[發(fā)明專利]基于換流器并網(wǎng)阻抗模型的故障穿越性能提高方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011531775.3
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112636342A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設計）人: 郭煥;劉敏;劉雄
• 申請（專利權(quán)）人: 暨南大學
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/36
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 盧澤明

1.基于換流器并網(wǎng)阻抗模型的故障穿越性能提高方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、復函數(shù)空間矢量的構(gòu)建

1)、基本變量的復函數(shù)空間矢量表達式構(gòu)建

換流器采用具有內(nèi)環(huán)DQ電流控制和外環(huán)直流電壓控制的三相電壓源換流器，在電網(wǎng)故障條件下，考慮公共連接點PCC正序基波電壓、負序擾動和零序擾動分量，相位A的公共連接點PCC電壓表示如公式(1)所示：

其中V₁表示電壓基波正序分量，V_n表示電壓基波負序分量，V₀表示電壓基波零序分量；和分別為V₁、V_n、V₀各分量的相位，以下電壓電流幅值和相位以相同的方式表示，直流側(cè)電壓由直流分量和擾動分量組成，其復函數(shù)空間矢量如公式(2)所示：

其中，ω_m＝2ω₁；

2)、鎖相環(huán)的復函數(shù)空間矢量表達式構(gòu)建

三相電壓源換流器中內(nèi)部電流控制包括電流補償器Hi(s)、解耦增益部分kd和電壓前饋增益部分kv，為提高故障穿越性能，三相電壓源換流器鎖相環(huán)消除因負序電壓引起的擾動，通過該鎖相環(huán)，理想條件下由不對稱電網(wǎng)故障引起的鎖相環(huán)角度偏差被消除，以DSC運算單元的延遲信號消除法為例，其消除負序電壓擾動的函數(shù)如公式(3)所示：

其中T1是基本周期，對于利用特殊設計消除跟蹤角度偏差的鎖相環(huán)，其Park和Park逆變換函數(shù)中，T_K和T_R分別表示如公式(4)所示：

步驟二、性能分析

首先，獲得并網(wǎng)序阻抗模型；

1)、對于具有單電流控制單元的常規(guī)控制結(jié)構(gòu)，其基本擾動分量計算包括以下步驟：

根據(jù)控制環(huán)節(jié)的信號流程，可獲得交流電流基波分量如公式(5)所示：

從而進一步獲得交流側(cè)擾動電流基本對稱分量如公式(6)所示：

其中，ω_p＝ω_m+ω₁，ω_n＝ω_m-ω₁，Y_dp(jω_p)、Y_dn(jω_n)的計算如公式(7)所示，公式(6)中的導納矩陣表示折算到交流側(cè)的換流器序?qū)Ъ{，

直流側(cè)擾動電流如公式(8)所示：

其中，Y_dd(jω_m)的計算如公式(9)所示：

公式(8)中的導納矩陣表示折算到直流側(cè)的換流器導納，考慮直流電路的影響，交流側(cè)電流擾動分量的計算如公式(10)所示：

其中，Y_dc(jω_m±jω₁)的計算如公式(11)所示：

Y_dc(s±jω₁)是折算到交流側(cè)看的換流器并網(wǎng)序?qū)Ъ{矩陣，同樣地，通過推導直流側(cè)的擾動電流如公式(12)所示：

其中，Y_ac(jω_m)為擾動從交流側(cè)傳播到直流側(cè)的集總轉(zhuǎn)移導納，忽略交直流耦合和換流器電感上的壓降，得到公式(13)：

2)、對于具有基于正、負序?qū)ΨQ分量的雙電流控制單元的控制結(jié)構(gòu)，其基本擾動分量計算包括以下步驟：

雙電流控制單元的控制結(jié)構(gòu)采用分別調(diào)節(jié)基波分量FC和負序分量NC的典型結(jié)構(gòu)，每個控制單元采用與步驟一中所述三相電壓源換流器相同的結(jié)構(gòu)；

除利用步驟一中公式(3)，以DSC運算單元的延遲信號消除法獲得基波分量外，額外增加DSC運算單元提取PCC電壓的負序分量，得到公式(14)：

根據(jù)控制回路中的交流和直流電壓信號的流程，交流電壓信號的流程與交流電流信號流程相同，但其中正序電壓擾動可以忽略；以及直流電壓和q軸電流參考量的流程相同于Vdc的流程，從信號流程可獲得基波分量與步驟一一致，而得到擾動分量如公式(15)所示：

公式(15)中，為交流信號調(diào)制系數(shù)中正序擾動的復函數(shù)空間分量，為交流信號調(diào)制系數(shù)中負序擾動的復函數(shù)空間分量，-ω_n代表該負序擾動的復函數(shù)空間分量的頻率為ω_n；

其中，負序分量控制單元中負序分量的頻率為零，同理推導出換流器交流電流的擾動分量如公式(16)所示：

其中，Y_dp(jω_p)、Y_dn(jω_n)的計算如公式(17)所示：

導納矩陣Y_dc(s±jω₁)計算如公式(18)所示：

進一步推導可獲得換流器直流電流的電流擾動如公式(19)所示：

忽略交直流耦合和換流器電感上的壓降，得到如公式(20)所示：

3)、故障穿越性能的提高

從公式(7)可知，直流電流擾動僅當以下條件下時為零，從而提高直流側(cè)故障穿越性能，如公式(21)所示：

忽略交直流耦合和換流器電感電壓的影響，由公式(21)得到公式(22)：

由公式(21)、公式(22)可知，通過調(diào)節(jié)負序電流來平衡交直流功率平衡，只有當以下條件得到滿足，換流器交流電流中的基本擾動分量才能消除，從而提高交流側(cè)故障穿越性能，如公式(23)所示：

從公式(7)可知，消除交流側(cè)擾動分量，提高交流側(cè)故障穿越性能，需要同時控制正序和負序擾動分量；以上基于兩重電流控制單元的控制結(jié)構(gòu)，只使用了負序電流控制單元對負序分量進行控制；因此，換流器交流電流中的正序擾動仍然存在；如公式(21)、公式(22)和公式(23)所示，減小這兩個基本擾動分量也會減小非線性行為引起的擾動諧波；當需獲得高質(zhì)量電流，在交直流耦合關(guān)系較為密切的情況下，調(diào)節(jié)基本正序擾動分量是必要的；

4)、基于以上分析，對具有三重電流控制單元的控制結(jié)構(gòu)，其基本擾動分量計算包括以下步驟：

在三重電流控制單元結(jié)構(gòu)中，基波分量控制單元的控制結(jié)構(gòu)和負序分量控制單元的控制結(jié)構(gòu)與雙電流控制單元結(jié)構(gòu)相同，同時增加了正序擾動分量控制單元，正序擾動分量控制單元采用與步驟一中所述三相電壓源換流器相同的結(jié)構(gòu)；由于正序擾動的頻率是基頻的三倍，其鎖相環(huán)的Park變換及其逆變換同步角也是基波分量控制單元的控制結(jié)構(gòu)和負序分量控制單元的控制結(jié)構(gòu)的三倍，解耦增益部分是3k_d而不是k_d；由于公式(14)中的DSC運算單元不能阻止正序擾動成分，因此，用于提取負序擾動分量和正序擾動分量的模塊，如公式(24)和公式(25)所示：

同樣，根據(jù)三重電流控制單元結(jié)構(gòu)控制回路中交流信號的流程量，其中交流電壓信號的流程與此類似；而直流電壓信號的流程如雙電流控制單元結(jié)構(gòu)中直流電壓外環(huán)控制信號流程，因此，三重電流控制單元結(jié)構(gòu)調(diào)制系數(shù)中的擾動對稱分量可歸納的計算公式，如公式(26)所示：

調(diào)制系數(shù)和換流器交流電流的基本分量與步驟一中單電流控制單元結(jié)構(gòu)的基本分量相同，換流器交流電流中的擾動分量可推導獲得如公式(27)所示：

正序電流擾動的參考量應設置為零，從而獲得公式(28)和公式(29)

Y_dp(s+jω₁)＝Y(jié)_dn(s-jω₁)＝Y(jié)_p(s+jω₁)＝Y(jié)_n(s-jω₁)＝0?(28)

其中，Y_ac(s)的計算如公式(30)所示：

由公式(28)表明，從交流側(cè)看，此時其并網(wǎng)導納為零；因此，當相應的電流參考值設為零時，換流器交流電流中的基本擾動分量得以消除。