[0039]
[0040] t1时刻,需切断负载,同时,由光伏电源补偿高压直流电容能量的缺额,则[0041]
[0042] 式中
[0043]
[0044] 由(3)(4)式可得,在t1时刻,光伏电源调整功率输出为:
[0045]
[0046] 冲击电流的大小与合闸时刻高压直流侧电压的大小相关,为保证架空线路在合闸时, SST产生的冲击电流不会导致断路器误动作,因此要保证冲击电流小于1.2~1.3倍的额定电流,即
[0047] |id-max|<k|idN|,k∈[1.2,1.3] (11)
[0048] 其中,id-max为冲击电流最大值,k为一个冲击电流允许值和额定电流值之间的比例系数,idN为额定电流值;
[0049] 进一步的,求解冲击电流最大值id-max;
[0051]
[0052] 式中,e(a,b,c)表示网侧相电压,i(a,b,c)表示网侧相电流,u(a,b,c)N表示交流侧电压,uNO表示
中性点对地电压;S(a,b,c)i,i(a,b,c)Hi分别表示a/b/c相第i级整流器的开关函数和输出电流;L表示网侧滤波电感,R为网侧
电阻值;
[0053] 当电网电压平衡且三相SST系统稳定时,有uNO=0,为了简化控制系统设计,将PWM 整流器在abc三相静止
坐标系中的基波正弦量转
化成d-q同步旋转坐标系中的直流量进行分析:
[0054]
[0055] 式中:ed,eq分别为电网电动势的d,q轴分量;id,iq分别为交流侧电流的d,q轴分量;ud,uq分别为交流侧电压的d,q轴分量;ω为电网电压
角频率;
[0056] 输入级还采用带有前馈解耦的PI调节器作为电压外环和电流内环的
控制器,其对应的解耦控制方程为:
[0057]
[0058] 其中,id*,iq*分别为交流侧电流的d,q轴的参考值;vHsum为三相各级高压直流电压之和;KvP、KvI分别为输入级电压外环比例系数和积分系数;KiP、KiI分别为输入级电流内环比例系数和积分系数;1/s表示表示频域中的积分运算;
[0059] 将式(14)代入(13)可得:
[0060]
[0061] 由(15)实现电流id和iq的解耦控制;同时id的变化率为:
[0062]
[0063] 重合闸发生时,直流母线电容能量缺失导致在合闸时直流母线电压给定期望值3nvH-ref与反馈电压vHsum存在偏差,经过式(14)中第一个公式,即电压外环PI调节器的比例积分,得到一个较大的d轴电流给定值id*,再经过式(16)使d轴电流变化率大,出现冲击电流;直至id超过id*,并使得ud=ed-Rid+wLid停止增长,即id的变化率为0时,达到最大值;
[0064] 由于冲击电流产生时间非常短,忽略积分过程产生的积分量,则当式(16)等于0时,可求得冲击电流最大值为:
[0065]
[0066] 由式(17)可以看出,高压直流侧电
压实际值越接近参考值,冲击电流越小;
[0067] 将式(11)代入式(17)可得
[0068]
[0069] 根据式(6)、(10)和(18),且各级高压侧电压相等,在冲击电流达到要求时,即 |id-max|≤|kidN|,光伏电源补偿功率为:
[0070]
[0071] 本发明的有益效果是:本发明通过初始工况的不同,选择合适的控制方法,以调控高低压侧电容上的能量,合理减小重合闸时高压侧电压实际值与参考值的差值,有效解决重合闸过程电力电子变压器产生的瞬时冲击电流,达到冲击电流抑制的目的。
附图说明
[0072] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0073] 图1是本发明实施例冲击电流控制原理图。
[0074] 图2是本发明实施例功率流动方向图。
[0075] 图3是传统控制下,直流电压
波形和输入电流波形图。
[0076] 图4是采用冲击电流控制时,直流电压波形和输入电流波形图。
[0077] 图5是传统控制下,直流电压波形和输入电流波形图。
[0078] 图6是采用冲击电流控制时,直流电压波形和输入电流波形图。
[0079] 图7是工况1时,直流母线电压波形和输入电流波形图。
[0080] 图8是工况2时,直流母线电压波形和输入电流波形图。
[0081] 图9是冲击电流为0,直流母线电压波形和输入电流波形图。
具体实施方式
[0082] 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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
[0083] 本发明实施例SST输出级为交直流混合输出端口,交流输出端通过开关k1控制交流负载,直流输出端控并联k2、k3开关分别控制直流负载、光伏电源。断路器ks一侧与电网母线相连,另一侧与SST相连。当高压交流母线或与SST并联的线路发生瞬时故障时,母线与大电网之间的断路器ks将发生自动重合闸现象,此时SST将暂时脱离电网运行一段时间,即断路器ks发生自动重合闸时间ts。断路器ks跳闸后,由于光伏电源调控存在一个响应时间t1,在t1时间内,不论系统中多余或缺失的能量都将由高压直流侧电容处理,导致与参考电压产生一个较大的差值,在重合闸时将带来冲击电流,为减小冲击电流,在合闸前,需要通过处理高压直流侧电容上的能量,控制其电压值,其主要控制思路如图1所示。
[0084] 第一步,通过电压互感器实时采集交流负载输入电压uAD、直流负载输入电压uDC、光伏电源输入电压uPV,通过电流互感器实时采集交流负载输入电流iAD、直流负载输入电流iDC、光伏电源输入电流iPV,则有重合闸前的负载初始消耗功率Pload(0)为:
[0085]
[0086] 其中,PAC-load(0)为交流负载初始输入功率,PDC-load(0)为直流负载初始输入功率。
[0087] 光伏电源初始输出功率PPV(0)为:
[0088] PPV(0)=upv×ipv
[0089] 第二步,通过监测SST在投运过程中,三相输入电压是否均为零电压即可判断重合闸是否发生。
[0090] 第三步,当判断重合闸发生时,断路器ks跳闸后,则分如下情况进行控制:
[0091] 当PPV(0)≥Pload(0)时,高压侧电压将逐渐抬升,低压侧电压仍能维持稳定,k1、k2、 k3保持闭合状态,因此光伏电源响应后,需要通过负载消耗高压侧电容多余的能量;
[0092] 在光伏电源响应时间t1后,光伏电源调整功率为:
[0093]
[0094] 当PPV(0)
[0095]
[0096] 所述光伏电源调整功率是指在光伏电源响应后,光伏电源按给定功率控制之后所输出的功率。实际运行中,光伏电源通过DC/DC变换器与低压直流母线相连,可通过实际功率和参考功率做差经PI控制器得到DC/DC变换器的调制
信号,实现在最大输出功率范围内的输出功率
跟踪控制。
[0097] 进一步的,确定光伏电源功率的调整范围。
[0098] 设SST输出功率为PO,高压侧电容容值为CH,低压侧电容容值为CL,SST中间级功率传输效率为μ,重合闸时间间隔为ts;记重合闸开始时刻为0,在t1时刻,光伏电源开始调整功率为PPV(t1);在t2时刻,重新合闸。功率流动方向如图2所示。
[0099] 为保证低压直流侧电压稳定,须在低压直流侧电压跌落之前,即高压直流侧电压跌落至0之前,进行功率补偿,这段时间记为t0,则有:
[0100]
[0101] 式中
[0102] PO(0)=Pload(0)-PPV(0) (2)
[0103] 其中,n为SST输入级级联H桥链节模块的数量,vH-ref为高压直流电压参考值。
[0104] 通常情况下,交直流微网中的光伏电源处于最大出力状态,SST的功率输出PO(0) 较小,且光伏电源通常由电力电子装置控制响应较快,因此,能在高压直流母线跌落至0 之前进行控制。
[0105] (1)当重合闸发生时,若PPV(0)≥Pload(0),则
[0106] 由于SST与电网断开,在光伏电源响应时间t1内,溢出的能量将存储在高压直流侧电容上,导致高压直流侧电压的上升,此时有:
[0107]
[0108] 其中,a,b,c为三相电网各相,j=a,b,c无实际含义,v(a,b,c)Hi表示a,b,c相第i级整流器的高压侧直流电压。
[0109] 在t1时刻,光伏电源减小功率输出,使其小于负载功率,适当消耗高压直流侧电容上的能量,则
[0110]
[0111] 式中
[0112]
[0113] 由(3)(4)式可得,在t1时刻,光伏电源调整功率输出为:
[0114]
[0115] (2)当重合闸发生时,若PPV(0)
[0116]
[0117] t1时刻,需切断负载,同时,由光伏电源补偿高压直流电容能量的缺额,则[0118]
[0119] 式中
[0120]
[0121] 由(3)(4)式可得,在t1时刻,光伏电源调整功率输出为:
[0122]
[0123] 冲击电流的大小与合闸时刻高压直流侧电压的大小相关,为保证架空线路在合闸时, SST产生的冲击电流不会导致断路器误动作,因此要保证冲击电流小于1.2~1.3倍的额定电流,即
[0124] |id-max|<k|idN|,k∈[1.2,1.3] (11)
[0125] 其中,id-max为冲击电流最大值,k为一个冲击电流允许值和额定电流值之间的比例系数,idN为额定电流值。
[0126] 进一步的,求解冲击电流最大值。
[0127] 输入级级联H桥状态方程可以表示为:
[0128]
[0129] 式中,e(a,b,c)表示网侧相电压,i(a,b,c)表示网侧相电流,u(a,b,c)N表示交流侧电压,uNO表示中性点对地电压;S(a,b,c)i,i(a,b,c)Hi分别表示a/b/c相第i级整流器的开关函数和输出电流;L表示网侧滤波电感。
[0130] 当电网电压平衡且三相SST系统稳定时,有uNO=0,为了简化控制系统设计,通常将PWM整流器在abc三相静止坐标系中的基波正弦量转化成d-q同步旋转坐标系中的直流量进行分析:
[0131]
[0132] 式中:ed,eq分别为电网电动势的d,q轴分量;id,iq分别为交流侧电流的d,q轴分量;ud,uq分别为交流侧电压的d,q轴分量;ω为电网电压角频率。
[0133] 输入级还采用带有前馈解耦的PI调节器作为电压外环和电流内环的控制器,其对应的解耦控制方程为:
[0134]
[0135] 其中,id*,iq*分别为交流侧电流的d,q轴的参考值;vH-ref为高压直流电压参考值; vHsum为三相各级高压直流电压之和;KvP、KvI分别为输入级电压外环比例系数和积分系数;KiP、KiI分别为输入级电流内环比例系数和积分系数;s表示频域中的微分运算,1/s 表示频域中的积分运算。
[0136] 将式(14)代入(13)可得:
[0137]
[0138] 由(15)实现电流id和iq的解耦控制。同时id的变化率为:
[0139]
[0140] 重合闸发生时,直流母线电容能量缺失导致在合闸时直流母线电压给定期望值 3nvH-ref与反馈电压vHsum存在一定的偏差,经过式(14)中第一个公式,即电压外环PI调节器的比例积分,得到一个较大的d轴电流给定值id*,再经过式(16)使d轴电流变化率大,出现冲击电流。直至id超过id*,并使得ud=ed-Rid+wLid才停止增长,即id的变化率为0时,达到最大值。
[0141] 由于冲击电流产生时间非常短,忽略积分过程产生的积分量,则当式(16)等于0时,可求得冲击电流最大值为:
[0142]
[0143] 由式(17)可以看出,高压直流侧电压实际值越接近参考值,冲击电流越小。
[0144] 将式(11)代入式(17)可得
[0145]
[0146] 其中,vHsum为三相各级高压直流电压电压之和,R为网侧电阻值。
[0147] 根据式(6)、(10)和(18),且各级高压侧电压相等,在冲击电流达到要求时,即 |id-max|≤|kidN|,光伏电源补偿功率为:
[0148]
[0149] 其中,v′H(t2)为在重合闸时的高压直流电压;由于SST中间/隔离级采用双主动桥 (Dual Active Bridge,DAB),由于DAB有均压控制,可以保证每相每级高压直流电压相等,即,v(a,b,c)Hi(t2)=v′H(t2)。
[0150] 为验证重合闸后冲击抑制的有效性,本实施例建立了含光伏电源的三相三级联型 SST的Matlab/Simulink仿真模型,系统仿真参数见表1。
[0151] 表1三相级联型SST仿真参数
[0152]
[0153]
[0154] 由式(1)(11)可知,重合闸开始后,高压直流侧电压跌落至0最短时间[0155]
[0156] 额定正序电流值
[0157]
[0158] 其中Es、IN为电网电压幅值和额定电流幅值。
[0159] 合闸时,根据式(11),可得1.3倍额定冲击电流内,高压直流侧电压运行范围为[0160] 3220(V)≤v′H(t2)≤3380(V)
[0161] 在0.4s时刻,重合闸发生,重合闸时间间隔为1s。
[0162] (1)初始状态:PPV(0)=500kV·A,Pload(0)=400kV·A,即PPV(0)≥Pload(0)时[0163] 跳闸后,高压直流侧电容处于充电状态,电压值逐渐抬升,经过0.1s后,若光伏电源调整功率输出为PPV(t1)=400kV·A,此时高低压直流侧电压波形以及电流波形如图3所示。
[0164] 重合闸时冲击电流超过了最大允许电流,因此根据式(19)可得,光伏电源调整功率范围为
[0165] 386.1(kV·A)≤PPV(t1)≤394.9(kV·A)
[0166] 取PPV(t1)=386.1kV·A进行功率调整后,直流母线电压波形以及重合闸电流波形如图 4所示。
[0167] (2)初始状态:PPV(0)=300kV·A,Pload(0)=400kV·A,即PPV(0)
[0169] 从图6可见,合闸时冲击电流超过了最大允许电流,因此根据式(19)可得,光伏电源调整功率范围为:
[0170] 7.3(kV·A)≤PPV(t1)≤18.6(kV·A)
[0171] 取PPV(t1)=18.6kV·A进行功率调整后,直流母线电压波形以及重合闸电流波形如图5 所示。
[0172] 对图4、图5和图6,可以明显看出,经过光伏电源功率调整后,在1.4s合闸时刻, SST产生的冲击电流保持在1.3倍的额定电流以内,实现了冲击电流抑制。
[0173] 为进一步验证本实施例所提抑制策略的正确性和有效性,对所提控制策略进行了低压实验验证。实验参数见表2。设计两种工况,工况1:PPV(0)=4kV·A,Pload(0)=3kV·A,即PPV(0)≥Pload(0);工况2:PPV(0)=2kV·A,Pload(0)=3kV·A,即PPV(0)
[0174] 表2三相级联型SST实验参数
[0175]参数 数值
输入级额定电压/V 380
滤波电感/mH 2
每相模块级联数 3
高压直流侧电容/uF 500
低压直流侧电容/uF 4000
高压直流侧电压/V 150
隔离级各级高频变压变比 1.6~1.7
隔离级各级高频变压等效漏感/μH 40~60
低压直流侧电压/V 90
低压直流侧安全电压/V 700
隔离级各级传输效率为μ 0.92~0.94
负载功率/kV·A 0~6
光伏电源功率/kV·A 0~4
光伏电源响应时间/s 0.1
[0176] 图7-8分别给出了高压直直流电压波形和输入级A相电流波形。由图7、8可以看出,重合闸发生后,经过光伏电源和负载的功率调整,高压直流侧电压在合闸时刻达到要求范围,因此合闸时,输入级产生的冲击电流在允许范围(1.3倍额定电流)内。
[0177] 通过公式(17)和(19)可以得出,求得冲击电流为0时,光伏电源调整功率,并进行实验,所得实验波形如图9所示。
[0178] 综上所示,本
申请所提冲击电流抑制策略能够在保证低压直流母线电压稳定的前提下,有效解决重合闸过程SST产生的冲击电流,达到冲击电流抑制的目的。
[0179] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。