CN114123325B - 提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法及系统，方法包括：根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网故障或正常以及判断故障是否清除；基于变流器的有功外环控制和无功外环控制，获取变流器内环控制指令电流初始值，计算交流电网故障或正常下变流器指令电流，对变流器电流闭环控制；基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。本发明提出的方法适用于风电、光伏、储能等场合，保证变流器在各种工况下不过流，同时模拟同步发电机正、负序故障电流相角特性，显著提升双高电力系统中继电保护动作性能，保障双高电力系统的稳定性。

Description

提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护和电压源变流器控制技术领域，更具体地，涉及提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法及系统。
背景技术
大力发展以光伏和风电为代表的新能源是实现“双碳”目标的重要途径。我国新能源装机容量已超过5.3亿千瓦，位居世界第一。新能源集中送出、区域电网互联、大容量长距离输电等场景对高压直流输电的需求，使得常规和柔性直流在我国发展迅速，直输电规模超过200GW。为了应对新能源出力波动性和间歇性对电力系统频率质量及稳定性的影响，预计未来电力系统将大规模接入储能改善新能源带来的负面影响。此外，近些年柔性直流配电发展迅速，并且电力电子型负荷的占比不断增大。由此可见，电力系统的各环节都充斥着大量的电力电子装置，现代电力系统正逐步形成“高比例新能源”和“高比例电力电子设备”的“双高”趋势。
无论是以双馈风力发电系统为代表的部分功率变流器还是以光伏为代表的全功率变流器，均与同步发电机的故障特征存在明显区别。电网故障时，同步发电机表现为电压源特性，而变流器表现为电流源特性，这导致传统的继电保护不能适应双高电力系统而出现动作性能恶化的问题。例如，电力电子装置侧的距离保护拒动风险显著增加，电流差动保护灵敏度下降甚至极端情况下拒动。作为电力系统的第一道防线，继电保护的动作性能对于保障电网的安全性极其重要。
现有技术1(CN104518525A)“交直流混合电网功率变流器的保护控制系统及其控制方法”，旨在解决交流电网侧发生故障时入网变流器的输出行为。由于交流电网故障时电网负序分量的存在会导致系统三相电流不平衡或非正弦、直流侧存在较大电压纹波、功率波动等问题，危及变流器安全、缩短变流器寿命，必须要合理控制电网负序分量对系统的影响。采用的d-q同步坐标系下灵活正序和负序控制策略，通过参变量的调节，合理调整交流网侧电流参考的正负序含量，使得网侧电流波形质量和系统瞬时有功功率、瞬时无功功率得到合理控制，从而实现对变流器的保护控制。但是，现有技术1提出了一种交流故障期间的变流器控制方法，虽然应用场景与“双高”电力系统类似，但不是以提升交流保护动作性能为目标，其作用在于合理控制瞬时功率，解决直流侧纹波及功率波动等问题。
因此，为了提升双高电力系统背景下传统继电保护的动作性能，需要研究一种电压源变流器的新型控制策略。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种变压器绕组变形诊断方法及系统，能应用于风电、光伏、储能等各种应用场合；变流器控制方法能够保证变流器在各种工况下不过流的同时，还能够模拟同步发电机正、负序故障电流相角特性，显著提升双高电力系统中继电保护的动作性能，对于保障双高电力系统的稳定性意义重大。
本发明采用如下的技术方案。
提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，包括：
步骤1，采集变流器并网点的电压和电流；对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值Pcal和无功功率计算值Qcal；
步骤2，根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除；
步骤3，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，获取变流器内环控制的指令电流初始值；
步骤4，基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制；
步骤5，利用步骤4所得的指令电流、步骤1采集的变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
优选地，步骤1包括：
步骤1.1，采集变流器并网点的三相交流电压ua、ub、uc，采集变流器并网点的三相交流电流ia、ib、ic；从三相交流电压和电流中，由锁相环提取三相正序电压的角频率ω和相位θ；
步骤1.2，对三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到三相交流电压的αβ分量uα、uβ，和三相交流电流的αβ分量iα、iβ；其中，三相交流电压和电流做3s/2s变换，满足如下关系式：
步骤1.3，对三相交流电压和电流的αβ分量进行正负序分离，得到三相交流电压正序αβ分量uαp、uβp，三相交流电压负序αβ分量uαn、uβn，三相交流电流正序αβ分量iαp、iβp，三相交流电流负序αβ分量iαn、iβn；其中，三相交流电压和电流的αβ分量的正负序分离，满足如下关系式：
式中，F表示电气量，即电压或电流信号；F′α、F′β分别为电气量αβ分量Fα、Fβ延迟1/4工频周期得到的电气量，
步骤1.4，对三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，得到三相交流电压正序dq分量udp、uqp，三相交流电压负序dq分量udn、uqn，三相交流电流正序dq分量idp、iqp，三相交流电流负序dq分量idn、iqn；其中，三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，满足如下关系式：
步骤1.5，利用三相交流电压和电流的正负序dq分量，以如下关系式计算有功功率和无功功率：
式中，Pcal为有功功率计算值，Qcal为无功功率计算值。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，采集电网正常运行下的三相调制波信号erefa、erefb、erefc，记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0；
步骤2.2，当三相电压瞬时值大于交流电压瞬变定值，则判定交流电网电压是否发生瞬变；否则，判定交流电网处于正常状态；
步骤2.3，当交流电网电压发生瞬变时，分别依据下列判据对交流电网状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值小于等于低电压定值时，则判定交流电网正序电压过低；
2)当交流电压正序幅值大于等于高电压定值时，则判定交流电网正序电压过高；
3)当三相电压有效值差值大于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡；
当交流电网正序电压过低或交流电网正序电压过高或交流电网电压不平衡，则判定交流电网处于故障状态；
步骤2.4，当交流电网处于故障状态时，同时依据下列判据对交流电网故障清除状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值大于低电压定值且小于高电压定值时，则判定交流电网正序电压故障已清除；
2)当三相电压有效值小于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡故障已清除；
3)当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除；
当交流电网正序电压故障已清除，并且交流电网电压不平衡故障已清除，并且交流电网电压非对称故障已经清除，则判定交流电网故障已清除。
优选地，步骤2.2中，将三相线电压瞬时值分别与20ms前的同名线电压瞬时值相减，当各相偏差绝对值中的最大值大于交流电压瞬变定值ΔU1时，则判定交流电网电压发生瞬变，否则判定交流电网电压正常；
其中，交流电压瞬变定值ΔU1取值范围为0.08pu～0.15pu；
优选地，步骤2.3包括：
步骤2.3.1，当交流电压正序幅值小于等于低电压定值ΔU2时，则判定交流电网正序电压过低，否则判定交流电网电压正常；
其中，低电压定值ΔU2取值范围为0.8pu～1.0pu；
步骤2.3.2，当交流电压正序幅值大于等于高电压定值ΔU3时，则判定交流电网正序电压过高，否则判定交流电网电压正常；
其中，高电压定值ΔU3取值范围为1.0pu～1.2pu；
步骤2.3.3，将任意两个线电压的有效值相减，差值的绝对值大于交流电压不平衡定值ΔU4时，则判定交流电网电压不平衡，否则判定交流电网电压正常；其中，交流电压不平衡定值ΔU4取值范围为0.08pu～0.15pu。
优选地，步骤2.4包括：
步骤2.4.1，交流电压正序幅值大于低电压定值ΔU2且小于高电压定值ΔU3，并且状态持续时间为T，则判定交流电网正序电压故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；
步骤2.4.2，将任意两个线电压的有效值相减，差值绝对值的最大值不超过交流电压不平衡给定值ΔU4且状态持续时间为T，则判定交流电网电压不平衡故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；
步骤2.4.3，基于步骤2.4.2的判定结果，当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除，满足如下关系式：
90°-x<∠In-∠Un<90°+x
式中，
∠In为负序电流的角度，
∠Un为负序电压的角度，
x为角度判据定值，取值范围为30°～60°。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，利用有功功率计算值Pcal和有功功率目标值Pref，对变流器进行有功功率外环控制；
步骤3.2，利用直流侧电压测量值Udc和直流侧电压目标值Udcref，对变流器进行直流侧电压外环控制；
步骤3.3，利用无功功率计算值Qcal和无功功率目标值Qref对变流器进行无功功率外环控制；
步骤3.4，交流电网正常状态下，以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流idpref的初始值、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref的初始值。
优选地，步骤3.1中，变流器有功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
PPI为PI控制器的输出信号，即有功功率控制值，
Pref为有功功率目标值，
Pcal为有功功率计算值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数；
s表示微分算子；
步骤3.2中，变流器直流侧电压外环控制，满足如下关系式：
式中，
UPI为PI控制器的输出信号，即直流电压控制值，
Udcref为直流侧电压目标值，
Udc为直流侧电压测量值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数；
步骤3.3中，变流器无功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
QPI为PI控制器的输出信号，即无功功率控制值，
Qref为无功功率目标值，
Qcal为无功功率计算值，
kp2为无功功率闭环控制的比例系数，
ki2为无功功率闭环控制的积分系数。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，设定从电网流向变流器的电流方向为正方向；
步骤4.2，交流电网正常状态下，若d轴正序指令电流初始值和q轴正序指令电流初始值均小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流iqpref、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制；
若d轴正序指令电流初始值或q轴正序指令电流初始值大于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以如下关系式计算dq轴正序指令电流idpref和iqpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制：
式中，σ为由有功外环控制的输出电流i′qpref和无功功率外环控制的输出电流i′qpref组成的合成矢量间的夹角，满足
步骤4.3，交流电网故障状态下，利用故障前的等效电动势与故障期间并网点电压，计算得到变流器的故障指令电流；其中，dq轴正序故障指令电流idpref0和iqpref0，dq轴负序故障指令电流idnref0和iqnref0满足如下关系式：
式中，
udp、uqp分别为故障期间并网点正序电压的dq轴分量，
udn、uqn分别为故障期间并网点负序电压的dq轴分量，
Lc为变流器等效电感，
erefdp0、erefqp0分别为电网三相调制波信号的正序dq轴分量，
erefdn0、erefqn0分别为电网三相调制波信号的负序dq轴分量；
其中，电网三相调制波信号是步骤2.1中记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0；
以计算所得的dq轴正序指令电流idpref和iqpref、dq轴负序指令电流idnref和iqnref，对变流器的电流进行闭环控制；
步骤4.4，根据步骤4.3得到的故障指令电流，保持故障指令电流的相位不变的前提下，以如下关系式计算故障指令电流等比例缩减第一系数Kref1：
当计算得到的Kref1大于1，则将Kref1设置为1；
以如下关系式计算故障指令电流等比例缩减第二系数Kref2：
Pflt＝udpidpref0+uqpiqpref0+udnidnref0+uqniqnref0
式中，Pnom为故障前变流器输出的有功功率；Pflt为故障过程中需要变流器输出的有功功率，α为小于1的实数；
取Kref1、Kref2中的最小值作为故障指令电流等比例缩减系数Kref，以如下关系式计算得到缩减后的故障指令电流：
等比例缩减后的故障指令电流能够满足小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax的要求。
优选地，步骤5包括：
步骤5.1，对步骤4得到的指令电流或故障指令电流做2r/3s变换，得到指令电流的正序abc分量iparef、ipbref、ipcref和负序abc分量inaref、inbref、incref；
步骤5.2，将直流量转化为交流量，即以如下关系式得到指令电流A、B、C三相的参考值irefa、irefb、irefc：
步骤5.3，以指令电流irefa、irefb、irefc，步骤1采集的变流器并网点的电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic作为输入信号，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压erefa、erefb、erefc，满足如下关系式：
式中：Ts为控制周期；kDB为无差拍系数，取值范围为0到1；
步骤5.4，利用指令电压erefa、erefb、erefc，以如下关系式计算三相占空比信号da、db、dc：
式中，udc为变流器直流侧电压测量值；
步骤5.5，对三相占空比信号进行调制，得到变流器内各电力电子器件的触发脉冲。
提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制系统，包括：功率采集模块，功率控制模块、电网状态辨识模块、变流器控制模块；
功率采集模块，用于采集变流器并网点的电压和电流；还用于对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值和无功功率计算值；
功率控制模块，用于以功率采集模块输出的有功功率计算值和无功功率计算值为输入数据，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，输出变流器内环控制的指令电流初始值；
电网状态辨识模块，用于根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除；
变流器控制模块，用于基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制；还用于基于指令电流、变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1.本发明公开的电压源变流器新型控制策略只改变电流指令的计算方式，不改变电流内环控制环节，策略简单，易于实现。
2.本发明公开的控制策略能在电网故障时变流器不过流的前提下，模拟同步发电机的电流序分量相角特性，可显著提升双高电力系统传统继电保护原理的动作性能。
3.本发明公开的方案是新能源和电力电子设备大规模接入保证电网安全运行的关键技术，是实现新能源为主体的电力系统及双碳目标的重要技术支撑。
附图说明
图1是本发明提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法的步骤框图；
图2是本发明一实施例中电流限幅及电流指令计算原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，包括步骤1至5，具体如下：
步骤1，采集变流器并网点的电压和电流；对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值Pcal和无功功率计算值Qcal。
具体地，步骤1包括：
步骤1.1，采集变流器并网点的三相交流电压ua、ub、uc，采集变流器并网点的三相交流电流ia、ib、ic；从三相交流电压和电流中，由锁相环提取三相正序电压的角频率ω和相位θ；
步骤1.2，对三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到三相交流电压的αβ分量uα、uβ，和三相交流电流的αβ分量iα、uβ；其中，三相交流电压和电流做3s/2s变换，满足关系式(1)和(2)：
步骤1.3，对三相交流电压和电流的αβ分量进行正负序分离，得到三相交流电压正序αβ分量uαp、uβp，三相交流电压负序αβ分量uαn、uβn，三相交流电流正序αβ分量iαp、iβp，三相交流电流负序αβ分量iαn、iβn；其中，三相交流电压和电流的αβ分量的正负序分离，满足关系式(3)和(4)：
式中，F表示电气量，即电压或电流信号；F′α、F′β分别为电气量αβ分量Fα、Fβ延迟1/4工频周期得到的电气量，
步骤1.4，对三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，得到三相交流电压正序dq分量udp、uqp，三相交流电压负序dq分量udn、uqn，三相交流电流正序dq分量idp、iqp，三相交流电流负序dq分量idn、iqn；其中，三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，满足关系式(5)和(6)：
步骤1.5，利用三相交流电压和电流的正负序dq分量，以关系式(7)计算有功功率和无功功率：
式中，Pcal为有功功率计算值，Qcal为无功功率计算值。
步骤2，根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除。
具体地，步骤2包括：
步骤2.1，采集电网正常运行下的三相调制波信号erefa、erefb、erefc，记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0。
步骤2.2，当三相电压瞬时值大于交流电压瞬变定值，则判定交流电网电压是否发生瞬变；否则，判定交流电网处于正常状态。
优选地，步骤2.2中，将三相线电压瞬时值分别与20ms前的同名线电压瞬时值相减，当各相偏差绝对值中的最大值大于交流电压瞬变定值ΔU1时，则判定交流电网电压发生瞬变，否则判定交流电网电压正常；
其中，交流电压瞬变定值ΔU1取值范围为0.08pu～0.15pu；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定交流电压瞬变定值ΔU1取0.12pu。
步骤2.3，当交流电网电压发生瞬变时，分别依据下列判据对交流电网状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值小于等于低电压定值时，则判定交流电网正序电压过低；
2)当交流电压正序幅值大于等于高电压定值时，则判定交流电网正序电压过高；
3)当三相电压有效值差值大于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡；
当交流电网正序电压过低或交流电网正序电压过高或交流电网电压不平衡，则判定交流电网处于故障状态。
优选地，步骤2.3包括：
步骤2.3.1，当交流电压正序幅值小于等于低电压定值ΔU2时，则判定交流电网正序电压过低，否则判定交流电网电压正常；
其中，低电压定值ΔU2取值范围为0.8pu～1.0pu；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定低电压定值ΔU2取0.9pu。
步骤2.3.2，当交流电压正序幅值大于等于高电压定值ΔU3时，则判定交流电网正序电压过高，否则判定交流电网电压正常；
其中，高电压定值ΔU3取值范围为1.0pu～1.2pu；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定高电压定值ΔU3取1.15pu。
步骤2.3.3，将任意两个线电压的有效值相减，差值的绝对值大于交流电压不平衡定值ΔU4时，则判定交流电网电压不平衡，否则判定交流电网电压正常；其中，交流电压不平衡定值ΔU4取值范围为0.08pu～0.15pu；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定交流电压不平衡定值ΔU4取0.1pu。
步骤2.4，当交流电网处于故障状态时，同时依据下列判据对交流电网故障清除状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值大于低电压定值且小于高电压定值时，则判定交流电网正序电压故障已清除；
2)当三相电压有效值小于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡故障已清除；
3)当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除；
当交流电网正序电压故障已清除，并且交流电网电压不平衡故障已清除，并且交流电网电压非对称故障已经清除，则判定交流电网故障已清除。
优选地，步骤2.4包括：
步骤2.4.1，交流电压正序幅值大于低电压定值ΔU2且小于高电压定值ΔU3，并且状态持续时间为T，则判定交流电网正序电压故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定状态持续时间T取20ms。
步骤2.4.2，将任意两个线电压的有效值相减，差值绝对值的最大值不超过交流电压不平衡给定值ΔU4且状态持续时间为T，则判定交流电网电压不平衡故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定状态持续时间T取20ms。
步骤2.4.3，基于步骤2.4.2的判定结果，当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除，满足关系式(8)：
90°-x<∠In-∠Un<90°+x…………(8)
式中，
∠In为负序电流的角度，
∠Un为负序电压的角度，
x为角度判据定值，取值范围为30°～60°；本发明优选实施例中，根据试验及现场运行经验确定角度判据定值x取45°。
步骤3，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，获取变流器内环控制的指令电流初始值。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，利用有功功率计算值Pcal和有功功率目标值Pref，对变流器进行有功功率外环控制；
优选地，步骤3.1中，变流器有功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
PPI为PI控制器的输出信号，即有功功率控制值，
Pref为有功功率目标值，
Pcal为有功功率计算值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数；
s表示微分算子。
步骤3.2，利用直流侧电压测量值Udc和直流侧电压目标值Udcref，对变流器进行直流侧电压外环控制；
步骤3.2中，变流器直流侧电压外环控制，满足如下关系式：
式中，
UPI为PI控制器的输出信号，即直流电压控制值，
Udcref为直流侧电压目标值，
Udc为直流侧电压测量值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数。
步骤3.3，利用无功功率计算值Qcal和无功功率目标值Qref对变流器进行无功功率外环控制。
步骤3.3中，变流器无功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
QPI为PI控制器的输出信号，即无功功率控制值，
Qref为无功功率目标值，
Qcal为无功功率计算值，
kp2为无功功率闭环控制的比例系数，
ki2为无功功率闭环控制的积分系数。
步骤3.4，交流电网正常状态下，以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流idpref的初始值、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref的初始值。
步骤4，基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制。
具体地，如图2，步骤4包括：
步骤4.1，设定从电网流向变流器的电流方向为正方向；
步骤4.2，交流电网正常状态下，若d轴正序指令电流初始值和q轴正序指令电流初始值均小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流idpref、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制；满足关系式(10)：
若d轴正序指令电流初始值或q轴正序指令电流初始值大于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以关系式(11)计算dq轴正序指令电流idpref和iqpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制：
式中，σ为由有功外环控制的输出电流i′dpref和无功功率外环控制的输出电流i′qpref组成的合成矢量间的夹角，满足
步骤4.3，交流电网故障状态下，利用故障前的等效电动势与故障期间并网点电压，计算得到变流器的故障指令电流；其中，dq轴正序故障指令电流idqref0和ipqref0，dq轴负序故障指令电流idnref0和iqnref0满足关系式(12)：
式中，
udp、uqp分别为故障期间并网点正序电压的dq轴分量，
udn、uqn分别为故障期间并网点负序电压的dq轴分量，
Lc为变流器等效电感，
erefdp0、erefqp0分别为电网三相调制波信号的正序dq轴分量，
erefdn0、erefqn0分别为电网三相调制波信号的负序dq轴分量；
其中，电网三相调制波信号是步骤2.1中记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0；
以计算所得的dq轴正序指令电流idpref和iqpref、dq轴负序指令电流idnref和iqnref，对变流器的电流进行闭环控制；
步骤4.4，根据步骤4.3得到的故障指令电流，保持故障指令电流的相位不变的前提下，以关系式(13)计算故障指令电流等比例缩减第一系数Kref1：
当计算得到的Kref1大于1，则将Kref1设置为1；
以关系式(14)计算故障指令电流等比例缩减第二系数Kref2：
并且故障过程中需要变流器输出的有功功率Pflt满足关系式(15)：
Pflt＝udpidpref0+udpidpref0+udnidnref0+uqniqnref0…………(15)
式中，Pnom为故障前变流器输出的有功功率；Pflt为故障过程中需要变流器输出的有功功率，α为小于1的实数；
取Kref1、Kref2中的最小值作为故障指令电流等比例缩减系数Kref，满足Kref＝min(Kref1,Kref2)，以关系式(16)计算得到缩减后的故障指令电流：
/>
等比例缩减后的故障指令电流能够满足小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax的要求。
步骤5，利用步骤4所得的指令电流、步骤1采集的变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
具体地，步骤5包括：
步骤5.1，对步骤4得到的指令电流或故障指令电流做2r/3s变换，得到指令电流的正序abc分量iparef、ipbref、ipcref和负序abc分量inaref、inbref、incref；
步骤5.2，将直流量转化为交流量，即以关系式(17)得到指令电流A、B、C三相的参考值irefa、irefb、irefc：
步骤5.3，以指令电流irefa、irefb、irefc，步骤1采集的变流器并网点的电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic作为输入信号，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压erefa、erefb、erefc，满足关系式(18)：
式中：Ts为控制周期；kDB为无差拍系数，取值范围为0到1；
步骤5.4，利用指令电压erefa、erefb、erefc，以关系式(19)计算三相占空比信号da、db、dc：
式中，udc为变流器直流侧电压测量值；
步骤5.5，对三相占空比信号进行调制，得到变流器内各电力电子器件的触发脉冲。
提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制系统，包括：功率采集模块，功率控制模块、电网状态辨识模块、变流器控制模块；
功率采集模块，用于采集变流器并网点的电压和电流；还用于对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值和无功功率计算值；
功率控制模块，用于以功率采集模块输出的有功功率计算值和无功功率计算值为输入数据，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，输出变流器内环控制的指令电流初始值；
电网状态辨识模块，用于根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除；
变流器控制模块，用于基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制；还用于基于指令电流、变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，采集变流器并网点的电压和电流；对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值和无功功率计算值；
步骤2，根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除；
步骤3，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，获取变流器内环控制的指令电流初始值；
步骤4，基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制；
步骤4包括：步骤4.1，设定从电网流向变流器的电流方向为正方向；步骤4.2，交流电网正常状态下，若d轴正序指令电流初始值和q轴正序指令电流初始值均小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流idpref、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制；若d轴正序指令电流初始值或q轴正序指令电流初始值大于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax，则以如下关系式计算dq轴正序指令电流idpref和idpref，并将dq轴负序指令电流idnref和iqnref均置为零，对变流器的电流进行闭环控制：
式中，σ为由有功外环控制的输出电流i′dpref和无功功率外环控制的输出电流i′qpref组成的合成矢量间的夹角，满足
步骤4.3，交流电网故障状态下，利用故障前的等效电动势与故障期间并网点电压，计算得到变流器的故障指令电流；其中，dq轴正序故障指令电流idpref0和iqpref0，dq轴负序故障指令电流idnref0和iqnref0满足如下关系式：
式中，udp、uqp分别为故障期间并网点正序电压的dq轴分量，udn、uqn分别为故障期间并网点负序电压的dq轴分量，Lc为变流器等效电感，erefbp0、erefqp0分别为电网三相调制波信号的正序dq轴分量，erefdn0、erefqn0分别为电网三相调制波信号的负序dq轴分量；
其中，电网三相调制波信号是记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0；以计算所得的dq轴正序指令电流idpref和iqpref、dq轴负序指令电流idnref和iqnref，对变流器的电流进行闭环控制；
步骤4.4，根据步骤4.3得到的故障指令电流，保持故障指令电流的相位不变的前提下，以如下关系式计算故障指令电流等比例缩减第一系数Kref1：
当计算得到的Kref1大于1，则将Kref1设置为1；
以如下关系式计算故障指令电流等比例缩减第二系数Kref2：
Pflt＝udpidpref0+uqpiqpref0+udnidnref0+uqniqnref0
式中，Pnom为故障前变流器输出的有功功率；Pflt为故障过程中需要变流器输出的有功功率，α为小于1的实数；
取Kref1、Kref2中的最小值作为故障指令电流等比例缩减系数Kref，以如下关系式计算得到缩减后的故障指令电流：
等比例缩减后的故障指令电流能够满足小于变流器内电力电子器件允许通过的最大电流Imax的要求；
步骤5，利用步骤4所得的指令电流、步骤1采集的变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
2.根据权利要求1所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤1包括：
步骤1.1，采集变流器并网点的三相交流电压ua、ub、uc，采集变流器并网点的三相交流电流ia、ib、ic；从三相交流电压和电流中，由锁相环提取三相正序电压的角频率ω和相位θ；
步骤1.2，对三相交流电压和电流做3s/2s变换，得到三相交流电压的αβ分量uα、uβ，和三相交流电流的αβ分量iα、iβ；其中，三相交流电压和电流做3s/2s变换，满足如下关系式：
步骤1.3，对三相交流电压和电流的αβ分量进行正负序分离，得到三相交流电压正序αβ分量uαp、uβp，三相交流电压负序αβ分量uαn、uβn，三相交流电流正序αβ分量iαp、iβp，三相交流电流负序αβ分量iαn、iβn；其中，三相交流电压和电流的αβ分量的正负序分离，满足如下关系式：
式中，F表示电气量，即电压或电流信号；F′α、F′β分别为电气量αβ分量Fα、Fβ延迟1/4工频周期得到的电气量，
步骤1.4，对三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，得到三相交流电压正序dq分量udp、uqp，三相交流电压负序dq分量udn、uqn，三相交流电流正序dq分量idp、iqp，三相交流电流负序dq分量idn、iqn；其中，三相交流电压和电流的正负序αβ分量做正负序2s/2r变换，满足如下关系式：
步骤1.5，利用三相交流电压和电流的正负序dq分量，以如下关系式计算有功功率和无功功率：
式中，Pcal为有功功率计算值，Qcal为无功功率计算值。
3.根据权利要求2所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤2包括：
步骤2.1，采集电网正常运行下的三相调制波信号erefa、erefb、erefc，记录并保存当前采样时刻的前一个整周期的三相调制波信号erefa0、erefb0、erefc0；
步骤2.2，当三相电压瞬时值大于交流电压瞬变定值，则判定交流电网电压是否发生瞬变；否则，判定交流电网处于正常状态；
步骤2.3，当交流电网电压发生瞬变时，分别依据下列判据对交流电网状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值小于等于低电压定值时，则判定交流电网正序电压过低；
2)当交流电压正序幅值大于等于高电压定值时，则判定交流电网正序电压过高；
3)当三相电压有效值差值大于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡；
当交流电网正序电压过低或交流电网正序电压过高或交流电网电压不平衡，则判定交流电网处于故障状态；
步骤2.4，当交流电网处于故障状态时，同时依据下列判据对交流电网故障清除状态进行检测：
1)当交流电压正序幅值大于低电压定值且小于高电压定值时，则判定交流电网正序电压故障已清除；
2)当三相电压有效值小于交流电压不平衡定值时，则判定交流电网电压不平衡故障已清除；
3)当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除；
当交流电网正序电压故障已清除，并且交流电网电压不平衡故障已清除，并且交流电网电压非对称故障已经清除，则判定交流电网故障已清除。
4.根据权利要求3所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤2.2中，将三相线电压瞬时值分别与20ms前的同名线电压瞬时值相减，当各相偏差绝对值中的最大值大于交流电压瞬变定值ΔU1时，则判定交流电网电压发生瞬变，否则判定交流电网电压正常；
其中，交流电压瞬变定值ΔU1取值范围为0.08pu～0.15pu；
步骤2.3包括：
步骤2.3.1，当交流电压正序幅值小于等于低电压定值ΔU2时，则判定交流电网正序电压过低，否则判定交流电网电压正常；
其中，低电压定值ΔU2取值范围为0.8pu～1.0pu；
步骤2.3.2，当交流电压正序幅值大于等于高电压定值ΔU3时，则判定交流电网正序电压过高，否则判定交流电网电压正常；
其中，高电压定值ΔU3取值范围为1.0pu～1.2pu；
步骤2.3.3，将任意两个线电压的有效值相减，差值的绝对值大于交流电压不平衡定值ΔU4时，则判定交流电网电压不平衡，否则判定交流电网电压正常；其中，交流电压不平衡定值ΔU4取值范围为0.08pu～0.15pu。
5.根据权利要求4所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤2.4包括：
步骤2.4.1，交流电压正序幅值大于低电压定值ΔU2且小于高电压定值ΔU3，并且状态持续时间为T，则判定交流电网正序电压故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；
步骤2.4.2，将任意两个线电压的有效值相减，差值绝对值的最大值不超过交流电压不平衡给定值ΔU4且状态持续时间为T，则判定交流电网电压不平衡故障已经清除，否则判定交流电网正序电压故障未清除；其中，状态持续时间T取值范围为10ms～30ms；
步骤2.4.3，基于步骤2.4.2的判定结果，当故障清除前后负序电压和负序电流的角度差在角度差定值范围内时，则判定交流电网电压非对称故障已经清除，满足如下关系式：
90°-x<∠In-∠Un<90°+x
式中，
∠In为负序电流的角度，
∠Un为负序电压的角度，
x为角度判据定值，取值范围为30°～60°。
6.根据权利要求2所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤3包括：
步骤3.1，利用有功功率计算值Pcal和有功功率目标值Pref，对变流器进行有功功率外环控制；
步骤3.2，利用直流侧电压测量值Udc和直流侧电压目标值Udcref，对变流器进行直流侧电压外环控制；
步骤3.3，利用无功功率计算值Qcal和无功功率目标值Qref对变流器进行无功功率外环控制；
步骤3.4，交流电网正常状态下，以有功外环控制的输出电流i′dpref作为d轴正序指令电流idpref的初始值、以无功功率外环控制的输出电流i′qpref作为q轴正序指令电流iqpref的初始值。
7.根据权利要求6所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤3.1中，变流器有功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
PPI为PI控制器的输出信号，即有功功率控制值，
Pref为有功功率目标值，
Pcal为有功功率计算值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数；
s表示微分算子；
步骤3.2中，变流器直流侧电压外环控制，满足如下关系式：
式中，
UPI为PI控制器的输出信号，即直流电压控制值，
Udcref为直流侧电压目标值，
Udc为直流侧电压测量值，
kp1为有功功率闭环控制的比例系数，
ki1为有功功率闭环控制的积分系数；
步骤3.3中，变流器无功功率外环控制，满足如下关系式：
式中，
QPI为PI控制器的输出信号，即无功功率控制值，
Qref为无功功率目标值，
Qcal为无功功率计算值，
kp2为无功功率闭环控制的比例系数，
ki2为无功功率闭环控制的积分系数。
8.根据权利要求1所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法，其特征在于，
步骤5包括：
步骤5.1，对步骤4得到的指令电流或故障指令电流做2r/3s变换，得到指令电流的正序abc分量iparef、ipbref、ipcref和负序abc分量inaref、inbref、incref；
步骤5.2，将直流量转化为交流量，即以如下关系式得到指令电流A、B、C三相的参考值irefa、irefb、irefc：
步骤5.3，以指令电流irefa、irefb、irefc，步骤1采集的变流器并网点的电压ua、ub、uc和电流ia、ib、ic作为输入信号，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压erefa、erefb、erefc，满足如下关系式：
式中：Ts为控制周期；kDB为无差拍系数，取值范围为0到1；
步骤5.4，利用指令电压erefa、erefb、erefc，以如下关系式计算三相占空比信号da、db、dc：
式中，udc为变流器直流侧电压测量值；
步骤5.5，对三相占空比信号进行调制，得到变流器内各电力电子器件的触发脉冲。
9.利用权利要求1至8任一项所述的提升电力系统传统保护动作性能的变流器控制方法而实现的变流器控制系统，其特征在于，
所述系统包括：功率采集模块，功率控制模块、电网状态辨识模块、变流器控制模块；
功率采集模块，用于采集变流器并网点的电压和电流；还用于对电压和电流进行正负序分离和坐标变换，以获得电压和电流的正序dq轴分量和负序dq轴分量；利用正、负序dq轴分量得到有功功率计算值和无功功率计算值；
功率控制模块，用于以功率采集模块输出的有功功率计算值和无功功率计算值为输入数据，基于变流器的有功参量外环控制和无功参量外环控制，输出变流器内环控制的指令电流初始值；
电网状态辨识模块，用于根据变流器并网点的电压和电流，判断交流电网是故障状态还是正常状态；当判断为故障状态时，还需要判断故障是否已经清除；
变流器控制模块，用于基于指令电流初始值，分别计算交流电网故障状态或正常状态下变流器的指令电流，对变流器的电流进行闭环控制；还用于基于指令电流、变流器并网点的电压和电流，基于无差拍控制，得到变流器的指令电压；对指令电压进行调制，得到交流电网故障状态或正常状态下的变流器控制脉冲。
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