CN113489058A - 一种适用于孤岛微电网接入的三电平c-npc控制模式无缝切换策略 - Google Patents

一种适用于孤岛微电网接入的三电平c-npc控制模式无缝切换策略 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种连接孤岛微电网的混合直流供电系统受端级联三电平换流站(Cascaded neutral point clamped three‑level converter，C‑NPC)的控制模式无缝切换策略。本发明的核心技术方案是：提出了一种孤岛微电网无缝接入/切出C‑NPC换流站的控制模式平滑转换策略。该策略可适用于两种场景：1、C‑NPC与微网连接运行，大扰动下柴发需要退网时，C‑NPC需要由Udc/Us控制无缝切换为定U/f控制来提供电压频率支撑；2、C‑NPC故障切除或检修完毕而恢复正常运行时，需要由定U/f控制无缝切换为定Udc/Us控制来解决与柴发调频单元不协调的问题，实现无缝、无冲击地接入微网。

Description

一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切 换策略
技术领域
本发明涉及一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制方法，属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
我国幅员辽阔，人口、资源分布不均，一些偏远地区用电仍未与主网相联，而是因地制宜地建立了一系列以可再生能源为主、规模不等的微电网。但随着各地经济不断发展，负荷密度不断提高，微电网孤网运行时供电间歇性大、电压管理困难、电能质量差等问题越发严重。然而，微电网通过LCC-VSC混合直流供电系统联网恰好为上述问题提供了一个重要的解决方案。该技术中较为核心的部分为级联三电平中点钳位型(C-NPC)逆变器控制方法研究，但目前没有专门的方法解决孤岛微电网接入三电平C-NPC换流器时的控制问题。
本发明提出了一种孤岛微电网无缝接入/切出C-NPC换流站的控制模式平滑转换策略，以解决微电网并网和孤岛两种模式转换过程中的冲击问题。
发明内容
本发明提供一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切换策略，采用的技术方案有：
该策略涉及定Udc/Us和定U/f两种模式之间的互相切换。由于这两种控制模式内外环控制器相互独立，切换瞬间需要对PI环节进行补偿(补偿量di,du,qi,qu)，使该环节输出值不突变；由于两种控制模式的park变换参考相角不同，切换控制策略时需要给定Udc/Us模式的电压dq轴分量加上补偿量u'sd,u'sq。该策略适用于以下两种情景。
当微电网中柴油发电机发生故障退网而产生大扰动时，此时的定Udc/Us控制模式无法为电网提供电压平衡支撑，故将C-NPC从定Udc/Us立即切换为定U/f模式运行。
微电网脱网运行后，二者需要重新联网时，应检测是否符合联网条件，避免并网产生大冲击而导致解列的问题。故三电平C-NPC采用定交流电压、定频率控制(定U/f)动态实时地改变其交流侧电压、频率、相角，使其尽量与孤网一致，当误差小于容忍值后，预同步模块发出合闸信号，并网预同步过程完成。预同步以后C-NPC再由定U/f控制向定Udc/Us控制进行无缝切换，以解决前者控制模式下可能会产生的引发功率、频率扰动问题。
附图说明
图1是受端换流站为三电平C-NPC的混合直流供电系统向孤网供电拓扑图(摘要附图)，①为微电网，②为柴油发电机，③为蓄电池，④为风力发电机，⑤为光伏发电，⑥为负荷模块，⑦为三电平C-NPC逆变站，⑧为LCC整流站。
图2是三电平C-NPC换流器拓扑图，其中(a)为整体结构图，(b)为某模块内结构。
图3为C-NPC主动预同步策略。
图4为定Udc/Us和定U/f控制模式下电压电流的dq轴分量。
图5为定U/f至定Udc/Us无缝切换策略。
图6为定Udc/Us至定U/f无缝切换策略。
图7为C-NPC采用传统/改进无缝切换策略由定Udc/Us至定U/f模式的效果对比图，其中(a)为电网频率，(b)为电网交流电压，(c)为C-NPC直流电压，(d)为C-NPC传输功率。
图8为C-NPC采用传统/改进无缝切换策略由定U/f至定Udc/Us模式的效果对比图，其中(a)为电网频率，(b)为电网交流电压，(c)为C-NPC直流电压。
具体实施方式
本发明提供一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制方法；下面将对本发明的控制方法做进一步详细的说明。
微电网脱网运行后，三电平C-NPC与其需要重新联网时，应检测是否符合联网条件，避免并网产生大冲击而导致解列问题。假设孤网与C-NPC交流侧电压有效值偏差为ΔU，相角偏差为Δθ。由于U/f控制d轴以电网电压向量定位，q轴电参考值始终为0，因此得到补偿后的频率、参考相角和d轴电压参考值如式(1)所示。
Figure BDA0003153599060000021
式中，kp1、ki1、kp2、ki2分别为电压和频率(相角)补偿的PI控制器比例积分系数。
三电平C-NPC需要与微电网重新联网时，系统发出预同步信号，解锁电压和频率补偿PI控制器，动态实时地改变C-NPC交流侧电压、频率、相角与孤网一致，当满足并网开关两侧电压幅值、相角、频率误差小于设定的容忍值后，预同步模块向并网开关发出合闸信号，C-NPC完成初步并网。
但是，由于微电网中有柴油发电机存在，当三电平C-NPC处于定U/f控制接入微网时，即使满足并网的三个条件，系统电压、频率和功率仍然会发生一定程度的扰动。因此需要在并网瞬间将三电平C-NPC的控制策略从定U/f模式无缝切换为定Udc/Us模式。该控制方法中采用PI环节补偿策略、电压电流dq轴补偿策略和参考相角优化补偿策略来消除这两种控制模式由于控制性能、滤波环节等原因产生的误差相角δθ。
(1)PI环节补偿策略
在C-NPC的内外环控制中，外、内环各有一组PI环节，切换控制模式的瞬间为了保证最终内外环输出调制波dq轴分量不发生突变，首先要确保PI环节的输出值不发生突变，因此引入补偿量(以d轴为例)di、du，其表达式如式(2)(3)所示。
Figure BDA0003153599060000031
Figure BDA0003153599060000032
其中，t0为切换控制策略的时刻，下标1、2分别表示切换后和切换前。
(2)电压、电流的dq分量补偿
理论上，当C-NPC处于定U/f控制时，由于外环电压q轴分量整定值设为0，系统电压相角应该与U/f控制给定的相角相等；但实际上由于外环电压跟踪性能等原因，两者并不严格相等，存在一个恒定相角差δθ。该相角差一般可达到0.2rad左右，因此在对系统电压、电流向量作park变换时，由于参考相角的不一致最终会导致不同控制模式下dq轴分量的不一致，在切换控制模式时会产生相应的突变，最终导致模式切换前后系统电压、电流发生突变。然而，由于定Udc/Us模式的参考相角为锁相环给出的角度，无法对其进行校正，故只能对经park变换后的电压电流dq轴进行补偿。以交流侧电压、电流为例，经不同参考相角的park变换结果如图4所示。
其中，θs为系统电压经锁相环给出的相角，θref为经U/f控制给出的相角，
Figure BDA0003153599060000033
为功率因数角。假定三相电压瞬时值为：
Figure BDA0003153599060000041
以电压分量为例，电流分量同理，当从定U/f模式切换为定Udc/Us模式时，可以在切换瞬间给定Udc/Us的电压dq轴分量加上如下的补偿量：
Figure BDA0003153599060000042
式中各变量均为切换瞬间的值，Us为网侧相电压峰值。补偿后的电压电流dq轴分量为：
Figure BDA0003153599060000043
Figure BDA0003153599060000044
当两种控制模式输出的调制波dq轴分量经过补偿后达到一致后(假设分别为ucd、ucq)，由于需要经过park反变换将dq轴分量转化为三相电压调制波，而此时使用的参考相角仍有δθ之差，故需对上述dq轴分量进行最终补偿。仍以图4为例，在d1q1坐标系下经过park反变换得到的三相电压调制波矢量如式(8)所示。
Figure BDA0003153599060000045
为了使补偿后三相坐标系下的调制波相同，在d2q2坐标系下的dq轴分量应当为：
Figure BDA0003153599060000046
故补偿量如式(10)(11)所示。
Figure BDA0003153599060000047
Figure BDA0003153599060000051
(3)参考相角的优化补偿
当微电网中柴油发电机发生故障退网时，三电平C-NPC需要从定Udc/Us模式无缝切换至定U/f模式来减少柴发退网造成的扰动。由于定U/f模式的相角θref由控制系统给定，其与网侧锁相环给出的角度之间的差值δθ为一与频率差有关的周期量，并且在切换至定U/f模式之前其参考相角可以根据需要进行变更优化。因此为了使切换瞬间θref导致的冲击量最小，需要用阀侧交流电压的瞬时值来时刻优化θref计算得到一个最优值θ3作为定U/f控制的参考相角。
在传统的柔性直流控制系统里，以三相交流电压为例，其park变换的公式如式(12)所示。
Figure BDA0003153599060000052
在标幺化的定U/f控制方式中，其d轴电压参考值为1，q轴电压参考值为0。由式(12)可知，在任意一个时刻，存在着一个角度θ使得此时d轴分量最大，其d轴分量优化函数f如式(13)所示。
Figure BDA0003153599060000053
其中θ为自变量。其求解结果如式(14)所示。
Figure BDA0003153599060000054
上式是在θ∈(-π/2,π/2)的表达式，而一般锁相环的角度范围变化在(-π,π)，得到的θ在一段时间内使得d轴分量最大，在一段时间内使得d轴分量最小，为了使得全时段d轴分量绝对值最大，还需要做扩周期处理，这时得到的θ0才是在全时段内d轴分量最大，q轴分量为0的角度。
为了验证本申请提出的控制策略的有效性，搭建了如图1所示的LCC-CNPC柔性直流向新能源微电网供电的系统仿真模型。系统参数如表1所示。
表1系统的额定参数
Figure BDA0003153599060000061
图7为大扰动发生，柴发退网后，采用传统/改进无缝切换措施的孤网PCC处电压、频率以及C-NPC直流侧电压和传输功率波形图。各图形中白色区域表示柴发联网，灰色区域表示柴发退网。对比可知，投入改进策略后的频率调整时间短于传统策略，仅使用了0.02s将系统频率拉回额定值附近，频率恢复速度加快了0.05s，其最高点也从51.72Hz下降到了51.48Hz，波动下降了13.95％。投入优化策略后PCC处的交流电压于3.12s恢复至0.95pu，相比传统无缝策略恢复速度快了0.01s，电压最低点从0.85pu上升至0.89pu，波动量减小了31.98％。对于C-NPC直流侧电压，传统策略的直流电压波动最大为3.01kV,改进后的直流电压波动略小于传统策略，最大为2.77kV，最大波动下降了7.97％，在短时间内其波动均能恢复至稳态水平。同时，改进策略的有功无功超调量相比传统策略，分别减小了53.33％、40.58％。根据柴发退网后交流侧电压、频率波动情况可以看出，C-NPC投入传统无缝策略时向孤网传输的功率会产生一定程度的超调，而改进无缝策略几乎没有超调量，这是因为改进无缝策略切换后由于相角补偿和dq轴分量补偿环节的存在，切换控制模式瞬间不会带来额外的冲击量，从而减小了切换控制模式和柴发退网所产生的暂态超调量和调整时间，实现了大扰动时C-NPC控制模式的紧急无缝切换，有利于系统的稳定运行。上述投入传统/改进策略的指标对比(超调量及到达允许范围时间)均列于表2中。
表2大扰动紧急无缝切换策略效果对比
(a)超调量
Figure BDA0003153599060000062
(b)到达允许范围时间
Figure BDA0003153599060000071
图8为C-NPC在完成预同步后采用传统和改进无缝切换策略的各电气量波形，各图形中白色区域为C-NPC接入孤网前，灰色区域表示C-NPC与孤网联网后。分别计算传统无缝切换和改进无缝切换策略的交流电压、直流电压的离散数据均方差，以及频率的原离散点与拟合平滑曲线的SSE(The sum of squares due to error，SSE)，如表3所示。可以看出，相比传统无缝切换，投入改进无缝切换策略的频率、交流电压、直流电压波动分别减小了44.68％，41.63％，14.71％。无缝接入策略实现了C-NPC接入孤网系统的无缝性，特别是在接入系统的瞬间采用改进无缝切换方法切换了自身的控制策略，避免了直流系统接入后产生因控制模式不协调而造成的扰动、震荡问题，验证了该无缝接入策略的有效性。
表3 C-NPC接入孤网后波动量对比
Figure BDA0003153599060000072

Claims (5)

1.一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切换策略，其特征在于：该策略涉及定Udc/Us和定U/f两种模式之间的互相切换。由于这两种控制模式内外环控制器相互独立，切换瞬间需要对PI环节进行补偿(补偿量di,du,qi,qu)，使该环节输出值不发生突变；由于两种控制模式的park变换参考相角不同，切换控制策略时需要给Udc/Us模式电压dq轴分量加上补偿量u'sd,u'sq。
2.根据权利1要求所述的一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切换策略，其特征是，该策略可用于两种场景：微电网①中柴油发电机②故障退网，及其恢复正常运行需要重新联网时。
3.根据权利1要求所述的一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切换策略，其特征是，当①微电网中的②柴油发电机发生故障退网而产生大扰动时，将⑦三电平C-NPC从定Udc/Us立即无缝切换为定U/f模式运行，来支撑起全网的电压和功率平衡.
4.根据权利1要求所述的一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制模式无缝切换策略，其特征是，微电网脱网运行后，二者需要重新联网时，三电平C-NPC采用定交流电压、定频率控制(定U/f)来实现与微电网的主动预同步。二者实现同步以后，C-NPC再由定U/f控制向定Udc/Us控制进行无缝切换以解决U/f控制模式下与微网中柴油发电机不协调而产生功率、频率扰动问题。
5.根据权利1要求所述的一种适用于孤岛微电网接入的三电平C-NPC控制方法，其特征是，当C-NPC采用定U/f控制方法接入微网以后，需要在并网的瞬间将控制策略从定U/f模式无缝切换为定Udc/Us模式来解决U/f控制和柴油发电机调速器的响应速度不一致引发的并网震荡问题。
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