一种确定不对称交流电压下换流器直流侧功率极限的方法

摘要

本发明公布了一种确定不对称交流电压下换流器直流侧功率极限的方法，该方法是对于交流侧最大电流为I

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定不对称交流电压条件下换流器直流侧功率极限的方法。

背景技术

在柔性高压直流输电、柔性直流配电网、交直流微网及其他需要交直流变换装置的场合，电压源换流器在其中起着重要作用，它具有独立调控交流侧有功功率与无功功率的能力，同时能够通过一定的控制方式具备直流电压支撑与交流谐波治理的功能。因单相接地短路、相间短路等故障或其他不正常运行会导致换流器交流侧电压出现不对称。由于负序电压、电流的存在，常规控制下的换流器直流侧的有功功率与电压将会产生二倍于系统频率的波动。

当电压不对称时，现有一种基于正负序分离的换流器双环控制方法，该方法采用功率外环和电流内环的控制结构，其外环控制根据功率波动表达式和不对称电压情况，实时计算无波动电流指令，作为内环电流控制的输入，从而消除直流侧有功功率的二倍频波动。

现在还有一种基于反馈线性化电流解耦器的负序电压前馈的换流器不平衡控制方法，抑制了负序电流，简化了控制系统结构。

然而，上述方法均是在不考虑换流器过流能力的前提下有效。当交流电压中的负序分量较大时，为了消除直流侧有功和直流电压的二倍频波动，上述控制方法下的换流器交流电流将超过限制。因此，在不对称条件下，换流器直流侧的有功功率存在极限值。已有方法均未对该极限进行考虑，需要根据交流电压不对称情况进行确定。由于换流阻抗上功率波动的存在，确定直流功率极限的过程需要求解关于交流电流指令的超越方程，无法求得解析解，因此需要数值方法来解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定不对称交流电压下换流器直流侧功率极限的方法，在换流器交流侧电压不对称时，综合考虑换流阻抗上的波动和和系 统功率波动的关系，采用数值迭代方法求解波动功率的超越方程，通过电流越限判断对功率极限进行实时调整，确定出最接近换流器直流侧功率极限解析值的数值解，为控制系统提供功率指令上限，可以有效消除不对称电压下换流器直流电压的波动及换流器过载。

为实现上述发明的目的，本发明所采用的技术方案是：针对交流侧最大电流为I_z的换流器，当其工作在三相电压不对称时，通过数值迭代方法确定换流器直流侧的功率极限。具体过程如下：

步骤1：对交流不对称三相电压进行坐标变换得到旋转坐标下的d轴电压正负序分量和q轴电压正负序分量：

步骤2：设定换流器直流侧功率极限迭代初值P₀和交流侧电流迭代初值I_am(0)，I_bm(0)，I_cm(0)，同时令迭代次数变量i＝0；

步骤3：进行第i次数值迭代，由当前三相交流电流幅值I_am(i)，I_bm(i)，I_cm(i)计算换流阻抗上的功率波动P_LRcos(i)和P_LRsin(i)，根据不对称交流电压信息和直流侧无波动功率约束条件，由下式求得交流电流指令值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{sd}^{+}\\ i_{sq}^{+}\\ i_{sd}^{-}\\ i_{sq}^{-}\end{array}\right)=\frac{2}{3}{\left(\begin{array}{cccc}{u}_{sd}^{+}& u_{sq}^{+}& u_{sd}^{-}& u_{sq}^{-}\\ u_{sd}^{-}& u_{sq}^{-}& u_{sd}^{+}& u_{sq}^{+}\\ u_{sq}^{-}& -u_{sd}^{-}& -u_{sq}^{+}& u_{sd}^{+}\\ u_{sq}^{+}& -u_{sd}^{+}& u_{sq}^{-}& -u_{sd}^{-}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{P}_0\left(i\right)\\ P_{LR\cos }\left(i\right)\\ P_{LR\sin }\left(i\right)\\ 0\end{array}\right)$

根据该交流电流指令值，求得迭代后的三相交流电流幅值I_am(i+1)，I_bm(i+1)，I_cm(i+1)；

步骤4：由下式计算迭代收敛因子k：

$k=\frac{\sqrt{{\left(I_{am}\right(i)-I_{am}(i+1\left)\right)}^2+{\left(I_{bm}\right(i)-I_{bm}(i+1\left)\right)}^2+{\left(I_{cm}\right(i)-I_{cm}(i+1\left)\right)}^2}}{I_z}$

设定δ为收敛门槛值，若k<δ，则迭代已收敛，进入步骤5；若k>δ，则迭代还未收敛，i＝i+1，返回步骤3；

步骤5：对本次迭代结果用下式进行过流判断：

$\frac{max\{I_{am},I_{bm},I_{cm}\}}{I_z}<1$

若上式成立，则调整当前功率极限，由P₀-ΔP替代P₀，返回步骤2，其中ΔP功率极限调整量；若上式不成立，进入步骤6；

步骤6：对本次迭代结果用下式进行功率裕度判断：

$1-\frac{max\{I_{am},I_{bm},I_{cm}\}}{I_z}<\sigma$

式中σ为设定的功率裕度门槛；若上式不成立，由P₀+ΔP替代P₀，返回步骤2；若上式成立，则认为此时的功率值P₀(i)即为直流侧功率输出极限值P_0max。

上述技术方案中，步骤2中的功率极限迭代初值P₀取值范围为0<P₀<2P_N，P_N为换流器的额定功率。

所述的收敛门槛值δ的取值范围为0<δ<1。

所述的功率裕度门槛值σ的取值范围为0<σ<1。

所述的功率极限调整量ΔP的取值范围为0<ΔP<P₀。

与现有技术相比，本发明所述确定不对称电压下换流器直流侧功率极限的方法，其优点在于：本发明综合利用了换流器交流侧系统功率和换流阻抗上的功率波动关系，并通过数值迭代的方法来确定换流器直流侧功率极限。当换流器运行在交流电压不对称条件下，本发明为换流站提供功率运行上限，在该功率极限以下，因不对称电压引起的直流电压二倍频波动可以被有效消除。同时当换流器运行在该及线下可以有效防止换流器过流。

附图说明

图1是本发明方法的实施例示意图。

图2是不对称电压条件下确定换流器直流侧功率极限的方法流程图。

具体实施方式

图1所示为一个柔性直流换流站接入交、直流系统的简化模型，本发明方法在智能测控装置1中进行计算。智能测控装置1的模拟量采集模块通过交流电压互感器2连接换流器交流电源侧，其通信模块连接VSC控制系统3的通信模块。

如图2所示，智能测控装置1通过人机界面获取换流器交流侧过流能力I_z、系统换流阻抗L和R、功率极限初值P₀以及交流侧电流迭代初值I_am(0)，I_bm(0)，I_cm(0)，通过模拟量采集回路获取交流不对称电压信息u_sa，u_sb，u_sc，随后由中央处理单元通过数字滤波求得形成电压矩阵U，中央处理单元综合系统交流侧功率与换流阻抗上功率的波动关系，迭代求解换流器直流侧功率极限。具体步骤如下：

步骤1：对交流不对称三相电压进行坐标变换得到旋转坐标下的d轴电压正负序分量和q轴电压正负序分量：

步骤2：设定换流器直流侧功率极限迭代初值P₀和交流侧电流迭代初值I_am(0)，I_bm(0)，I_cm(0)，同时令迭代次数变量i＝0；其中0<P₀<2P_N，P_N为换流器的额定功率；

步骤3：进行第i次数值迭代，由当前三相交流电流幅值I_am(i)，I_bm(i)，I_cm(i)计算换流阻抗上的功率波动P_LRcos(i)和P_LRsin(i)，根据不对称交流电压信息和直流侧无波动功率约束条件，由下式求得交流电流指令值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{sd}^{+}\\ i_{sq}^{+}\\ i_{sd}^{-}\\ i_{sq}^{-}\end{array}\right)=\frac{2}{3}{\left(\begin{array}{cccc}{u}_{sd}^{+}& u_{sq}^{+}& u_{sd}^{-}& u_{sq}^{-}\\ u_{sd}^{-}& u_{sq}^{-}& u_{sd}^{+}& u_{sq}^{+}\\ u_{sq}^{-}& -u_{sd}^{-}& -u_{sq}^{+}& u_{sd}^{+}\\ u_{sq}^{+}& -u_{sd}^{+}& u_{sq}^{-}& -u_{sd}^{-}\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{P}_0\left(i\right)\\ P_{LR\cos }\left(i\right)\\ P_{LR\sin }\left(i\right)\\ 0\end{array}\right)$

根据该交流电流指令值，求得迭代后的三相交流电流幅值I_am(i+1)，I_bm(i+1)，I_cm(i+1)；

步骤4：由下式计算迭代收敛因子k：

$k=\frac{\sqrt{{\left(I_{am}\right(i)-I_{am}(i+1\left)\right)}^2+{\left(I_{bm}\right(i)-I_{bm}(i+1\left)\right)}^2+{\left(I_{cm}\right(i)-I_{cm}(i+1\left)\right)}^2}}{I_z}$

设定δ为收敛门槛值，0<δ<1，若k<δ，则迭代已收敛，进入步骤5；若k>δ，则迭代还未收敛，i＝i+1，返回步骤3；

步骤5：对本次迭代结果用下式进行过流判断：

$\frac{max\{I_{am},I_{bm},I_{cm}\}}{I_z}<1$

若上式成立，则调整当前功率极限，由P₀-ΔP替代P₀，返回步骤2，其中ΔP为功率极限调整量；若上式不成立，进入步骤6；

步骤6：对本次迭代结果用下式进行功率裕度判断：

$1-\frac{max\{I_{am},I_{bm},I_{cm}\}}{I_z}<\sigma$

式中σ为设定的功率裕度门槛，0<σ<1；若上式不成立，由P₀+ΔP替代P₀，返回步骤2；若上式成立，则认为此时的功率值P₀(i)即为直流侧功率输出极限值P_0max。

智能测控装置1将运算得到的换流器直流侧功率极限P_0max通过通信模块 传输到换流器控制系统中。换流器控制系统的通信系统接收到功率极限信息，将实时调整控制器功率外环指令值，继而通过内环产生出发脉冲信号，触发换流器开关的导通与关闭。

本发明所述确定不对称电压下换流器直流侧功率极限的方法，可以用于所有采用电压源换流器的交直流变换场合的控制系统中，并且对于任意一种电压不对称情况，都能根据其电压信息快速确定直流侧功率极限，为换流站提供功率指令上限，提高其故障下的运行能力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。