CN107634535A - 基于h7‑csc的柔性直流电网结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于H7‑CSC的柔性直流电网结构及其控制方法，结构包括直流侧、换流器和交流侧，所述换流器包括7个桥臂，其中前级并联支路为SiC功率开关器件与二极管串联构成，其他6个桥臂均由一组IGBT与二极管串联构成，6个桥臂形成全桥电路，直流侧串联大电感，利用高温超导技术提升储能效率，交流侧由电感、电容组成二阶低通滤波电路，以滤除流入交流***的高次谐波。本发明根除了换相失败的问题，直流故障时不存在二极管整流通路，具有直流故障自清除处理能力，可以进行故障隔离与***再启动。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，尤其涉及一种基于H7-CSC的柔性直流电网结构及其控制方法。
背景技术
随着清洁能源和可再生能源的发展，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷的随机波动对电网快速反应的要求。而在直流电网中，换流器可以限制电压波动，基于电力电子技术的直流断路器可以在ms级时间内完成电流分断，配合运行控制***可以实现潮流的快速调整。
目前，组成直流电网的换流器可分为两种：电网电压换相换流器(Line-commutated converter,LCC)和电压源型换流器(Voltage source converter,VSC)。LCC换流器采用半可控的晶闸管，需要交流***提供换相电压，不能给无源网络供电，连接弱交流***时容易引起换相失败。VSC换流器有功无功可以独立控制，能够为无源网络供电，但是VSC无法隔离直流侧的故障电流，在直流电网发生短路故障时，VSC的电容会放电，产生很大的直流故障电流，因此，基于VSC的直流电网对直流线路两端的直流断路器要求很高，必须能切除很大的直流故障电流，导致直流断路器过于昂贵。而与VSC成对偶形式的电流源型PWM换流器(Current source converter,CSC)，近年来在电机驱动、动态无功补偿、风电并网等领域得到理论发展或工程应用。与VSC类似，CSC根除了换相失败问题，且直流故障时不存在二极管整流通路，具有直流故障自清除能力，使廉价的架空线代替昂贵的电缆成为可能，此外，CSC的直流侧电感可以抑制直流故障电流的快速上升，大大地降低了直流电网对直流断路器的要求，从而大大降低直流断路器的造价。
尽管目前端到端直流输电***已经相对成熟，但要发展成为直流电网还面临一系列新问题，可见对于基于CSC的柔性直流电网的研究具有积极意义。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于H7-CSC的柔性直流电网结构及其控制方法，本发明可以解决换相失败的问题，直流故障时不存在二极管整流通路，具有直流故障自清除处理能力，可以进行故障隔离与***再启动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于H7-CSC的柔性直流电网结构，包括直流侧、换流器和交流侧，所述换流器包括7个桥臂，其中前级并联支路为SiC功率开关器件与二极管串联构成，其他6个桥臂均由一组IGBT与二极管串联构成，6个桥臂形成全桥电路，直流侧串联大电感，利用高温超导技术提升储能效率，交流侧由电感、电容组成二阶低通滤波电路，以滤除流入交流***的高次谐波。
基于上述结构的调制方法，在VSC调制方式的基础上利用二、三值开关信号转换函数进行变换得到，二、三值开关信号转换函数为
其中，Xj为二值开关信号，Sj为三值开关信号，j＝a,b,c。
在信号变换前，对输入的参考信号进行相应修正，以抵消二逻辑信号变换为三逻辑信号后信号幅值增大为倍，相位滞后30°的现象。
基于上述结构的参数控制方法，根据交流侧的有功功率、无功功率和直流侧电压值与交流侧电流的关系，对交流侧的有功、无功及直流电压的闭环控制。
基于上述结构的启动控制步骤如下：
(1)先保持各端换流器闭锁，整流器触发延迟角α设置为90°，H7-CSC有功无功参考值设置为0；
(2)解锁整流器，交流断路器合闸，投入交流滤波器和电抗支路，触发延迟角α由初始值按线性变化规律调整到整定值；
(3)解锁逆变器，功率参考值由初始设置值按线形变化规律逐步调整为额定值；
(4)触发延迟角逐渐减小，直流电压和直流电流逐渐升高，直至电压电流达到整定值，***转入正常运行状态。
基于上述结构的直流故障切除控制步骤如下：
(1)发出闭锁信号，快速使H7-CSC进行闭锁；
(2)整流器的定α角控制器迅速调节，使α角快速升高至大于90°，整流器以逆变方式运行。
***再启动控制如下：
(1)确保故障完全消除；
(2)***恢复过程与启动过程相同，各参考值再次由初始状态线形变化到整定值；
(3)***电压电流达到整定值，***恢复到稳定运行状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)H7-CSC根除了换相失败的问题，直流故障时不存在二极管整流通路，具有直流故障自清除处理能力，可以进行故障隔离与***再启动。
(2)H7-CSC采用SiC功率开关器件作为换流器前级并联支路，通过其交替导通代替传统CSC旁通对直通，大幅减少开关器件的开关次数，从而减小换流器损耗。
(3)直流侧的串联电感可以限制直流故障电流的快速增长，大大降低对直流断路器可开断电流能力的要求。
(4)H7-CSC逆变器解决了传统直流输电不能向无源网络或弱电网供电的问题，整流器可以起到稳定直流电压的作用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为H7-CSC拓扑结构图；
图2为二、三值开关信号转换表；
图3为二、三逻辑信号转换模块逻辑电路；
图4为H7-CSC调制模块结构图；
图5为H7-CSC的稳态等效电路示意图；
图6为基于H7-CSC的三端柔性直流电网结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在LCC换流器采用半可控的晶闸管，需要交流***提供换相电压，不能给无源网络供电，连接弱交流***时容易引起换相失败。VSC换流器无法隔离直流侧的故障电流，在直流电网发生短路故障时，VSC的电容会放电，产生很大的直流故障电流的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了新型拓扑H7-CSC的调制方式与控制方式；
本发明还提供了基于H7-CSC搭建三端柔性直流电网的方法及其控制策略，包括稳定运行控制、直流故障切除控制以及***再启动控制等。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，H7-CSC拓扑结构，换流器有7个桥臂，其中前级并联支路开关T7为新型SiC功率开关器件，与二极管D7串联，其他6个桥臂均由一组IGBT(T1-T6)与二极管(D1-D6)串联构成。直流侧串联大电感Ldc，可以利用高温超导技术提升储能效率。交流侧由电感L、电容C组成二阶低通滤波电路，以滤除流入交流***的高次谐波。
本发明采用在VSC调制方式的基础上进行变换的方法得到CSC的调制方式。三相VSC的桥臂开关信号为二逻辑开关函数，每一相上下桥臂必有一个处于导通状态，即其中，1表示上桥臂导通，-1表示下桥臂导通。
而三相CSC的调制信号为三逻辑开关函数，可由得到，式中，1表示上桥臂导通，-1表示下桥臂导通，0表示上下桥臂均导通或均不导通。二、三值开关信号对照关系如图2所示。
经过SPWM调制，三相VSC的二逻辑调制信号可经过二、三值开关信号转换函数变为三相CSC的三逻辑调制信号。由于本文采用H7-CSC拓扑，NULL STATE只需要T7导通，其余开关闭锁，因此需要不同于普通CSC的NULL状态逻辑运算过程。基于T7的二逻辑信号转三逻辑信号的逻辑电路如图3所示，X1-X6为三相VSC的调制信号，S1-S7为三相H7-CSC的调制信号。
然而，二逻辑信号变换为三逻辑信号后，幅值将会增大为倍，相位滞后30°。因此在信号变换前，需要对输入的参考信号进行相应修正。整个调制过程如图4所示，MAref、MBref、MCref为输入的三相参考信号，S1-S7为H7-CSC的开关调制信号。
H7-CSC的稳态等效电路如图5所示，idc为直流电流，udc为直流电压，ipd与ipq分别为由换流器流入交流***电流的dq轴分量，icd与icq分别为滤波电容流入交流侧电流的dq轴分量，isd与isq分别为交流侧电流的dq轴分量，usd与usq分别为交流侧线电压的dq轴分量，Ps与Qs分别为流向交流侧的有功功率和无功功率，交流侧线电压相量方向为d轴方向，则usd＝Us，usq＝0。
由基尔霍夫定律可列写关于交流侧电流isd和isq的复数方程：-jXC(icd+jicq)+jXL(isd+jisq)＝-(usd+jusq)＝-Us，icd+jicq+ipd+jipq＝isd+jisq。联立上两式，可得：
由此计算流入交流***的有功功率无功功率及直流侧电压
利用Ps、Qs、Udc与ipd、ipq之间的数学关系，可以实现对有功、无功及直流电压的闭环控制。
实施例2
采用实施例1中的H7-CSC作为直流电网的基本换流装置，可以避免VSC无法隔离直流故障电流的问题，同时利用新型SiC器件作为前级并联支路以减小传统CSC的工作损耗。
然而，单一使用H7-CSC组建的直流电网无法保证直流侧电压稳定在指定的电压等级附近，因此，本文采用LCC整流器提供稳定的直流电压。
LCC整流器使用12脉动的双极结构，以减少谐波成分，控制方式采用定α角控制，利用式Udc＝1.35Uscosα得到对应给定直流电压参考值的α角，其中，Us表示交流侧线电压，α为触发延迟角。
而H7-CSC的控制方式则与VSC外环控制相似，采用定有功功率控制和定无功功率控制。
为了与LCC保持对称结构，在搭建直流网络时，H7-CSC同样采用双极结构，两个单极的调制与控制方式保持相同，所述三端直流网络结构如图6所示。
实施例3
本实施例参考其他类型的直流电网启动过程，制定LCC-CSC三端混合直流输电***的启动控制策略，具体实现过程如下：
(1)先保持各端换流器闭锁，LCC整流器触发延迟角α设置为90°，H7-CSC有功无功参考值设置为0；
(2)解锁整流器，交流断路器合闸，投入交流滤波器和电抗支路，触发延迟角α由初始值按线性变化规律调整到整定值；
(3)解锁逆变器，功率参考值由初始设置值按线形变化规律逐步调整为额定值；
(4)触发延迟角逐渐减小，直流电压和直流电流逐渐升高，直至电压电流达到整定值，***转入正常运行状态。
当直流线路发生短路故障时，***需进行以下控制，以快速消除故障：
(1)发出闭锁信号，快速使H7-CSC进行闭锁；
(2)LCC整流器的定α角控制器迅速调节，使α角快速升高至大于90°，LCC以逆变方式运行。
在确保故障完全消除后，***可进行再启动。解除闭锁信号，恢复过程与启动过程相同，各参考值再次由初始状态线形变化到整定值，直至***恢复到稳定运行状态即可。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.基于H7-CSC的柔性直流电网结构，其特征是：包括直流侧、换流器和交流侧，所述换流器包括7个桥臂，其中前级并联支路为SiC功率开关器件与二极管串联构成，其他6个桥臂均由一组IGBT与二极管串联构成，6个桥臂形成全桥电路，直流侧串联大电感，利用高温超导技术提升储能效率，交流侧由电感、电容组成二阶低通滤波电路，以滤除流入交流***的高次谐波。
2.基于如权利要求1所述的结构的调制方法，其特征是：在VSC调制方式的基础上利用二、三值开关信号转换函数进行变换得到，二、三值开关信号转换函数为
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
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<mn>2</mn>
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<mi>X</mi>
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<mi>X</mi>
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<mtr>
<mtd>
<msub>
<mi>X</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，Xj为二值开关信号，Sj为三值开关信号，j＝a,b,c。
3.如权利要求2所述的的调制方法，其特征是：在信号变换前，对输入的参考信号进行相应修正，以抵消二逻辑信号变换为三逻辑信号后信号幅值增大为倍，相位滞后30°的现象。
4.基于如权利要求1所述的结构的参数控制方法，其特征是：根据交流侧的有功功率、无功功率和直流侧电压值与交流侧电流的关系，对交流侧的有功、无功及直流电压的闭环控制。
5.基于如权利要求1所述的结构的启动控制方法，其特征是：步骤如下：
(1)先保持各端换流器闭锁，整流器触发延迟角α设置为90°，H7-CSC有功无功参考值设置为0；
(2)解锁整流器，交流断路器合闸，投入交流滤波器和电抗支路，触发延迟角α由初始值按线性变化规律调整到整定值；
(3)解锁逆变器，功率参考值由初始设置值按线形变化规律逐步调整为额定值；
(4)触发延迟角逐渐减小，直流电压和直流电流逐渐升高，直至电压电流达到整定值，***转入正常运行状态。
6.基于如权利要求1所述的结构的直流故障切除控制方法，其特征是：步骤如下：
(1)发出闭锁信号，快速使H7-CSC进行闭锁；
(2)整流器的定α角控制器迅速调节，使α角快速升高至大于90°，整流器以逆变方式运行。
7.基于如权利要求1所述的结构的再启动控制方法，其特征是：
(1)确保故障完全消除；
(2)***恢复过程与启动过程相同，各参考值再次由初始状态线形变化到整定值；
(3)***电压电流达到整定值，***恢复到稳定运行状态。
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