功率变换设备及其控制方法与流程

本技术涉及电源，尤其涉及一种功率变换设备及其控制方法。

背景技术：

1、随着新能源直流输电外送电线路越来越多，直流输电出现连续换相失败导致的电力系统出现高电压转低电压连续穿越的事故也随之而来。

2、目前，在电力系统出现高电压穿越期间，逆变器主要按照标准高电压穿越模式进行输出，即逆变器根据标准要求和电网电压升高高度输出无功电流，同时根据自身的最大电流能力限制有功电流的输出。在电力系统从高电压穿越转入低电压穿越后，逆变器主要按照标准低电压穿越模式进行输出，即逆变器根据标准要求和电网电压跌落深度输出无功电流，同时根据自身的最大电流能力限制有功电流的输出。

3、上述标准高电压穿越模式和标准低电压穿越模式的控制方式虽然均可为电力系统提供有功和无功支撑，但在高电压穿越期间，由于电网电压升高，标准高电压穿越模式会使直流母线电压维持在较高水平。具体请参见图1所示的控制时序图，在高电压穿越δt1期间，直流母线电压保持高于低穿降额阈值u3。基于此，在电力系统从高电压穿越转入低电压穿越后的δt2期间，会导致在低电压无功电流响应过程结束时(即t3时刻)逆变器输出的无功电流不满足标准要求，从而使得逆变器的适配性变差。因此，在电力系统从高电压穿越转入低电压穿越后，如何提升逆变器的适配性尤为重要。

技术实现思路

1、本技术提供了一种功率变换设备及其控制方法，可提升功率变换设备从高电压穿越状态切换为低电压穿越状态后的适配性。

2、第一方面，本技术提供了一种功率变换设备，该功率变换设备的输入端和输出端分别用于连接直流电源和交流电网，功率变换设备包括直流母线、逆变电路和控制器。其中，逆变电路的输入端通过直流母线连接功率变换设备的输入端，逆变电路的输出端连接功率变换设备的输出端。控制器在交流电网的电网电压大于高电压穿越电压阈值时控制功率变换设备处于高电压穿越状态，在交流电网的电网电压小于低电压穿越电压阈值时控制功率变换设备处于低电压穿越状态。控制器在功率变换设备从高电压穿越状态切换为低电压穿越状态后，在低电压穿越无功电流响应过程中的第一时间区间和第二时间区间，分别控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第一变化率和第二变化率。其中，第二变化率大于第一变化率，第一时间区间的第一区间时长与第二时间区间的第二区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。可以理解的，在第一变化率对应先无功后有功控制模式(包括标准低电压穿越模式)下逆变电路的输出有功电流的变化率的情况下，功率变换设备在低电压穿越无功电流响应过程中，通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流的变化率为大于第一变化率的第二变化率，使得第二时间区间内逆变电路的输出有功电流的下降速度比先无功后有功控制模式下逆变电路的输出有功电流的下降速度更慢，以使母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求。反之，在第二变化率对应先无功后有功控制模式下逆变电路的输出电流的变化率的情况下，功率变换设备在低电压穿越无功电流响应过程中，通过在第一时间区间控制逆变电路的输出有功电流的变化率为小于第二变化率的第一变化率，可以使得母线电压的下降速度变慢，从而使得功率变换设备对母线电压的控制方式更加灵活。进而，可提升功率变换设备的适配性。

3、结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，控制器在第一时间区间，根据第一目标无功电流值和预设最大输出电流值确定第一目标有功电流值，并基于第一目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第一变化率。可以理解的，功率变换设备在第一时间区间采用先无功后有功控制模式控制逆变电路的输出有功电流，通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流的变化率为大于第一变化率的第二变化率，使得第二时间区间内逆变电路的输出有功电流的下降速度比先无功后有功控制模式下逆变电路的输出有功电流的下降速度更慢，以使母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

4、结合第一方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式，第一时间区间早于第二时间区间。控制器在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第二目标有功电流值从第一有功电流值减小至第一目标有功电流值，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第二变化率，其中，第一有功电流值为第一目标有功电流值与预设有功电流增量之和，预设有功电流增量由逆变电路的额定输出电流值和预设母线电压衰减系数确定。可以理解的，在低电压穿越无功电流响应过程中，相比于基于第一目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流的方式(即先无功后有功控制方式)而言，通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流更慢地下降至第一目标有功电流值的方式，使得母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

5、结合第一方面第一种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，控制器在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第二变化率，其中，第二目标有功电流值等于第二时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。可以理解的，在低电压穿越无功电流响应过程中，相比于先无功后有功控制方式而言，功率变换设备通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流保持在第二目标有功电流值的方式，使得逆变电路的输出有功电流可以更慢地下降，从而使得母线电压在低电压穿越无功电流响应过程中可以更快地下降并小于低穿降额阈值，进而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

6、结合第一方面第一种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，控制器用于在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第二变化率，其中，第二目标有功电流值大于第二时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。可以理解的，在低电压穿越无功电流响应过程中，相比于先无功后有功控制方式而言，功率变换设备通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流增大的方式，使得母线电压在低电压穿越无功电流响应过程中可以更快地下降并小于低穿降额阈值，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

7、结合第一方面第二种可能的实施方式至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，控制器用于在逆变电路的输出有功电流小于或者等于有功电流阈值的情况下，在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第二变化率。

8、结合第一方面第三种可能的实施方式至第一方面第五种可能的实施方式中的任一种，在第六种可能的实施方式中，控制器还在低电压穿越无功电流响应过程中的第三时间区间，控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第三变化率，其中，第三变化率小于第二变化率，第三时间区间的第三区间时长、第一区间时长与第二区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。可以理解的，低电压穿越无功电流响应阶段除了可以由第一时间区间和第二时间区间构成之外，还可以由第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间构成，功率变换设备的控制方式多样，灵活性高。

9、结合第一方面第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，第三时间区间晚于第一时间区间和第二时间区间。控制器在第三时间区间，基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第三目标有功电流值从第二有功电流值减小至第一目标有功电流值，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第三变化率，其中，第二有功电流值为第三时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。进而，使得逆变电路的输出有功电流在第三时间区间降低至第一目标有功电流值，从而使直流母线的母线电压以较快速度降低并使直流母线的母线电压小于低穿降额阈值，进而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，以提升功率变换设备的适配性。

10、结合第一方面第六种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，控制器在第三时间区间，基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第三变化率，其中，第三目标有功电流值等于第三时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。可以理解的，在低电压穿越无功电流响应过程中，功率变换设备除了通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流的下降速度比先无功后有功控制模式下逆变电路的输出有功电流的下降速度慢，还通过增加在第三时间区间保持逆变电路的输出有功电流值的方式，进一步使得逆变电路的输出有功电流的下降速度变慢，从而进一步加快母线电压的下降速度，以使母线电压在低电压穿越无功电流响应过程中可以更快地下降至低穿降额阈值以下，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

11、结合第一方面第六种可能的实施方式或者第一方面第八种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，控制器还在低电压穿越无功电流响应过程中的第四时间区间，控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第四变化率，其中，第四变化率小于第三变化率，第四时间区间的第四区间时长、第一区间时长、第二区间时长与第三区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。可以理解的，低电压穿越无功电流响应阶段还可以由第一时间区间、第二时间区间、第三时间区间和第四时间区间构成，功率变换设备的控制方式多样，灵活性高。

12、结合第一方面第九种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，第四时间区间晚于第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间。控制器在第四时间区间，基于第四目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第四目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第四目标有功电流值从第三有功电流值减小至第一目标有功电流值，以控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第四变化率，其中，第三有功电流值为第四时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。进而，使得逆变电路的输出有功电流在第四时间区间降低至第一目标有功电流值，从而使直流母线的母线电压以较快速度降低并使直流母线的母线电压小于低穿降额阈值，进而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，以提升功率变换设备的适配性。

13、结合第一方面第二种可能的实施方式至第一方面第十种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，控制器还在第二时间区间，基于第二目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第二目标无功电流值由第二目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。可以理解的，功率变换设备在低电压穿越无功电流响应过程中，相比先无功后有功模式而言，通过在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流更慢地下降的方式，使得母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，再基于对逆变电路的输出无功电流的控制，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

14、结合第一方面第七种可能的实施方式至第一方面第十一种可能的实施方式中的任一种，在第十二种可能的实施方式中，控制器还在第三时间区间，基于第三目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第三目标无功电流值由第三目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。可以理解的，功率变换设备在低电压穿越无功电流响应过程中，相比先无功后有功模式而言，通过在第三时间区间控制逆变电路的输出有功电流更慢地下降的方式，使得母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，再基于对逆变电路的输出无功电流的控制，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

15、结合第一方面第十种可能的实施方式至第一方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十三种可能的实施方式中，控制器还在第四时间区间，基于第四目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第四目标无功电流值由第四目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。可以理解的，功率变换设备在低电压穿越无功电流响应过程中，相比先无功后有功模式而言，通过在第四时间区间控制逆变电路的输出有功电流更慢地下降的方式，使得母线电压可以更快地下降并小于低穿降额阈值，再基于对逆变电路的输出无功电流的控制，从而使得逆变电路的输出无功电流在低电压穿越无功电流响应过程结束时满足标准低穿无功电流要求，进而提升功率变换设备的适配性。

16、结合第一方面第一种可能的实施方式至第一方面第十三种可能的实施方式中的任一种，在第十四种可能的实施方式中，控制器还在第一时间区间，基于第一目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第一目标无功电流值由交流电网的电压跌落值确定。

17、结合第一方面至第一方面第十四种可能的实施方式中的任一种，在第十五种可能的实施方式中，功率变换设备还包括直流dc/直流dc电路，逆变电路的输入端依次通过直流母线和dc/dc电路连接功率变换设备的输入端。可以理解的，功率变换设备还可以包括dc/dc电路，结构多样，灵活性高。

18、第二方面，本技术提供了一种功率变换设备的控制方法，该功率变换设备的输入端和输出端分别用于连接直流电源和交流电网，功率变换设备包括直流母线和逆变电路。其中，逆变电路的输入端通过直流母线连接功率变换设备的输入端，逆变电路的输出端连接功率变换设备的输出端。该方法包括：在交流电网的电网电压大于高电压穿越电压阈值时控制功率变换设备处于高电压穿越状态，在交流电网的电网电压小于低电压穿越电压阈值时控制功率变换设备处于低电压穿越状态。在功率变换设备从高电压穿越状态切换为低电压穿越状态后，在低电压穿越无功电流响应过程中的第一时间区间和第二时间区间，分别控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第一变化率和第二变化率。其中，第二变化率大于第一变化率，第一时间区间的第一区间时长与第二时间区间的第二区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。

19、结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，控制器在第一时间区间，根据第一目标无功电流值和预设最大输出电流值确定第一目标有功电流值，并基于第一目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流。

20、结合第二方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式，第一时间区间早于第二时间区间。控制器在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第二目标有功电流值从第一有功电流值减小至第一目标有功电流值，第一有功电流值为第一目标有功电流值与预设有功电流增量之和，预设有功电流增量由逆变电路的额定输出电流值和预设母线电压衰减系数确定。

21、结合第二方面第一种可能的实施方式，在第三种可能的实施方式中，控制器在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，其中，第二目标有功电流值等于第二时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。

22、结合第二方面第一种可能的实施方式，在第四种可能的实施方式中，控制器在第二时间区间，基于第二目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，其中，第二目标有功电流值大于第二时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。

23、结合第二方面第二种可能的实施方式至第二方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，控制器在逆变电路的输出有功电流小于或者等于有功电流阈值的情况下，在第二时间区间控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第二变化率。

24、结合第二方面第三种可能的实施方式或者第二方面第五种可能的实施方式，在第六种可能的实施方式中，控制器还在低电压穿越无功电流响应过程中的第三时间区间，控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第三变化率，其中，第三变化率小于第二变化率，第三时间区间的第三区间时长、第一区间时长与第二区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。

25、结合第二方面第六种可能的实施方式，在第七种可能的实施方式中，第三时间区间晚于第一时间区间和第二时间区间。控制器在第三时间区间，基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第三目标有功电流值从第二有功电流值减小至第一目标有功电流值，其中，第二有功电流值为第三时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。

26、结合第二方面第六种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，控制器在第三时间区间，基于第三目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流，其中，第三目标有功电流值等于第三时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。

27、结合第二方面第六种可能的实施方式或者第二方面第八种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，控制器还在低电压穿越无功电流响应过程中的第四时间区间，控制逆变电路的输出有功电流的变化率为第四变化率，其中，第四变化率小于第三变化率，第四时间区间的第四区间时长、第一区间时长、第二区间时长与第三区间时长的和，小于或者等于低穿无功电流响应时长阈值。

28、结合第二方面第九种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，第四时间区间晚于第一时间区间、第二时间区间和第三时间区间。控制器在第四时间区间，基于第四目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流；在基于第四目标有功电流值控制逆变电路的输出有功电流过程中，调整第四目标有功电流值从第三有功电流值减小至第一目标有功电流值，其中，第三有功电流值为第四时间区间的区间起始时刻下逆变电路的输出有功电流值。

29、结合第二方面第二种可能的实施方式至第二方面第十种可能的实施方式中的任一种，在第十一种可能的实施方式中，控制器还在第二时间区间，基于第二目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第二目标无功电流值由第二目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。

30、结合第二方面第七种可能的实施方式至第二方面第十一种可能的实施方式中的任一种，在第十二种可能的实施方式中，控制器还在第三时间区间，基于第三目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第三目标无功电流值由第三目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。

31、结合第二方面第十种可能的实施方式至第二方面第十二种可能的实施方式中的任一种，在第十三种可能的实施方式中，控制器还在第四时间区间，基于第四目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第四目标无功电流值由第四目标有功电流值和预设最大输出电流值确定。

32、结合第二方面第一种可能的实施方式至第二方面第十三种可能的实施方式中的任一种，在第十四种可能的实施方式中，控制器还在第一时间区间，基于第一目标无功电流值控制逆变电路的输出无功电流，其中，第一目标无功电流值由交流电网的电压跌落值确定。

33、应理解的是，本技术上述多个方面的实现和有益效果可互相参考。