044
为直流电压外环输出指令值。所述电压外环控制方程为：
Figure BDA0003074509200000045
其中，
Figure BDA0003074509200000046
为直流电压指令值。Gu(s)为电压外环控制器传递函数。
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000047
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000048
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure BDA0003074509200000049
和
Figure BDA00030745092000000410
的计算公式为：
Figure BDA00030745092000000411
S7.在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功功率优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8。电流指令值的具体计算方法如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure BDA00030745092000000412
的计算公式为：
Figure BDA00030745092000000413
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure BDA00030745092000000414
的计算公式为：
Figure BDA00030745092000000415
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure BDA00030745092000000416
和
Figure BDA00030745092000000417
的计算公式为：
Figure BDA0003074509200000051
S8.根据双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值，在正向旋转坐标系和反向旋转坐标系中分别进行dq解耦控制，生成电力电子变压器的输出电压参考值。所述电流内环具体控制策略为：
在正向旋转坐标系中，得到正序输出电压的d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003074509200000052
和
Figure BDA0003074509200000053
Figure BDA0003074509200000054
在反向旋转坐标系中，得到负序输出电压的d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003074509200000055
和
Figure BDA0003074509200000056
Figure BDA0003074509200000057
其中，ω为交流系统电压角频率，Lm为电力电子变压器的桥臂滤波电感。Gin(s)为电流内环控制器传递函数。
本发明另一方面提供了一种电力电子变压器的低压穿越运行控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的电力电子变压器的低压穿越运行控制方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.本发明提供的低压穿越运行控制方法对电力电子变压器的不同控制模式提出具有针对性的控制策略，能够有效改善交流电网故障期间的运行性能，为电网的故障隔离及运行恢复提供帮助；
2.本发明充分考虑了电力电子变压器功率双向流动的特点，在低压穿越运行期间尽可能维持有功功率传输的方向及水平，减小了交流配电网故障对直流配电网的影响；
3.本发明通过采用分段式电流限值给定方法，能够在保证电力电子变压器安全运行的基础上，充分发挥其在低压穿越运行期间的控制效能。
附图说明
图1是本发明实施例的电力电子变压器整体及子模块拓扑结构；
图2是本发明实施例的低压穿越运行控制控制流程图；
图3是本发明实施例的交流系统电压波形；
图4是本发明实施例的电流限值示意图；
图5是电力电子变压器双闭环控制框图；
图6是本发明实施例在定功率模式整流工况下的三相电流波形；
图7是本发明实施例在定功率模式逆变工况下功率波形；
图8是本发明实施例在定电压模式整流工况下的直流电压波形；
图9是本发明实施例在定电压模式逆变工况下的直流电压波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例中采用的电力电子变压器整体拓扑结构及其子模块拓扑结构。其电气参数如表1所示。本实施例中各变量用标幺值表示，基准值为额定值。
表1
参数(单位) 数值 参数(单位) 数值
电力电子变压器额定容量(MVA) 1.5 桥臂滤波电感L<sub>m</sub>(H) 0.02
额定交流电压(kV) 10 每相级联子模块数 5
额定直流电压(kV) 0.75 长期允许电流限值I<sub>0</sub>(p.u.) 1.2
子模块DAB一次侧电容(μF) 4000 第1段电流限值I<sub>1</sub>(p.u.) 2.0
子模块二次侧电容(μF) 3000 第2段电流限值I<sub>2</sub>(p.u.) 1.6
子模块高频变压器变比 2.53 第3段电流限值I<sub>3</sub>(p.u.) 1.3
本发明实施例中，充分考虑控制模式、功率传输方向以及负荷水平等因素，选取4种典型工况对本发明的技术方案及优点进行说明，具体如表2所示。
表2
工况 控制模式 功率方向 负荷水平(p.u.)
工况1 定功率控制 整流 0.5
工况2 定功率控制 逆变 1.0
工况3 定电压控制 整流 1.0
工况4 定电压控制 逆变 0.5
本发明实施例中低压穿越运行控制方法的控制流程如图2所示。考虑交流电网发生BC相间短路故障，PET机端B相和C相的电压幅值跌落至额定电压的40％，电压波形如图3所示。针对表2中的4种运行工况，所述低压穿越运行控制方法的具体实施步骤如下：
S1.采集交流端口三相电压、三相电流、直流端口电压udc、以及定功率控制模式下的有功功率指令值P*。并获取电力电子变压器的控制模式。采用d轴电压定向，计算得到
Figure BDA0003074509200000071
并计算
Figure BDA0003074509200000072
Figure BDA0003074509200000073
和
Figure BDA0003074509200000074
用于电流内环解耦控制。
S2.电网故障后，
Figure BDA0003074509200000075
电力电子变压器切换至低压穿越控制，进入步骤S3。
S3.计时元件启动，并采用条件
Figure BDA0003074509200000081
作为计时元件保持判据。计算电力电子变压器低压穿越运行期间的电流限值Ilim。进入步骤S4。
本实施例中，故障时刻为t0＝0.2s。配电网三段式过流保护的I段，II段和III段的故障切除时间t1，t2和t3分别为0.3s，0.7s和1.7s。结合表1中给出的各段限值，可以得到电流限值如图4所示，其表达式为：
Figure BDA0003074509200000082
S4.工况1和工况2采用定功率控制，闭锁变压器的有功功率外环和无功功率外环，采用正序和负序电流内环进行直接控制，进入步骤S5；工况3和工况4采用定电压控制，保留变压器的电压外环，并闭锁无功功率外环，将采集到的直流端口电压udc与直流电压阈值Udcset比较，若udc＞Udcset，则进入步骤S6；否则，将电力电子变压器切换至STATCOM模式，进入步骤S7。
S5.对于工况1和工况2，在电流限值Ilim允许范围内，采用无功优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值。进入步骤S8。在
Figure BDA0003074509200000083
的条件下，电流指令值的具体计算公式为：
Figure BDA0003074509200000084
S6.对于工况3和工况4，在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功优先的有功波动抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值。进入步骤S8。在
Figure BDA0003074509200000085
的条件下，电流指令值的具体计算公式为：
Figure BDA0003074509200000091
S7.当工况3切换至STATCOM模式时，在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值。进入步骤S8。在
Figure BDA0003074509200000092
的条件下，电流指令值的具体计算公式为：
Figure BDA0003074509200000093
图5所示为电力电子变压器双闭环控制框图。
S8.根据各个工况下的电流指令值，在正向旋转坐标系和反向旋转坐标系中分别进行dq解耦控制，生成电力电子变压器的输出电压参考值。
本实施例中，电流内环采用PI控制器，输出电压参考值的控制方程如下：
在正向旋转坐标系中，正序电压的d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003074509200000094
和
Figure BDA0003074509200000095
Figure BDA0003074509200000096
在反向旋转坐标系中，负序电压的d轴和q轴分量参考值
Figure BDA0003074509200000097
和
Figure BDA0003074509200000098
Figure BDA0003074509200000099
其中，kp和ki分别为PI调节器的比例系数和积分系数。
本实施例中，各工况下的电流指令值计算结果如表3所示。
表3
Figure BDA0003074509200000101
图6给出工况1的三相电流波形。由图6可见，在电压不对称跌落情况下，三相电流能够保持对称输出，从而减小对交流系统的不对称影响。
图7给出工况2的功率波形。由图7可见，本发明提出的低压穿越控制方法，能够根据电压跌落深度向电网提供动态无功功率，并且能够维持有功传输水平及方向。此外，本发明限值给定方法相较于传统方法，能够在低压穿越运行期间增加电力电子变压器载流能力，充分发挥其控制效能。
图8给出工况3的直流电压波形。由图8可见，本发明中的电流限值采用分段式给定方法，与传统的根据长期运行允许电流给定限值的保守方法比较，能够充分发挥电力电子变压器的控制效能，在重载工况下能够减缓直流电压跌落速度。电压跌落至阈值以下时，能够自动切换至STATCOM模式运行，防止电力电子变压器电压严重跌落。
图9给出工况4的直流电压波形。由图9可见，本发明提出的策略能够在交流电网故障下保证直流端口电压质量。传统方法1直接采用电压外环进行调节，响应速度较慢。传统方法2未考虑电力电子变压器定电压控制模式的需求，沿用新能源的负序抑制措施，在低压穿越运行期间将造成电压波动。本发明中的方法通过自适应补偿以及有功波动抑制，克服了传统方法中的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用d轴电压定向，对采集到的交流侧的三相电压和三相电流进行Park变换，并进行标幺处理，得到如下状态变量：正向旋转坐标系中，正序电压的d轴和q轴分量
Figure FDA0003582531310000011
和
Figure FDA0003582531310000012
正序电流的d轴和q轴分量
Figure FDA0003582531310000013
和
Figure FDA0003582531310000014
反向旋转坐标系中，负序电压的d轴和q轴分量
Figure FDA0003582531310000015
和
Figure FDA0003582531310000016
负序电流的d轴和q轴分量
Figure FDA0003582531310000017
和
Figure FDA0003582531310000018
S2.将
Figure FDA0003582531310000019
和阈值Udset比较，若
Figure FDA00035825313100000110
则进入步骤S3；否则，变压器仍运行于正常状态，返回步骤S1；
S3.给定变压器低压穿越运行期间的电流限值Ilim；然后进入步骤S4；
S4.若变压器采用定功率控制，则闭锁变压器的有功功率外环和无功功率外环，采用正序和负序电流内环进行直接控制，进入步骤S5；否则保留变压器的电压外环，并闭锁无功功率外环，将采集到的直流端口电压udc与直流电压阈值Udcset比较，若udc>Udcset，则进入步骤S6，否则，将电力电子变压器切换至STATCOM模式，进入步骤S7；
S5.在电流限值Ilim允许范围内，采用无功功率优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8；
S6.在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功功率优先的有功波动抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8；
S7.在电流限值Ilim允许的范围内，采用有功功率优先的负序电流抑制策略，计算双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值；进入步骤S8；
S8.根据双向旋转坐标系中d轴和q轴电流指令值，在正向旋转坐标系和反向旋转坐标系中分别进行dq解耦控制，生成变压器的输出电压参考值。
2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，定功率模式下的电流指令值计算公式如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000021
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000022
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000023
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000024
其中，P*为定功率控制模式下的有功功率指令值，P*>0时，sign(P*)取值为1；P*＝0时，sign(P*)取值为0；P*<0时，sign(P*)取值为-1；min()为最小值函数，提取各变量中的最小值；
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000025
和
Figure FDA0003582531310000026
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000027
3.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，定电压模式下的电流指令值计算公式如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000028
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000029
其中，
Figure FDA00035825313100000210
为直流电压外环输出指令值，
Figure FDA00035825313100000211
时，
Figure FDA00035825313100000212
取值为1；
Figure FDA00035825313100000213
时，
Figure FDA00035825313100000214
取值为0；
Figure FDA00035825313100000215
时，
Figure FDA00035825313100000216
取值为-1；min()为最小值函数，提取各变量中的最小值；Ilim为电流限值；
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure FDA00035825313100000217
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000031
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000032
和
Figure FDA0003582531310000033
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000034
4.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，STATCOM模式下的电流指令值计算公式如下：
正向旋转坐标系中，正序电流的d轴分量指令值
Figure FDA0003582531310000035
的计算公式为：
Figure FDA0003582531310000036
其中，
Figure FDA0003582531310000037
为直流电压外环输出指令值，
Figure FDA0003582531310000038
时，
Figure FDA0003582531310000039
取值为1；
Figure FDA00035825313100000310
时，
Figure FDA00035825313100000311
取值为0；
Figure FDA00035825313100000312
时，
Figure FDA00035825313100000313
取值为-1；min()为最小值函数，提取各变量中的最小值；
正向旋转坐标系中，正序电流的q轴分量指令值
Figure FDA00035825313100000314
的计算公式为：
Figure FDA00035825313100000315
反向旋转坐标系中，负序电流的d轴及q轴分量指令值
Figure FDA00035825313100000316
和
Figure FDA00035825313100000317
的计算公式为：
Figure FDA00035825313100000318
5.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，分段式电流限值Ilim的给定原则为：
正常运行时，电流限值选取为长期运行允许电流值I0；
从故障时刻t0起，电流限值选取与配电网阶段式电流保护的故障切除时间相配合：阶段式电流保护的I段，II段和III段的故障切除时刻分别为t1，t2和t3；在Δt1＝t1-t0内的最大允许过流值Imax1的基础上，考虑可靠系数Krel，以Imax1/Krel作为Δt1内的电流限值I1；在Δt2＝t2-t1内的电流限值I2，以及Δt3＝t3-t2内的电流限值I3分别为Imax2/Krel和Imax3/Krel，其中，Imax2和Imax3分别为Δt2和Δt3内的最大允许过流值；
超过电流保护III段的故障切除时间，电流限值返回至长期运行允许电流值I0。
6.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，阈值Udset的整定范围为0.9～0.95p.u.。
7.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，直流电压阈值Udcset的整定范围为0.85～0.9p.u.。
8.根据权利要求5所述的一种电力电子变压器的低压穿越运行控制方法，其特征在于，所述可靠系数Krel的取值范围为1.1～1.2。
9.一种电力电子变压器的低压穿越运行控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至8任一项所述的电力电子变压器的低压穿越运行控制方法。
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