CN114069727A - 一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统 - Google Patents

一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开属于电力系统技术领域，提供了一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统，包括以下步骤：基于配电网的运行状态判断换流器的运行状态；当配电网稳定运行时，换流器处于电流矢量控制状态，否则处于功率同步控制状态；当配电网的运行状态发生变化时，引入有功功率波动抑制，进行换流器的电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换，减小交流系统短路比变化时配电网有功功率的波动。针对交流系统强度变化时产生的扰动问题，进行了有功功率波动的抑制，通过建模及仿真分析，验证了所提出的柔性互联配电网的换流器控制模式平滑切换方法的正确性和有效性。

Description

一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统
技术领域
本公开属于电力系统技术领域，具体涉及一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着分布式电源渗透率的不断提高以及负荷类型的多样化，传统的交流配电系统运行模式受到了挑战。基于电力电子技术的柔性互联配电网可提高系统的控制灵活性和运行可靠性，将成为未来配电网的发展的趋势。作为实现交直流柔性互联的关键设备，电压源换流器(Voltage Source Converter,简称VSC)在柔性互联配电网中的需求不断增多，且一般采用基于锁相环(Phase-Locked Loop,简称PLL)的电流矢量控制方式。然而，PLL与电网阻抗之间存在耦合关系，当向弱交流系统供电时，耦合关系会随着电网强度的减小而加剧，高增益的PLL将恶化系统的动态特性，从而导致系统稳定性降低。当交流系统短路比(Short-Circuit Ratio,简称SCR)小于1.3时，基于电流矢量控制的系统在额定工况下已难以维持稳定运行，SCR等于1时，换流器传输功率将只有额定值的40％左右，经过控制器参数优化后也只能达到60％左右，严重影响系统的稳定运行。
为提高电压源换流器向弱交流系统供电时的稳定性，功率同步控制(PowerSynchronization Control,简称PSC)策略被提出，实现了换流器与交流系统的同步运行。功率同步控制以模仿同步电机的运行特性为基础，规避了向弱电网供电时PLL引入的稳定性问题。然而，当系统SCR较大时，功率同步控制也会影响系统稳定性，有研究结果表明功率同步控制的稳定性会随着交流系统短路比的增大而变差。
由于电网运行工况的复杂性及换流器单一控制策略适用范围的局限性，当系统运行状况发生变化时，单一的控制策略越来越难以满足系统需求。在交流系统强度较低时为系统提供必要的惯性支撑能力、向弱电网供电的直流系统具备有源模式和无源模式切换的能力、交流系统因严重故障导致SCR变化时维持系统稳定运行成为柔性互联配电网中换流器应具备的基本控制能力。在换流器有源模式与无源模式间平滑切换及为弱电网提供惯性支撑方面已有很多研究。然而，在实际运行工况下，交流系统强度在事故发生和事故恢复时将持续变化。考虑到电流矢量控制与功率同步控制适用工况的不同，如何在交流电网强度变化过程中，实现针对系统运行实际工况的换流器控制方式选择和控制方式的平滑切换，对提高柔性互联配电网的运行灵活性具有重要意义。但目前考虑交流系统SCR变化工况下的换流器控制策略仍未受到关注。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法及系统，在结合柔性互联配电网现有问题和未来交直流混合配电网发展趋势的基础上，针对交流系统强度变化时产生的扰动问题，进行了有功功率波动的抑制，通过PSCAD/EMTDC实际建模及仿真分析，验证了所提出的柔性互联配电网的换流器控制模式平滑切换方法的正确性和有效性。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，采用如下技术方案：
一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，包括以下步骤：
基于配电网的运行状态判断换流器的运行状态；
当配电网稳定运行时，换流器处于电流矢量控制状态，否则处于功率同步控制状态；
当配电网的运行状态发生变化时，引入有功功率波动抑制，进行换流器的电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换，减小交流系统短路比变化时配电网有功功率的波动。
作为进一步的技术限定，当配电网稳定运行时，锁相环完全跟踪配电网电压相位，空间电压矢量在基于锁相环的dq轴坐标系中d轴上的分量与空间电压矢量的大小一致，空间电压矢量在基于锁相环的dq轴坐标系中q轴上的分量为零。
作为进一步的技术限定，当配电网稳定运行时，通过锁相环所获得的配电网电压相位角与通过功率同步环所获得的配电网电压相位角一致。
作为进一步的技术限定，若交流系统短路比发生变化时同时进行换流器运行状态的控制切换，交流系统短路比的变化会造成配电网系统有功功率的突变，为削弱交流系统短路比变化对配电网的扰动，在控制切换的过程中引入有功功率波动抑制。
作为进一步的技术限定，所述有功功率波动抑制通过将有功波动量引入至电流控制环的d轴，在交流系统短路比变化时减小有功功率的变化幅度，以降低配电网强度突变所带来的有功功率波动影响。
作为进一步的技术限定，电流矢量控制状态与功率同步控制状态在切换的瞬间，通过锁相环所获得的配电网电压相位角与通过功率同步环所获得的配电网电压相位角一致，锁相环与功率同步环的原理不同导致了切换过程中出现电压调制波，引起配电网的扰动。
作为进一步的技术限定，在电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换过程中，状态切换的瞬间，换流器输出有功功率及交流端电压波形在切换前后不发生变化。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换系统，采用如下技术方案：
一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换系统，包括：
判断模块，被配置为基于配电网的运行状态判断换流器的运行状态；
切换模块，被配置为当配电网稳定运行时，换流器处于电流矢量控制状态，否则处于功率同步控制状态；当配电网的运行状态发生变化时，引入有功功率波动抑制，进行换流器的电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换，减小交流系统短路比变化时配电网有功功率的波动。
作为进一步的技术限定，所述切换模块包括功率同步单元和电流矢量控制单元；其中，所述功率同步控制单元包括功率同步环、无功/电压控制外环和电流控制内环，通过功率同步环模拟同步发电机特性实现换流器对输出有功功率的控制并产生dq轴坐标系变换所需的相位角，实现换流器与交流电网的同步；电流矢量控制单元包括锁相环、幅值-相角控制外环和电流控制内环，锁相环用于跟踪电网电压相位为坐标变换提供基础，电流内环与功率同步控制单元中的电流控制内环结构相同，外环则基于功率同步控制外环与传统幅值-相角控制间的相似性，采用幅值-相角控制，方便电流矢量控制与功率同步控制间的切换。
作为进一步的技术限定，所述切换模块还包括有功功率波动抑制单元，所述有功功率波动抑制单元被配置为通过将有功波动量引入至电流控制环的d轴，在交流系统短路比变化时减小有功功率的变化幅度，以降低配电网强度突变所带来的有功功率波动影响。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开能实现换流器电流矢量控制与功率同步控制两种控制方式间的平滑切换，减小切换过程造成的扰动或不稳定现象，提高当前柔性互联配电网换流器在不同交流电网强度下的运行灵活性、可靠性，顺应未来柔性互联配电网发展趋势，具有技术前瞻性；
2.本公开所提出的有功功率波动抑制环节，可有效降低交流电网强度变化造成的扰动，提高系统运行的稳定性和不同控制模式间切换的平滑性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例柔性互联配电网的拓扑结构示意图；
图2是本公开实施例功率同步控制的结构示意图；
图3是本公开实施例功率同步控制无功/电压控制环的结构示意图；
图4是本公开实施例功率同步控制电流控制内环的结构示意图；
图5是本公开实施例电流矢量控制的结构示意图；
图6是本公开实施例基于PLL与基于PSL的dq旋转坐标系关系的结构示意图；
图7是本公开实施例电流矢量控制与功率同步控制平滑切换策略示意图；
图8是本公开实施例内环有功功率波动抑制环节的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示的柔性互联配电网的拓扑结构为两交流配电网通过柔性直流配电网互联，可以实现两交流系统间的潮流调节、无功补偿、电能质量治理、直流源荷消纳等多种功能。
如图2所示，功率同步控制主要由功率同步环(Power Synchronization Loop,简称PSL)、无功/电压控制外环、电流控制内环三个部分组成。PSL主要通过模拟同步发电机特性实现换流器对输出有功功率的控制并产生dq变换所需的相位角，是实现换流器与交流电网同步的关键，其控制框图如图2中PSL环节所示其中，Pref、P分别为换流器输出有功功率参考值和实际值；ω0为电网额定角频率；kp_psl为控制增益。若换流器采用定直流电压控制，则Pref与直流侧参考电压
Figure BDA0003367709930000071
及实际电压Udc的关系如式(1)所示。
Figure BDA0003367709930000072
无功/电压控制外环控制框图如图3、图4所示。其中，Qref、Q表示换流器输出无功功率参考值与实际值；kpQ与kiQ为无功控制环PI参数；
Figure BDA0003367709930000081
分别为接入点交流电压幅值参考量、实际量及换流器空载时接入点电压幅值；kE、TE为交流电压控制器增益和时间常数；
Figure BDA0003367709930000082
由电压相量
Figure BDA0003367709930000083
经坐标变换获得；
Figure BDA0003367709930000084
id、
Figure BDA0003367709930000085
iq分别为换流器输出电流参考值和实际值的dq分量；vd、vq为接入点处电压的dq分量；αc为当前控制器所需要的控制器带宽，Lc为等效电感；HHP(s)和HLP(s)分别表示高通滤波器和低通滤波器，其表达式如下：
Figure BDA0003367709930000086
其中，kv、αv、αf分别为高通滤波器的增益、带宽及低通滤波器的带宽。
如图5所示，本实施例所采用的电流矢量控制共包含PLL模块、幅值-相角控制外环、电流控制内环三个部分。其中PLL模块主要用于跟踪电网电压相位为坐标变换提供基础。电流矢量控制的电流内环控制框图与功率同步控制的内环完全相同，外环则基于功率同步控制外环与传统幅值-相角控制间的相似性，采用幅值-相角控制，如图4所示，以方便电流矢量控制与功率同步控制间的切换。
正常情况下，换流器运行于电流矢量控制，对于同一系统，基于PLL与基于PSL的dq旋转坐标系关系如图7所示。其中，abc表示三相静止坐标系；us为空间电压矢量；dpll、qpll和dpsl、qpsl分别表示基于PLL和基于PSL的dq轴坐标系；θpll、θpsl分别为通过PLL和PSL获得的电网相位角；Δθc为两种dq轴坐标系间的相角差，且Δθc＝θpsl-θpll。假设
Figure BDA0003367709930000091
表示us在dpll、qpll上的分量，
Figure BDA0003367709930000092
表示us在dpsl、qpsl分量。由于稳态情况下PLL完全跟踪电网电压相位，即
Figure BDA0003367709930000093
因此稳态情况下有：
Figure BDA0003367709930000094
当换流器计划从功率同步控制切换至电流矢量控制时，因PLL能跟踪电网相位，因此切换瞬间θpll与θpsl相等，Δθc＝0；而当换流器计划从电流矢量控制切换至功率同步控制时，由于PSL与PLL原理不同，由图7可知，在切换瞬间θpll与θpsl存在差异性，Δθc≠0，而θ作为坐标变换的重要参数，切换瞬间从θpll突变至θpsl必将导致控制系统产生的电压调制波出现突变，为切换过程带来较大的扰动。此外，由图2和图5对比可知，功率同步控制方式下控制器外环获得的参考电压矢量与d轴间的夹角
Figure BDA0003367709930000095
被能够为0，而电流矢量控制方式下，
Figure BDA0003367709930000096
为有功类变量控制输出结果，与换流器输出有功功率大小或直流侧电压大小息息相关。因此，在电流矢量控制与功率同步控制间进行切换的瞬间
Figure BDA0003367709930000097
必将产生突变，从而造成系统出现扰动。因此，为解决电流矢量控制与功率同步控制间切换时产生的扰动，本实施例根据电流矢量控制与功率同步控制原理特点，提出了电流矢量控制与功率同步控制间的平滑切换策略，如图7所示。
此外，若在交流系统SCR变化的同时进行控制方式切换，则SCR的变化也会为系统带来一定的外部扰动。因此为削弱SCR变化引入的扰动，在控制方式切换过程中引入图8所示的有功功率波动抑制环节。该环节通过将有功波动量引入至d轴电流控制环，可在SCR变化时减小有功功率的变化幅度，从而降低电网强度突变带来的有功功率波动影响。图中
Figure BDA0003367709930000101
为控制增益；Pch为有功功率波动量；
Figure BDA0003367709930000102
为低通滤波器，表达式如下。其中αp为滤波器带宽。
Figure BDA0003367709930000103
有功功率波动抑制环节的启动和退出逻辑为：正常运行状时S5处于开通状态，有功功率波动抑制环节退出运行，当收到切换指令后，S5闭合，有功功率波动抑制环节加入d轴电流控制环，当切换过程完成，即式(4)和式(5)同时满足时，S5打开，有功功率波动抑制环节退出运行。由于d轴电流与换流器输出有功功率直接相关，因此将切换过程中产生的有功功率变化量作为反馈引入内环d轴控制中可以降低d轴电流参考值的变化，从而有效抑制有功功率波动。
Figure BDA0003367709930000104
Figure BDA0003367709930000105
其中，
Figure BDA0003367709930000106
表示Pch在Δt时间内的变化量，δ1、δ2为切换完成的判据。
电流矢量控制切换至功率同步控制的详细流程如下：
1)：接收到切换控制指令后，S2、S4打开，S1、S3闭合，PSL运行；
2)：D由1变为0，电流矢量控制的有功控制环节退出运行；
3)：S5闭合，有功功率波动抑制环节启动；
4)：检测切换过程是否结束，若切换结束则打开S5，有功功率波动抑制环节退出运行，若切换过程仍未结束，则维持不变。
功率同步控制切换至电流矢量控制的详细流程如下：
1)：接收到切换控制指令后，S1、S3打开，S2、S4闭合，PLL运行；
2)：D由0变为1，电流矢量控制的有功控制环节恢复运行；
3)：S5闭合，有功功率波动抑制环节启动；
4)：检测切换过程是否结束，若切换结束则打开S5，有功功率波动抑制环节退出运行，若切换过程仍未结束，则维持不变。
当换流器从电流矢量控制切换至功率同步控制时，初始状态下，S1、S3开通，S2、S4闭合，此时PLL处于运行状态，θ＝θpll。因稳态运行情况下有P＝Pref，因此ωpsl＝ω0。收到切换指令后，S2、S4打开，S1、S3闭合，PSL启动运行，ω由ωpll变换至ωpsl，此时θ＝θpsl，但是由于后续积分器的作用使得ω的变化并不会导致θ的突变，因此在切换瞬间有θ＝θpsl＝θpll，θ的突变得到抑制。此外，初始状态下，D＝1，
Figure BDA0003367709930000111
切换瞬间D由1变化为0，此时PI控制器的输入为0，
Figure BDA0003367709930000112
且在功率同步控制运行过程中始终保持这一数值，以将换流器的有功类变量控制转换至PSL环节，保证了切换瞬间
Figure BDA0003367709930000113
不变，避免了
Figure BDA0003367709930000114
突变引入的扰动。
当功率同步控制向电流矢量控制切换时，初始状态下，S2、S4开通，S1、S3闭合，θ＝θpsl，此时由于PLL仍处于运行状态，跟踪电网相位，因此θpll＝θpsl且ωpll＝ωpsl。当接到切换指令后，S2、S4闭合，S1、S3打开，ω由ωpsl变换至ωpll，由于ωpll＝ωpsl及后续积分器的作用，切换瞬间θ＝θpsl＝θpll，保持不变，避免了θ突变引入的扰动。同时，功率同步控制方式下D为0，此时
Figure BDA0003367709930000121
接到切换指令后，D由0变为1，有功控制外环恢复运行，
Figure BDA0003367709930000122
切换至
Figure BDA0003367709930000123
由于切换瞬间P＝Pref，因此切换时有
Figure BDA0003367709930000124
切换瞬间
Figure BDA0003367709930000125
的突变得到抑制。
为了验证本实施例所提用于柔性互联配电网换流器控制模式平滑切换策略的有效性，基于图1所示的柔性互联配电网拓扑在PSCAD/EMTDC软件平台相应的仿真模型。
通过仿真验证了在正常工况以及交流系统强度突变两种情况下柔性互联配电网换流器控制模式平滑切换策略的有效性。在正常工况下，交流系统的强度始终保持不变，换流器采用本实施例所提的平滑切换策略下，无论是电流矢量控制向功率同步控制切换还是其逆过程，切换瞬间θ与
Figure BDA0003367709930000126
均未发生突变，换流器输出有功功率及交流端电压波形在切换前后几乎无任何变化，切换过程十分平滑。当交流系统的强度发生变化时，与不采用本实施例所提的平滑切换策略而采用直接切换策略下的仿真结果相比，无论是当交流系统强度由强变弱从而使换流器控制模式从电流矢量控制切换至功率同步控制，还是交流系统强度由弱变强从而使换流器控制模式由功率同步控制切换至电流矢量控制，采用本实施例所提的平滑切换策略后，换流器输出有功功率及交流端电压波形在切换过程中的波动都更小，切换过程更加平缓。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于配电网的运行状态判断换流器的运行状态；
当配电网稳定运行时，换流器处于电流矢量控制状态，否则处于功率同步控制状态；
当配电网的运行状态发生变化时，引入有功功率波动抑制，进行换流器的电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换，减小交流系统短路比变化时配电网有功功率的波动。
2.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，当配电网稳定运行时，锁相环完全跟踪配电网电压相位，空间电压矢量在基于锁相环的dq轴坐标系中d轴上的分量与空间电压矢量的大小一致，空间电压矢量在基于锁相环的dq轴坐标系中q轴上的分量为零。
3.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，当配电网稳定运行时，通过锁相环所获得的配电网电压相位角与通过功率同步环所获得的配电网电压相位角一致。
4.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，若交流系统短路比发生变化时同时进行换流器运行状态的控制切换，交流系统短路比的变化会造成配电网系统有功功率的突变，为削弱交流系统短路比变化对配电网的扰动，在控制切换的过程中引入有功功率波动抑制。
5.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，所述有功功率波动抑制通过将有功波动量引入至电流控制环的d轴，在交流系统短路比变化时减小有功功率的变化幅度，以降低配电网强度突变所带来的有功功率波动影响。
6.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，电流矢量控制状态与功率同步控制状态在切换的瞬间，通过锁相环所获得的配电网电压相位角与通过功率同步环所获得的配电网电压相位角一致，锁相环与功率同步环的原理不同导致了切换过程中出现电压调制波，引起配电网的扰动。
7.如权利要求1中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换方法，其特征在于，在电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换过程中，状态切换的瞬间，换流器输出有功功率及交流端电压波形在切换前后不发生变化。
8.一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换系统，其特征在于，包括：
判断模块，被配置为基于配电网的运行状态判断换流器的运行状态；
切换模块，被配置为当配电网稳定运行时，换流器处于电流矢量控制状态，否则处于功率同步控制状态；当配电网的运行状态发生变化时，引入有功功率波动抑制，进行换流器的电流矢量控制状态与功率同步控制状态之间的控制切换，减小交流系统短路比变化时配电网有功功率的波动。
9.如权利要求8中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换系统，其特征在于，所述切换模块包括功率同步单元和电流矢量控制单元；其中，所述功率同步控制单元包括功率同步环、无功/电压控制外环和电流控制内环，通过功率同步环模拟同步发电机特性实现换流器对输出有功功率的控制并产生dq轴坐标系变换所需的相位角，实现换流器与交流电网的同步；电流矢量控制单元包括锁相环、幅值-相角控制外环和电流控制内环，锁相环用于跟踪电网电压相位为坐标变换提供基础，电流内环与功率同步控制单元中的电流控制内环结构相同，外环则基于功率同步控制外环与传统幅值-相角控制间的相似性，采用幅值-相角控制，方便电流矢量控制与功率同步控制间的切换。
10.如权利要求8中所述的一种用于柔性互联配电网的换流器控制切换系统，其特征在于，所述切换模块还包括有功功率波动抑制单元，所述有功功率波动抑制单元被配置为通过将有功波动量引入至电流控制环的d轴，在交流系统短路比变化时减小有功功率的变化幅度，以降低配电网强度突变所带来的有功功率波动影响。
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