CN114221347A - 提高动态防雷系统响应速度的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种提高动态防雷系统响应速度的方法及系统，方法包括以下步骤：S1，建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括通过并联变压器并入交流电网的并联换流器和通过串联变压器接入交流电网的串联换流器；S2，在S1的模块化多电平统一潮流控制器电路模型基础上，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型；S3，在S2的并联换流器d/q轴电流控制模型基础上，计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数；S4，以S3的并联换流器d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，获得电流环截止频率表达式；S5，以S4获得的电流环截止频率表达式，结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。

Description

提高动态防雷系统响应速度的方法及系统
技术领域
本发明属于雷电防护技术领域，更具体地，涉及一种提高动态防雷系统响应速度的方法及系统。
背景技术
在电网运行中，自然天气的影响作用非常大。恶劣的自然天气如雷电冰雹，严重威胁着电网设备的正常运行，往往容易引起较严重的电网事故，导致电网的运行方式受到极大挑战，严重时易造成长时间的负荷失电，甚至是大电网的解列。在我国沿海地区省份，雷雨季节比较长，雷击影响尤为常见且显著，防雷技术的研究至关重要。
雷电对电网安全运行影响频繁，电网雷击问题一直备受关注。据国家电网公司2010—2015年的统计结果，雷击跳闸占330kV及以上交流输电线路跳闸总数的39.4%~50.8%，雷击重启占±500kV及以上直流输电线路故障重启总数的43.5%~64.3%。由此可见，雷击仍是输电线路跳闸/故障重启的首要因素。
传统防雷方法，采用一定的防护设施来提高设备自身对雷电的抗击能力，比如增强绝缘或者加装避雷器，如架空避雷线、避雷针、避雷器、防浪涌设备等。中国专利CN106410792B和CN107453352A提出了一种雷电动态防护方法和系统，主要方法分为三步：1、优化电网运行方式，改变电网潮流路径，避免电网潮流通过受雷电威胁较重的区域；2、合理的调节电网潮流，使受雷电威胁区域内输电路径上的潮流尽量减小，增加安全区域内输电路径上的潮流；3、动态控制电源以控制电网潮流输出，增加安全区域内的电源出力；
该动态防雷方法主要依赖于电网的潮流控制，如图1所示，潮流的自动控制通过统一潮流控制装置实现。对于一个控制装置系统，系统的控制响应速度决定着动态调节的输出效果，如果防雷系统对潮流控制的响应速度跟不上，系统在防雷的效果上将大打折扣。
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，提供一种提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法。
本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法，包括以下步骤：
S1，建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括通过并联变压器并入交流电网的并联换流器和通过串联变压器接入交流电网的串联换流器；
S2，在S1的模块化多电平统一潮流控制器电路模型基础上，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型；
S3，在S2的并联换流器d/q轴电流控制模型基础上，计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数；
S4，以S3的并联换流器d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，获得电流环截止频率表达式；
S5，以S4获得的电流环截止频率表达式，结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
优选地，S1中，并联换流器和串联换流器均包括：三个相单元；每个相单元包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括多个子模块和桥臂电抗器；每个子模块包括两个IGBT和电容。
优选地，S2具体包括：
S2.1，建立并联换流器单相上桥臂和下桥臂开关周期平均模型；
S2.2，建立并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型；
S2.3，基于派克变换，以并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型得到并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型；
S2.4，在三相交流电网电压对称平衡的情况下，将并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型中电气量用包含小信号的表达式改写，得到并联换流器dq旋转坐标系小信号模型；
S2.5，将反应耦合分量的调整量加入至d/q占空比分量，进行解耦，建立并联换流器的d/q轴电流控制模型。
优选地，S3具体包括：
S3.1，并联换流器的d/q轴电流控制模型具有相同参数和结构，选择d轴电流控制模型执行后续计算；
S3.2，在等效模型中加入一阶环节模拟实际系统中测量、运算等环节的延时，获得并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型；
S3.3，以并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型计算并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数
Figure 406885DEST_PATH_IMAGE001
，以如下公式表示，
Figure 676192DEST_PATH_IMAGE002
式中：
s表示拉氏变换复变量，
Figure 55221DEST_PATH_IMAGE003
表示控制器的采样控制周期，
Figure 246031DEST_PATH_IMAGE004
表示单桥臂子模块的个数，
Figure 735918DEST_PATH_IMAGE005
表示单桥臂子模块的电容电压，
Figure 328573DEST_PATH_IMAGE006
表示桥臂电抗器的等效电感，
Figure 878503DEST_PATH_IMAGE007
表示桥臂电抗器的等效电阻，
Figure 556609DEST_PATH_IMAGE009
表示校正器的传递函数，
S3.4，设计校正器，修正并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数。
优选地，S3.4中，将校正器设计为比例积分控制器，以如下公式表示，
Figure 115767DEST_PATH_IMAGE010
式中：
s表示拉氏变换复变量，
Figure 64393DEST_PATH_IMAGE011
表示增益，
Figure 519646DEST_PATH_IMAGE012
表示控制频率。
优选地，S3.4中，将校正器设计为比例积分控制器修正开环传递函数
Figure 950627DEST_PATH_IMAGE001
，以如下公式表示，
Figure 782317DEST_PATH_IMAGE013
式中：
Figure 349564DEST_PATH_IMAGE012
表示控制频率。
优选地，S4中，以并联换流器的d/q轴电流控制系统等效开环传递函数，得到电流环截止频率表达式，以如下公式表示，
Figure 975718DEST_PATH_IMAGE014
式中：
Figure 893995DEST_PATH_IMAGE015
表示截止频率。
优选地，S5中，约束条件为EMI限制和开关器件允许结温。
优选地，S5中，使用实验测量数据和/或曲线拟合方法获得约束条件关于开关频率的曲线，获得进行开关频率的最优化求解。
本发明的第二方面提供了一种提高动态防雷系统电流控制环响应速度的系统，使用所述的提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法，包括：MMC-UPFC电路模型模块，
建模模块，用于建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括并联换流器和串联换流器，并联换流器通过并联变压器并入交流电网，串联换流器通过串联变压器接入交流电网；
分析模块，用于调用建模模块的模块化多电平统一潮流控制器电路模型，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型，进而计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，并获得电流环截止频率表达式；
求解模块，用于结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明根据动态防雷系统具体的控制方法，提出一种提高该系统中统一潮流控制器电流控制环带宽的方法及系统，基于控制理论可知，控制环的带宽决定系统的响应速度，从而提升动态防雷系统的控制响应速度和防雷效果。
附图说明
图1为动态防雷系统的潮流控制框图；
图2为本发明中模块化多电平统一潮流控制器的结构示意图；
图3为本发明中并联侧的d轴电流控制模型；
图4为本发明提供的提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法流程图；
图5为航空领域的EMI标准DO160频谱图；
图6为不同开关频率下控制器开关器件的结温图；
图7为不同开关频率下控制器开关器件的EMI与结温曲线叠加图。
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4所示，本发明提供了一种提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法，包括以下步骤：
S1，建立MMC-UPFC电路模型，如图2所示，包括并联换流器和串联换流器，并联换流器通过并联变压器并入交流电网，串联换流器通过串联变压器接入交流电网；并联换流器和串联换流器均包括：三个相单元；每个相单元包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括多个子模块和桥臂电抗器；每个子模块包括两个IGBT和电容。
S2，在S1的MMC-UPFC电路模型的基础上，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型。
在本发明进一步优选的实施方式中，S2具体包括：
S2.1，基于基尔霍夫电流定律和电压定律建立并联换流器单相上桥臂和下桥臂开关周期平均模型；
S2.2，建立并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型；
S2.3，基于派克变换，以并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型得到并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型；
S2.4，在三相交流电网电压对称平衡的情况下，将并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型中电气量用包含小信号的表达式改写，得到并联换流器dq旋转坐标系小信号模型；
S2.5，将反应耦合分量的调整量加入至d/q占空比分量，进行解耦，建立并联换流器的d/q轴电流控制模型。
S3，在并联换流器的d/q轴电流控制模型基础上，计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数。
在本发明进一步优选的实施方式中，S3具体包括：
S3.1，并联换流器的d/q轴电流控制模型具有相同参数和结构，具体以d轴电流控制模型为例；
S3.2，在等效模型中加入一阶环节模拟实际系统中测量、运算等环节的延时，获得并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型，如图3所示；
S3.3，以并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型计算并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数，以如下公式表示，
Figure 529376DEST_PATH_IMAGE002
式中：
s表示拉氏变换复变量，
Figure 685551DEST_PATH_IMAGE003
表示控制器的采样控制周期，一个优选但非限制性的实施方式为，有条件最高可取到半导体器件的开关周期，
Figure 13764DEST_PATH_IMAGE004
表示单桥臂子模块的个数，
Figure 888179DEST_PATH_IMAGE005
表示单桥臂子模块的电容电压，
Figure 327250DEST_PATH_IMAGE006
表示桥臂电抗器的等效电感，
Figure 370555DEST_PATH_IMAGE007
表示桥臂电抗器的等效电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示校正器的传递函数，
s表示拉氏变换中的复变量；
S3.4，设计校正器，修正并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数。
在本发明进一步优选的实施方式中，将校正器设计为比例积分控制器，使比例积分控制器对控制频率有一定的跟随校正效果，在采样控制周期改变时也能获得很好的控制性能，以如下公式表示，
Figure 869670DEST_PATH_IMAGE010
s表示拉氏变换复变量，
Figure 496960DEST_PATH_IMAGE012
表示控制频率，
修正开环传递函数，以如下公式表示，
Figure 474143DEST_PATH_IMAGE013
S4，以并联换流器的d/q轴电流控制系统等效开环传递函数，得到电流环截止频率表达式，以如下公式表示，
Figure 870490DEST_PATH_IMAGE014
式中：
Figure 274926DEST_PATH_IMAGE015
表示截止频率。
值得注意的是，根据截止频率表达式中的截止频率与控制频率之间的关系，结合IGBT的开关损耗，设置特定的控制频率控制MMC-UPFC，从而改变电网潮流路径，避免电网潮流通过受雷电威胁较重的区域。
本发明进一步优选的实施方式为，可以根据需要的相位、相角裕度调节k值。当k值取定时，截止频率由控制频率
Figure 123933DEST_PATH_IMAGE012
决定，因此控制频率将大大影响到并联电流控制系统的带宽。同理，q轴电流的控制效果也是一样的。
所以，在IGBT的开关损耗可承受范围内，提高控制频率，将提高电流环截止频率，从而提高带宽，获得更快的串联侧电流的控制响应，对雷电状态下潮流的控制响应速度起到了改善的作用，能够增强系统的防雷效果。因此继续执行以下步骤。
S5，防雷系统控制环响应速度的最优化求解。控制系统开关频率的提高会受到一系列的限制，比如系统的EMI（Electro-Magnetic Interference，电磁干扰）会变的更加恶劣；开关损耗的进一步提高导致开关器件的结温上升，通流能力下降，影响硬件的可靠性；控制系统的效率也将受到影响等等。
因此，以S4获得的电流环截止频率表达式，结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
在本发明进一步优选的实施方式中，这里以EMI和器件允许结温两个指标为例，作开关频率的限制域，值得注意的是，当考虑的指标更多时，也可以采用更多方法来进行开关频率的最优分析。
图5示出了航空领域的EMI标准DO160频率与EMI之间的关系，图中明显给出了不同频率下EMI电流的限制，对于一套合格的控制系统，应该满足EMI电流的限制要求。动态防雷控制系统也是一样，区别在于采用的标准不一样（由实际情况决定）。控制系统采用的频率应保证EMI电流值不超过标准的限制。
图6示出了不同开关频率下，控制器开关器件的结温图，该曲线可以进行试验测量不同工况的结温再进行曲线拟合得到。类似的，为了保证器件的正常使用，控制器所采用的开关频率应保证器件结温应满足在允许值以下，例如但不限于，详情可参考器件手册或联系厂家。
综上，以上两条曲线将限制开关频率的选值，曲线叠加如图7所示，值得注意的是开关频率的限制往往并非这两个条件，但是也可以采用类似方法去综合选择开关频率的最优解。求解中可以充分利用好实验测量数据和/或曲线拟合方法。
以英飞凌IJW120R100T1型碳化硅JFET为例，厂商给出器件结温150℃时，器件的导通电流不能超过10A。这里根据厂商给出的结温-电流曲线T(I)=y2(I)，结合上述结温-开关频率曲线T(f)=y1(f)，可以求出电流-开关频率的限制曲线I=y3(f)，再进行开关频率的最优化求解。
本发明的又一实施例提供了一种提高动态防雷系统电流控制环响应速度的系统，使用所述的提高动态防雷系统电流控制环响应速度的方法，包括：MMC-UPFC电路模型模块；建模模块，用于建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括并联换流器和串联换流器，并联换流器通过并联变压器并入交流电网，串联换流器通过串联变压器接入交流电网；分析模块，用于调用建模模块的模块化多电平统一潮流控制器电路模型，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型，进而计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，并获得电流环截止频率表达式；求解模块，用于结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
名词解释：
UPFC：Unified Power Flow Controller，统一潮流控制器；
MMC：Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器；
MMC-UPFC：Modular Multilevel Converter-Based Unified Power FlowController，模块化多电平统一潮流控制器。
IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管；
VSC：Voltage Source Converter，电压源型变换器；
EMI：Electro-Magnetic Interference，电磁干扰。
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 (10)

1.一种提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括通过并联变压器并入交流电网的并联换流器和通过串联变压器接入交流电网的串联换流器；
S2，在S1的模块化多电平统一潮流控制器电路模型基础上，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型；
S3，在S2的并联换流器d/q轴电流控制模型基础上，计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数；
S4，以S3的并联换流器d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，获得电流环截止频率表达式；
S5，以S4获得的电流环截止频率表达式，结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
2.如权利要求1所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S1中，并联换流器和串联换流器均包括：三个相单元；每个相单元包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括多个子模块和桥臂电抗器；每个子模块包括两个IGBT和电容。
3.如权利要求2所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S2具体包括：
S2.1，建立并联换流器单相上桥臂和下桥臂开关周期平均模型；
S2.2，建立并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型；
S2.3，基于派克变换，以并联换流器三相静止坐标系开关周期平均模型得到并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型；
S2.4，在三相交流电网电压对称平衡的情况下，将并联换流器dq旋转坐标系开关周期平均模型中电气量用包含小信号的表达式改写，得到并联换流器dq旋转坐标系小信号模型；
S2.5，将反应耦合分量的调整量加入至d/q占空比分量，进行解耦，建立并联换流器的d/q轴电流控制模型。
4.如权利要求3所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S3具体包括：
S3.1，并联换流器的d/q轴电流控制模型具有相同参数和结构，选择d轴电流控制模型执行后续计算；
S3.2，在等效模型中加入一阶环节模拟实际系统中测量、运算等环节的延时，获得并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型；
S3.3，以并联换流器d轴电流控制系统最终等效模型计算并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，以如下公式表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示拉氏变换复变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示控制器的采样控制周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示单桥臂子模块的个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示单桥臂子模块的电容电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示桥臂电抗器的等效电感，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示桥臂电抗器的等效电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示校正器的传递函数，
S3.4，设计校正器，修正并联换流器d轴电流控制系统等效开环传递函数。
5.如权利要求4所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S3.4中，将校正器设计为比例积分控制器，以如下公式表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式中：
Figure 171398DEST_PATH_IMAGE003
表示拉氏变换复变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示控制频率。
6.如权利要求5所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S3.4中，将校正器设计为比例积分控制器修正开环传递函数
Figure 150856DEST_PATH_IMAGE001
，以如下公式表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
式中：
Figure 780462DEST_PATH_IMAGE012
表示控制频率。
7.如权利要求6所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S4中，以并联换流器的d/q轴电流控制系统等效开环传递函数，得到电流环截止频率表达式，以如下公式表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示截止频率。
8.如权利要求1至7中任一项所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S5中，约束条件为EMI限制和开关器件允许结温。
9.如权利要求1至7中任一项所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，其特征在于：
S5中，使用实验测量数据和/或曲线拟合方法获得约束条件关于开关频率的曲线，获得进行开关频率的最优化求解。
10.一种提高动态防雷系统响应速度的系统，使用如权利要求1-9所述的提高动态防雷系统响应速度的方法，包括：模块化多电平统一潮流控制器电路模型模块，其特征在于：
建模模块，用于建立模块化多电平统一潮流控制器电路模型，包括并联换流器和串联换流器，并联换流器通过并联变压器并入交流电网，串联换流器通过串联变压器接入交流电网；
分析模块，用于调用建模模块的MMC-UPFC电路模型，构建并联换流器的电流传递函数，获得并联换流器的d/q轴电流控制模型，进而计算获得并联换流器的d/q轴电流控制模型的等效开环传递函数，并获得电流环截止频率表达式；
求解模块，用于结合约束条件，进行防雷系统控制环响应速度的最优化求解。
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