一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法及系统

所属的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“平台”。请参阅图4，本发明再一个实施例中，提供一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换系统，该系统能够用于实现上述基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法，具体的，该基于电流饱和算法的换流器控制模式切换系统包括第一生成模块、第二生成模块、第一判断模块以及第二判断模块。其中，第一生成模块，建立无故障下构网型换流器的外环电压控制方程，定义换流器运行在定电压模式，生成定电压模式下的内环电流参考值和有功功率；第二生成模块，考虑故障下器件的电流限制，定义换流器运行在限电流模式，基于电流饱和算法生成故障下换流器的d轴和q轴电流参考值和有功功率；第一判断模块，定电压模式下，当遭受故障后，故障瞬间换流器的电流幅值超过器件可承受的饱和电流幅值，换流器由定电压模式进入限电流模式运行；第二判断模块，限电流模式下，当换流器输出有功功率实际值和参考值的差值小于给定值后，退出限电流模式，进入定电压模式运行。本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的操作，包括：建立无故障下构网型换流器的外环电压控制方程，换流器运行在定电压模式，生成定电压模式下的内环电流参考值和有功功率；考虑故障下器件的电流限制，换流器运行在限电流模式，基于电流饱和算法生成故障下换流器的d轴和q轴电流参考值；定电压模式下，当遭受故障后，故障瞬间换流器的电流幅值超过器件可承受的饱和电流幅值，换流器由定电压模式进入限电流模式运行；限电流模式下，当换流器输出有功功率实际值和参考值的差值小于给定值后，退出限电流模式，进入定电压模式运行。请参阅图5，终端设备为计算机设备，该实施例的计算机设备60包括：处理器61、存储器62以及存储在存储器62中并可在处理器61上运行的计算机程序63，该计算机程序63被处理器61执行时实现实施例中的基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法，为避免重复，此处不一一赘述。或者，该计算机程序63被处理器61执行时实现实施例基于电流饱和算法的换流器控制模式切换系统中各模型/单元的功能，为避免重复，此处不一一赘述。计算机设备60可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。计算机设备60可包括，但不仅限于，处理器61、存储器62。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是计算机设备60的示例，并不构成对计算机设备60的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。所称处理器61可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器62可以是计算机设备60的内部存储单元，例如计算机设备60的硬盘或内存。存储器62也可以是计算机设备60的外部存储设备，例如计算机设备60上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器62还可以既包括计算机设备60的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器62用于存储计算机程序以及计算机设备所需的其它程序和数据。存储器62还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。请参阅图6，终端设备为芯片，该实施例的芯片600包括处理器622，其数量可以为一个或多个，以及存储器632，用于存储可由处理器622执行的计算机程序。存储器632中存储的计算机程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理器622可以被配置为执行该计算机程序，以执行上述的基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法。另外，芯片600还可以包括电源组件626和通信组件650，该电源组件626可以被配置为执行芯片600的电源管理，该通信组件650可以被配置为实现芯片600的通信，例如，有线或无线通信。此外，该芯片600还可以包括输入/输出接口658。芯片600可以操作基于存储在存储器632的操作系统。本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：建立无故障下构网型换流器的外环电压控制方程，换流器运行在定电压模式，生成定电压模式下的内环电流参考值和有功功率；考虑故障下器件的电流限制，换流器运行在限电流模式，基于电流饱和算法生成故障下换流器的d轴和q轴电流参考值；定电压模式下，当遭受故障后，故障瞬间换流器的电流幅值超过器件可承受的饱和电流幅值，换流器由定电压模式进入限电流模式运行；限电流模式下，当换流器输出有功功率实际值和参考值的差值小于给定值后，退出限电流模式，进入定电压模式运行。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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。利用matlab通过如图2所示的仿真系统，对本发明提出的构网型换流器控制模式切换方法进行仿真验证。以图1所示的方法对采用同步功率控制下的gfm换流器连接到无限大功率母线的系统为例进行分析，其中系统参数设计如表1所示。表1示例系统的相关参数设计本实施例中，设置扰动，使无穷大母线电压us在t＝0.2秒时降至0.1p.u.，在tc＝0.13s秒后恢复到us，基于电流饱和算法考虑构网型换流器控制模式切换的系统动态响应如图3所示。图3描述了在故障持续时间为130ms的情况下，换流器有功功率与有功功率同步控制所提供角度的变化情况；当无穷大母线电压降至0.1p.u.时，换流器的有功功率突然从a点降至b点；因此，换流器的有功功率在扰动期间沿曲线bc移动，然后在故障排除后跳至d点。值得注意的是，d点位于clc模式上；这是由于换流器的电流大于器件所能承受的最大饱和电流，即满足ic≥icmax。由于g点是clc模式下的一个不稳定平衡点，因此换流器的有功功率会沿着de曲线持续移动。一旦psl提供的有功功率实际值和参考值的差值小于0.02，即满足所研究的系统将切换cvc模式运行。因此，换流器将跳至f点，最后沿曲线fa返回a点，稳定运行在cvc模式下。综上所述，本发明一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法及系统，能够在构网型换流器遭受故障后实现在cvc模式和clc模式下的有效切换和暂态稳定性。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random-access memory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备、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。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

背景技术：

1、在现代电力系统中，随着可再生能源接入的快速增长和电力电子技术的不断发展，换流器在能源转换和电力传输中扮演着关键角色。特别是在直流输电、微电网、以及各种可再生能源(如风能、光伏)的并网场景中，换流器的使用极为广泛。然而，随着电网复杂性的增加，换流器的控制技术面临着更高的要求，包括动态响应速度、抗扰动能力、以及电流饱和问题等。研究表明，在发生严重交流故障时，构网型换流器可能会失去同步，甚至一些大扰动会触发控制器的电流限制，把系统转变为一个可切换的动态系统。

2、电流饱和问题是换流器在高负载或突发短路等极端情况下的一个常见问题。当电流超过换流器的设计容量时，换流器进入饱和状态，导致输出电压或电流波形发生畸变，严重影响系统的稳定性和供电质量。传统的换流器控制策略在应对电流饱和问题时存在响应慢、控制精度不高的问题，尤其是在复杂电网结构中，换流器的稳定运行至关重要。因此，开发一种能够有效处理电流饱和问题并实现快速稳定控制的策略显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法及系统，用于解决构网型换流器遭受故障后如何避免器件过流的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法，包括以下步骤：

4、建立无故障下构网型换流器的外环电压控制方程，换流器运行在定电压模式，生成定电压模式下的内环电流参考值和有功功率；

5、考虑故障下器件的电流限制，换流器运行在限电流模式，基于电流饱和算法生成故障下换流器的d轴和q轴电流参考值；

6、定电压模式下，当遭受故障后，故障瞬间换流器的电流幅值超过器件可承受的饱和电流幅值，换流器由定电压模式进入限电流模式运行；

7、限电流模式下，当换流器输出有功功率实际值和参考值的差值小于给定值后，退出限电流模式，进入定电压模式运行。

8、优选地，换流器运行在定电压模式，换流器由外环电压控制输出的内环d轴和q轴电流参考值和分别为：

9、

10、其中，us和up分别为无穷大母线和并网点处电压，xl为线路电抗，θ为换流器同步角。

11、优选地，故障下换流器的d轴和q轴电流参考值和分别为：

12、

13、其中，和分别为clc模式下由电流饱和算法得到的内环d轴和q轴电流参考值，icmax和φ分别为器件能承受的饱和电流幅值和相角。

14、优选地，当计算内环电流参考值时，忽略电流内环控制动态，电流实际值等于参考值被限制为器件的饱和电流，此时定义换流器运行在限电流模式。

15、优选地，定电压模式下，当遭受故障后，换流器由定电压模式进入限电流模式运行的条件为电流幅值超过最大饱和电流幅值，限电流模式下，电流实际值被限制为器件的饱和电流。

16、优选地，电流幅值ic为：

17、

18、其中，us和up分别为无穷大母线和并网点处电压，xl为线路电抗，θ为换流器同步角，j为虚数单位。

19、优选地，遭受故障后换流器的切换控制为：

20、

21、pc＝icmaxuscos(θ+φ),if ic≥icmax→clc模式

22、其中，us和up分别为无穷大母线和并网点处电压，xl为线路电抗，θ为换流器同步角，pc为换流器输出有功功率实际值，为换流器输出有功功率参考值，icmax和φ分别为器件能承受的饱和电流幅值和相角，j为虚数单位。

23、第二方面，本发明实施例提供了一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换系统，包括：

24、第一生成模块，建立无故障下构网型换流器的外环电压控制方程，定义换流器运行在定电压模式，生成定电压模式下的内环电流参考值和有功功率；

25、第二生成模块，考虑故障下器件的电流限制，定义换流器运行在限电流模式，基于电流饱和算法生成故障下换流器的d轴和q轴电流参考值和有功功率；

26、第一判断模块，定电压模式下，当遭受故障后，故障瞬间换流器的电流幅值超过器件可承受的饱和电流幅值，换流器由定电压模式进入限电流模式运行；

27、第二判断模块，限电流模式下，当换流器输出有功功率实际值和参考值的差值小于给定值后，退出限电流模式，进入定电压模式运行。

28、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的步骤。

29、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的步骤。

30、第五方面，一种芯片，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的步骤。

31、第六方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括计算机程序，所述计算机程序被电子设备执行时实现上述基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法的步骤。

32、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

33、一种基于电流饱和算法的换流器控制模式切换方法，通过引入电流饱和算法，突破现有控制技术的限制，为换流器控制领域的进一步研究和创新提供了新的思路，推动电力电子技术的进步；在定电压模式下遭遇故障时，电流可能超出换流器的额定电流承受能力。通过引入电流饱和算法，能够快速检测并判断电流幅值是否超过器件的允许范围，并自动切换至限电流模式，防止设备损坏。该机制有效提高了系统的安全性，确保在极端条件下换流器不会因过流而失效；在限电流模式下，通过实时监测换流器输出的有功功率与参考值的差异，当差值小于给定值时退出限电流模式，恢复至定电压模式。这种机制不仅能够保护设备，还能有效平衡功率输出，避免过度限制电流造成的能量浪费，优化整个系统的能量管理；换流器能够在cvc和clc模式之间自动切换。当系统处于故障状态时，限电流模式优先保证电流不超过设备的安全阈值；而在故障解除或缓解后，系统能自动切换回定电压模式，恢复正常运行。这种灵活的控制切换提高了系统在不同工况下的适应性，避免了手动干预，提升了系统的智能化程度。

34、进一步的，当系统由于负荷突变或故障导致电流上升，器件的饱和电流会成为限制条件。基于电流饱和算法得到电流参考值，控制系统会将参考值限制在饱和电流之下。忽略电流内环控制动态，认为实际电流能够瞬时控制到参考值，此时实际电流受到饱和电流限制，定义运行在限电流模式。限电流模式依赖于反馈控制机制，通过实时监测实际电流与参考值的差异，若实际电流接近饱和电流，控制系统会自动调整参考值以保持在安全范围内，实现有效的保护和稳定。

35、进一步的，换流器在定电压模式下运行时，正常情况下会保持设定的输出电压。然而，当发生短路或其他故障时，电流可能迅速增加，超过器件的最大饱和电流幅值。此时，为了保护设备和维持系统稳定性，换流器将自动切换至限电流模式。限电流模式的主要目的是将换流器的输出电流限制在最大饱和电流，防止过流对设备造成损害。过大的电流会导致器件过热，甚至损坏，通过限制电流至饱和电流，可以有效保护设备，延长其使用寿命。

36、进一步的，基于电流饱和算法和预设的模式切换规则，相较于复杂的多重控制算法，逻辑更为简单且有效。这一简化的控制设计不仅减少了计算负担，还提高了系统的响应速度和控制效率，有助于在硬件资源有限的情况下实现高效控制。

37、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

38、综上所述，本发明通过分析电流饱和特性，设计相应的控制策略，进而实现系统的高效、稳定运行，可以推广应用于多种电力电子设备的控制中，如风力发电、光伏发电、储能系统、柔性直流输电等领域，具有广泛的工程应用价值，并可为其他领域的电力电子技术发展提供借鉴。

39、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。