CN112821439B - 一种柔性直流换流器的前馈控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流换流器的前馈控制方法及装置，其主要是当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定；当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化。即本发明通过在柔性主流换流器的电流内环控制之前加入前馈控制处理环节，实现电网电压的快速跟踪，能够在交流故障时跟随三相交流电压进行调节，降低换流阀过流风险，在电网电压出现小信号扰动时，维持输出恒定，提高***稳定性。

Description

一种柔性直流换流器的前馈控制方法及装置

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，涉及一种柔性直流换流器的前馈控制方法及装置。

背景技术

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力***中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。柔性直流输电换流器具备连接大电网或连接孤岛电网运行的能力，无论连接何种交流网络，在其中的交流线路采用架空线等故障率较高的连接方式时，需要具备一定的交流故障穿越能力。但是考虑到目前柔性直流换流阀中的开关器件主要以IGBT，IEGT等全控型器件为主，存在过流能力不足的问题，通常在桥臂电流达到额定电流的1.3至1.7pu时就需要闭锁换流器，防止故障电流继续上升损坏开关器件。而仅靠电流闭环响应通常无法保证故障过程中电流过大，而最终导致全局闭锁，故障穿越失败，因此需要在内环中加入交流电压前馈，使得换流阀输出电压及时跟踪电网电压，减小故障导致的电流突升，有利于故障穿越的成功进行。但是，前馈加入后将会把电网电压中的小信号扰动直接引入控制器中，导致***稳定性变差，容易产生振荡。

因此为了解决这一问题，有必要提出一种应用于柔性直流换流器的前馈方法，能够有效解决在电网故障时快速跟踪与小信号扰动下不进行响应之间的矛盾，在不影响***稳定性的前提下实现对电网电压大幅波动的快速跟踪，以实现交流故障穿越。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流换流器的前馈控制方法及装置，用于解决由于电网电压中的小信号扰动直接引入控制器中，导致***稳定性变差，容易产生振荡，不能实现快速跟踪的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种柔性直流换流器的前馈控制方法，

当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定；

当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化。

本发明还提供了一种柔性直流换流器的前馈控制装置，包括处理器和存储器，处理器连执行所述存储器中的存储中的如下方法指令：

当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定；

当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化。

本发明的上述前馈控制方法及装置的效果：本发明通过在柔性主流换流器的电流内环控制之前加入前馈控制处理环节，通过前馈控制处理环节实现电网电压的快速跟踪，能够在交流故障时跟随三相交流电压进行调节，降低换流阀过流风险；在电网电压出现小信号扰动时，维持输出恒定，提高***稳定性；且在整个跟踪时输出是连续的，有利于***稳定。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，所述电网电压发生小信号扰动或突变的判断包括如下步骤：

1)实时提取网侧三相交流电压，进行dq变换，得到前馈控制的输入值；

2)计算输入值与前一周期的输出值的差的绝对值；

3)比较步骤2)中的绝对值与第一设定值的大小，若绝对值小于第一设定值，则判断为电网电压发生小信号扰动；若绝对值大于等于第一设定值，则判断为电网电压突变。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，在跟踪模式下，若绝对值大于等于第二设定值，则前馈控制维持跟踪模式，第一设定值＞第二设定值。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，跟踪模式下，前馈控制的输出值为：

若IN(t)＜OUT(t-△t)，则OUT(t)＝min[(IN(t)+L1),(OUT(t-Δt)+V(t-Δt)Δt)]；

若IN(t)≥OUT(t-△t)，则OUT(t)＝max[(IN(t)-L1),(OUT(t-Δt)+V(t-Δt)Δt)]；

其中，IN(t)为当前周期的输入值，OUT(t-△t)为前一周期的输出值，OUT(t)为当前周期的输出值，Δt为前馈处理环节的运行周期，V(t-△t)为前一周期的输出值变化速率，为：OUT(t-2Δt)为前两周期的输出值。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，在跟踪模式下，若绝对值小于第二设定值，则前馈控制进入静止模式。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，为了使输出值更加的平稳，在跟踪模式下，若绝对值小于第二设定值且绝对值大于等于第三设定值，则前馈控制进入减速模式；若绝对值小于第三设定值，则前馈控制进入静止模式，其中，第一设定值＞第二设定值＞第三设定值。

进一步的，对于上述前馈控制方法及装置，减速模式下，输出值为：

OUT(t)＝OUT(t-Δt)+V(t)Δt

其中，V_end为设定速度，V(t)为当输出值的速度，T为按照匀减速运动到当前输入值处的要求根据当前输出值与速度计算得到的所需时间，计算方式如下：

本发明还提供了一种柔性直流换流器的前馈控制装置，包括以下模块：用于当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定的模块；

用于当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化的模块。

进一步的，所述电网电压发生小信号扰动或突变的判断包括如下步骤：

1)实时提取网侧三相交流电压，进行dq变换，得到前馈控制的输入值；

2)计算输入值与前一周期的输出值的差的绝对值；

3)比较步骤2)中的绝对值与第一设定值的大小，若绝对值小于第一设定值，则判断为电网电压发生小信号扰动；若绝对值大于等于第一设定值，则判断为电网电压突变。

附图说明

图1是本发明前馈控制方法的柔性直流换流器控制框图；

图2是本发明的前馈控制方法实施例一的前馈控制处理环节的程序流程图；

图3是本发明的交流电网电压幅值快速跌落后的前馈控制方法的输出跟踪波形；

图4是本发明的交流电网电压幅值快速抬升后的前馈控制方法的输出跟踪波形；

图5是本发明的前馈控制方法实施例二的前馈控制处理环节的程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

前馈控制方法实施例一

本发明的柔性直流换流器的前馈控制方法，是在电流内环控制的交流电压前馈部分加入了前馈控制，如图1所示；前馈控制通过对输入值的控制处理得到输出值，将该输出量叠加到电流内环输出后发送给调制环节，实现电流内环的前馈控制。具体的，当交流电压幅值突变(骤升或跌落)时令换流器输出及时跟踪输入值的变化，避免换流器过流；而在交流电压存在小幅振荡扰动时，能够不响应该扰动，保持换流器输出的稳定。

具体的，本发明的柔性直流换流器的前馈控制方法实现过程如下：

1)实时提取网侧三相交流电压，进行dq变换，得到前馈控制的输入值；

本实施例中将提取的网侧的三相交流电压转变到旋转坐标系下，得到d轴、q轴的Ud、Uq；将Ud、Uq分别作为前馈控制的输入值。

2)计算输入值与前一周期的输出值的差的绝对值。

3)比较步骤2)中的绝对值与第一设定值的大小，若绝对值小于第一设定值，则判断为电网电压发生小信号扰动；若绝对值大于等于第一设定值，则判断为电网电压突变。

4)当电网电压发生小信号扰动，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定；当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化。

下面以输入值Ud为例进行说明，在初始时刻，令前馈控制的输出值等于输入值，并默认设置当前工作模式为静止模式。如图2所示，前馈控制的工作流程，如下：

1)实时计算前馈控制的输入值IN(t)，并与前一周期的输出值OUT(t-△t)比较，计算输入值IN(t)与前一周期输出值OUT(t-△t)的差值；

2)若该差值的绝对值小于设定值L1,则前馈控制处于静止模式(STATE＝0)，则前馈控制的输出值OUT(t)为前一周期的输出值OUT(t-△t)；此时，前馈控制的输出值保持恒定，其不随输入值的变化而变化。

3)若前馈控制的输入值IN(t)与前一周期的输出值OUT(t-△t)之差的绝对值大于等于设定值L1时，则前馈控制进入跟踪模式(STATE＝1)。

本实施例中，在跟踪模式下，前馈控制的输出值OUT(t)为：

若IN(t)＜OUT(t-△t)，则OUT(t)＝min[(IN(t)+L1),(OUT(t-Δt)+V(t-Δt)Δt)]；

若IN(t)≥OUT(t-△t)，则OUT(t)＝max[(IN(t)-L1),(OUT(t-Δt)+V(t-Δt)Δt)]；

其中IN(t)为当前周期的输入值，OUT(t-△t)为前一周期的输出值，OUT(t)为当前周期的输出值，Δt为前馈处理环节的运行周期，V(t-△t)为前一周期的输出值变化速率，为：OUT(t-2△t)为前两周期的输出值。

3)在跟踪模式下，若前馈控制的输入值IN(t)与前一周期的输出值OUT(t-△t)之差的绝对值大于等于设定值L2，则前馈控制维持跟踪模式；

4)若前馈控制的输入值IN(t)与前一周期的输出值OUT(t-△t)之差的绝对值小于设定值L2且该绝对值大于等于设定值L3，则前馈控制进入减速模式(STATE＝3)，即此时前馈控制的输出值为：

OUT(t)＝OUT(t-Δt)+V(t)Δt

其中T为按照匀减速运动到当前输入值处的要求根据当前输出值与速度计算得到的所需时间，其计算方式如下：

上述步骤4)中的减速模式是将当前周期输出值从当前速度开始均匀减速直到设定速度V_end，减速到与当前周期的输入值接近IN(t)。

5)若绝对值大于设定值L3,则前馈处理环节维持减速模式；若绝对值小于等于设定值L3时，则进入静止模式，此刻的输出值OUT(t)等于当前周期的输入值IN(t)。

需要说明的是，上述前馈控制的工作流程的初始时刻为静止模式，在此基础上，前馈控制进行了工作模式的判断，但是并不局限于初始时刻为静止模式，其也可以是跟踪模式。

本实施例中，前馈控制处理环节通过减速模式，进行一个平缓的过渡，能够保证换流器的输出更加的平稳。

本实施例中，为保证前馈处理环节正常运行，需保证各差值判断条件设定值之间关系满足L1＞L2＞L3。

下面以交流电网电压幅值的骤升、跌落为例，对上述前馈控制方法进行详细的说明。

图3为电网电压突然跌落的前馈控制方法示意图，其中，在t1时刻之前，输入信号IN存在小幅振荡，但由于振荡范围均小于设定值L1，前馈控制环节运行于静止模式，因此输出信号以前一周期的输出值为基准，维持静止不变，其并不随输入信号IN的变化而变化。

t1时刻后由于电网电压突降，输入信号IN与前一周期的输出信号OUT’之差超过L1，前馈控制进入跟踪模式，当前的输出信号OUT跟踪输入信号IN的变化而变化，跟随的过程中绝对值相差不超过设定值L1。

t2时刻后电网电压在新的较低幅值处稳定，判断前馈控制的输入信号IN与前一周期的输出信号OUT’之差小于L2，则前馈处理环节进入减速模式，当前的输出信号OUT按照减速模式开始减速。

在减速模式下，实时判断前一周期的输出信号号OUT’与输入信号IN之差的绝对值是否小于L3，当在t3时刻，小于L3，则此时设置前馈控制的输出信号OUT等于前馈控制的输入信号IN，并令前馈处理环节重新进入静止模式，完成整个前馈跟踪过程。

图4为电网电压突然骤升的前馈控制方法示意图，在t1时刻之前，输入信号IN存在小幅振荡，但由于振荡范围均小于设定值L1，前馈控制环节运行于静止模式，因此输出信号OUT以前一周期的输出值为基准，维持静止不变，其并不随输入信号的变化而变化。

t1时刻后由于电网电压突升，输入信号IN与前一周期的输出信号OUT’之差绝对值超过L1，前馈控制的进入跟踪模式，输出信号OUT跟踪输入信号IN的速度，绝对值相差不超过L1。

t2时刻后电网电压在新的较低幅值处稳定，输入信号IN与前一周期的输出信号OUT’之差小于L2，前馈控制进入减速模式，输出信号OUT按照预设方案开始减速。

直到t3时刻，判断前一周期的输出信号号OUT’与输入信号IN之差的绝对值小于L3，此时设置前馈控制的输出OUT等于前馈控制的输入信号IN，并令前馈处理环节重新进入静止模式，完成整个前馈跟踪过程。

前馈控制方法实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：前馈控制处理环节的工作模式仅有两种模式：静止模式和跟踪模式，省略了前馈控制中的减速模式。

具体的，前馈控制的工作流程，如图5所示，其中，关于静止模式和跟踪模式的具体工作流程与实施例一的工作流程相同，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例在跟踪模式下，若前馈控制的输入值IN(t)与前一周期输出值OUT(t-△t)之差的绝对值小于设定值L2时，直接进入静止模式，此刻的输出值OUT(t)等于当前周期的输入值IN(t)。

前馈控制装置

本发明中还提供了一种柔性直流换流器前馈控制装置，该装置实际上为计算机等具备数据处理能力的设备，该设备包括处理器和存储器，该处理器可以是通用处理器，该处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，实现本发明的柔性直流换流器前馈控制方法，具体方法见上述介绍的方法实施例，这里不再赘述。

前馈控制装置

本发明还提供了一种柔性直流换流器的前馈控制装置，包括以下模块：用于当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定的模块；用于当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化的模块。

上述装置实施例中所指的装置，实际上基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种功能模块构架，上述模块即为与方法流程相对应的处理进程。该软件可以运行于控制设备或智能设备中。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，而本实施例所声称的装置实际上是一种功能模块构架，故不再详细进行描述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照实施例的方法、设备(***)、计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的，应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合；可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种柔性直流换流器的前馈控制方法，其特征在于：

当电网电压发生小信号扰动时，前馈控制处于静止模式，前馈控制的输出值恒定；

当电网电压突变时，前馈控制处于跟踪模式，前馈控制的输出值跟随其输入值的变化而变化；

所述电网电压发生小信号扰动或突变的判断包括如下步骤：

1)实时提取网侧三相交流电压，进行dq变换，得到前馈控制的输入值；

2)计算输入值与前一周期的输出值的差的绝对值；

3)比较步骤2)中的绝对值与第一设定值的大小，若绝对值小于第一设定值，则判断为电网电压发生小信号扰动；若绝对值大于等于第一设定值，则判断为电网电压突变；

在跟踪模式下，若绝对值大于等于第二设定值，则前馈控制维持跟踪模式，第一设定值＞第二设定值；

跟踪模式下，前馈控制的输出值为：

若IN(t)＜OUT(t-△t)，则

OUT(t)＝min[(IN(t)+L1),(OUT(t-△t)+V(t-△t)△t)]；

若IN(t)≥OUT(t-△t)，则

OUT(t)＝max[(IN(t)-L1),(OUT(t-△t)+V(t-△t)△t)]；

其中，IN(t)为当前周期的输入值，OUT(t-△t)为前一周期的输出值，OUT(t)为当前周期的输出值，Δt为前馈处理环节的运行周期，L1为第一设定值，V(t-△t)为前一周期的输出值变化速率，为：OUT(t-2Δt)为前两周期的输出值。

2.根据权利要求1所述的柔性直流换流器的前馈控制方法，其特征在于，

在跟踪模式下，若绝对值小于第二设定值，则前馈控制进入静止模式。

3.根据权利要求1所述的柔性直流换流器的前馈控制方法，其特征在于，在跟踪模式下，若绝对值小于第二设定值且绝对值大于等于第三设定值，则前馈控制进入减速模式；若绝对值小于第三设定值，则前馈控制进入静止模式，其中，第一设定值＞第二设定值＞第三设定值。

4.根据权利要求3所述的柔性直流换流器的前馈控制方法，其特征在于，减速模式下，输出值为：

OUT(t)＝OUT(t-△t)+V(t)△t

其中，IN(t)为当前周期的输入值，V_end为设定速度，V(t)为当输出值的速度，T为按照匀减速运动到当前输入值处的要求根据当前输出值与速度计算得到的所需时间，计算方式如下：

5.一种柔性直流换流器的前馈控制装置，包括处理器和存储器，其特征在于，所述处理器执行所述存储器中的存储的计算机程序，实现如权利要求1-4中任一项所述的柔性直流换流器的前馈控制方法。