交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)及其控制方法
【專(zhuān)利摘要】一種適合于交流電網(wǎng)不平衡的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制器旨在解決交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)入網(wǎng)變流器的輸出行為。由于交流電網(wǎng)故障時(shí)電網(wǎng)負(fù)序分量的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)三相電流不平衡或非正弦、直流側(cè)存在較大電壓紋波、功率波動(dòng)等問(wèn)題，危及變流器安全、縮短變流器壽命，必須要合理控制電網(wǎng)負(fù)序分量對(duì)系統(tǒng)的影響。本發(fā)明采用的d-q同步坐標(biāo)系下靈活正序和負(fù)序控制策略，通過(guò)參變量的調(diào)節(jié)，合理調(diào)整交流網(wǎng)側(cè)電流參考的正負(fù)序含量，使得網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量和系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率得到合理控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的保護(hù)控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] -種適合于交流電網(wǎng)不平衡的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)及其 控制方法，屬于交直流混合電網(wǎng)中變流器控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 交直流電網(wǎng)的應(yīng)用，擴(kuò)大了電力電子變流技術(shù)在電力系統(tǒng)配電領(lǐng)域的應(yīng)用，但已 有的控制方法是以交流電網(wǎng)電壓二相對(duì)稱(chēng)為前提，而二相電網(wǎng)故障是不可避免的。在新能 源并網(wǎng)中若三相電網(wǎng)發(fā)生故障，法規(guī)規(guī)定此時(shí)變流器不能立即離網(wǎng)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)需 具備低電壓穿越能力；在交直流混合型輸配電應(yīng)用中，電網(wǎng)故障時(shí)由于電網(wǎng)負(fù)序分量的存 在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)三相電流不平衡或非正弦、直流側(cè)存在較大電壓紋波、功率波動(dòng)等問(wèn)題，危及 變流器和電網(wǎng)設(shè)備并使其縮短壽命。若三相電流非正弦，這會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害， 如使電網(wǎng)元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)，引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置 的誤動(dòng)作，使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確，對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；若直流側(cè)存在較大紋 波，也是極其有害的，如降低系統(tǒng)效率，干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，在電器上產(chǎn)生諧波，產(chǎn)生 浪涌電壓或電流；若系統(tǒng)的無(wú)功功率波動(dòng)不能合理控制，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的功率因數(shù)，對(duì)公 用電網(wǎng)帶來(lái)不利影響，如導(dǎo)致電流增大和設(shè)備容量增加，使設(shè)備和線(xiàn)路的損耗增加。由于大 量電力電子變流器應(yīng)用在交直流電網(wǎng)中，可通過(guò)控制電力電子器件的通斷達(dá)到合理控制直 流側(cè)電壓紋波、系統(tǒng)功率振蕩以及注入電網(wǎng)電流波形質(zhì)量的目的，提高系統(tǒng)在故障情況下 不間斷運(yùn)行的能力，延長(zhǎng)變流器的使用壽命，減小對(duì)公共電網(wǎng)的危害。
[0003] 現(xiàn)有的控制算法多是以控制有功功率紋波，無(wú)功功率紋波以及網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量 為單一控制目標(biāo)，而在如今新穎的交直流混合電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中需要多方面控制，這就要 求在多個(gè)控制目標(biāo)中進(jìn)行合理控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種適合于交流電網(wǎng)不平衡的交直流混合電網(wǎng)功率變流 器的保護(hù)控制系統(tǒng)及其控制方法，通過(guò)引入調(diào)節(jié)參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整電流參考中的正負(fù)序分量， 可靈活控制網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量和系統(tǒng)功率波動(dòng)，既可在一定程度消除系統(tǒng)瞬時(shí)有功功率的 二倍頻振蕩，又兼顧系統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率的控制。
[0005] 本發(fā)明的特征在于：
[0006] 一種適合于交流電網(wǎng)不平衡的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制器，其特征 在于，以交直流電網(wǎng)為應(yīng)用目標(biāo)，在有功功率紋波、無(wú)功功率紋波以及網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量多 個(gè)控制目標(biāo)尋求適合系統(tǒng)的優(yōu)化控制方案。所述方法含有交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)和控 制器（2)。
[0007] 交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)，所述交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的直流端與直流負(fù) 載（當(dāng)1作交流到直流轉(zhuǎn)換用）相連，或交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的直流端與直流電壓 源相連（當(dāng)1作直流到交流轉(zhuǎn)換用）；所述交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的交流端與電網(wǎng)相 連；
[0008] 控制器（2)，是一種數(shù)字控制電路，采用數(shù)字信號(hào)處理器、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)中的任 何一種；所述控制器⑵的交流網(wǎng)側(cè)交直變換器的控制端與交流網(wǎng)側(cè)交直變換器相應(yīng)的控 制端相連，該控制器按以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)交直變換器的網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量和系統(tǒng)瞬時(shí)有功功 率、瞬時(shí)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)控制。具體的調(diào)節(jié)步驟如下：
[0009] 步驟1.初始化，即在該保護(hù)控制器中設(shè)定以下參數(shù)，所有電流與電壓參數(shù)均采用 標(biāo)么值：
[0010] 設(shè)保護(hù)控制器的鎖相環(huán)q軸參考值V+qMf = 〇,鎖相環(huán)d軸參考值VdMf= 1 ;
[0011] 保護(hù)控制器的鎖相環(huán)角速度的穩(wěn)態(tài)值為由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè)定；
[0012] 保護(hù)控制器的Bus電壓環(huán)給定值VbusMf;
[0013] 保護(hù)控制器的正序電流d軸給定值i+dMf;
[0014] 保護(hù)控制器的正序電流q軸給定值;
[0015] 保護(hù)控制器的負(fù)序電流d軸給定值rdraf;
[0016] 保護(hù)控制器的負(fù)序電流q軸給定值i\ref'
[0017] 第一？1控制器控制系數(shù)1^1和1^1，0〈1^ 1〈1000,0〈1^1〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0018] 第二？1控制器控制系數(shù)1^2和1^2,0〈1^ 2〈1000,0〈1^2〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0019] 第三PI控制器控制系數(shù)kp3和1^3,0'3〈1000,0〈1^〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0020] 第四？1控制器控制系數(shù)1^4和1^4,0〈1^ 4〈1000,0〈1^4〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0021] 第五？1控制器控制系數(shù)1^5和1^5,0'5〈1000,0〈1^ 5〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0022] 第六？1控制器控制系數(shù)1^6和1^6,0〈1^ 6〈1000,0〈1^6〈1000，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀 況設(shè)定；
[0023] 保護(hù)控制參數(shù)k，-l〈k〈l，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè)定；
[0024] 給定參考功率匕，由操作員按直流側(cè)母線(xiàn)電壓控制環(huán)路需求設(shè)定；
[0025] 步驟2.電網(wǎng)電壓正負(fù)序分離和網(wǎng)側(cè)電流正負(fù)序分離按以下步驟執(zhí)行：
[0026] 步驟21.正負(fù)序分離采用解耦雙同步算法，d_q軸分別按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)得出電網(wǎng)電壓正序d_q分量和負(fù)序d_q分量。
[0027] 步驟22.正序和負(fù)序解耦，消除在步驟21中得到的d_q分量中的振蕩，得到電網(wǎng) 電壓d軸正序分量vd+,d軸負(fù)序分量vd，q軸正序分量V:，d軸負(fù)序分量Vq;
[0028] 步驟23.網(wǎng)側(cè)電流正負(fù)序分離采用解耦雙同步算法，d_q軸分別按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)得出網(wǎng)側(cè)電流正序d_q分量和負(fù)序d_q分量；
[0029] 步驟24、正序和負(fù)序解親，消除在步驟23中得到的d-q分量中的振蕩，得到網(wǎng)側(cè)電 流d軸正序分量id+,d軸負(fù)序分量id，q軸正序分量i:，d軸負(fù)序分量iq;
[0030] 步驟3.鎖相環(huán)計(jì)算按以下步驟執(zhí)行：

【權(quán)利要求】
1. 一種適合于交流電網(wǎng)不平衡的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)，其特征 在于，包括交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)和控制器（2); 所述的交流電網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的直流端與直流負(fù)載或直流電壓源相連，該交流電 網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的交流端與電網(wǎng)相連； 所述的控制器（2)的控制端與交流網(wǎng)側(cè)交直變換器（1)的控制端相連，該控制器（2) 的輸入端與電網(wǎng)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述的控制器（2)是一種數(shù)字控制電路，采用數(shù)字信號(hào)處理器、單片機(jī)或計(jì)算機(jī)中。
3. -種權(quán)利要求1所述的交直流混合電網(wǎng)功率變流器的保護(hù)控制系統(tǒng)的控制方法，其 特征在于，該方法包括如下步驟： 步驟1.初始化，即設(shè)定以下參數(shù)，所有電流與電壓參數(shù)均采用標(biāo)么值： 鎖相環(huán)q軸參考值v+ve;f設(shè)為0，鎖相環(huán)d軸參考值V d_Mf設(shè)為1 ; 鎖相環(huán)角速度的穩(wěn)態(tài)值設(shè)為Wci，按電網(wǎng)運(yùn)行情況設(shè)定； Bus電壓環(huán)給定值設(shè)為VbusMf; 正序電流d軸給定值i+dMf;E序電流q軸給定值i 負(fù)序電流d軸給定值rdMf;負(fù)序電流q軸給定值i 第一 PI控制器控制系數(shù)kpl和k n，0〈kpl〈1000, 0〈kn〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 第二PI控制器控制系數(shù)kp2和k i2,0〈kp2〈1000, 0〈ki2〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 第三PI控制器控制系數(shù)kp3和k i3,0〈kp3〈1000, 0〈ki3〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 第四PI控制器控制系數(shù)kp4和k i4,0〈kp4〈1000, 0〈ki4〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 第五PI控制器控制系數(shù)kp5和k i5,0〈kp5〈1000, 0〈ki5〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 第六PI控制器控制系數(shù)kp6和k i6,0〈kp6〈1000, 0〈ki6〈1000,由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè) 定； 保護(hù)控制參數(shù)k，-l〈k〈l，由操作員按電網(wǎng)運(yùn)行狀況設(shè)定； 給定參考有功功率P〇,在交直流變換器中該變量是由直流側(cè)母線(xiàn)電壓控制環(huán)路決定 的，具體值由操作員按系統(tǒng)需求設(shè)定； 步驟2.電網(wǎng)電壓正負(fù)序分離和網(wǎng)側(cè)電流正負(fù)序分離按以下步驟執(zhí)行： 步驟21.電網(wǎng)電壓正負(fù)序分離采用解耦雙同步算法，d-q軸分別按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn)得出電網(wǎng)電壓正序d-q分量和負(fù)序d-q分量； 步驟22.正序和負(fù)序解耦，消除在步驟21中得到的d-q分量中的振蕩，得到電網(wǎng)電壓 d軸正序分量vd+，d軸負(fù)序分量vd?q軸正序分量vq+，d軸負(fù)序分量v，； 步驟23.網(wǎng)側(cè)電流正負(fù)序分離采用解耦雙同步算法，d-q軸分別按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn)得出網(wǎng)側(cè)電流正序d-q分量和負(fù)序d-q分量； 步驟24、正序和負(fù)序解耦，消除在步驟23中得到的d-q分量中的振蕩，得到網(wǎng)側(cè)電流d 軸正序分量id+, d軸負(fù)序分量id，q軸正序分量iq+, d軸負(fù)序分量iq ; 步驟3.鎖相環(huán)計(jì)算按以下步驟執(zhí)行： 步驟31.第一比較器計(jì)算第一 PI控制器的輸入值為V+^f-V+,,;其中，鎖相環(huán)q軸參考 值v+#為電網(wǎng)電壓正序q軸分量 < 的給定值； 步驟32.第一 PI控制器在接收到所述第一比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為+々,J，其中，kpl和k η是第一 PI控制器的控制系數(shù)； 步驟33.第一加法器計(jì)算鎖相環(huán)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓鎖相之后輸出的交流網(wǎng)側(cè)電壓的相位角 Θ，公式如下： ^=J HkplV^+kn\ VrfCli ) +ω〇>； 步驟4.直流Bus電壓環(huán)調(diào)節(jié)按以下步驟執(zhí)行： 步驟41.第二比較器計(jì)算第二PI控制器的輸入值為VbusMf-Vbus，其中，Vbus為直流母線(xiàn) 電壓，單位為標(biāo)么值；Vbusref為V bus的給定值； 步驟42.第二PI控制器在接收到所述第二比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為kp2 (Vtoef-Vbus) +ki2 J (Vbusref-Vbus) dt，其中kp2和k i2是第二PI控制器的控制系數(shù)； 步驟43.乘法器按以下公式計(jì)算Bus電壓環(huán)的輸出： Po= V bus* (kP2 (Vbusref-Vbus) +ki2 J" (V bUsref_VbUS) dt); 式中，Ptl為交直變換器輸出有功功率參考值。 步驟5.計(jì)算d-q軸網(wǎng)側(cè)電流參考值，公式如下：
步驟6.正序d軸電流環(huán)調(diào)節(jié)按以下步驟執(zhí)行： 步驟61.第三比較器計(jì)算第三PI控制器的輸入值：i+d,ef-i+d，其中，i+ d,ef為網(wǎng)側(cè)電流d 軸正序分量i+d的給定值； 步驟62.第三PI控制器在接收到所述第三比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為：()+矣3 ; 式中，kp3和k i3是第三PI控制器的控制系數(shù)；u +d為正序d軸調(diào)制波形； 步驟7.負(fù)序d軸電流環(huán)調(diào)節(jié)按以下步驟執(zhí)行： 步驟71.第四比較器計(jì)算第四PI控制器的輸入值為：rdMf-rd，其中，rd為負(fù)序電流d 軸量，單位為標(biāo)么值；f d的給定值； 步驟72.第四PI控制器在接收到所述第四比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為：) + L 式中，kp4和k i4是第四PI控制器的控制系數(shù)；iTd為負(fù)序d軸調(diào)制波形； 步驟8.正序q軸電流環(huán)調(diào)節(jié)按以下步驟執(zhí)行： 步驟81.通過(guò)第五比較器計(jì)算第五PI控制器的輸入值：i+^f-i+,，其中，i+q為正序電 流q軸量，由步驟2得到，單位為標(biāo)么值；i+_f為i +,的給定值； 步驟82.第四PI控制器在接收到所述第四比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為：",尸U$v/-$)+A：i5 ; 式中，kp5和k i5是第五PI控制器的控制系數(shù)；u +,為正序q軸調(diào)制波形； 步驟9.負(fù)序q軸電流環(huán)調(diào)節(jié)按以下步驟執(zhí)行： 步驟91.第六比較器計(jì)算第六PI控制器的輸入值：Γ,μ-Γ,，其中，Γ,為負(fù)序電流q軸 量，由步驟2得到，單位為標(biāo)么值；r_f為i 的給定值； 步驟92.第六PI控制器在接收到所述第六比較器的輸出后進(jìn)行控制運(yùn)算，輸出相應(yīng)的 控制量為：y,7=\, 式中，kp6和k i6是第六PI控制器的控制系數(shù)；ITq為負(fù)序q軸調(diào)制波形； 步驟10.控制器輸出量： 步驟101.所述控制器通過(guò)上述電壓u+d、u+,、11~和ιΓ,控制交流網(wǎng)側(cè)變換器，實(shí)現(xiàn)變換 器的瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率和直流電壓的控制，單位為標(biāo)么值； 控制器將獲得的u+d、u+q、ifd和u'先經(jīng)過(guò)正負(fù)序dq-abc坐標(biāo)變換，得到u a、％和u c三 個(gè)量，坐標(biāo)變換式子如下：
將ua、ub和u。三個(gè)量作為控制信號(hào)與載波比較，獲得網(wǎng)側(cè)交直變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再將 驅(qū)動(dòng)信號(hào)送到網(wǎng)側(cè)交直變換器的三個(gè)橋臂的控制端，使得網(wǎng)側(cè)交直變換器輸出相應(yīng)的電壓 向量，控制網(wǎng)側(cè)電流，從而調(diào)節(jié)輸出功率。
【文檔編號(hào)】H02J5/00GK104518525SQ201510042435
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2015年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月28日
【發(fā)明者】杭麗君, 李國(guó)杰, 朱明琳, 馮琳, 汪可友, 韓蓓, 江秀臣 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)