交直流混合电网功率变流器的保护控制系统及其控制方法

摘要

一种适合于交流电网不平衡的交直流混合电网功率变流器的保护控制器旨在解决交流电网侧发生故障时入网变流器的输出行为。由于交流电网故障时电网负序分量的存在会导致系统三相电流不平衡或非正弦、直流侧存在较大电压纹波、功率波动等问题，危及变流器安全、缩短变流器寿命，必须要合理控制电网负序分量对系统的影响。本发明采用的d‑q同步坐标系下灵活正序和负序控制策略，通过参变量的调节，合理调整交流网侧电流参考的正负序含量，使得网侧电流波形质量和系统瞬时有功功率、瞬时无功功率得到合理控制，从而实现对变流器的保护控制。

主权项

一种交直流混合电网功率变流器的保护控制系统的控制方法，该保护控制系统包括交流电网侧交直变换器(1)和控制器(2)；所述的交流电网侧交直变换器(1)的直流端与直流负载或直流电压源相连，该交流电网侧交直变换器(1)的交流端与电网相连；所述的控制器(2)的控制端与交流电网侧交直变换器(1)的控制端相连，该控制器(2)的输入端与电网相连；其特征在于，该控制方法包括如下步骤：步骤1.初始化，即设定以下参数，所有电流与电压参数均采用标么值：锁相环q轴参考值v⁺_qref设为0,锁相环d轴参考值V_{d_ref}设为1；锁相环角速度的稳态值设为ω₀，按电网运行情况设定；Bus电压环给定值设为V_busref；正序电流d轴给定值i⁺_dref；正序电流q轴给定值负序电流d轴给定值i^‑_dref；负序电流q轴给定值第一PI控制器控制系数k_p1和k_i1，0<k_p1<1000,0<k_i1<1000，由操作员按电网运行状况设定；第二PI控制器控制系数k_p2和k_i2，0<k_p2<1000,0<k_i2<1000，由操作员按电网运行状况设定；第三PI控制器控制系数k_p3和k_i3，0<k_p3<1000,0<k_i3<1000，由操作员按电网运行状况设定；第四PI控制器控制系数k_p4和k_i4，0<k_p4<1000,0<k_i4<1000，由操作员按电网运行状况设定；第五PI控制器控制系数k_p5和k_i5，0<k_p5<1000,0<k_i5<1000，由操作员按电网运行状况设定；第六PI控制器控制系数k_p6和k_i6，0<k_p6<1000,0<k_i6<1000，由操作员按电网运行状况设定；保护控制参数k，‑1<k<1,由操作员按电网运行状况设定；变量P₀为交直变换器输出有功功率参考值，在交流电网侧交直变换器中该变量是由直流侧母线电压控制环路决定的，具体值由操作员按系统需求设定；步骤2.电网电压正负序分离和网侧电流正负序分离按以下步骤执行：步骤21.电网电压正负序分离采用解耦双同步算法，d‑q轴分别按照顺时针旋转和逆时针旋转得出电网电压正序d‑q分量和负序d‑q分量；步骤22.正序和负序解耦，消除在步骤21中得到的d‑q分量中的振荡，得到电网电压d轴正序分量v_d⁺,d轴负序分量v_d^‑，q轴正序分量v_q⁺,d轴负序分量v_q^‑；步骤23.网侧电流正负序分离采用解耦双同步算法，d‑q轴分别按照顺时针旋转和逆时针旋转得出网侧电流正序d‑q分量和负序d‑q分量；步骤24、正序和负序解耦，消除在步骤23中得到的d‑q分量中的振荡，得到网侧电流d轴正序分量i_d⁺,d轴负序分量i_d^‑，q轴正序分量i_q⁺,d轴负序分量i_q^‑；步骤3.锁相环计算按以下步骤执行：步骤31.第一比较器计算第一PI控制器的输入值为v⁺_qref‑v⁺_q,；其中，锁相环q轴参考值v⁺_qref为电网电压q轴正序分量的给定值；步骤32.第一PI控制器在接收到所述第一比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为其中，k_p1和k_i1是第一PI控制器的控制系数；步骤33.第一加法器计算锁相环对网侧电压锁相之后输出的交流网侧电压的相位角θ，公式如下：$\theta =\int \left(\right(k_{p1}{v}_q^{+}+k_{i1}\int v_q^{+}dt)+{\omega }_0);$步骤4.直流Bus电压环调节按以下步骤执行：步骤41.第二比较器计算第二PI控制器的输入值为V_busref‑V_bus,其中，V_bus为直流母线电压，单位为标么值；V_busref为V_bus的给定值；步骤42.第二PI控制器在接收到所述第二比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为k_p2(V_busref‑V_bus)+k_i2∫(V_busref‑V_bus)dt，其中k_p2和k_i2是第二PI控制器的控制系数；步骤43.乘法器按以下公式计算Bus电压环的输出：P₀＝V_bus*(k_p2(V_busref‑V_bus)+k_i2∫(V_busref‑V_bus)dt)；式中，P₀为交直变换器输出有功功率参考值；步骤5.计算d‑q轴网侧电流参考值，公式如下：$\left[\begin{array}{c}{i}_{dref}^{+}\\ i_{qref}^{+}\\ i_{dref}^{-}\\ i_{qref}^{-}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\frac{P_0}{(v_d^{+2}+v_q^{+2}+k(v_d^{-2}+v_q^{-2}\left)\right)}\left[\begin{array}{c}{v}_d^{+}\\ v_q^{+}\\ {\mathrm{kv}}_d^{-}\\ {\mathrm{kv}}_q^{-}\end{array}\right]$步骤6.正序d轴电流环调节按以下步骤执行：步骤61.第三比较器计算第三PI控制器的输入值：i⁺_dref‑i⁺_d,其中，i⁺_dref为网侧电流d轴正序分量i⁺_d的给定值；步骤62.第三PI控制器在接收到所述第三比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为：式中，k_p3和k_i3是第三PI控制器的控制系数；u⁺_d为正序d轴调制波形；步骤7.负序d轴电流环调节按以下步骤执行：步骤71.第四比较器计算第四PI控制器的输入值为：i^‑_dref‑i^‑_d,其中，i^‑_d为网侧电流d轴负序分量，单位为标么值；i^‑_dref为i^‑_d的给定值；步骤72.第四PI控制器在接收到所述第四比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为：式中，k_p4和k_i4是第四PI控制器的控制系数；u^‑_d为负序d轴调制波形；步骤8.正序q轴电流环调节按以下步骤执行：步骤81.通过第五比较器计算第五PI控制器的输入值：i⁺_qref‑i⁺_q,其中，i⁺_q为网侧电流q轴正序分量，由步骤2得到，单位为标么值；i⁺_qref为i⁺_q的给定值；步骤82.第四PI控制器在接收到所述第四比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为：式中，k_p5和k_i5是第五PI控制器的控制系数；u⁺_q为正序q轴调制波形；步骤9.负序q轴电流环调节按以下步骤执行：步骤91.第六比较器计算第六PI控制器的输入值：i^‑_qref‑i^‑_q,其中，i^‑_q为网侧电流q轴负序分量，由步骤2得到，单位为标么值；i^‑_qref为i^‑_q的给定值；步骤92.第六PI控制器在接收到所述第六比较器的输出后进行控制运算，输出相应的控制量为：式中，k_p6和k_i6是第六PI控制器的控制系数；u^‑_q为负序q轴调制波形；步骤10.控制器输出量：步骤101.所述控制器通过上述电压u⁺_d、u⁺_q、u^‑_d和u^‑_q控制交流电网侧交直变换器，实现交流电网侧交直变换器的瞬时有功功率、无功功率和直流电压的控制，单位为标么值；控制器将获得的u⁺_d、u⁺_q、u^‑_d和u^‑_q先经过正负序dq‑abc坐标变换，得到u_a、u_b和u_c三个量，坐标变换式子如下：$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \cos (\theta -\frac{2}{3}\pi )& -\sin (\theta -\frac{2}{3}\pi )\\ \cos (\theta +\frac{2}{3}\pi )& -\sin (\theta +\frac{2}{3}\pi )\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{u}_d^{+}\\ u_q^{+}\end{array}\right]+\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \cos (\theta -\frac{2}{3}\pi )& -\sin (\theta -\frac{2}{3}\pi )\\ \cos (\theta +\frac{2}{3}\pi )& -\sin (\theta +\frac{2}{3}\pi )\end{array}\right)\left[\begin{array}{c}{u}_d^{-}\\ u_q^{-}\end{array}\right]$将u_a、u_b和u_c三个量作为控制信号与载波比较，获得交流电网侧交直变换器的驱动信号，再将驱动信号送到交流电网侧交直变换器的三个桥臂的控制端，使得交流电网侧交直变换器输出相应的电压向量，控制网侧电流，从而调节输出功率。