CN115377992B - 适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,属于电力电子领域中的变流器控制技术。本发明应用于电解制氢系统的功率变流器,适合碱液、PEM制氢系统的并网接口变流器采用。该方法通过运行模式的切换可适应正常运行和故障穿越情景,在正常运行模式下可作为电压源支撑电解槽正常运行,在故障穿越过程中可保证变流器自身不过流。此外能够同时兼容三相对称故障和不对称故障下的最大化无功功率输出,以帮助交流电网故障恢复。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域中的变流器控制技术领域,特别是涉及适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法。
背景技术
在国家能源转型的背景下,宽范围电解氢技术能够平抑可再生能源的波动性,实现绿色可再生能源的就地接入和消纳。为兼容现存的交流电力系统,电解制氢系统往往通过功率变流器接入低压交流配电网。根据交流电网对于低电压穿越的要求,电解制氢系统功率变流器应具备一定故障时间内不脱网运行以及无功支撑的功能,在非对称瞬时故障下,交流侧电网会相应产生不平衡的电压跌落,进而导致电解制氢系统的并网点产生负序电压。而负序电压的存在使得正序dq坐标系下的电压电流分量均带有二倍频的谐波,使得功率变流器的最大无功功率输出将偏离常规的参考点,单纯将有功输出控制为0并不能实现最大化的无功功率输出。因此,如何快速寻找变流器的最大无功输出参考,实现对交流电网最大无功输出是故障穿越过程中的难点之一。
例如,一种在中国专利文献上公开的“一种全功率变流器故障穿越无功控制方法、系统、介质及设备”,其公告号CN113381419A;主要针对全功率变流器并网的大型半直驱永磁同步风电机组,可以在风电机组故障运行状态下,采用变无功支持系数的控制方式,根据不同的故障电压跌落或骤升程度,实时改变无功支持系数的值,快速向电网注入无功电流支撑电网电压,可实现机组的柔性故障电压穿越,提升风电机组的并网可靠性。然而该方法主要针对同步风电机组,而非电解制氢系统与低压交流配电网接入处;同时该方法针对的是故障跌落或骤升时改用无功支持系数,而无法帮助改善功率变流器的最大无功功率输出将偏离常规的参考点等问题。
发明内容
本发明主要针对现有技术下在非对称瞬时故障下,功率变流器的最大无功功率输出将偏离常规的参考点的问题;提供了适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法;通过检测分析交流电网侧电压信号,切换双向功率变流器工作模式,在正常运行下利用直流下垂控制稳定直流侧母线电压,实现电解制氢的正常运行;在故障穿越过程中利用斜率扫描法实现最大无功输出模型的快速寻优,从而在保证变流器输出限流的情况下为交流电网提供最大无功支撑,保证多工况宽范围的电解制氢系统稳定运行。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,包括如下步骤:
S1、利用变流器交流端口的电压和电流传感器分别采样获得双向功率变流器当前交流端口电压vt,abc和交流侧输出电流ivg,abc;利用直流电压、电流传感器分别采样获得双向功率变流器直流端口电压vdc、直流端口电流idc;
S2、利用Clark变换计算αβ坐标系下的电压电流值vt,αβ和ivg,αβ,基于延时消除的正负序提取方法,根据采样得到的电压电流值计算vt,abc和ivg,abc的正负序分量
S3、利用同步旋转坐标系锁相环计算正序电压基准相位θpll,利用Park变换计算同步旋转坐标系下的交流端口电压和/>电流值/>
S4、利用电压的正负序分量和/>计算电压不平衡因子nub,根据不平衡因子nub判断双向功率变流器的工作状态,并计算变流器的电流环参考值/>和/>
S5、根据计算结果,将正负序电流指令分别送入PI控制模块计算控制占空比,控制变流器开关实现故障穿越。
本发明提供了适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法;通过检测分析交流电网侧电压信号,切换双向功率变流器工作模式,在正常运行下利用直流下垂控制稳定直流侧母线电压,实现电解制氢的正常运行;在故障穿越过程中利用斜率扫描法实现最大无功输出模型的快速寻优,从而在保证变流器输出限流的情况下为交流电网提供最大无功支撑,保证多工况宽范围的电解制氢系统稳定运行。
作为优选,在步骤S2中根据下述公式计算正负序分量:
其中,为交流电网额定频率。通过公式计算得到后续计算所需的交流电压和交流电流值。
作为优选,在步骤S4中根据下述公式计算电压不平衡因子nub:
作为优选,在步骤S4中根据下述公式计算正常运行模式下电流环参考值:
其中,为直流侧额定电压,m为下垂系数,Kvp为电压环PI控制模块比例系数,Kvi为电流环PI控制模块积分系数。
作为优选,步骤S4中,所述根据不平衡因子nub判断双向功率变流器工作状态的方法为:若nub<nTh且其中,V*为交流端口额定电压幅值,nTh和ηTh分别为对应的故障检测阈值,则双向功率变流器工作在下垂控制模式下,变流器的电流环参考值/>由直流下垂环和电压外环的PI控制模块计算得到;若nub>nTh或nub<nTh且/>则双向功率变流器工作在故障穿越模式下,以最大化无功输出/>为目标函数,在约束条件下构建无功参考值寻优模型,获得无功输出参考值/>以有功功率振荡抑制为目标计算内环电流指令/>利用电压不平衡因子以及电压相量的幅值判断交流侧是否存在故障。
作为优选,所述目标函数的约束条件包括: 可以通过约束条件来求寻优模型下的无功参考值解集,并获得最终的输出参数。
作为优选,通过无功参考值寻优模型获得无功输出参考值的方法如下:
S71、构建无功参考值寻优模型分别求出各个约束条件下的无功参考值/>
S72、求
S73、增加斜率,令
S74、得到
S75、判断是否大于/>
S76、若是则将kn更新为kn=kn-1+Δk,进入下一次迭代;反之则令kn=kn-1-Δk,进入下一次迭代;
S77、经过多次迭代后得到无功输出参考值
根据无功、有功参考值,在抑制有功二倍频振荡的条件下计算电流环参考值通过电流环控制器得到占空比,进而通过PWM调制控制变流器开关管。
作为优选,在步骤S4中根据下述公式计算
通过公式计算得到约束条件所需参数值,方便后续的计算过程。
作为优选,在步骤S6中根据下述公式计算
其中,所述所述/>所述所述/>所述/>所述所述/>所述/>所述所述/>
与现有技术相比,本发明的优点有:
1、本发明仅需要采集本地电气信息,不需要额外的通信线缆,也不需要集中式控制器,可以实现分散式控制;
2、本发明可兼容正常运行、三相对称故障以及三相不对称故障下运行,充分考虑了变流器实际运行过程中的各种工况;
3、本发明可实现直流电压支撑,输出电流限幅,最大无功功率输出等多个运行目标,且实现了不对称故障下最大无功功率输出。
附图说明
图1为电解制氢系统主拓扑图;
图2为功率变流器整体控制框图;
图3为斜率扫描法流程图;
图4为电流内环控制框图;
图5为PC的输出电流波形仿真实例波形图;
图6为PC向交流电网注入的有功功率和无功功率仿真实例波形图。
具体实施方式
应理解,实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下面通过实施例和附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
电解制氢系统的主拓扑如图1所示,包括电解槽本体、储能以及功率变流器(PC)。电解制氢系统工作在并网运行模式下,电解槽本体连接储能通过PC与交流配电网连接,并通过PC与交流电网进行功率交换。此时PC可工作在直流电压源模式为电解槽提供稳定的直流电压。
直流侧储能工作在电压源模式下与PC共同支撑直流母线电压。储能、PC均工作在直流下垂模式,电压环参考值由直流下垂控制计算得到,即:
其中,为直流侧母线额定电压,m为直流下垂系数,idc为储能或BPC直流端口的输出电流。
PC的控制框图如图2所示。变流器首先采集交流、直流端口的电压、电流,利用Clark变换将交流端口电压分解到αβ坐标系下,并利用延时消除法获得正负序分量同理可获得电流的正负序分量/>利用同步旋转坐标系锁相环对于经过2s/2r变换的正序电压进行锁相,得到基准相位θpll以及dq坐标系下的电压、电流分量/> 利用电压不平衡因子以及电压相量的幅值判断交流侧是否存在故障。若不存在故障,则BPC正常按照直流下垂控制运行,经过电压环后生成电流参考,此时负序电流参考均为0。如果交流侧出现故障,则以最大化无功输出/>为目标函数,以 为约束条件构建无功参考值寻优模型,并且利用如图3所示的斜率扫描法实现最大无功功率寻优,确定有功无功参考/>和/>根据无功、有功参考值,在抑制有功二倍频振荡的条件下计算电流环参考值/>通过如图4所示的电流环控制器得到占空比,进而通过PWM调制控制变流器开关管。
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。实例以并网运行的单储能直流微电网进行说明,设置直流负荷额定功率为70kW,交流侧额定电压为311V/50Hz。PC最大输出电流为100A。m=0.4V/A,电压环PI控制模块参数kvp=0.5,kvi=60,电流环PI控制模块参数kip=0.03,kii=1,斜坡扫描法Δk=0.1。
实例通过RT-LAB实验平台测试,获取实验波形如图5所示。实例中交流侧故障为非对称故障,其中a相电压幅值跌落到0.1pu,同时b相发生π/2的相位跳变。整个故障穿越过程分为四个阶段,正常运行,交流电网故障,故障恢复,正常运行。图5展示了PC的输出电流波形。在故障期间,本发明所提的控制策略能有效将输出电流控制在允许范围之内,电流幅值始终小于最大值I_max=100A。
图6展示了PC向交流电网注入的有功功率和无功功率。本发明所述控制策略能在最大化输出无功功率的同时,有效抑制输出有功功率的振荡,进而避免了直流侧母线的电压振荡。故障期间,PC输出无功功率达到了26.7kVar。故障期间,PC有一个略小于0的有功功率输出。故障清除后,PC的输出电流,有功,无功均逐渐恢复到故障前的状态,确保了系统的稳定性。
Claims (5)
1.一种适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、利用变流器交流端口的电压和电流传感器分别采样获得双向功率变流器当前交流端口电压vt,abc和交流侧输出电流ivg,abc;利用直流电压、电流传感器分别采样获得双向功率变流器直流端口电压vdc、直流端口电流idc;
S2、利用Clark变换计算αβ坐标系下的电压电流值vt,αβ和ivg,αβ,基于延时消除的正负序提取方法,根据采样得到的电压电流值计算vt,abc和ivg,abc的正负序分量在步骤S2中根据下述公式计算正负序分量:
其中,ω*为交流电网额定频率;
S3、利用同步旋转坐标系锁相环计算正序电压基准相位θpll,利用Park变换计算同步旋转坐标系下的交流端口电压和/>电流值/>
S4、利用电压的正负序分量和/>计算电压不平衡因子nub,根据不平衡因子nub判断双向功率变流器的工作状态,并计算变流器的电流环参考值/>和/>在步骤S4中根据下述公式计算电压不平衡因子nub:
在步骤S4中根据下述公式计算正常运行模式下电流环参考值:
其中,为直流侧额定电压,m为下垂系数,Kvp为电压环PI控制模块比例系数,Kvi为电流环PI控制模块积分系数;
步骤S4中,所述根据不平衡因子nub判断双向功率变流器工作状态的方法为:若nub<nTh且其中,V*为交流端口额定电压幅值,nTh和nTh分别为对应的故障检测阈值,则双向功率变流器工作在下垂控制模式下,变流器的电流环参考值/>由直流下垂环和电压外环的PI控制模块计算得到;
若nub>nTh或nub<nTh且则双向功率变流器工作在故障穿越模式下,以最大化无功输出/>为目标函数,在约束条件下构建无功参考值寻优模型,获得无功输出参考值以有功功率振荡抑制为目标计算变流器的电流环参考值/>
S5、根据计算结果,将正负序电流指令分别送入PI控制模块计算控制占空比,控制变流器开关实现故障穿越。
2.根据权利要求1所述的适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,其特征在于,所述目标函数的约束条件包括:
3.根据权利要求2所述的适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,其特征在于,通过无功参考值寻优模型获得无功输出参考值的方法如下:
S71、构建无功参考值寻优模型分别求出各个约束条件下的无功参考值
S72、求
S73、增加斜率,令
S74、得到
S75、判断是否大于/>
S76、若是则将kn更新为kn=kn-1+Δk,进入下一次迭代;反之则令kn=kn-1-Δk,进入下一次迭代;
S77、经过多次迭代后得到无功输出参考值
4.根据权利要求1所述的适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,其特征在于,在步骤S4中根据下述公式计算
5.根据权利要求1所述的适用于宽范围灵活制氢的功率变流器故障穿越控制方法,其特征在于,在步骤S5中根据下述公式计算
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Legal Events
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant |