一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换控制方法

摘要

本发明涉及一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换控制方法。该控制方法中包括电网故障检测模块和并网转离网切换模块。电网故障检测模块包括电压瞬时值预测子模块和电压峰值检测子模块，分别用于检测交流电网电压缓慢变化造成电网故障的情况和检测交流电网电压瞬时改变的情况，由此可以快速及时检测电网电压故障。本发明公开的控制方法可以实现换流器在交流侧电网故障时的并网运行模式无缝切换至离网运行模式，提高负荷供电的持续性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，更具体地，涉及换流器的并网运行转离网运行的控制装置和控制方法。

背景技术

目前随着柔性直流输电技术的日趋成熟和国家的能源互联网政策不断推广，MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)型换流器在电网中得到广泛应用，因此使得多段交流馈线间柔性互联变为可能，并且电网供电运行的可靠性和持续性的要求也越来越高。因此当电网发生故障时，需要通过换流器对发生故障区域建立独立的离网系统，用来保持交流母线稳定的电压和频率，以维持对负荷的不间断供电。

因此，需要提供一种换流器交流并网转离网无缝切换控制方法，实现负荷供电电源的无扰切换。

发明内容

本发明公开了一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换控制方法，其应用于模块化多电平换流器中，实现换流器在交流侧电网故障时的并网运行模式无缝切换至离网运行模式，提高负荷供电的持续性和可靠性。

根据本发明的一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换控制方法，该控制方法用于交直流电网系统的换流器的控制装置中，交直流电网系统包括至少一条交流馈线，与交流馈线连接的交流负载以及所述换流器，与换流器连接的直流母线。

所述控制方法包括：

根据前一周期同一角度时刻采样的交流馈线的电压瞬时值采样值U

根据交流馈线的电压波峰值U

当确定交流馈线发生电网故障时，将换流器的并网运行模式切换为离网运行模式。

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，采用前一周期同一角度时刻采样的交流馈线的电压瞬时值采样值U

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，获取交流馈线的电压波峰值U

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，获取交流馈线的电压波峰值U

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，电压瞬时值采样值U

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，N为3。

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，M为2。

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，将换流器的并网运行模式切换为离网运行模式的步骤包括确定交流馈线发生电网故障时控制换流器工作于控交流电流模式、并离网切换过渡期控制换流器工作于交流下垂模式以及离网运行时控制换流器工作于VF模式。

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，将换流器的并网运行模式切换为离网运行模式的步骤包括：确定交流馈线发生电网故障时，将换流器切换至控交流电流模式，此时换流器向交流馈线方向注入换流器的额定有功电流，并且检测电网故障是否消失，如果检测电网故障消失，则认为换流器处于离网状态；当换流器处于离网状态时，将故障时刻的交流馈线电压的初始相位角赋值给交流下垂控制模式，换流器按照故障前交流馈线电压的额定频率和额定电压幅值以及故障时刻的初始相位角进行输出，使得换流器在检测到交流馈线的进线开关位置为分位前可以和交流馈线并联运行，当检测到交流馈线的进线开关处于断开位置时，将换流器的运行模式自动切换至离网VF模式，即离网V/F变压变频模式。

更进一步，根据本发明的控制方法，其中，检测电网故障是否消失，包括：故障所在的交流馈线的馈线开关断开，换流器的容量足够支持负荷的运行，此时换流器的控制装置会检测到负荷供电端处的交流电压恢复至正常值，由此判断电网故障消失；或者故障所在的交流馈线在馈线开关断开之前，电网恢复，故障消失，由此判断电网故障消失。

附图说明

图1为MMC型换流器并网转离网电路示意图，

图2为MMC型换流器并网转离网控制方法示意图，

图3为电压故障检测方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但是本发明的实施方式不限制于此。

本发明具体实现方案如下：

如图1所示为换流器并网转离网电路示意图。图1中示出了两路交流馈线：交流馈线1和交流馈线2，通过馈线开关K1与交流馈线1相连接的负荷用负荷L1表示，通过另一馈线开关K2与交流馈线2相连接的负荷用负荷L2表示。其中交流馈线1和交流馈线2分别通过换流器C1和换流器C2与直流母线相连，换流器C1和C2为MMC型换流器。换流器C1和换流器C2具有并网运行模式和离网运行模式。当换流器C1运行于并网运行模式时，此时，交流馈线开关K1闭合，交流馈线1与换流器C1的交流侧相连接，换流器C1与交流馈线1进行并网运行；当换流器C1运行于离网运行模式时，此时，通过断开交流馈线开关K1，交流馈线1与换流器C1交流侧的连接被断开，换流器C1将来自直流母线的电压转换为负荷L1所需的电压，负荷L1由换流器C1的交流侧单独供电。换流器C2的运行模式与换流器C1的运行模式相同。该实施例仅为示意，本发明可应用于大于等于两路交流馈线的情况。

当图1中交流馈线1或2任意一路交流馈线出现电网故障时，换流器C1或C2的控制装置可以通过本发明的方法，实现交流馈线电网故障的快速检测，将换流器C1或C2的运行模式由并网运行切换至离网运行模式，实现发生交流馈线电网故障一侧的负荷不断电连续运行。

具体操作如下：首先，换流器运行在并网模式下，此时，如图1所示的换流器的交流侧的交流馈线电压正常，换流器的交流侧通过闭合的馈线开关与交流馈线处于连接状态，进行并行运行。在并网模式下，实时检测交流馈线侧(负荷供电端)的交流瞬时电压值以判断交流馈线是否发生电网故障，当判断到交流馈线发生电网故障后，换流器通过控制其所输出的交流电流，向换流器的交流侧注入换流器额定有功电流，从而防止换流器在交流馈线开关未断开就直接切换至离网VF模式从而可能导致的过流故障。维持当前换流器的控制模式，若检测交流馈线侧(负荷供电端)的交流瞬时电压值恢复后，换流器自动切换为交流下垂模式，此时若检测到交流馈线开关已分闸，换流器切换为离网VF模式，若检测到交流馈线开关仍然处于合闸状态，换流器恢复至交流故障前运行模式。

如图1和2所示，本发明控制装置包含电网故障检测模块和并网转离网切换模块。其中电网故障检测模块包含电压瞬时值预测子模块和电压峰值检测子模块。如图1所示，两个模块通过检测交流馈线(负荷供电端)的电压，从而实时检测电压故障；并网转离网切换模块主要功能为：检测到交流馈线发生电网故障时控制换流器工作于控交流电流模式、并离网切换过渡期控制换流器工作于交流下垂模式以及在换流器离网运行模式下控制换流器工作于离网VF模式。

下面对各个子模块的详细设计进行说明：

如图3所示，检测交流馈线(负荷供电端)三相电压的任一相的电压瞬时值，电压瞬时值预测子模块采用前一周期同一角度时刻采样的上述电压瞬时值的采样值U

如图3所示，电压峰值检测子模块对当前采样时刻的电压瞬时值采样值U

U

其中U

上述两种电网故障检测方法中，前者用于电网电压缓慢变化造成电网故障的情况，后者用于电网电压瞬时改变的情况，可以快速及时检测电网电压故障，保证换流器无缝切换至离网模式。上述两个子模块同时进行计算，并且可以根据实际需要进行单独使用。另外，对交流馈线的三相电压中的每一相均进行上述相同的计算和判断，上述两个子模块中如果判断出三相电压中的任意某一相出现故障即认为是交流馈线发生交流电网故障。

当电网故障检测模块确定当前的交流馈线发生电网故障时，发生故障所在馈线的交流馈线开关自动分闸，换流器控制装置中的并网转离网切换模块将原来换流器的并网运行模式最终切换为离网运行模式，实现换流器输出电压按照电网故障前的电压的额定频率、额定幅值、故障时刻初始相位角进行输出。

该切换模块包含了三种控制模式：检测到交流故障时的控交流电流模式、并离网切换过渡期的交流下垂模式以及离网运行的VF模式。在交流馈线正常运行时，换流器与交流馈线并网运行，换流器可根据应用需求控制功率流向。当电网故障检测模块检测到交流馈线发生电网故障时，换流器在切换模块的控制下自动切换至控交流电流模式，换流器向交流馈线方向注入换流器额定有功电流，同时实时监测电压瞬时值，用来检测换流器是否处于离网状态。换流器容量一般都配置为足够支撑此交流馈线支路的负载，因此当换流器向交流侧注入换流器额定有功电流时，若交流馈线的馈线开关断开，则换流器足够支持负荷的运行，此时换流器的控制装置会检测到负荷的供电交流电压恢复，由此控制装置的电网故障检测模块判断电网故障消失；若交流馈线开关未断开，控制装置的电网故障检测模块将会持续检测到电网故障。

上述换流器向交流侧注入额定有功时，若足以支撑电网恢复时，控制装置的电网故障检测模块判断电网故障消失，并离网切换模块自动将故障前负荷供电端处的电压的初始相位角赋值给交流下垂控制模式，换流器按照(负荷供电端处的)额定频率和额定电压幅值以及故障前的初始相位角进行输出，使得换流器在交流馈线电压由于非金属性短路造成暂时性故障时，未检测到交流馈线的馈线开关位置为分位时可以和交流电网并联运行(此阶段为由于电网的暂降故障，交流电压满足故障判断条件，但交流馈线开关由于分闸指令下发后，实际开关位置并没有分开的阶段。)，待检测到交流馈线的进线开关处于断开位置时，切换模块将换流器的运行模式自动切换至离网VF模式，实现换流器输出电压按照电网故障前的电压的额定频率、额定幅值、故障时刻初始相位角进行输出。

本发明公开了一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换的控制方法，该控制方法包括电压瞬时值预测的步骤。电压瞬时值预测的步骤包括：采用前一周期同一角度时刻采样的电压瞬时值采样值U

该控制方法还包括电压峰值检测的步骤。电压峰值检测的步骤包括：对当前采样时刻的三相电压瞬时值采样值U

U

其中U

该控制方法还包括并网运行模式切换为离网运行模式的步骤。并网运行模式切换为离网运行模式的步骤包括：当电网故障检测模块确定当前的交流馈线发生电网故障时，将原来换流器的并网运行模式最终切换为离网运行模式，实现换流器输出电压按照电网故障前的电压的额定频率、额定幅值、故障时刻初始相位角进行输出。该切换模块包含了三种控制模式：检测到交流故障时的控交流电流模式、并离网切换过渡期的交流下垂模式以及离网运行的VF模式。

另外，本发明提出的一种基于电压瞬时监测的换流器交流并网转离网无缝切换的控制方法的操作以及各项数据可以存储在用于存储各种类型的数据的存储器中，可以理解，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagneticrandom access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic Random AccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data RateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序中。应用程序可以包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。

上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器中，或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)，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。处理器可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成前述方法的步骤。

在示例性实施例中，本发明提出的一种适用于配电网用模块化多电平换流器MMC的交流电压故障穿越与并网转离网统一控制方法可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、DSP、可编程逻辑器件(PLD，Programmable Logic Device)、复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable LogicDevice)、现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU，Micro Controller Unit)、微处理器(Microprocessor)、或其他电子元件实现，用于执行前述方法。

本发明实施例还提供一种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运行时，执行：

根据前一周期同一角度时刻采样的交流馈线的电压瞬时值采样值U

根据交流馈线的电压波峰值U

当确定交流馈线发生电网故障时，将换流器的并网运行模式切换为离网运行模式。

以上实施例为本发明的较佳实施例，但本发明的实施方式不限制于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作出的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的范围内。