CN114567014B - 一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法 - Google Patents

一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域，控制方法为：在正常供电馈线发生故障后，柔性切换开关迅速切除故障，采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载独立提供功率，同时采用预同步控制单元，判断是否满足三相IGBT逆变器与待并网馈线并网的条件，当符合条件时，将三相IGBT逆变器与待并网馈线并网，由并网后的馈线为负载供电。整个柔性切换开关的控制简单，在馈线柔性切换过程中平稳、快速；采用虚拟同步发电机控制单元控制，避免采用锁相环得到电网侧电压相位信息，大幅提升了控制***的稳定性和可靠性。

Description

一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法。
背景技术
新能源发电常以分布式电源的形式接入电网，其具有波动性和间歇性的特点，加上以新能源汽车为首的新型用电负荷，使得新能源发电出力与用电负荷变化趋势差异显著，功率预测难度较大，配电网潮流分布呈现波动性，传统配电网控制手段不再适用，因此越来越多研究着重于具备灵活调控能力的智能配电技术。此外，大规模新能源接入配电网，将大幅降低电网等效转动惯量，***抗扰动能力大幅削弱。为了保障供电可靠、运行安全，需要大幅提升电力***调峰、调频和调压等能力。因此，采用虚拟同步发电机控制对逆变器进行控制，使逆变器具备同步发电机的特性，将有效提升***运行稳定性。
现有技术中，在进行预同步并网过程中，常使用锁相环得到电网侧电压相位信息，然而锁相环对***控制会带来一定程度的不稳定性，甚至引起***振荡。此外，针对馈线间柔性切换，现有的控制方法主要解决切换中母线并网问题，但依旧存在冲击电流大，电压电流波动大的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法，旨在解决当前电力***抗干扰能力较差，当出现馈线故障，利用逆变器具有同步发电机的特性提高***运行稳定性时，在进行预同步并网过程中，常使用锁相环得到电网侧电压相位信息，然而锁相环对***控制会带来一定程度的不稳定性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有电压支撑功能的柔性切换开关，包括：三相IGBT逆变器、滤波器、储能电容、变压器、虚拟同步发电机控制单元、预同步控制单元和IGCT开关；
三相IGBT逆变器的直流端口侧连接储能电容，其交流侧通过滤波器连接变压器；变压器二次侧通过n个IGCT开关与n条馈线相连；一个IGCT开关对应连接正常供电馈线或待并网馈线；预同步控制单元的输出端与待并网馈线对应的IGCT开关的控制端口以及所述虚拟同步发电机控制单元相连；虚拟同步发电机控制单元与三相IGBT逆变器控制端口相连；
虚拟同步发电机控制单元用于通过结合变压器一次侧三相电压、三相IGBT逆变器交流三相电流、变压器一次侧电压角频率参考值、变压器一次侧电压角频率、有功功率参考值和无功功率参考值，利用频率-有功功率下垂控制、转速控制器、无功功率-电压下垂控制、交流电压控制、交流电流控制和坐标反变换，生成PWM信号对三相IGBT逆变器进行控制；
所述三相IGBT逆变器用于在正常供电馈线发生故障后，在PWM信号的控制下，将储能电容储存的能量经过逆变向负载供电；并用于在虚拟同步发电机控制单元与预同步控制单元的控制下，对变压器一次侧电压进行频率和相位修正，进而实现与待并网馈线的并网；
所述预同步控制单元用于当两相旋转坐标系下变压器二次侧电压和待并网馈线电压的d轴分量之差和q轴分量之差同时小于误差阈值时，向待并网馈线对应的IGCT开关提供导通信号；否则向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，同时向待并网馈线对应的IGCT开关提供关断信号，直到满足并网条件。
进一步优选地，虚拟同步发电机控制单元包括：
虚拟同步发电机控制单元包括：
实际功率计算器，采用两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器电流，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值和无功功率实际值；参数设定器，用于设定变压器一次侧电压角频率参考值，有功功率参考值和无功功率参考值；
第一减法器，用于将变压器一次侧电压角频率参考值与变压器一次侧电压频率相减得到频率差值；将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率参考值与实际值相减，得到无功功率差值；
变压器一次侧电压相位参考值控制器，用于将频率差值通过频率-有功功率下垂控制，结合有功功率参考值、虚拟机械功率和转速控制器，获取变压器一次侧电压相位参考值；变压器一次侧电压幅值参考值控制器，用于将无功功率差值通过无功功率-电压下垂控制，结合变压器一次侧电压额定值，获取变压器一次侧电压幅值参考值；
第一坐标变换器，用于采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行坐标变换，获取两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器交流侧电流；
交流电压控制器，用于将两相旋转坐标系下变压器一次侧电压参考值，结合变压器一次侧电压，输入交流电压控制环，获取两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值；交流电流控制器，用于将两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值，结合三相IGBT逆变器交流侧电流以及变压器一次侧电压，输入交流电流控制环获取两相旋转坐标下PWM调制电压；
坐标反变换器，采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，用于将两相旋转坐标系下PWM调制电压经过坐标反变换，获取三相静止坐标系下PWM调制电压；PWM控制器，用于通过脉冲宽度调制，结合三相静止坐标系下PWM调制电压得到PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
进一步优选地，预同步控制单元包括：
第二坐标变换器，采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，用于将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及待并网馈线三相电压u sa、u sb、u sc进行坐标变换，分别得到两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；
第二减法器，用于将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
逻辑判断器，用于判断ΔU d及ΔU q是否同时小于误差阈值，若满足，则判定变压器二次侧电压与待并网馈线电压满足并网条件，向待并网馈线对应的IGCT开关发送导通信号；否则，向待并网馈线对应的IGCT开关发送断开信号，直到满足并网条件；
变压器二次侧电压相位修正器，用于将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，变压器二次侧电压相位同步得到修正，直到满足并网条件。
进一步优选地，滤波器包括：并网电阻、并网电感和滤波电容；
三相IGBT逆变器的交流端口与变压器一次侧之间接入所述滤波器。
进一步优选地，转速控制器模拟同步发电机转子运动方程，其表达式为：
Figure 892346DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，P t 及P e 分别为同步发电机机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；Δω为频率差值；t为时间；ω为变压器一次侧电压频率。
需指出，本发明中变压器一次侧和变压器二次侧的电压角频率是相等的，从原理的角度考虑，虚拟同步发电机控制单元控制的是变压器一次侧电压角频率；预同步控制单元实现并网的条件采用的是变压器二次侧电压频率与待并网馈线电压频率相比较，不符合并网条件时，对变压器一次侧电压相位进行修正，同步实现变压器二次侧电压相位的修正。
基于本发明提供的一种具有电压支撑功能的柔性切换开关，本发明提供了相应的控制方法，包括以下步骤：
（1）当正常供电馈线发生故障后，与该馈线对应的IGCT开关切除故障；
（2）采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载进行供电，同时启动预同步控制单元，对变压器二次侧电压与待并网馈线电压进行逻辑判断，在不满足并网条件时，预同步控制单元向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，直到满足并网条件；（3）通过判断两相旋转坐标系下变压器二次侧电压和第二种馈线中待并网馈线输出电压相差是否小于误差阈值，若小于误差阈值，则闭合待并网馈线对应IGCT开关；否则断开待并网馈线对应IGCT开关，对变压器二次侧电压频率修正，转至步骤（1），直至闭合待并网馈线对应IGCT开关。
进一步优选地，三相IGBT逆变器的控制方法，包括以下步骤：
（1.1）对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行坐标变换，获取两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器电流，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值和无功功率实际值；
（1.2）设定变压器一次侧电压角频率参考值，有功功率参考值和无功功率参考值；
（1.3）将变压器一次侧电压角频率参考值与变压器一次侧电压角频率相减，得到频率差值；
同时将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率的参考值与实际值相减，得到无功功率差值；
（1.4）将频率差值通过频率-有功功率下垂控制，结合有功功率参考值、预同步控制单元输出虚拟机械功率和转速控制器，得到变压器一次侧电压相位参考值；
同时将无功功率差值通过无功功率-电压下垂控制，结合变压器一次侧电压额定值，获取变压器一次侧电压幅值参考值；
（1.5）将变压器一次侧电压相位参考值和电压幅值参考值进行组合，通过坐标变换获取以变压器一次侧电压相位参考值为参考的两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值；
（1.6）将两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值，结合变压器一次侧电压，输入交流电压控制环，得到两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值；
（1.7）将两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值，结合三相IGBT逆变器交流侧电流以及变压器一次侧电压，输入交流电流控制环，得到两相旋转坐标下PWM调制电压；
（1.8）将两相旋转坐标下PWM调制电压，经过坐标反变换，得到三相静止坐标系下PWM调制电压，并通过脉冲宽度调制，得到PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
进一步优选地，三相IGBT逆变器与待并网馈线的并网方法，包括以下步骤：
将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及第二馈线三相电压u sa、u sb、u sc进行坐标变换，分别得到以电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；
将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
判断ΔU d及ΔU q同时小于误差阈值，若满足，则判定变压器二次侧电压与待并网馈线电压满足并网条件，向待并网馈线对应的IGCT开关发送导通信号；否则，向待并网馈线对应的IGCT开关发送断开信号，直到满足并网条件；
将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，变压器二次侧电压相位同步得到修正，直到满足并网条件。
进一步优选地，速控制器模拟同步发电机转子运动方程，其表达式为：
Figure 92383DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，P t 及P e 分别为同步发电机机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；Δω为频率差值；t为时间；ω为变压器二次侧电压频率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供了一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法，当正常供电馈线发生故障后，与该馈线对应的IGCT开关切除故障；采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载进行供电，同时启动预同步控制单元，对变压器二次侧电压与待并网馈线电压进行逻辑判断，在不满足并网条件时，预同步控制单元向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，直到满足并网条件；待满足并网条件后，预同步控制单元向待并网馈线对应IGCT开关发送导通信号，完成馈线之间的柔性切换。因此，本发明具有良好的经济性，且能够快速安全地实现不同馈线间的切换，在故障发生后可以实现快速故障隔离与恢复。本发明中采用并联变流器辅助换流，切换速度快；实现无功、三相不平衡补偿，配合大容量储能电池可实现配电网消峰填谷；避免采用锁相环，提高控制***可靠性、稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性切换开关的电路拓扑结构图；
图2是本发明实施例提供的虚拟同步发电机控制单元控制框图；
图3是本发明实施例提供的快速同步并网控制框图；
图4是本发明实施例提供的IGBT逆变电路交流侧及负载侧电流有效值波形；
图5是本发明实施例提供的变压器一次侧电压有效值波形；
图6是本发明实施例提供的IGBT逆变电路直流侧电容电压波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1是本发明提供的一种具有电压支撑功能的柔性切换开关结构示意图，包括：一个三相IGBT（绝缘栅双极型晶体管：Insulated Gate Bipolar Transistor）逆变器、滤波器、储能电容Cdc、变压器、虚拟同步发电机控制单元、预同步控制单元和两个IGCT（集成栅极换流晶闸管：Intergrated Gate Commutated Thyristors）开关电路；
三相IGBT逆变器包括一个直流端口和一个交流端口；三相IGBT逆变器的直流端口与储能电容相连，电容值为C dc；三相IGBT逆变器的交流端口输出220V三相交流电，经由变压器一次侧与两组馈线相连，其并网电阻为R 1，并网电感为L 1，滤波电容为C 1；
两组馈线包括第一馈线和第二馈线；
两个IGCT开关电路包括第一IGCT和第二IGCT；
第一馈线经由第一IGCT与负载及变压器二次侧相连；
第二馈线经由第二IGCT与变压器二次侧相连；
虚拟同步发电机控制单元与三相IGBT逆变器控制端口相连；
第一馈线相当于电网，第一馈线正常工作状态下用于为负载供电；第二馈线用于在第一馈线发生故障后，当其与三相IGBT逆变器并网后，用于为负载供电；变压器用于将三相IGBT逆变器的输出电压升压至交流母线电压量级；L 1、C 1和R 1构成滤波器，用于对三相IGBT逆变器输出电压中的谐波滤除；三相IGBT逆变器用于第一馈线发生故障后，在虚拟同步发电机控制单元的控制下，将储能电容储存的能量经过逆变向负载供电；并在预同步控制单元的控制下，实现与第二馈线的并网。
本发明提供的具有电压支撑功能的柔性切换开关在运行时，通过虚拟同步发电机控制单元控制及预同步控制方法，实现与第二馈线快速同步并网。下面结合图1至图6介绍本发明的具体实施方式：
图1中三相IGBT逆变器、滤波器、储能电容、变压器和两个IGCT开关电路构成主电路拓扑结构；
在主电路拓扑结构中，变压器一次侧三相电压为：u ca、u cb、u cc，其二次侧三相电压为：u ga、u gb、u gc；第二馈线输入三相电压为：u sa、u sb、u sc；第二馈线输出三相电流为：i ga、i gb、i gc；三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流为：i a、i b、i c，直流端口输出三相电压为：U dc；
图2是本发明虚拟同步发电机控制单元控制三相IGBT逆变器的控制框图，包括以下步骤：
对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行PARK变换，分别得到两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压U d、U q和三相IGBT逆变器电流I d、I q，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值P e 及无功功率实际值Q e ；
设定三相IGBT逆变器交流侧输出电压角频率参考值ω 0，有功功率参考值P 0和无功功率参考值Q 0；
将逆变器交流侧输出电压角频率参考值ω 0与变压器二次侧电压频率ω相减，得到频率差值Δω；将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率的参考值Q 0与实际值Q e 相减，得到无功功率差值ΔQ；
将频率差值Δω结合有功功率参考值P 0，通过频率-有功功率下垂控制，根据同步发电机转子运动方程
Figure 351326DEST_PATH_IMAGE003
，得到变压器一次侧电压相位参考值θ；将无功功率差值ΔQ通过无功功率-电压下垂控制获取变压器一次侧电压幅值参考值U m；两者组合后通过坐标变换得到以变压器一次侧电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值U d *、U q *；其中，U m0为变压器一次侧电压幅值额定值；
其中，同步发电机转子运动方程中P t 及P e 分别为同步发电机机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；
将两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值U d *、U q *，结合变压器一次侧电压U d、U q，输入交流电压控制环，得到两相旋转坐标下电流参考值I d *、I q *；将两相旋转坐标下电流参考值I d *、I q *，结合三相IGBT逆变器电流I d、I q以及变压器一次侧电压U d、U q，输入交流电流控制环，得到两相旋转坐标下调制电压参考值U md *、U mq *，经由反变换，输出三相电压参考值u a⃰、u b⃰、u c⃰；将三相电压参考值输入PWM生成器，形成PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
图3是本发明提供IGCT投切与虚拟同步发电机控制单元控制的柔性切换开关，在第一馈线故障后脱网运行，实现与第二馈线快速同步并网优化方法，具体包括以下步骤：
采用以电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标对第二IGCT两侧电压进行预同步控制，在两相旋转坐标系下，变压器二次侧电压矢量为一相对静止于坐标系的矢量；而第二馈线电压矢量为一相对于坐标轴旋转的矢量，两个矢量相对旋转，当两者相对旋转角速度非常小且两者相位相近时，即可进行并网。因此，对第二IGCT两侧电压进行预同步控制，改变变压器二次侧电压矢量旋转角速度，加快两侧电压矢量相位关系满足并网条件，实现与第二馈线快速并网。更为具体地：
将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及第二馈线三相电压u sa、u sb、u sc（即第二IGCT两侧三相电压）进行坐标变换，分别得到以电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
若ΔU d及ΔU q同时小于误差阈值ε，变压器二次侧电压与第二馈线电压满足并网条件，逻辑判断器向第二IGCT开关发送导通信号；若ΔU d或ΔU q不同时小于误差阈值ε，两者不满足并网条件，逻辑判断器向第二IGCT发送断开信号，与此同时为实现与第二馈线快速同步并网，将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率P wref，对变压器二次侧电压频率ω进行修正，经由虚拟同步发电机控制单元控制，加快第二IGCT两侧电压满足并网条件，实现与第二馈线快速同步并网。
实施例2
本发明提供了一种具有电压支撑功能的柔性切换开关的控制方法，包括以下步骤：
（1）当正常供电馈线发生故障后，与该馈线对应的IGCT开关切除故障；
（2）采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载进行供电，同时启动预同步控制单元，对变压器二次侧电压与待并网馈线电压进行逻辑判断，在不满足并网条件时，预同步控制单元向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，直到满足并网条件；
（3）通过判断两相旋转坐标系下变压器二次侧电压和第二种馈线中待并网馈线输出电压相差是否小于误差阈值，若小于误差阈值，则闭合待并网馈线对应IGCT开关；否则断开待并网馈线对应IGCT开关，对变压器二次侧电压频率修正，转至步骤（1），直至闭合待并网馈线对应IGCT开关。
进一步优选地，三相IGBT逆变器的控制方法，包括以下步骤：
（1.1）对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行坐标变换，获取两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器电流，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值和无功功率实际值；
（1.2）设定变压器一次侧电压角频率参考值，有功功率参考值和无功功率参考值；
（1.3）将变压器一次侧电压角频率参考值与变压器一次侧电压角频率相减，得到频率差值；
同时将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率的参考值与实际值相减，得到无功功率差值；
（1.4）将频率差值通过频率-有功功率下垂控制，结合有功功率参考值、预同步控制单元输出虚拟机械功率和转速控制器，得到变压器一次侧电压相位参考值；
同时将无功功率差值通过无功功率-电压下垂控制，结合变压器一次侧电压额定值，获取变压器一次侧电压幅值参考值；
（1.5）将变压器一次侧电压相位参考值和电压幅值参考值进行组合，通过坐标变换获取以变压器一次侧电压相位参考值为参考的两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值；
（1.6）将两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值，结合变压器一次侧电压，输入交流电压控制环，得到两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值；
（1.7）将两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值，结合三相IGBT逆变器交流侧电流以及变压器一次侧电压，输入交流电流控制环，得到两相旋转坐标下PWM调制电压；
（1.8）将两相旋转坐标下PWM调制电压，经过坐标反变换，得到三相静止坐标系下PWM调制电压，并通过脉冲宽度调制，得到PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
进一步优选地，三相IGBT逆变器与待并网馈线的并网方法，包括以下步骤：
将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及第二馈线三相电压u sa、u sb、u sc进行坐标变换，分别得到以电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；
将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
判断ΔU d及ΔU q同时小于误差阈值，若满足，则判定变压器二次侧电压与待并网馈线电压满足并网条件，向待并网馈线对应的IGCT开关发送导通信号；否则，向待并网馈线对应的IGCT开关发送断开信号，直到满足并网条件；
将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，变压器二次侧电压相位同步得到修正，直到满足并网条件。
进一步优选地，同步发电机转子运动方程为：
Figure 636814DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，P t 及P e 分别为同步发电机机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；Δω为频率差值；t为时间；ω为变压器二次侧电压频率。
实施例3
运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明所提方案进行验证，仿真结果如图4~图6；仿真过程如下，两组馈线均为1000V交流电，IGBT逆变器直流侧端口接700V超级电容，交流侧端口输出380V交流电经过变压器与两个IGCT开关电路相连；第一IGCT于1s时切除第一馈线，IGBT逆变器开始孤岛运行，0.1s后IGBT逆变器开始预同步并网控制；IGBT逆变器交流侧电流波形如图4、变压器一次侧电压波形如图5以及IGBT逆变器直流侧电容电压波形如图6所示。
图4中孤岛运行前，负载功率由第一馈线提供，逆变器交流侧电流较小；在1s时第一IGCT切除第一馈线，负载功率由逆变器提供，逆变器交流侧电流显著增大，负载侧电流在短时间内骤减并迅速恢复稳态；在1.5s左右，逆变器完成与第二馈线并网，此时负载功率由第二馈线提供，因此逆变器交流侧电流略微下降；此时由于功率不平衡，使得电流迅速增大，再经过一段时间后，电流逐渐衰减，恢复稳态。图5中在1s时，变压器一次侧电压有效值在短时间内骤降并迅速恢复稳态；在1.5s左右，电压波形受并网影响较小。说明虚拟同步发电机控制单元控制等效地增大了电网惯量，在并网过程中体现其优越性。图6中在1s后逆变器孤岛运行，逆变器直流侧电压经由逆变器向负载提供功率，因此直流侧电容电压逐渐降低；直到1.5s后，逆变器与第二馈线并网，负载功率由第二馈线提供，直流侧电容电压在经历暂态过程后恢复稳定。
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
本发明提供了一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法，当正常供电馈线发生故障后，与该馈线对应的IGCT开关切除故障；采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载进行供电，同时启动预同步控制单元，对变压器二次侧电压与待并网馈线电压进行逻辑判断，在不满足并网条件时，预同步控制单元向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，直到满足并网条件；待满足并网条件后，预同步控制单元向待并网馈线对应IGCT开关发送导通信号，完成馈线之间的柔性切换。
本发明具有良好的经济性，且能够快速安全地实现不同馈线间的切换，在故障发生后可以实现快速故障隔离与恢复。本发明中采用并联变流器辅助换流，切换速度快；实现无功、三相不平衡补偿，配合大容量储能电池可实现配电网消峰填谷；避免采用锁相环，提高控制***可靠性、稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有电压支撑功能的柔性切换开关，其特征在于，包括：三相IGBT逆变器、滤波器、储能电容、变压器、IGCT开关、虚拟同步发电机控制单元和预同步控制单元；
所述三相IGBT逆变器的直流侧端口连接所述储能电容，其交流侧通过所述滤波器连接所述变压器一次侧；所述变压器二次侧通过不同所述IGCT开关分别与正常供电馈线和待并网馈线相连；所述预同步控制单元的输出端与待并网馈线对应的IGCT开关的控制端口以及所述虚拟同步发电机控制单元相连；所述虚拟同步发电机控制单元与所述三相IGBT逆变器控制端口相连；
所述虚拟同步发电机控制单元用于通过结合变压器一次侧三相电压、三相IGBT逆变器交流三相电流、变压器一次侧电压角频率参考值、变压器一次侧电压角频率、有功功率参考值和无功功率参考值，利用频率-有功功率下垂控制、转速控制器、无功功率-电压下垂控制、交流电压控制、交流电流控制和坐标反变换，生成PWM信号对三相IGBT逆变器进行控制；
所述三相IGBT逆变器用于在正常供电馈线发生故障后，在PWM信号的控制下，将储能电容储存的能量经过逆变向负载供电；并用于在虚拟同步发电机控制单元与预同步控制单元的控制下，对变压器一次侧电压进行频率、相位修正，进而实现与待并网馈线的并网；
所述预同步控制单元用于当两相旋转坐标系下变压器二次侧电压和待并网馈线电压的d轴分量之差和q轴分量之差同时小于误差阈值时，向待并网馈线对应的IGCT开关提供导通信号；否则将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，同时向待并网馈线对应的IGCT开关提供关断信号，直到满足并网条件；
其中，ΔU d和ΔU q分别为两相旋转坐标系下变压器二次侧电压和待并网馈线电压的d轴分量之差和q轴分量之差。
2.根据权利要求1所述的柔性切换开关，其特征在于，所述虚拟同步发电机控制单元包括：
实际功率计算器，采用两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器电流，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值和无功功率实际值；参数设定器，用于设定变压器一次侧电压角频率参考值，有功功率参考值和无功功率参考值；
第一减法器，用于将变压器一次侧电压角频率参考值与变压器一次侧电压频率相减得到频率差值；将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率参考值与实际值相减得到无功功率差值；
变压器一次侧电压相位参考值控制器，用于将频率差值通过频率-有功功率下垂控制，结合有功功率参考值、虚拟机械功率和转速控制器，获取变压器一次侧电压相位参考值；变压器一次侧电压幅值参考值控制器，用于将无功功率差值通过无功功率-电压下垂控制，结合变压器一次侧电压额定值，获取变压器一次侧电压幅值参考值；
第一坐标变换器，用于采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行坐标变换，获取两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器交流侧电流；
交流电压控制器，用于将两相旋转坐标系下变压器一次侧电压参考值，结合变压器一次侧电压，输入交流电压控制环，获取两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值；交流电流控制器，用于将两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值，结合三相IGBT逆变器交流侧电流以及变压器一次侧电压，输入交流电流控制环获取两相旋转坐标下PWM调制电压；
坐标反变换器，采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，用于将两相旋转坐标系下PWM调制电压经过坐标反变换，获取三相静止坐标系下PWM调制电压；PWM控制器，用于通过脉冲宽度调制，结合三相静止坐标系下PWM调制电压得到PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的柔性切换开关，其特征在于，所述预同步控制单元包括：
第二坐标变换器，采用变压器一次侧电压相位参考值作为坐标变换相位参考值，用于将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及待并网馈线三相电压u sa、u sb、u sc进行坐标变换，分别得到两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；
第二减法器，用于将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
逻辑判断器，用于判断ΔU d及ΔU q是否同时小于误差阈值，若满足，则判定变压器二次侧电压与待并网馈线电压满足并网条件，向待并网馈线对应的IGCT开关发送导通信号；否则，向待并网馈线对应的IGCT开关发送断开信号，直到满足并网条件；
变压器二次侧电压相位修正器，用于将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，变压器二次侧电压相位同步得到修正，直到满足并网条件。
4.根据权利要求1所述的柔性切换开关，其特征在于，所述滤波器包括：并网电阻、并网电感和滤波电容；
所述三相IGBT逆变器的交流端口与变压器一次侧之间接入所述滤波器。
5.根据权利要求2所述的柔性切换开关，其特征在于，所述转速控制器模拟同步发电机转子运动方程，其表达式为：
Figure 664944DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，P t 及P e 分别为虚拟同步发电机控制单元机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；Δω为频率差值；t为时间；ω为变压器一次侧电压频率。
6.一种基于权利要求1所述的具有电压支撑功能的柔性切换开关的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）当正常供电馈线发生故障后，与该馈线对应的IGCT开关切除故障；
（2）采用虚拟同步发电机控制单元控制的三相IGBT逆变器向负载进行供电，同时启动预同步控制单元，对变压器二次侧电压与待并网馈线电压进行逻辑判断，在不满足并网条件时，预同步控制单元向虚拟同步发电机控制单元输出虚拟机械功率，对变压器一次侧电压相位进行修正，直到满足并网条件；
（3）待满足并网条件后，预同步控制单元向待并网馈线对应IGCT开关发送导通信号，完成馈线之间的柔性切换。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，三相IGBT逆变器的控制方法，包括以下步骤：
（1.1）对变压器一次侧三相电压与三相IGBT逆变器交流端口输入三相电流进行坐标变换，获取两相同步旋转坐标系下的变压器一次侧电压和三相IGBT逆变器电流，计算三相IGBT逆变器交流端口输入有功功率实际值和无功功率实际值；
（1.2）设定变压器一次侧电压角频率参考值，有功功率参考值和无功功率参考值；
（1.3）将变压器一次侧电压角频率参考值与变压器一次侧电压角频率相减，得到频率差值；
同时将三相IGBT逆变器交流侧输出无功功率的参考值与实际值相减，得到无功功率差值；
（1.4）将频率差值通过频率-有功功率下垂控制，结合有功功率参考值、预同步控制单元输出虚拟机械功率和转速控制器，得到变压器一次侧电压相位参考值；
同时将无功功率差值通过无功功率-电压下垂控制，结合变压器一次侧电压额定值，获取变压器一次侧电压幅值参考值；
（1.5）将变压器一次侧电压相位参考值和电压幅值参考值进行组合，通过坐标变换获取以变压器一次侧电压相位参考值为参考的两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值；
（1.6）将两相旋转坐标下变压器一次侧电压参考值，结合变压器一次侧电压，输入交流电压控制环，得到两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值；
（1.7）将两相旋转坐标下三相IGBT逆变器交流侧电流参考值，结合三相IGBT逆变器交流侧电流以及变压器一次侧电压，输入交流电流控制环，得到两相旋转坐标下PWM调制电压；
（1.8）将两相旋转坐标下PWM调制电压，经过坐标反变换，得到三相静止坐标系下PWM调制电压，并通过脉冲宽度调制，得到PWM信号，对三相IGBT逆变器进行控制。
8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，三相IGBT逆变器与待并网馈线的并网方法，包括以下步骤：
将变压器二次侧三相电压u ga、u gb、u gc及第二馈线三相电压u sa、u sb、u sc进行坐标变换，分别得到以变压器一次侧电压相位参考值θ为参考的两相旋转坐标系下电压U gd、U gq和U sd、U sq；
将U gd减去U sd，得到d轴电压差值ΔU d，将U gq减去U sq，得到q轴电压差值ΔU q；
判断ΔU d及ΔU q同时小于误差阈值，若满足，则判定变压器二次侧电压与待并网馈线电压满足并网条件，向待并网馈线对应的IGCT开关发送导通信号；否则，向待并网馈线对应的IGCT开关发送断开信号，直到满足并网条件；
将ΔU d减去ΔU q，其差值经由系数K w，得到虚拟机械功率，结合虚拟同步发电机控制单元，对变压器一次侧电压相位进行修正，变压器二次侧电压相位同步得到修正，直到满足并网条件。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述速控制器模拟同步发电机转子运动方程，其表达式为：
Figure 50926DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，P t 及P e 分别为同步发电机机械功率及电磁功率，D为同步发电机阻尼系数，J为同步发电机惯量系数；Δω为频率差值；t为时间；ω为变压器二次侧电压频率。
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