一种电力电子换流器低电压穿越控制方法及装置与流程

1.本发明属于电力设备技术领域，尤其涉及一种电力电子换流器低电压穿越控制方法及装置。


背景技术：

2.随着新能源电力的不断发展，以光伏和风电为主的新能源电源广泛通过电力电子换流设备接入系统，形成了高比例新能源和高比例电力电子设备的新型电力系统。新能源的接入，不仅改变了电力系统的静态电压稳定和同步稳定特性，同时对电力系统故障期间的动态稳定特性也造成了深刻影响。为保证在故障期间新能源设备的生存能力，使其不脱网运行并同时向电力系统提供电压支撑，低电压穿越技术被广泛地应用，并且取得了很好的效果。
3.常规的低电压穿越方法主要着眼为电力系统提供电压支撑的能力，传统方法是尽可能地提高电力电子换流器的无功电流，同时将有功电流降低。然而，当电力系统的主要矛盾是故障期间的有功功率不平衡，进而导致频率出现不稳定等问题时，该方法可能不是最佳选择。但是若提升有功电流，可能引起低压穿越期间失去运行平衡点。因此，有必要提出能够提供有功功率支撑，并能保证低电压穿越期间系统存在平衡点的，相对简单的低电压穿越控制方法。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中低电压穿越控制时大多采取降低有功电流的方式，以无功电流为主导进行控制，这样造成电力系统的有功功率缺额较大，进而对频率响应造成不利影响的技术问题，本发明提出了一种在低电压穿越控制时既能够尽可能抬升有功功率，又能够避免穿越期间失去运行平衡点的方法，使电力系统能够在低电压穿越控制期间稳定运行。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电力电子换流器低电压穿越控制方法，包括：获取电力电子换流器的端电压，根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将有功电流置零；确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束；在满足平衡点存在约束的情况下持续提升有功电流，当有功电流抬升至平衡点存在约束的边界时，停止提升有功电流，直至端电压从低穿状态中恢复正常。
6.可选的，所述确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束，包括：根据电力系统发生断路故障后的拓扑结构变化，确定电力系统的等值电抗值的上确界x
max
；确定所述平衡点存在约束为：
其中，i
dref
是直接受控的电力电子换流器低电压穿越期间发出的有功电流，v是电力电子换流器的端电压；i
qref
是电力电子换流器在低电压穿越期间发出的无功电流，i
max
是电力电子换流器的电流限值。
7.可选的，所述控制方法在停止提升有功电流，控制当前的有功电流维持不变，使电力系统进行故障稳态阶段。
8.可选的，当端电压从低穿状态中恢复正常时，所述方法还包括：切换电力电子换流器到外环控制。
9.本实施例还对应提出了一种电力电子换流器低电压穿越控制装置，包括：置零单元：用于获取电力电子换流器的端电压，根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将有功电流置零；约束单元：用于确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束；控制单元：用于在满足平衡点存在约束的情况下持续提升有功电流，当有功电流抬升至平衡点存在约束的边界时，停止提升有功电流，直至端电压从低穿状态中恢复正常。
10.可选的，所述约束单元用于：根据电力系统发生断路故障后的拓扑结构变化，确定电力系统的等值电抗值的上确界x
max
；确定所述平衡点存在约束为：；确定所述平衡点存在约束为：其中，i
dref
是直接受控的电力电子换流器低电压穿越期间发出的有功电流，v是电力电子换流器的端电压；i
qref
是电力电子换流器在低电压穿越期间发出的无功电流，i
max
是电力电子换流器的电流限值。
11.可选的，所述控制单元还用于在停止提升有功电流，控制当前的有功电流维持不变，使电力系统进行故障稳态阶段。
12.可选的，所述控制单元还用于：当端电压从低穿状态中恢复正常时，切换电力电子换流器到外环控制。
13.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明只需单纯提升故障期间的有功电流，并基于实测的端口电压和无功电流参考值，通过判据限制有功电流的上升，控制逻辑简单，在保障故障期间换流器穿越能力的同时，能够提升换流器有功输出，同时兼顾一定的无功输出。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例一提出的一种电力电子换流器低电压穿越控制方法的流程示
意图；图2为本发明实施例一提出的电力系统断路故障时的低电压穿越控制流程图；图3为不采用低电压穿越控制时电力电子换流器的端电压仿真波形图；图4为不采用低电压穿越控制时电力电子换流器的功率仿真波形图；图5为采用传统的低电压穿越控制时电力电子换流器的端电压仿真波形图；图6为采用传统的低电压穿越控制时电力电子换流器的功率仿真波形图；图7为采用本发明实施例中的低电压穿越控制时电力电子换流器的端电压仿真波形图；图8为采用本发明实施例中的低电压穿越控制时电力电子换流器的功率仿真波形图；图9为本发明实施例二提出的一种电力电子换流器低电压穿越控制装置的结构示意图。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
18.应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
19.应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含a、b和c”、“包含a、b、c”是指a、b、c三者都包含，“包含a、b或c”是指包含a、b、c三者之一，“包含a、b和/或c”是指包含a、b、c三者中任1个或任2个或3个。
21.应当理解，在本发明中，“与a对应的b”、“与a相对应的b”、“a与b相对应”或者“b与a相对应”，表示b与a相关联，根据a可以确定b。根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其他信息确定b。a与b的匹配，是a与b的相似度大于或等于预设的阈值。
22.取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
23.下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
24.实施例一：如图1所示，本实施例提出了一种电力电子换流器低电压穿越控制方法，包括：s1：获取电力电子换流器的端电压，根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将有功电流置零；s2：确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束；s3：在满足平衡点存在约束的情况下持续提升有功电流，当有功电流抬升至平衡点存在约束的边界时，停止提升有功电流，直至端电压从低穿状态中恢复正常。
25.本实施例提出一种在交流电力系统故障期间能够保证平衡点存在并且提供有功功率支撑的电力电子换流设备改进型低电压穿越控制方法该方法适用于故障期间对电压水平要求不高，但对有功功率平衡和频率稳定要求较高的电力系统。该方法在保障故障期间换流器穿越能力的同时，能够提升换流器有功输出，同时兼顾一定的无功输出，且控制方法易于执行，为换流器低电压穿越控制设计提供了新的思路。
26.所述控制方法具体如图2所示，将电力电子换流器作为需要控制的设备，开始时检测设备端电压水平，判断是否进入低穿，若否则返回上一步骤循环检测端电压。若是，即根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将设备的有功电流置零，这里先对有功电流置零处理的目的在于保证平衡点存在。
27.随后，低电压穿越控制方法将抬升有功电流，并判断有功电流是否达到限值。在本实施例中，所述确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束，包括：根据电力系统发生断路故障后的拓扑结构变化，确定电力系统的等值电抗值的上确界x
max
；确定所述平衡点存在约束为：；确定所述平衡点存在约束为：其中，i
dref
是直接受控的电力电子换流器低电压穿越期间发出的有功电流，v是电力电子换流器的端电压；i
qref
是电力电子换流器在低电压穿越期间发出的无功电流，i
max
是电力电子换流器的电流限值。
28.上述公式(1)的推导过程如下：考虑故障期间内环控制动态的系统潮流雅克比矩阵是：其中，x是系统的等值内电势。令其行列式大于等于0，判断系统平衡点存在的不等式是：
因此可得：
29.在上述推导过程的基础上，进一步确定电力系统发生故障后新的等值电抗值得上确界x
max
，以得到完整的平衡点存在约束。
30.对于断路故障，在确定所述等值电抗值的上确界x
max
时，系统等值电抗增大。考虑系统可能的拓扑结构变化，确定系统等值电抗值的上确界x
max
，且有x
max
≥x。
31.图2所示为电力系统发生故障时的判断过程，当有功电流尚未达到限值，即有功电流未达到i
max
时，继续实时计算平衡点裕度，即判断是否满足公式(1)，若未满足公式(1)，则继续抬升有功电流，直至同时满足公式(1)，并基于公式(2)同时分配无功电流。此外，由图2可知，当有功电流达到限值，即有功电流已经抬升到达i
max
的时候，则跳过对是否满足公式(1)的判断步骤，直接保持电流指令不变，即受设备本身的过流限制不再继续抬升有功电流。
32.由于电力系统在短路故障时，其新的等值内电势e
*
和等值阻抗x
*
的表达式分别为：其中，e是电力系统故障前的等值内电势，x是电力系统故障钱的等值阻抗；a是电力系统的故障位置参数；m的表达式为：由此可见，短路故障时，电力系统的等值电抗减小，对等值电抗上确界没有影响。因此本实施例对于电力系统发生短路故障时，也能够满足上述公式(1)所表达的平衡点存在约束，保证低压穿越控制过程中存在平衡点。
33.在本实施例中，所述控制方法在停止提升有功电流，控制当前的有功电流维持不变，使电力系统进行故障稳态阶段。
34.当故障恢复时，即当端电压从低穿状态中恢复正常时，所述方法还包括：切换电力电子换流器到外环控制。
35.在本实施例中，采用matlab/simulink软件建立电力电子换流器并网系统，系统的参数如下表1所示。
36.表1
当时间t＝5s时，设置0.3h的端口三相接地短路故障，持续0.5s。如果不采用低电压穿越控制，端口电压和设备功率波形如图3、图4所示。可知系统由于失去平衡点而失稳。
37.采用传统低电压穿越控制，在故障期间，设备有功电流降至极低，无功电流增加，端口电压和设备功率波形如图5、图6所示。可知系统没有失去平衡点，且电压支撑良好，但此时有功功率缺额较大。
38.采用本实施例所述低电压穿越控制，在故障期间，设备有功电流保持一定水平，无功电流受有功功率影响而降低，端口电压和设备功率波形如图7、图8所示。可知系统没有失去平衡点，且有功功率缺额较小，实现了有功功率支撑。
39.实施例二如图9所示，本实施例提出了一种电力电子换流器低电压穿越控制装置4，包括：置零单元41：用于获取电力电子换流器的端电压，根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将有功电流置零；约束单元42：用于确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束；控制单元43：用于在满足平衡点存在约束的情况下持续提升有功电流，当有功电流抬升至平衡点存在约束的边界时，停止提升有功电流，直至端电压从低穿状态中恢复正常。
40.本实施例提出一种在交流电力系统故障期间能够保证平衡点存在并且提供有功功率支撑的电力电子换流设备改进型低电压穿越控制方法。该方法适用于故障期间对电压水平要求不高，但对有功功率平衡和频率稳定要求较高的电力系统。该方法在保障故障期间换流器穿越能力的同时，能够提升换流器有功输出，同时兼顾一定的无功输出，且控制方法易于执行，为换流器低电压穿越控制设计提供了新的思路。
41.所述控制单元将电力电子换流器作为需要控制的设备，开始时检测设备端电压水平，判断是否进入低穿，若否则返回上一步骤循环检测端电压。若是，即根据端电压判断电力系统进入低穿状态时，将设备的有功电流置零，这里先对有功电流置零处理的目的在于保证平衡点存在。
42.随后，低电压穿越控制方法将抬升有功电流，并判断有功电流是否达到限值。在本实施例中，所述确定低电压穿越控制时的平衡点存在约束，包括：根据电力系统发生断路故障后的拓扑结构变化，确定电力系统的等值电抗值的上
确界x
max
；确定所述平衡点存在约束为：；确定所述平衡点存在约束为：其中，i
dref
是直接受控的电力电子换流器低电压穿越期间发出的有功电流，v是电力电子换流器的端电压；i
qref
是电力电子换流器在低电压穿越期间发出的无功电流，i
max
是电力电子换流器的电流限值。
43.上述公式(1)的推导过程如下：考虑故障期间内环控制动态的系统潮流雅克比矩阵是：其中，x是系统的等值内电势。令其行列式大于等于0，判断系统平衡点存在的不等式是：因此可得：
44.在上述推导过程的基础上，进一步确定电力系统发生故障后新的等值电抗值得上确界x
max
，以得到完整的平衡点存在约束。
45.对于断路故障，在确定所述等值电抗值的上确界x
max
时，系统等值电抗增大。考虑系统可能的拓扑结构变化，确定系统等值电抗值的上确界x
max
，且有x
max
≥x。
46.图2所示为电力系统发生故障时的判断过程，当有功电流尚未达到限值，即有功电流未达到i
max
时，继续实时计算平衡点裕度，即判断是否满足公式(1)，若未满足公式(1)，则继续抬升有功电流，直至同时满足公式(1)，并基于公式(2)同时分配无功电流。此外，由图2可知，当有功电流达到限值，即有功电流已经抬升到达i
max
的时候，则跳过对是否满足公式(1)的判断步骤，直接保持电流指令不变，即受设备本身的过流限制不再继续抬升有功电流。
47.由于电力系统在短路故障时，其新的等值内电势e
*
和等值阻抗x
*
的表达式分别为：其中，e是电力系统故障前的等值内电势，x是电力系统故障钱的等值阻抗；a是电力系统的故障位置参数；
m的表达式为：由此可见，短路故障时，电力系统的等值电抗减小，对等值电抗上确界没有影响。因此本实施例对于电力系统发生短路故障时，也能够满足上述公式(1)所表达的平衡点存在约束，保证低压穿越控制过程中存在平衡点。
48.在本实施例中，所述控制单元在停止提升有功电流，控制当前的有功电流维持不变，使电力系统进行故障稳态阶段。
49.当故障恢复时，即当端电压从低穿状态中恢复正常时，所述控制装置还用于切换电力电子换流器到外环控制。
50.上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
51.以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。