一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)：斷開(kāi)換流器與外部電網(wǎng)的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將換流器并網(wǎng)控制外環(huán)切換為離網(wǎng)交流電壓外環(huán)。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)：調(diào)節(jié)換流器輸出交流電壓使其跟蹤電網(wǎng)電壓；待二者幅值和相位差小于等于各自預(yù)定值且持續(xù)一定時(shí)間后，合上并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將控制外環(huán)切換回原并網(wǎng)控制環(huán)。該方法原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，確保了模塊化多電平換流器在離網(wǎng)、并網(wǎng)模式之間的平滑切換，且不對(duì)本地負(fù)荷造成供電中斷，滿足了電力系統(tǒng)安全可靠、高質(zhì)量電能供應(yīng)的要求。
【專利說(shuō)明】一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于模塊化多電平換流器MMC的柔性直流輸電技術(shù)，采用全控型電力電子器件及模塊化結(jié)構(gòu)，在提高直流電壓等級(jí)和系統(tǒng)容量，擴(kuò)大控制靈活度的同時(shí)具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，可直接向無(wú)源負(fù)荷供電，是直流輸電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
[0003]鑒于MMC輸電系統(tǒng)大容量和高控制靈活度的優(yōu)勢(shì)，有時(shí)需要其在外部電網(wǎng)故障時(shí)不脫離輸電系統(tǒng)而持續(xù)為區(qū)域負(fù)荷供電，保持離網(wǎng)運(yùn)行，而當(dāng)電網(wǎng)再次正常時(shí)，系統(tǒng)則需適時(shí)退出離網(wǎng)模式，重新并入電網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。為了降低電網(wǎng)故障對(duì)區(qū)域負(fù)荷的影響，保證負(fù)荷的可靠供電，要求MMC能快速、可靠的在并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式之間進(jìn)行孤島切換，且切換過(guò)程中盡可能平滑、穩(wěn)定。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有一種穩(wěn)定、可靠的孤島切換控制策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有可靠的孤島切換控制方法的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括:
[0007]—種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，換流器控制器采用雙環(huán)dq軸解耦控制，內(nèi)環(huán)為換流器輸出電流環(huán)，在并網(wǎng)控制模式時(shí)為直流電壓環(huán)或交流有功、無(wú)功環(huán)的并網(wǎng)控制外環(huán)，在離網(wǎng)控制模式時(shí)為交流電壓環(huán)；孤島切換方法包括如下步驟:
[0008]I)換流器并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí):斷開(kāi)換流器與外部電網(wǎng)的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將外環(huán)切換為離網(wǎng)交流電壓外環(huán)，記憶切換前電流內(nèi)環(huán)指令值以及電網(wǎng)電壓幅值和相位，分別作為切換時(shí)外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出初值和交流電壓指令初始值；逐漸調(diào)節(jié)交流電壓指令使換流器工作在輸出電壓等于額定電網(wǎng)電壓的控制模式；
[0009]2)換流器離網(wǎng)模式運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí):調(diào)節(jié)換流器輸出交流電壓使其跟蹤電網(wǎng)電壓；當(dāng)換流器輸出交流電壓與電網(wǎng)電壓二者的幅值、相位差小于等于對(duì)應(yīng)預(yù)定值且持續(xù)一定時(shí)間后，合上并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將外環(huán)切換為并網(wǎng)控制外環(huán)，記憶切換前換流器輸出功率/直流電壓以及電流內(nèi)環(huán)指令值，分別作為切換時(shí)外環(huán)指令值和外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出初值；逐漸調(diào)節(jié)外環(huán)指令至參考值使換流器并網(wǎng)運(yùn)行。
[0010]在I)中，交流電壓控制環(huán)D軸指令以記憶的切換前電網(wǎng)電壓幅值為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至額定電網(wǎng)電壓幅值；交流電壓控制環(huán)Q軸指令維持OV不變；進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)所需參考的角度以記憶的切換前電網(wǎng)電壓相位為初值，之后以314.16rad/s的恒定角速度積分得到。
[0011]電網(wǎng)恢復(fù)正常后，需要首先檢測(cè)電網(wǎng)電壓幅值和相位，然后根據(jù)電網(wǎng)電壓與換流器輸出電壓幅值和相位的差值關(guān)系，逐漸調(diào)節(jié)換流器交流電壓環(huán)D軸指令和控制用角速度值，保證并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器兩側(cè)電壓幅值和相角都相同。
[0012]母線電壓為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至參考值；并網(wǎng)控制外環(huán)Q軸指令以記憶的切換前換流器輸出無(wú)功功率為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至參考值；進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)所需參考的角度為對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相得到的角度。
[0013]變流器控制結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式切換。本發(fā)明中涉及的變流器并網(wǎng)運(yùn)行控制方法、離網(wǎng)運(yùn)行控制方法都是比較成熟的控制方法，通過(guò)合理的控制結(jié)構(gòu)的切換即可實(shí)現(xiàn)變流器的孤島切換。該方法原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，確保了模塊化多電平換流器在離網(wǎng)、并網(wǎng)模式之間的平滑切換，且不對(duì)本地負(fù)荷造成供電中斷，滿足了電力系統(tǒng)安全可靠、高質(zhì)量電能供應(yīng)的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的運(yùn)行模式和控制目標(biāo)示意圖；
[0016]圖3是坐標(biāo)變換示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的實(shí)施流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0019]模塊化多電平換流器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，換流器直流側(cè)接入柔性直流輸電系統(tǒng)的直流母線，交流連接本地負(fù)荷。換流器通過(guò)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器與電網(wǎng)連接，當(dāng)該斷路器合上時(shí)，換流器并網(wǎng)運(yùn)行，其所接入本地負(fù)荷可由換流器和電網(wǎng)同時(shí)供電；當(dāng)該斷路器斷開(kāi)時(shí)，換流器轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運(yùn)行模式，其所接入本地負(fù)荷由換流器獨(dú)立供電。
[0020]圖1同時(shí)示出模塊化多電平換流器主電路結(jié)構(gòu)，主功率模塊中六個(gè)橋臂各含相同數(shù)目的子模塊及一個(gè)橋臂電抗器，采用三相逆變橋結(jié)構(gòu)連接，其輸出經(jīng)過(guò)一臺(tái)功率變壓器將電壓等級(jí)調(diào)整至電網(wǎng)電壓。換流器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若需要維持直流母線電壓恒定，則采用定直流母線電壓結(jié)合定無(wú)功功率的控制模式，若要輸送功率，則采用定有功功率和定無(wú)功功率的控制模式；換流器在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須穩(wěn)定交流母線電壓，因此采用定交流母線電壓控制。
[0021]運(yùn)行模式和控制目標(biāo)如圖2所示。模塊化多電平換流器控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須選取合適的坐標(biāo)系，本發(fā)明選取如圖3所示坐標(biāo)系，其中abc為三相靜止坐標(biāo)系，a ^為兩相靜止坐標(biāo)系，dq為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,且旋轉(zhuǎn)方向以逆時(shí)針為正方向。
[0022]模塊化多電平換流器工作于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，如圖1所示，采用電壓/功率、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)D軸指令根據(jù)需要為直流母線電壓參考指令UdC_ref或有功功率指令P_ref，Q軸指令為無(wú)功功率參考指令Q_ref，外環(huán)D、Q軸輸出作為內(nèi)環(huán)D、Q軸指令。各控制環(huán)反饋量由實(shí)測(cè)值與鎖相得到的電網(wǎng)電壓相位經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化得到。內(nèi)環(huán)輸出D、Q軸分量結(jié)合電網(wǎng)電壓相位-經(jīng)過(guò)ipark變換，得到三相調(diào)制度，最后進(jìn)行最近電平調(diào)制(NLM)和均壓策略，得到各個(gè)子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的控制。
[0023]模塊化多電平換流器工作于離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，如圖1所示，依然采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制內(nèi)環(huán)保持不變，外環(huán)D軸指令為期望得到的交流母線電壓峰值，Q軸指令設(shè)為0，各控制環(huán)反饋量均由實(shí)測(cè)電壓、電流值使用對(duì)電網(wǎng)電壓額定頻率50Hz積分得到的參考角度Θ進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化得到，Θ角度同時(shí)作為內(nèi)環(huán)輸出D、Q軸指令的ipark變換角度。通過(guò)控制能夠使交流電壓矢量始終處于D軸上。
[0024]當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，模塊化多電平換流器需從并網(wǎng)模式切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常后，模塊化多電平換流器需調(diào)整其交流電壓幅值、相位，向電網(wǎng)電壓靠攏，并在適當(dāng)時(shí)候由離網(wǎng)運(yùn)行模式切換回并網(wǎng)運(yùn)行模式。接下來(lái)，將參照?qǐng)D4來(lái)詳細(xì)描述換流器從并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式切換以及從離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式切換的操作。
[0025]在步驟S110，換流器處于并網(wǎng)運(yùn)行模式。
[0026]在步驟S120，若換流器檢測(cè)到孤島發(fā)生，則執(zhí)行步驟S230，否則維持SllO不變。
[0027]在步驟S130，斷開(kāi)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器，將換流器及其本地負(fù)荷從電網(wǎng)處脫離開(kāi)來(lái)。
[0028]在步驟S140，將換流器并網(wǎng)控制外環(huán)切換為離網(wǎng)交流電壓外環(huán)。其中離網(wǎng)交流電壓外環(huán)D軸指令為切換前記憶的電網(wǎng)電壓幅值，離網(wǎng)交流電壓Q軸指令為0，電壓外環(huán)D軸輸出的初始值為切換前記憶的電流內(nèi)環(huán)D軸指令值，電壓外環(huán)Q軸輸出的初始值為切換前記憶的電流內(nèi)環(huán)Q軸指令值。同時(shí)，將切換前記憶的電網(wǎng)電壓相位值，作為離網(wǎng)控制時(shí)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換角度的初始值；
[0029]在步驟S150，調(diào)節(jié)離網(wǎng)交流電壓外環(huán)D軸指令，使其從初始值緩慢變化至電網(wǎng)電壓額定幅值，Q軸指令維持OV不變。同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓額定頻率進(jìn)行積分，并將積分值加上切換前記憶的電網(wǎng)電壓相位值，作為之后離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換角度值。
[0030]在步驟S210，換流器處于離網(wǎng)運(yùn)行模式。
[0031]在步驟S220，若換流器檢測(cè)到電網(wǎng)恢復(fù)正常，則執(zhí)行步驟S230，否則維持S210不變。
[0032]在步驟S230，將換流器輸出的電壓幅值和相位與檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓幅值和相位做差，并根據(jù)相位和幅值的差值，相應(yīng)調(diào)整換流器輸出電壓的幅值和頻率。在二者幅值差小于O時(shí)，緩慢增大換流器交流電壓D軸指令直至與電網(wǎng)電壓幅值相同，否則緩慢減小換流器交流電壓D軸指令直至與電網(wǎng)電壓幅值相同；在二者相位差處于0°?180°之間時(shí)，緩慢減小換流器用于積分得到參考角度的頻率，否則若二者相位差處于-180°?0°之間時(shí)，緩慢增大該頻率。
[0033]在步驟S240，若換流器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的幅值和相位差值均小于對(duì)應(yīng)預(yù)定值且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行步驟S250，否則維持S230不變；所述預(yù)定值，是根據(jù)不同的孤島切換沖擊要求而定，二者均為很小數(shù)值。
[0034]在步驟S250，合上并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器。
[0035]在步驟S260，將換流器離網(wǎng)交流電壓外環(huán)切換為并網(wǎng)控制外環(huán)。其中并網(wǎng)控制外環(huán)D軸指令為切換前記憶的直流母線電壓或輸出有功功率，并網(wǎng)控制外環(huán)Q軸指令為切換前記憶的輸出無(wú)功功率值，外環(huán)D軸輸出的初始值為切換前記憶的電流內(nèi)環(huán)D軸指令值，外環(huán)Q軸輸出的初始值為切換前記憶的電流內(nèi)環(huán)Q軸指令值。同時(shí)，切換后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化的參考角度切換為對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相得到的角度。
[0036]在步驟S270，調(diào)節(jié)并網(wǎng)外環(huán)D軸指令，使其從初始值緩慢變化至預(yù)定的直流母線電壓指令或輸出有功功率指令，調(diào)節(jié)并網(wǎng)外環(huán)Q軸指令，使其從初始值緩慢變化至預(yù)定的輸出無(wú)功功率指令。同時(shí)以鎖相得到的電網(wǎng)電壓相位為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化的角度值。[0037]作為其它實(shí)施方式，在電網(wǎng)未出現(xiàn)故障但受人為調(diào)度，需要換流器從并網(wǎng)運(yùn)行模式切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，可先通過(guò)調(diào)度，將換流器輸出功率降低至0，再?gòu)牟襟ES130開(kāi)始操作。
[0038]以上給出了一種具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，其特征在于，換流器控制器采用雙環(huán)dq軸解耦控制，內(nèi)環(huán)為換流器輸出電流環(huán)，在并網(wǎng)控制模式時(shí)為直流電壓環(huán)或交流有功、無(wú)功環(huán)的并網(wǎng)控制外環(huán)，在離網(wǎng)控制模式時(shí)為交流電壓環(huán)；孤島切換方法包括如下步驟: 1)換流器并網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)孤島發(fā)生時(shí):斷開(kāi)換流器與外部電網(wǎng)的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將外環(huán)切換為離網(wǎng)交流電壓外環(huán)，記憶切換前電流內(nèi)環(huán)指令值以及電網(wǎng)電壓幅值和相位，分別作為切換時(shí)外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出初值和交流電壓指令初始值；逐漸調(diào)節(jié)交流電壓指令使換流器工作在輸出電壓等于額定電網(wǎng)電壓的控制模式； 2)換流器離網(wǎng)模式運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí):調(diào)節(jié)換流器輸出交流電壓使其跟蹤電網(wǎng)電壓；當(dāng)換流器輸出交流電壓與電網(wǎng)電壓二者的幅值、相位差小于等于對(duì)應(yīng)預(yù)定值且持續(xù)一定時(shí)間后，合上并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器；將外環(huán)切換為并網(wǎng)控制外環(huán)，記憶切換前換流器輸出功率/直流電壓以及電流內(nèi)環(huán)指令值，分別作為切換時(shí)外環(huán)指令值和外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出初值；逐漸調(diào)節(jié)外環(huán)指令至參考值使換流器并網(wǎng)運(yùn)行。
2.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，其特征在于，在I)中，交流電壓控制環(huán)D軸指令以記憶的切換前電網(wǎng)電壓幅值為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至額定電網(wǎng)電壓幅值；交流電壓控制環(huán)Q軸指令維持OV不變；進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)所需參考的角度以記憶的切換前電網(wǎng)電壓相位為初值，之后以314.16rad/s的恒定角速度積分得到。
3.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，其特征在于，電網(wǎng)恢復(fù)正常后，需要首先檢測(cè)電網(wǎng)電壓幅值和相位，然后根據(jù)電網(wǎng)電壓與換流器輸出電壓幅值和相位的差值關(guān)系，逐漸調(diào)節(jié)換流器交流電壓環(huán)D軸指令和控制用角速度值，保證并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)斷路器兩側(cè)電壓幅值和相角都相同。
4.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器孤島切換控制方法，其特征在于，在2)中，并網(wǎng)控制外環(huán)D軸指令以記憶的切換前換流器輸出有功功率或直流母線電壓為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至參考值；并網(wǎng)控制外環(huán)Q軸指令以記憶的切換前換流器輸出無(wú)功功率為初值，之后以一定步長(zhǎng)逐漸調(diào)節(jié)至參考值；進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)所需參考的角度為對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相得到的角度。
【文檔編號(hào)】H02J3/14GK103647286SQ201310572484
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】吳金龍, 姚為正, 張建, 楊美娟, 韓坤, 左廣杰, 劉普, 梁燕 申請(qǐng)人:許繼集團(tuán)有限公司, 許繼電氣股份有限公司, 西安許繼電力電子技術(shù)有限公司