CN114784851B - 一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平矩阵变换器(modularmultilevelmatrixconverter,M3C)的故障穿越控制方法及系统。所述控制方法通过改变M3C低频侧交流电压指令迫使风电场根据自身低电压穿越方法减少输出功率从而调节M3C两侧功率平衡，M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余输出无功的控制方法以支撑网侧跌落电压，且根据系统对有功无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先、无功优先三种场景的控制方案。本发明提出的控制方法不用附加任何硬件，充分利用M3C自身的控制能力，可以有效提高海上风电分频输电系统中模块化多电平矩阵变换器的故障穿越能力。

Description

一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法及系统

技术领域

本发明涉及分频输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法及系统。

背景技术

随着海上风电分频输电技术的发展，模块化多电平矩阵式换流器(modularmultilevel matrix converter,M3C)作为海上风电输电系统的重要装置之一受到广泛关注。

海上风电分频输电系统通常连接海上低频风电场和陆上工频电网，当陆上工频电网侧的线路突然发生故障导致电网侧电压跌落时，若无故障穿越控制措施，风电场仍然正常输出功率，M3C输入有功功率不变而输出有功能力受最大并网电流限制，随电网电压跌落幅度增加，并网电流将增大直至达到电流限制值，从而威胁到M3C的正常运行。当M3C由于过流保护动作而被迫停止工作时，更会造成影响范围的进一步扩大。M3C在系统中作为变频的重要装置之一，其若发生故障，将会对电网和其他设备的安全稳定运行造成严重影响。

当工频电网故障时，可以增加卸荷电路消耗多余的有功功率，或者将风电场和M3C看作一个调控整体由调度中心调节风电场出力，保证电网故障条件下M3C在其功率调节能力内的功率平衡。前者装备大容量的卸荷电路会增加系统额外的成本；后者对通信的实时性和可靠性要求较高，通信延迟或故障将不利于快速调节风电场出力、维持M3C两侧功率平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于海上风电分频输电系统中模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法及系统，无需额外卸荷电路和通信，且风电机组可维持常规故障穿越方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1，检测当前电网电压幅值，并根据所述电压幅值确定电网状态；

步骤2，确定系统对有功功率和无功功率的需求；

步骤3，根据所述电网状态和所述需求，切换M3C低频侧电压指令和工频侧无功电流。

可选的，所述步骤3包括：根据所述需求确定低频侧电压指令。

可选的，所述步骤3包括：

步骤3-1：当电网电压U_gd跌落时，低频侧电压指令U_{sd_ref}切换为

其中，U_gd为跌落后的电网电压标幺值，k为裕度系数，为M3C子模块电容实际的平均电压标幺值，为M3C子模块电容最大可承受的平均电压标幺值；

步骤3-2：当电网电压U_gd跌落时，工频侧无功电流参考值切换为

其中，i_gmax为M3C允许最大电流值，i_{gd_ref}为M3C工频侧有功电流参考值。

可选的，系统对有功功率和无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先和无功优先三种场景。

可选的，在所述有功无功兼顾场景下，低频侧电压随着工频侧电压等幅跌落，此时，低频侧电压指令中裕度系数k＝0。

可选的，在所述有功优先场景下，令低频侧电压跌落小于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压维持稳态值1pu，可计算得到此时裕度系数

可选的，在所述无功优先场景下，令低频侧电压跌落大于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压直接跌落到0.2pu，可计算得到此时裕度系数

可选的，若电压幅值跌落至90％以下时即判定电网处于故障状态。

可选的，所述控制方法通过改变M3C低频侧交流电压指令迫使风电场根据自身低电压穿越方法减少输出功率从而调节M3C两侧功率平衡，M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余输出无功的控制方法以支撑网侧跌落电压。

一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制系统，所述控制系统包括：

电压检测模块，用于检测当前电网电压幅值，并根据所述电压幅值确定电网状态；

需求确定模块，用于确定系统对有功功率和无功功率的需求；

控制模块，用于根据所述电网状态和所述需求，切换M3C低频侧电压指令和工频侧无功电流。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述故障穿越控制方法不用附加任何硬件，充分利用M3C自身的控制能力，可以有效提高海上风电分频输电系统中模块化多电平矩阵变换器的故障穿越能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中风电场分频输电系统结构图；

图2是本发明中M3C低频侧故障穿越控制方法框图；

图3是本发明中M3C工频侧故障穿越控制方法框图；

图4是本发明中一种适用于海上风电分频输电系统中模块化多电平矩阵变换器故障穿越控制方法的控制流程图；

图5是本发明实施例中在电网故障时系统的电压波形图；

图6是本发明实施例中在电网故障时系统的有功、无功功率波形图；

图7是本发明实施例中在电网故障时系统的电流波形图；

图8是本发明实施例中在电网故障时M3C的子模块平均电容电压波形图；

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

总体的，本发明公开了一种适用于海上风电分频输电系统中模块化多电平矩阵变换器故障穿越控制方法，所述风场分频输电系统结构如图1所示，海上风电场输出功率经过低频海缆输送到M3C低频侧，M3C工频侧与50Hz电网相连。

图2为M3C低频侧故障穿越控制方法框图。当电网电压U_gd跌落时，低频侧电压指令U_{sd_ref}切换为

其中，U_gd为跌落后的电网电压标幺值，k为裕度系数，为M3C子模块电容实际的平均电压标幺值，为M3C子模块电容最大可承受的平均电压标幺值。

如式(1)，令低频侧电压跟随工频侧电压跌落，迫使风电场出力减少，同时利用M3C子模块平均电容电压可上升的裕度，改变裕度系数k进行跌落幅度调整，以适应三种不同功率调节需求场景。

图3为M3C工频侧故障穿越控制方法框图。当电网电压U_gd跌落时，工频侧无功电流参考值切换为

其中，i_gmax为M3C最大允许电流值，i_{gd_ref}为M3C工频侧有功电流参考值。

如式(2)，工频侧切换为有功平衡优先、剩余发无功的控制方法，在保证两侧功率平衡、直流电压稳定的前提下尽可能输出无功以提供电压支撑。

进一步的，图4为故障穿越控制方法流程图。所述控制方法通过改变M3C低频侧交流电压指令迫使风电场根据自身低电压穿越方法减少输出功率从而调节M3C两侧功率平衡，M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余输出无功的控制方法以支撑网侧跌落电压，且根据系统对有功、无功功率的调节需求分为有功无功兼顾、有功优先、无功优先三种场景的控制方案。所述流程包括：

步骤1，检测当前电网电压幅值，若电压幅值跌落至90％以下时即判定电网处于故障状态；

步骤2，根据步骤1判定的电网状态，切换M3C低频侧电压指令和工频侧控制策略；

步骤2-1：当电网电压U_gd跌落时，低频侧电压指令U_{sd_ref}切换为

其中，U_gd为跌落后的电网电压标幺值，k为裕度系数，为M3C子模块电容实际的平均电压标幺值，为M3C子模块电容最大可承受的平均电压标幺值。

如式(1)，令低频侧电压跟随工频侧电压跌落，迫使风电场出力减少，同时利用M3C子模块平均电容电压可上升的裕度，改变裕度系数k进行跌落幅度调整，以适应三种不同功率调节需求场景。

步骤2-2：当电网电压U_gd跌落时，工频侧无功电流参考值切换为

其中，i_gmax为M3C最大允许电流值，i_{gd_ref}为M3C工频侧有功电流参考值。

如式(2)，工频侧切换为有功平衡优先、剩余发无功的控制方法，在保证两侧功率平衡、直流电压稳定的前提下尽可能输出无功以提供电压支撑。

步骤3，根据系统对有功、无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先、无功优先三种场景确定步骤2中的低频侧电压指令。

所述有功无功兼顾场景下，低频侧电压随着工频侧电压等幅跌落，此时低频侧电压指令中裕度系数k＝0。

所述有功优先场景下，为使M3C最大程度上增加有功功率传输，减少弃风，令低频侧电压跌落小于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压维持稳态值1pu，可计算得到此时裕度系数

所述无功优先场景下，为使M3C工频侧能最大程度上多输出无功，减少输送到低频侧的有功功率，令低频侧电压跌落大于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压直接跌落到0.2pu(故障最严重情况下风电机组不脱网运行时的电压)，可计算得到此时裕度系数

为了进一步展示实施方案的可行性和正确性，本说明基于Matlab/Simulink对电网电压三相对称跌落算例进行仿真。系统仿真参数如下：风电场额定功率12.5MW，海缆传输距离30km；低频侧频率20Hz，线电压有效值10kV；M3C换流器额定容量12.5MW，子模块电容10mF，子模块平均电容电压4500V，桥臂子模块数目为6，桥臂电感10mH；工频侧频率50Hz，线电压有效值35kV。电网故障发生前，风电场输出额定功率，系统以单位功率因数运行；在1.2s时，工频侧电网电压发生三相对称故障，电压跌落到0.4pu，持续时间为625ms，1.825s时电网电压恢复。系统电压、功率、电流、子模块平均电容电压的仿真波形分别如图5、图6、图7和图8所示，其中V_wd/V_wq、I_wd/I_wq、P_wabc/Q_wabc分别为风电场侧dq轴电压、电流分量和有功/无功功率分量；V_sd/V_sq、I_sd/I_sq、P_sabc/Q_sabc分别为M3C低频侧dq轴电压、电流分量和有功/无功功率分量；V_gd/V_gq、I_gd/I_gq、P_guvw/Q_guvw分别为M3C工频侧的dq轴电压、电流分量和有功/无功功率分量，V_{dc_avg}为各子模块平均电容电压。

如图5、6、7、8所示，电压V_gd跌落期间，工频侧电流增大到限值1.1pu。(1)采用有功无功兼顾控制时，风电场输送到M3C低频侧的功率P_sabc随着电网电压跌落同时跌落，两侧有功功率P_sabc与P_guvw接近平衡，子模块平均电容电压V_{dc_avg}稳定在1pu，同时工频侧输出无功功率Q_guvw对电网电压V_gd有一定支撑作用(从0.4pu支撑到0.44pu左右)。(2)采用有功优先控制时，M3C工频侧电压V_gd跌落至0.4pu，低频侧电压V_sd跌落初始维持在1pu，M3C两侧功率不平衡向子模块电容充电，V_{dc_avg}缓慢增大，但仍保持在阈值1.2pu以内。随着V_{dc_avg}增大，V_sd缓慢减小，P_sabc与P_wabc也由有功无功兼顾控制中的等幅跌落变为缓慢跌落，可向系统提供更多有功功率。电网电压恢复后，存储在M3C桥臂电容中的功率可继续向电网输送。(3)采用无功优先控制时，低频侧的电压V_sd直接跌落至0.2pu，与有功无功兼顾控制中V_sd＝0.44pu相比，电压与有功功率都跌落的更多，M3C输入的有功功率减少后，其工频侧有更多裕量输出无功功率，从而向故障电网提供更多电压支撑(从0.4pu支撑到0.48pu)。子模块平均电容电压V_{dc_avg}稳定在1pu。

本发明还提供了一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制系统，所述控制系统包括：

电压检测模块，用于检测当前电网电压幅值，并根据所述电压幅值确定电网状态；

需求确定模块，用于确定系统对有功功率和无功功率的需求；

控制模块，用于根据所述电网状态和所述需求，切换M3C低频侧电压指令和工频侧无功电流。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1，检测当前电网电压幅值，并根据所述电压幅值确定电网状态；

步骤2，确定系统对有功功率和无功功率的需求；

步骤3，根据所述电网状态和所述需求，切换M3C低频侧电压指令和工频侧无功电流；

步骤3-1：当电网电压U_gd跌落时，低频侧电压指令U_{sd_ref}切换为

其中，U_gd为跌落后的电网电压标幺值，k为裕度系数，为M3C子模块电容实际的平均电压标幺值，为M3C子模块电容最大可承受的平均电压标幺值；

步骤3-2：当电网电压U_gd跌落时，工频侧无功电流参考值切换为

其中，i_gmax为M3C允许最大电流值，i_{gd_ref}为M3C工频侧有功电流参考值。

2.如权利要求1所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：根据所述需求确定低频侧电压指令。

3.如权利要求1所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，系统对有功功率和无功功率的需求分为有功无功兼顾、有功优先和无功优先三种场景。

4.如权利要求3所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，在所述有功无功兼顾场景下，低频侧电压随着工频侧电压等幅跌落，此时，低频侧电压指令中裕度系数k＝0。

5.如权利要求3所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，在所述有功优先场景下，令低频侧电压跌落小于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压维持稳态值1pu，可计算得到此时裕度系数

6.如权利要求3所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，在所述无功优先场景下，令低频侧电压跌落大于工频侧，根据电压跌落瞬间令低频侧电压直接跌落到0.2pu，可计算得到此时裕度系数

7.如权利要求1所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，若电压幅值跌落至90％以下时即判定电网处于故障状态。

8.如权利要求1所述的一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制方法，其特征在于，所述控制方法通过改变M3C低频侧交流电压指令迫使风电场根据自身低电压穿越方法减少输出功率从而调节M3C两侧功率平衡，M3C工频侧采取有功平衡优先、剩余输出无功的控制方法以支撑网侧跌落电压。

9.一种模块化多电平矩阵变换器的故障穿越控制系统，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的控制方法，所述控制系统包括：

电压检测模块，用于检测当前电网电压幅值，并根据所述电压幅值确定电网状态；

需求确定模块，用于确定系统对有功功率和无功功率的需求；

控制模块，用于根据所述电网状态和所述需求，切换M3C低频侧电压指令和工频侧无功电流。