CN115333116A - 一种m3c变频器工频侧故障穿越的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，包括如下步骤：1)、实时采集工频电网电压，判断正序分量是否小于0.9p.u.；2)、在工频电网发生故障时，实时采集M3C变频器分频侧和工频侧功率，根据分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为接在M3C变频器分频侧卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲；3)、在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换至分频侧；4)、故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换回工频侧。该发明可以实现M3C变频器在工频侧故障时的可靠穿越，不需要和分频侧风/光等变流器机组进行通讯，也不需要改变工频侧和分频侧控制结构，同时可以在故障穿越期间保证M3C各子换流器、子换流器各桥臂之间子模块电压的均衡。

Description

一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法
技术领域
本发明涉及大容量电力电子装置和控制策略技术领域，具体涉及一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法。
背景技术
1分频输电通过降低输电频率来减小输电系统电抗、减小长距离输电线路分布电容造成的充电电流、提高输电容量和输电距离，达到减少输电线路的回路数和线路走廊的目的。
2.M3C变频器又称为模块化多电平矩阵式变换器，是一种新型的交-交功率变换装置，可以实现输入输出端不同的幅值、频率、功率因数的转换，兼具传统型矩阵变换器(MC)及模块化多电平变换器(MMC)二者的优点，应用于分频输电系统并入工频电网的场景，具有极大的技术优势和发展潜力。通常情况下，分频输电系统中分频侧为风电、光伏等新能源场站，M3C变频器分频侧做电压源运行，工频侧并网运行，因此，工频故障穿越是电网对M3C变频器的硬性要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，旨在实现可靠穿越的同时，不需要和分频侧风/光等变流器机组进行通讯，也不需要改变工频侧和分频侧控制结构，同时可以在故障穿越期间保证M3C各子换流器、子换流器各桥臂之间子模块电压的均衡。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，包括如下步骤：
1)、实时采集工频电网电压，判断正序分量是否小于0.9p.u.；
2)、在工频电网发生故障时，实时采集M3C变频器分频侧和工频侧功率，根据分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为接在M3C变频器分频侧卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲；
3)、在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换至分频侧；
4)、故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换回工频侧。
作为优选的，所述步骤三中M3C变频器垂直均压控制，由桥臂电流工频侧正序d轴α分量和d轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴零序分量和q轴零序分量。
作为优选的，所述步骤一中M3C变频器对角均压控制，由桥臂电流工频侧负序d轴α分量、d轴β分量、q轴α分量、q轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴α分量、q轴α分量、d轴β分量、q轴β分量。
作为优选的，所述步骤三中所述分频侧可控卸荷装置，包括但不限于直接通过三相模块化多电平变换器接电阻的结构、先经过不控整流后在直流侧通过模块化多电平变换器接电阻的结构等。
作为优选的，所述步骤一中M3C变频器工频侧并入交流电网，通过锁相环获取工频电网电压正序分量相位，将9个桥臂电流分为iua/iva/iwa、iub/ivb/iwb、iuc/ivc/iwc三组，以电网电压正序分量相位为矢量角度，分别对三组电流做矢量变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000021
Figure BDA0003740191680000022
Figure BDA0003740191680000031
作为优选的，所述矢量变换计算过程中会分别对iad/ibd/icd、iaq/ibq/icq做αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000032
Figure BDA0003740191680000033
对每个桥臂的子模块电压做双αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000034
作为优选的，所述步骤一中M3C变频器分频侧并入交流电网，将9个桥臂电流分为iua/iub/iuc、iva/ivb/ivc、iwa/iwb/iwc三组，以分频侧相位为矢量角度，进行矢量变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000041
Figure BDA0003740191680000042
Figure BDA0003740191680000043
作为优选的，所述分频侧相位继续分别对iud/ivd/iwd、iuq/ivq/iwq做αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000044
Figure BDA0003740191680000045
在上述技术方案中，本发明提供的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，具备以下有益效果：在实现可靠穿越的同时，不需要和分频侧风/光等变流器机组进行通讯，也不需要改变工频侧和分频侧控制结构，同时可以在故障穿越期间保证M3C各子换流器、子换流器各桥臂之间子模块电压的均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为系统结构示意图；
图2为M3C变频器电路原理图；
图3为卸荷部分两种(包括但不限于)常见的原理图；
图4为卸荷部分控制结构示意图；
图5为M3C变频器工频侧故障穿越流程图；
图6为工频侧控制结构图；
图7为分频侧控制结构图；
图8(a)为在工频侧实现的垂直均压控制结构图；
图8(b)为在分频侧实现的垂直均压控制结构图；
图9为水平均压控制结构图；
图10(a)为在工频侧实现的对角均压控制结构图；
图10(b)为在分频侧实现的对角均压控制结构图；
图11为工频故障穿越期间垂直均压控制切换结构图；
图12为工频故障穿越期间对角均压控制切换结构图；
图13为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时的工频变压器变频器侧电压仿真波形；
图14为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时工频q轴电流给定和反馈的仿真波形；
图15为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时桥臂子模块电压的仿真波形；
图16为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时M3C工频侧电流的仿真波形；
图17为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时M3C分频侧电压的仿真波形；
图18为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时M3C分频侧电流的仿真波形；
图19为2-3s期间M3C变频器工频侧变压器网侧电压跌至零时M3C桥臂电流的仿真波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-19所示，一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，包括如下步骤：
1)、实时采集工频电网电压，判断正序分量是否小于0.9p.u.；
2)、在工频电网发生故障时，实时采集M3C变频器分频侧和工频侧功率，根据分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为接在M3C变频器分频侧卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲；
3)、在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换至分频侧；
4)、故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换回工频侧。
具体的，当工频电网故障时，M3C变频器工频侧保持子模块平均电压稳定控制，工频侧无功功率外环切除、输出并网标准要求的无功电流，分频侧保持交流电压控制；使能卸荷装置脉冲，根据分频侧和工频侧功率之差控制卸荷装置的调制信号；当工频电网电压正序分量低于0.5p.u.时通过软切环节将M3C变频器垂直均压和对角均压环节由工频侧切换至分频侧，在实现工频故障穿越的同时保证M3C各子换流器、子换流器各桥臂的子模块电压保持均衡；工频电网故障恢复后，封锁卸荷装置脉冲，通过软切环节将M3C变频器垂直均压和对角均压环节由分频侧切换回工频侧，恢复工频无功功率环。
上述技术方案中，在实现可靠穿越的同时，不需要和分频侧风/光等变流器机组进行通讯，也不需要改变工频侧和分频侧控制结构，同时可以在故障穿越期间保证M3C各子换流器、子换流器各桥臂之间子模块电压的均衡。
作为本发明进一步提供的一个实施例中，步骤三中M3C变频器垂直均压控制，由桥臂电流工频侧正序d轴α分量和d轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴零序分量和q轴零序分量。
进一步的，上述实施例中的步骤三中M3C变频器对角均压控制，由桥臂电流工频侧负序d轴α分量、d轴β分量、q轴α分量、q轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴α分量、q轴α分量、d轴β分量、q轴β分量。
更为进一步的，上述实施例中的步骤三中分频侧可控卸荷装置，包括但不限于直接通过三相模块化多电平变换器接电阻的结构、先经过不控整流后在直流侧通过模块化多电平变换器接电阻的结构。
作为本发明进一步提供的又一个实施例，步骤一中M3C变频器工频侧并入交流电网，通过锁相环获取工频电网电压正序分量相位，将9个桥臂电流分为iua/iva/iwa、iub/ivb/iwb、iuc/ivc/iwc三组，以电网电压正序分量相位为矢量角度，分别对三组电流做矢量变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000071
Figure BDA0003740191680000072
Figure BDA0003740191680000081
然后，分别对iad/ibd/icd、iaq/ibq/icq做αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000082
对每个桥臂的子模块电压做双αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000083
M3C变频器工频侧控制结构如图6所示，实现所有子模块电容电压平均值和无功功率解耦控制。
作为本发明进一步提供的再一个实施例，步骤一中M3C变频器分频侧并入交流电网，将9个桥臂电流分为iua/iub/iuc、iva/ivb/ivc、iwa/iwb/iwc三组，以分频侧相位为矢量角度，进行矢量变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000091
Figure BDA0003740191680000092
Figure BDA0003740191680000093
然后，分别对iud/ivd/iwd、iuq/ivq/iwq做αβ变换，如下式所示：
Figure BDA0003740191680000094
Figure BDA0003740191680000095
M3C变频器分频侧控制结构如图7所示，稳定分频侧出口电压。
正常运行时，M3C变频器垂直均压控制在工频侧实现，控制结构如图8(a)所示；水平均压控制在分频侧实现，控制结构如图9所示；对角均压控制在工频侧实现，控制结构如图10(a)所示。
工频电网故障时，判断正序分量是否小于0.9p.u.；计算M3C变频器分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲。
在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，为保证垂直、对角均压控制效果，将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制通过软启环节由工频侧切换至分频侧，垂直均压控制在分频侧实现的控制结构如图8(b)所示；对角均压控制在分频侧实现的控制结构如图10(b)所示。
故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由分频侧切换回工频侧。M3C变频器工频故障穿越流程如图5所示。
根据工频故障穿越使能信号，垂直、对角均压控制在工频侧实现的输出乘以1和0之间的斜坡信号，在分频侧实现的输出乘以0和1之间的斜坡信号，垂直、对角均压控制在工频侧和分频侧之间软切换结构如图11所示。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，所述电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的方法中的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
1)、实时采集工频电网电压，判断正序分量是否小于0.9p.u.；
2)、在工频电网发生故障时，实时采集M3C变频器分频侧和工频侧功率，根据分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为接在M3C变频器分频侧卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲；
3)、在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换至分频侧；
4)、故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换回工频侧。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的方法的全部步骤，达到的效果如下所示：
工频变压器变频器侧电压仿真波形界面(图13)；
跌至零时工频q轴电流给定和反馈的仿真波形界面(图14)；
跌至零时桥臂子模块电压的仿真波形界面(图15)；
跌至零时M3C工频侧电流的仿真波形界面(图16)；
跌至零时M3C分频侧电压的仿真波形界面(图17)；
跌至零时M3C分频侧电流的仿真波形界面(图18)；
跌至零时M3C桥臂电流的仿真波形界面(图19)。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、实时采集工频电网电压，判断正序分量是否小于0.9p.u.；
2)、在工频电网发生故障时，实时采集M3C变频器分频侧和工频侧功率，根据分频侧功率Pf和工频侧功率Pg之差，作为接在M3C变频器分频侧卸荷电阻的调制信号，控制卸荷电阻的触发脉冲；
3)、在工频电网电压正序分量小于0.5p.u.时，通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换至分频侧；
4)、故障恢复后，切除卸荷电阻，并通过软切环节将M3C变频器的垂直均压控制、对角均压控制由工频侧切换回工频侧。
2.根据权利要求1所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述步骤三中M3C变频器垂直均压控制，由桥臂电流工频侧正序d轴α分量和d轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴零序分量和q轴零序分量。
3.根据权利要求1所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述步骤三中M3C变频器对角均压控制，由桥臂电流工频侧负序d轴α分量、d轴β分量、q轴α分量、q轴β分量，对应切换至桥臂电流分频侧负序d轴α分量、q轴α分量、d轴β分量、q轴β分量。
4.根据权利要求1所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述步骤三中所述分频侧可控卸荷装置，包括但不限于直接通过三相模块化多电平变换器接电阻的结构、先经过不控整流后在直流侧通过模块化多电平变换器接电阻的结构等。
5.根据权利要求1所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述步骤一中M3C变频器工频侧并入交流电网，通过锁相环获取工频电网电压正序分量相位，将9个桥臂电流分为iua/iva/iwa、iub/ivb/iwb、iuc/ivc/iwc三组，以电网电压正序分量相位为矢量角度，分别对三组电流做矢量变换，如下式所示：
Figure FDA0003740191670000021
Figure FDA0003740191670000022
Figure FDA0003740191670000023
6.根据权利要求5所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述矢量变换计算过程中会分别对iad/ibd/icd、iaq/ibq/icq做αβ变换，如下式所示：
Figure FDA0003740191670000024
Figure FDA0003740191670000025
对每个桥臂的子模块电压做双αβ变换，如下式所示：
Figure FDA0003740191670000031
7.根据权利要求1所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述步骤一中M3C变频器分频侧并入交流电网，将9个桥臂电流分为iua/iub/iuc、iva/ivb/ivc、iwa/iwb/iwc三组，以分频侧相位为矢量角度，进行矢量变换，如下式所示：
Figure FDA0003740191670000032
Figure FDA0003740191670000033
Figure FDA0003740191670000034
8.根据权利要求7所述的一种M3C变频器工频侧故障穿越的方法，其特征在于，所述分频侧相位继续分别对iud/ivd/iwd、iuq/ivq/iwq做αβ变换，如下式所示：
Figure FDA0003740191670000041
Figure FDA0003740191670000042
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8任一项所述M3C变频器工频侧故障穿越的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所M3C变频器工频侧故障穿越的方法。
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