电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制方法及系统与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制方法及系统。

背景技术：

当前，在能源紧缺、环境污染以及气候变暖等全球性问题日益严峻的形式下，大规模开发利用风、光等可再生能源成为世界各国能源战略的重要选择。可再生资源与用电负荷需求逆向分布的特点决定了大基地、远距离特高压直流送出是我国新能源开发利用的主导形式之一。

随着我国能源结构的转型，特高压直流送端配套电源结构正发生着深刻变化，早期的送端电源以由同步发电机为主体的火电/水电，逐渐转变为以电力电子装置为主体的风力发电所替代，高比例新能源导致送端网架进一步薄弱，系统故障引发的特高压直流换相失败、闭锁故障以及送端电网交流故障均能造成新能源机端暂态过电压，引发大规模新能源脱网，严重制约特高压直流送出能力。

目前，通常采用动态无功补偿装置(svc/svg)，对新能源场站暂态电压控制。由于动态无功补偿装置存在信号采样固有延时，对ms级的暂态电压响应特性滞后严重，无法实现对暂态电压控制作用。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的动态无功补偿装置存在信号采样固有延时，对ms级的暂态电压响应特性滞后严重问题，本发明提供了一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制方法，包括：

当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号；

基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压。

优选的，所述电压外环和电流内环双控制包括：

将所述电力电子变流器直流电容的实际电压值和基准电压值作为外环控制信号并结合生成电压外环电流内环的双环控制的电流环基准值；

将所述三相并网电压和相位频率信号输入到d-q变换器得到ud和uq分量；

将所述三相输出电流和相位频率信号输入到d-q变换器得到iq和id分量；

基于所述id分量、ud分量和电流环的基准值获取d轴电流环的控制信号；

基于所述iq分量、uq分量获取q轴电流环的控制信号。

优选的，所述当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号包括：

当产生暂态过电压时，基于ud分量输入自适应无功电流控制模块生成自适应无功额外补偿量作为自适应无功电流控制分量；

将iq分量、无功电流给定值和自适应无功电流控制分量比较生成q轴电流环偏差信号；

所述q轴电流环通过pi控制器后与uq分量叠加构成q轴电流环控制信号。

优选的，所述将所述电力电子变流器直流电容的实际电压值和基准电压值作为外环控制信号并结合生成电压外环电流内环的双环控制的电流环基准值包括：

将电力电子变流器直流电容的实际电压值与基准电压值相比较得到直压偏差信号；

基于所述直压偏差信号通过pi控制器处理产生电流环的基准值。

优选的，所述基于所述id分量、ud分量和电流环的基准值获取d轴电流环的控制信号包括：

将id分量和电流环基准值比较生成d轴电流环偏差信号；

将所述偏差信号输入到pi控制器后生成的信号与ud分量叠加生成d轴电流环控制信号。

优选的，所述基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压包括：

将所述q轴电流环控制信号和d轴电流环控制信号输入到d-q逆变器生成电力电子变流器三相调制电压；

将所述电力电子变流器三相调制电压输入到pwm逆变器生成电力电子变流器的开关控制信号进而对电网暂态过电压进行抑制。

优选的，所述基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压之前还包括：对q轴电流环控制信号和d轴电流环控制信号进行解耦合抑制。

基于同一种发明构思，本发明提供了一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制系统，其特征在于，包括：信号附加模块和信号调制模块；

所述信号附加模块，用于当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号；

所述信号调制模块，用于基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压。

优选的，所述信号附加模块包括：信号附加子模块、偏差信号子模块和叠加信号子模块；

所述信号附加子模块，当产生暂态过电压时，基于ud分量输入自适应无功电流控制模块生成自适应无功额外补偿量作为自适应无功电流控制分量；

所述偏差信号子模块，将iq分量、无功电流给定值和自适应无功电流控制分量比较生成q轴电流环偏差信号；

所述叠加信号子模块，所述q轴电流环通过pi控制器后与uq分量叠加构成q轴电流环控制信号。

优选的，所述信号调制模块包括：调制信号子模块和控制信号子模块；

所述调制信号子模块，将所述q轴电流环控制信号和d轴电流环控制信号输入到d-q逆变器生成电力电子变流器三相调制电压；

所述控制信号子模块，将所述电力电子变流器三相调制电压输入到pwm逆变器生成电力电子变流器的开关控制信号进而对电网暂态过电压进行抑制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制方法，包括：当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号；基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压。直接通过电压信号影响增加自适应电流控制指令，既不影响机组在弱电网下的稳态运行性能，又能在交/直流故障下有效抑制机端暂态过电压，进而实现大规模新能源的友好并网，为高比例新能源电力系统提供更强大的支撑。

附图说明

图1为本发明的暂态过电压抑制方法流程图；

图2为本发明的暂态过电压抑制控制策略图；

图3为换相失败暂态过电压抑制示意图；

图4为交流故障暂态过电压抑制示意图；

图5为下限截止频率对暂态过电压的影响示意图；

图6为上限截止频率对暂态过电压的影响示意图；

图7为增益对暂态过电压的影响示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制方法，如图1所示，包括：

s1：当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号；

s2：基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压。

其中s1：当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号，具体包括：

将所述电力电子变流器直流电容的实际电压值和基准电压值作为外环控制信号并结合生成电压外环电流内环的双环控制的电流环基准值；

将所述三相并网电压和相位频率信号输入到d-q变换器得到ud和uq分量；

将所述三相输出电流和相位频率信号输入到d-q变换器得到iq和id分量；

基于所述id分量、ud分量和电流环的基准值获取d轴电流环的控制信号；

基于所述iq分量、uq分量获取q轴电流环的控制信号。s3：当正常运行工况转变为故障穿越运行工况时，基于三相并网电压为所述双环控制的q轴电流环增加自适应无扰动电流控制信号得到q轴电流环控制信号，具体包括：

当产生暂态过电压时，基于ud分量输入自适应无功电流控制模块生成自适应无功额外补偿量作为自适应无功电流控制分量；

将iq分量、无功电流给定值和自适应无功电流控制分量比较生成q轴电流环偏差信号；

所述q轴电流环通过pi控制器后与uq分量叠加构成q轴电流环控制信号。

s2：基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压，具体包括：

将所述q轴电流环控制信号和d轴电流环控制信号输入到d-q逆变器生成电力电子变流器三相调制电压；

将所述调制电压输入到pwm逆变器生成电力电子变流器的开关控制信号进而对电网暂态过电压进行抑制。

其中，电力电子变流器并网无功电流响应值为：

式中：

irefq(s)为电力电子变流器并网无功电流响应值；

t(s)为电力电子变流器电流内环无功电流给定值对应的传递函数；

其中：

式中：

kp为电力电子变流器电流内环pi控制器比例系数；

ki为电力电子变流器电流内环pi控制器积分系数；

lf为电力电子变流器滤波电感；

irefq0(s)为电力电子变流器电流内环无功电流给定值；

△irefq(s)为电力电子变流器电流内环自适应无功电流控制给定分量；

其中：

式中：

k1为增益；

ud(s)为电力电子变流器端口电压d轴分量；

t(θpll)为端口电压ua、ub、uc到ud、uq、u0的变换矩阵；

θpll为端口电压ua、ub、uc锁相角；

ω为电网电压角频率；

um为端口电压ua、ub、uc幅值；

g1(s)为ud(s)对应的开环传递函数；

其中：

式中：

ωc1＝2πfc1；

ωc2＝2πfc2；

fc1为带通滤波器g1(s)的下限截止频率；

fc2为带通滤波器g1(s)的上限截止频率；

i0q为电力电子变流器滤波电感电流初始值q轴分量；

y(s；i0q)为i0q对应的响应分量；

其中

本发明针对光伏并网逆变器、全功率风电机组接入弱电网在hvdc换相失败、闭锁等直流故障以及送端交流故障下引发机端暂态过电压脱网运行问题，提出了一种自适应无功电流控制的暂态过电压抑制策略，该控制方法既不影响机组在弱电网下的稳态运行性能，又能在交/直流故障下有效抑制机端暂态过电压，进而实现大规模新能源的友好并网，为高比例新能源电力系统提供更强大的支撑。

实施例2：

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种电力电子变流器接入弱电网暂态过电压抑制系统，包括：信号附加模块和信号调制模块；

所述信号附加模块，用于当交流弱电网为故障穿越运行工况时，基于实时采集的三相并网电压控制生成自适应无扰动电流控制信号附加至电压外环和电流内环双环控制的q轴电流环得到q轴电流环控制信号；

所述信号调制模块，用于基于所述q轴电流环控制信号和d轴电流控制生成最终控制指令，抑制电网暂态过电压。

优选的，所述信号附加模块包括：信号附加子模块、偏差信号子模块和叠加信号子模块；

所述信号附加子模块，当产生暂态过电压时，基于ud分量输入自适应无功电流控制模块生成自适应无功额外补偿量作为自适应无功电流控制分量；

所述偏差信号子模块，将iq分量、无功电流给定值和自适应无功电流控制分量比较生成q轴电流环偏差信号；

所述叠加信号子模块，所述q轴电流环通过pi控制器后与uq分量叠加构成q轴电流环控制信号。

优选的，所述信号调制模块包括：调制信号子模块和控制信号子模块；

所述调制信号子模块，将所述q轴电流环控制信号和d轴电流环控制信号输入到d-q逆变器生成电力电子变流器三相调制电压；

所述控制信号子模块，将所述电力电子变流器三相调制电压输入到pwm逆变器生成电力电子变流器的开关控制信号进而对电网暂态过电压进行抑制。

实施例3：

目前以电力电子换流器为功率变换基础的新能源并网发电装置，依赖控制技术强、过压能力弱、失去了传统同步发电机的惯量、磁链等优点，在电网发生各种暂、稳态故障时，无法实现对系统频率、电压的有效控制，极易引发大规模新能源连锁脱网，严重影响大规模新能源安全并网。

本发明从新能源发电装置出发，提出了一种暂态过电压抑制控制方法，该控制方法既能该方法既不影响机组在弱电网下的稳态运行性能，又能在交/直流故障下有效抑制机端暂态过电压，进而实现大规模新能源的友好并网，为高比例新能源电力系统提供更强大的支撑。

如图2所示：对电力电子变流器接入交流弱电网采用电压外环和电流内环双环控制；

其外环控制信号为直流电容cdc的电压vdc，将基准直流信号与采集到的vdc相比较后即得到直压偏差信号，直压偏差信号输入到直流电压环pi控制器中，输出信号作为电流环的基准值；

采集三相输出电流ia、ib、ic，提取三相输出电压的相位频率信号sin-cos，将ia、ib、ic和sin-cos输入到dq变换模块得到id和iq分量。

采集电网三相电压，ua、ub、uc和sin-cos输入dq变换模块后，得到ud，uq即交轴电压和直轴电压。

将电流环的基准值与id相比较后得到d轴电流偏差信号，输入到直流电压环pi控制器中，其输出信号和ud组合作为d轴偏差信号。

电力电子变流器处于正常稳态运行工况，其控制通路为通道“0”，电力电子变流器按调度无功指令工作，此处调度无功指令值为0，无功额外补偿量也为0；

电力电子变流器遭遇故障工况时，由正常稳态运行工况转向故障穿越运行工况，其控制通路为通道“1”，实现由通道“0”向通道“1”的切换，其中通道“2”为国标要求的低电压穿越控制无功指令，通道“3”为国标要求的高电压穿越控制无功指令，自适应无功额外补偿量为本专利提出的自适应无功电流控制分量，

△irefq(s)、irefq0(s)和q轴电流分量复合后输入到直流电流环pi控制器，其输出信号和uq分量叠加作为q轴偏差信号；

对d轴偏差信号和q轴偏差信号解耦合后得到d轴控制信号和q轴控制信号；

对逆变器数学模型进行d-q变换时，d轴和q轴控制量会有耦合，所以需要对d轴和q轴电流环上的两个pi控制器的输出信号做前馈解耦后，才易于分别控制。前馈解耦合的方法具体为；

d轴控制信号加上iq*ω*lf即得到解耦合后的d轴控制信号，q轴控制信号减去iq*ω*lf，即得到解耦后的q轴控制信号；

将sin-cos，d轴控制信号和q轴控制信号输入到dq反变换，得到三相调制信号，后输入pwm发生器产生开关控制信号。

其中，图中cdc为电力电子变流器直流电容；vdc为电力电子变流器直流电容电压；

vrefdc为电力电子变流器直流电容电压给定值；

sa1、sa2分别为电力电子变流器a相上下桥臂igbt开关管；

sb1、sb2分别为电力电子变流器b相上下桥臂igbt开关管；

sc1、sc2分别为电力电子变流器c相上下桥臂igbt开关管；

va、vb、vc为电力电子变流器三相输出电压；

mva、mvb、mvc为电力电子变流器三相调制电压；

lf、rf、cf分别为电力电子变流器交流滤波电感、滤波电阻与滤波电容；

ia、ib、ic为电力电子变流器三相输出电流；

ua、ub、uc为电力电子变流器三相并网电压；

lg为电网等效电感；

ω为电网电压角频率；

θpll为三相并网电压ua、ub、uc锁相角；

ud、uq分别为三相并网电压ua、ub、uc的dq分量；

id、iq分别为三相并网电流ia、ib、ic的dq分量；

in为电力电子变流器额定电流；

k为电压变化深度系数；

irefq0(s)为无功电流给定值；

hu(s)为直流电压环传递函数；

其中：

式中：

kvp为电力电子变流器直流电压环pi控制器比例系数；

kvi为电力电子变流器直流电压环pi控制器积分系数；

hi(s)为电流环传递函数；

其中：

式中：

kp为电力电子变流器电流环pi控制器比例系数；

ki为电力电子变流器电流环pi控制器积分系数。

本发明针对光伏并网逆变器、直驱风电机组接入弱电网在hvdc换相失败、闭锁等直流故障以及送端交流故障下引发机端暂态过电压脱网运行问题，提出了一种自适应无功电流控制的暂态过电压抑制控制方法，该方法通过在原有的控制结构基础上增加了自适应无功电流控制模块，该模块通过实时检测电网电压，根据电网电压变化幅度、变化速率和变化趋势，控制控制器产生一个电流控制指令附加量，该电流指令与装置原有电流控制指令相叠加，作为装置最终的电流指令值，该控制策略通过电流指令值的改进控制，实现装置根据电网电压在暂态过程的功率响应，进而实现对暂态过电压的抑制作用。

本发明的自适应无功电流控制与原始的控制策略相比，在发生换相失败时极机端电压和无功功率的变化如图3所示，发生交流故障时暂态过电压抑制变化情况如图4所示。

(1)自适应无功电流控制

电力电子变流器转动惯量小，其电磁暂态过渡过程短，其暂态过电压具有毫秒级的特性，针对这一特点，本专利提出了一种基于自适应无功电流控制的暂态过电压抑制方法，该方法依据机端电压，动态调整无功电流给定值，平滑无功输出，以抑制暂态过电压。

(2)滤波器上下限截止频率选取原则

调整自适应无功电流控制单元带通滤波器上下限截止频率fc1、fc2，达到优化电力电子变流器暂态无功特性的目的，进而实现对电力电子变流器暂态过电压的抑制。其中下限截止频率对暂态过电压的影响如图5所示，上限截止频率对暂态过电压的影响如图6所示。

(3)滤波器增益选取原则

调整自适应无功电流控制单元带通滤波器增益k1，达到优化电力电子变流器暂态无功特性的目的，进而实现对电力电子变流器暂态过电压的抑制。其中增益对暂态过电压的影响如图7所示。

显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。