一种能量路由器的高压直流故障穿越控制方法及系统与流程

1.本发明属于能量路由器技术领域，更具体地涉及一种能量路由器的高压直流故障穿越控制方法及系统。


背景技术：

2.以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和的关键举措之一，构建县域级高比例新能源新型电力系统是这一伟大目标的重要实现途径。其中，新能源机组电力电子能量互联变换器(能量路由器)是实现100％可再生能源独立电网的多电压等级交直流柔性互联及多端口电能控制的核心装备，对大幅提升能源利用效率和柔性互联交直流电网具有重大意义。
3.模块化多电平(mmc)型能量路由器具有高压直流端口，可接入中高压直流配电网。相比于传统配电网，基于直流柔性互联的交直流混合配电网大幅提高了交流故障应对能力，但也引入了中高压直流线路故障问题。对于mmc或者mmc型能量路由器的高压直流故障穿越控制方法，相关研究已开展，但仍存在一些问题，集中表现为：(1)沿用mmc的直流故障穿越方法，直流故障期间未考虑高压交流电压不对称的复杂情况；(2)在直流故障期间，能量路由器高压交流端口可以为低压侧提供有功功率，为高压交流电网提供无功功率，现有的基于零序电压注入方法缺少考虑过调制的影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能量路由器的高压直流故障穿越控制方法及系统，旨在充分发挥能量路由器在电网故障期间的控制效能，适应其多端口功率传输特点及不同控制模式需求，改善电网故障期间的运行性能，保证能量路由器在电网故障期间的相电容电压的平衡。
5.一种能量路由器的高压直流故障穿越控制方法，包括如下步骤：
6.判断高压直流侧发生极对极短路故障时，闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式；
7.计算高压交流侧有功和无功电流指令，在高压直流故障穿越期间，能量路由器依据计算的高压交流侧有功电流指令为低压直流端口提供有功功率支撑，以及依据计算的无功电流指令为高压交流电网提供无功支撑；
8.对能量路由器的高压侧相电容电压进行pi调节控制，根据高压侧相电容电压pi调节控制的输出得到每一相的不平衡功率，将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器；
9.判断采用基于零序电压注入的方法使得到j相上、下桥臂输出电压参考值出现过调制时，切换为基于负序电流注入的方法。
10.进一步的，所述将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器，具体为：设置k＝1，k倍的不平衡功率
△
p
pj
分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器；
11.所述切换为基于负序电流注入的方法，具体为：将k置0，即k＝0，将(1-k)倍不平衡功率
△
p
pj
分配给基于负序电流注入的相功率平衡控制器，计算得到所需注入的负序桥臂电流指令值。
12.进一步的，所述能量路由器的拓扑结构包括高压级mmc变流器、变压隔离级dab变换器和低压级变换器；所述的mmc变流器由三相组成，每一相包括上下两个桥臂，每个桥臂由n
sm
个子模块和一个桥臂电感组成，每个上桥臂或下桥臂的一端通过n
sm
个子模块与桥臂电感串联后接入高压交流，另一端接入高压直流母线的正极或负极；所述的子模块由直流电容和电力电子开关组成，所述子模块为全桥结构或者全桥/半桥混合结构；所述的变压隔离级dab变换器由6n
sm
个dab变换器电路组成，每个dab变换器的原边的直流分别与高压级mmc子模块的直流电容并联，每个dab变换器的副边直流输出端相互并联形成低压直流母线；所述的低压机变换器并联接入所述的低压直流母线。
13.进一步的，所述闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式，具体包括：若能量路由器高压直流侧采用定功率控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定功率控制外环，切换为电流限流模式；若判断能量路由器高压直流侧采用定直流电压控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定直流电压控制外环，切换为电流限流模式。
14.进一步的，所述注入零序电压u0的幅值u0和相位根据每一相的不平衡功率k
△
p
pj
求取，计算公式为：
[0015][0016]
其中，id和iq为能量路由器高压交流端口三相电流经过park变换，并进行标幺化后的d轴和q轴分量；
△
p
pa
、
△
p
pb
和
△
p
pc
分别为a、b、c三相的相电容电压pi调节控制的输出，由相电容电压pi调节控制的输出得到每一相的不平衡功率
△
ppj，其中j＝a,b,c。
[0017]
进一步的，所述的桥臂电流控制器的j相上、下桥臂输出电压u
pj
、u
nj
的计算公式为：
[0018][0019]
其中，i
pjref
为j相上桥臂电流指令值，i
njref
为j相下桥臂电流指令值，i
pj
为j相上桥臂电流实际值，i
nj
为j相下桥臂电流实际值，u
sj
为高压交流端口j相电压，u
hvdc
为高压直流端口电压，gi为内环桥臂电流控制器。
[0020]
进一步的，所述的j相上、下桥臂输出电压参考值u
pj_ref
、u
nj_ref
的计算公式为：
[0021][0022]
其中，u
pj
、u
nj
分别为桥臂电流控制器的j相上、下桥臂输出电压；u
pj_ref
、u
nj_ref
分别为j相上、下桥臂输出电压参考值u
pj_ref
、u
nj_ref
的幅值；分别为j相上、下桥臂输出电压参考值u
pj_ref
、u
nj_ref
的相位。
[0023]
进一步的，所述基于负序电流注入的相功率平衡控制器具体功能包括：
[0024]
将分配给负序电流产生的功率变换到αβ坐标系，即
△
p
α
、
△
p
β
，并对α轴的量取反，即
△
p’α
、
△
p’β
，计算公式如下：
[0025][0026][0027]
对αβ坐标系的功率和电网电压在dq坐标下的正序分量进行运算，得到负序电流在dq坐标下参考值，即和
[0028][0029]
其中，和分别为高压交流端口电压正序分量在d轴和q轴的分量；
[0030]
将dq坐标下的负序电流参考值变换到abc坐标系，得j相负序电流的调节量i
leg_nsjref
。
[0031][0032]
一种能量路由器的高压直流故障穿越控制系统，包括：
[0033]
第一切换模模块，用于判断高压直流侧发生极对极短路故障时，闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式；
[0034]
电流指令计算模块，用于计算高压交流侧有功和无功电流指令，在高压直流故障穿越期间，能量路由器依据计算的高压交流侧有功电流指令为低压直流端口提供有功功率支撑，以及依据计算的无功电流指令为高压交流电网提供无功支撑；
[0035]
不平衡功率调节模块，用于对能量路由器的高压侧相电容电压进行pi调节控制，根据高压侧相电容电压pi调节控制的输出得到每一相的不平衡功率，将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器；
[0036]
第二切换模模块，用于判断采用基于零序电压注入的方法使得到j相上、下桥臂输出电压参考值出现过调制时，切换为基于负序电流注入的方法。
[0037]
进一步的，所述第一切换模模块闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式，具体包括：若能量路由器高压直流侧采用定功率控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定功率控制外环，切换为电流限流模式；若判断能量路由器高压直流侧采用定直流电压控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定直流电压控制外环，切换为电流限流模式。
[0038]
进一步的，所述不平衡功率调节模块将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器，具体为：设置k＝1，k倍的不平衡功率
△
p
pj
分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器。
[0039]
进一步的，所述第二切换模模块切换为基于负序电流注入的方法，具体为：将k置
0，即k＝0，将(1-k)倍不平衡功率
△
p
pj
分配给基于负序电流注入的相功率平衡控制器，计算得到所需注入的负序桥臂电流指令值。一种能量路由器的高压直流故障穿越控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0040]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0041]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的能量路由器的高压直流故障穿越控制方法。
[0042]
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的能量路由器的高压直流故障穿越控制方法。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0044]
1、本发明提供的高压直流故障穿越控制方法对能量路由器的不同控制模式提出具有针对性的控制策略，在高压直流故障穿越期间充分考虑其控制模式和多端口功率流动，将高压直流电压环/功率环切换为电流限流模式，限制高压直流电流的同时，采用优先基于零序电压注入的相电容电压平衡控制策略，实现能量路由器的相间电容电压的平衡，保障能量路由器在故障期间的安全运行；
[0045]
2、本发明结合桥臂电流控制的内环，采用基于零序电压注入和基于负序电流注入的二者切换策略，若出现过调制情况，采用基于负序电流注入的相电容电压平衡控制策略，可实现在高压直流故障与高压交流电压不对称下能量路由器相间电容电压平衡。
附图说明
[0046]
图1是本发明实施例提供的mmc型能量路由器的结构示意图；
[0047]
图2是本发明实施例中mmc型能量路由器的全桥子模块结构示意图；
[0048]
图3是本发明实施例中mmc型能量路由器的全桥型dab变换器结构示意图；
[0049]
图4是本发明实施例中mmc型能量路由器的半桥型dab变换器结构示意图；
[0050]
图5是本发明实施例中mmc型能量路由器高压直流故障穿越控制流程示意图；
[0051]
图6是本发明实施例中外环高压直流控制器和功率控制器示意图；
[0052]
图7是本发明实施例中能量路由器相间电容电压平衡控制器示意图；
[0053]
图8是本发明实施例中内环桥臂电流控制器示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
图1所示为本发明实施例的mmc型能量路由器的结构示意图，该mmc型能量路由器的拓扑结构包括高压级mmc变流器、变压隔离级dab变换器和低压级变换器；所述的mmc变流器由三相组成，每一相包括上下两个桥臂，每个桥臂由n
sm
个子模块和一个桥臂电感组成，每个上(下)桥臂的一端通过n
sm
个子模块与桥臂电感串联后接入高压交流，另一端接入高压直流母线的正(负)极；所述的子模块由直流电容和电力电子开关组成，所述子模块可以为全桥结构(如附图2所示)以及全桥/半桥混合结构；所述的变压隔离级dab变换器由6n
sm
个dab变换器电路(如附图3和附图4所示)组成，每个dab变换器的原边的直流分别与高压级mmc子
模块的直流电容并联，每个dab变换器的副边直流输出端相互并联形成低压直流母线；所述的低压机变换器并联接入所述的低压直流母线；
[0056]
本发明实施例提供一种能量路由器的高压直流故障穿越控制方法，流程图如图5所示，所述方法包括如下步骤：
[0057]
s1.判断高压直流侧是否发生极对极短路故障，若发生极对极短路故障，则进入步骤s2；否则，能量路由器仍运行于正常状态；具体的，可采集能量路由器高压直流侧电压、电流量，通过采集的能量路由器高压直流侧电压、电流量判断高压直流侧是否发生极对极短路故障。
[0058]
s2.闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式。具体的，若能量路由器高压直流侧采用定功率控制(图6中的n
p
通道)，则闭锁能量路由器高压直流侧的定功率控制外环，切换为电流限流模式(附图6中的f通道)，进入步骤s3；若能量路由器高压直流侧采用定直流电压控制(附图6中的nv通道)，则闭锁能量路由器高压直流侧的定定直流电压控制外环，切换为电流限流模式，进入步骤s3。
[0059]
s3.计算高压交流侧有功和无功电流指令，在高压直流故障穿越期间，能量路由器依据计算的高压交流侧有功电流指令持续为低压直流端口提供有功功率支撑，依据计算的无功电流指令为高压交流电网提供无功支撑，进入步骤s4；
[0060]
s4.能量路由器相间电容电压平衡控制器示意图如图7所示，对能量路由器的高压侧相电容电压进行pi调节控制，得到每一相的不平衡功率
△
p
pj
(j＝a,b,c)；将k倍(0《＝k《1)的不平衡功率
△
p
pj
分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器，计算得到所需注入零序电压u0的幅值u0和相位即，进入步骤s5；
[0061]
所需注入零序电压的幅值u0和相位的计算公式为：
[0062][0063]
其中，id和iq为能量路由器高压交流端口三相电流经过park变换，并进行标幺化后的d轴和q轴分量；
△
p
pa
、
△
p
pb
和
△
p
pc
分别为a、b、c三相的相电容电压pi调节控制的输出，根据电容电压pi调节控制的输出得到每一相的不平衡功率
△
ppj。
[0064]
s5.将能量路由器内环桥臂电流控制的j相上、下桥臂输出电压(u
pj
、u
nj
)与零序电压u0进行叠加，得到j相上、下桥臂输出电压参考值(u
pj_ref
、u
nj_ref
)；若j相桥臂输出电压参考值未发生过调制，结束本控制周期；若j相桥臂输出电压参考值发生过调制，进入步骤s6；
[0065]
所述的桥臂电流控制器示意图如附图8所示，其计算公式为：
[0066][0067]
其中，i
pjref
为j相上桥臂电流指令值，i
njref
为j相下桥臂电流指令值，i
pj
为j相上桥臂电流实际值，i
nj
为j相下桥臂电流实际值，u
sj
为高压交流端口j相电压，u
hvdc
为高压直流端口电压，gi为内环桥臂电流控制器。
[0068]
所述的j相上、下桥臂输出电压参考值u
pj_ref
、u
nj_ref
的计算公式为
[0069][0070]
s6.将k置0，即k＝0，将(1-k)倍不平衡功率
△
p
pj
分配基于负序电流注入的相功率平衡控制器，计算得到所需注入的负序桥臂电流指令值。
[0071]
所述的基于负序电流注入的相功率平衡控制器包括：
[0072]
将分配给负序电流产生的功率变换到αβ坐标系，即
△
p
α
、
△
p
β
，并对α轴的量取反，即
△
p’α
、
△
p’β
，计算公式如下：
[0073][0074][0075]
对αβ坐标系的功率和电网电压在dq坐标下的正序分量进行运算，得到负序电流在dq坐标下参考值，即和
[0076][0077]
其中，和分别为高压交流端口电压正序分量在d轴和q轴的分量。
[0078]
将dq坐标下的负序电流参考值变换到abc坐标系，可得j相负序桥臂电流指令值i
leg_nsjref
。
[0079][0080]
本发明另一方面提供了一种能量路由器的高压直流故障穿越控制系统，包括
[0081]
第一切换模模块，用于判断高压直流侧发生极对极短路故障时，闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式；
[0082]
电流指令计算模块，用于计算高压交流侧有功和无功电流指令，在高压直流故障穿越期间，能量路由器依据计算的高压交流侧有功电流指令为低压直流端口提供有功功率支撑，以及依据计算的无功电流指令为高压交流电网提供无功支撑；
[0083]
不平衡功率调节模块，用于对能量路由器的高压侧相电容电压进行pi调节控制，根据高压侧相电容电压pi调节控制的输出得到每一相的不平衡功率，将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器；
[0084]
第二切换模模块，用于判断采用基于零序电压注入的方法使得到j相上、下桥臂输出电压参考值出现过调制时，切换为基于负序电流注入的方法。
[0085]
其中，所述第一切换模模块闭锁能量路由器高压直流侧的控制外环，并切换为电流限流模式，具体包括：若能量路由器高压直流侧采用定功率控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定功率控制外环，切换为电流限流模式；若判断能量路由器高压直流侧采用定直
流电压控制，则闭锁能量路由器高压直流侧的定直流电压控制外环，切换为电流限流模式。
[0086]
其中，所述不平衡功率调节模块将不平衡功率分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器，具体为：设置k＝1，k倍的不平衡功率
△
p
pj
分配给基于零序电压注入的相功率平衡控制器。
[0087]
其中，所述第二切换模模块切换为基于负序电流注入的方法，具体为：将k置0，即k＝0，将(1-k)倍不平衡功率
△
p
pj
分配给基于负序电流注入的相功率平衡控制器，计算得到所需注入的负序桥臂电流指令值。
[0088]
本发明另一方面提供了一种能量路由器的高压直流故障穿越控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0089]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0090]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的能量路由器的高压直流故障穿越控制方法。
[0091]
本发明另一方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的能量路由器的高压直流故障穿越控制方法。
[0092]
本发明通过在能量路由器高压直流故障穿越期间，充分考虑其控制模式和多端口功率流动，将高压直流电压环/功率环切换为电流限流模式，接着考虑高压侧交流电压不对称工况对能量路由器相间电容电压的影响，采用优先基于零序电压注入的相电容电压平衡控制策略，若出现过调制情况，采用基于负序电流注入的相电容电压平衡控制策略。本发明能够适应能量路由器的多控制模式、多端口功率控制等复杂工况，在高压直流故障穿越期间限制高压直流电流的同时，实现能量路由器的相间电容电压的平衡，保障能量路由器在故障期间的安全运行。
[0093]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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。
[0094]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0095]
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。
[0096]
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。
[0097]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。