[发明专利]基于换流器并网阻抗模型的故障穿越性能提高方法

权利要求书

1.基于换流器并网阻抗模型的故障穿越性能提高方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、复函数空间矢量的构建

1)、基本变量的复函数空间矢量表达式构建

换流器采用具有内环DQ电流控制和外环直流电压控制的三相电压源换流器，在电网故障条件下，考虑公共连接点PCC正序基波电压、负序扰动和零序扰动分量，相位A的公共连接点PCC电压表示如公式(1)所示：

其中V₁表示电压基波正序分量，V_n表示电压基波负序分量，V₀表示电压基波零序分量；和分别为V₁、V_n、V₀各分量的相位，以下电压电流幅值和相位以相同的方式表示，直流侧电压由直流分量和扰动分量组成，其复函数空间矢量如公式(2)所示：

其中，ω_m＝2ω₁；

2)、锁相环的复函数空间矢量表达式构建

三相电压源换流器中内部电流控制包括电流补偿器Hi(s)、解耦增益部分kd和电压前馈增益部分kv，为提高故障穿越性能，三相电压源换流器锁相环消除因负序电压引起的扰动，通过该锁相环，理想条件下由不对称电网故障引起的锁相环角度偏差被消除，以DSC运算单元的延迟信号消除法为例，其消除负序电压扰动的函数如公式(3)所示：

其中T1是基本周期，对于利用特殊设计消除跟踪角度偏差的锁相环，其Park和Park逆变换函数中，T_K和T_R分别表示如公式(4)所示：

步骤二、性能分析

首先，获得并网序阻抗模型；

1)、对于具有单电流控制单元的常规控制结构，其基本扰动分量计算包括以下步骤：

根据控制环节的信号流程，可获得交流电流基波分量如公式(5)所示：

从而进一步获得交流侧扰动电流基本对称分量如公式(6)所示：

其中，ω_p＝ω_m+ω₁，ω_n＝ω_m-ω₁，Y_dp(jω_p)、Y_dn(jω_n)的计算如公式(7)所示，公式(6)中的导纳矩阵表示折算到交流侧的换流器序导纳，

直流侧扰动电流如公式(8)所示：

其中，Y_dd(jω_m)的计算如公式(9)所示：

公式(8)中的导纳矩阵表示折算到直流侧的换流器导纳，考虑直流电路的影响，交流侧电流扰动分量的计算如公式(10)所示：

其中，Y_dc(jω_m±jω₁)的计算如公式(11)所示：

Y_dc(s±jω₁)是折算到交流侧看的换流器并网序导纳矩阵，同样地，通过推导直流侧的扰动电流如公式(12)所示：

其中，Y_ac(jω_m)为扰动从交流侧传播到直流侧的集总转移导纳，忽略交直流耦合和换流器电感上的压降，得到公式(13)：

2)、对于具有基于正、负序对称分量的双电流控制单元的控制结构，其基本扰动分量计算包括以下步骤：

双电流控制单元的控制结构采用分别调节基波分量FC和负序分量NC的典型结构，每个控制单元采用与步骤一中所述三相电压源换流器相同的结构；

除利用步骤一中公式(3)，以DSC运算单元的延迟信号消除法获得基波分量外，额外增加DSC运算单元提取PCC电压的负序分量，得到公式(14)：

根据控制回路中的交流和直流电压信号的流程，交流电压信号的流程与交流电流信号流程相同，但其中正序电压扰动可以忽略；以及直流电压和q轴电流参考量的流程相同于Vdc的流程，从信号流程可获得基波分量与步骤一一致，而得到扰动分量如公式(15)所示：

公式(15)中，为交流信号调制系数中正序扰动的复函数空间分量，为交流信号调制系数中负序扰动的复函数空间分量，-ω_n代表该负序扰动的复函数空间分量的频率为ω_n；

其中，负序分量控制单元中负序分量的频率为零，同理推导出换流器交流电流的扰动分量如公式(16)所示：

其中，Y_dp(jω_p)、Y_dn(jω_n)的计算如公式(17)所示：

导纳矩阵Y_dc(s±jω₁)计算如公式(18)所示：

进一步推导可获得换流器直流电流的电流扰动如公式(19)所示：

忽略交直流耦合和换流器电感上的压降，得到如公式(20)所示：

3)、故障穿越性能的提高

从公式(7)可知，直流电流扰动仅当以下条件下时为零，从而提高直流侧故障穿越性能，如公式(21)所示：

忽略交直流耦合和换流器电感电压的影响，由公式(21)得到公式(22)：

由公式(21)、公式(22)可知，通过调节负序电流来平衡交直流功率平衡，只有当以下条件得到满足，换流器交流电流中的基本扰动分量才能消除，从而提高交流侧故障穿越性能，如公式(23)所示：

从公式(7)可知，消除交流侧扰动分量，提高交流侧故障穿越性能，需要同时控制正序和负序扰动分量；以上基于两重电流控制单元的控制结构，只使用了负序电流控制单元对负序分量进行控制；因此，换流器交流电流中的正序扰动仍然存在；如公式(21)、公式(22)和公式(23)所示，减小这两个基本扰动分量也会减小非线性行为引起的扰动谐波；当需获得高质量电流，在交直流耦合关系较为密切的情况下，调节基本正序扰动分量是必要的；

4)、基于以上分析，对具有三重电流控制单元的控制结构，其基本扰动分量计算包括以下步骤：

在三重电流控制单元结构中，基波分量控制单元的控制结构和负序分量控制单元的控制结构与双电流控制单元结构相同，同时增加了正序扰动分量控制单元，正序扰动分量控制单元采用与步骤一中所述三相电压源换流器相同的结构；由于正序扰动的频率是基频的三倍，其锁相环的Park变换及其逆变换同步角也是基波分量控制单元的控制结构和负序分量控制单元的控制结构的三倍，解耦增益部分是3k_d而不是k_d；由于公式(14)中的DSC运算单元不能阻止正序扰动成分，因此，用于提取负序扰动分量和正序扰动分量的模块，如公式(24)和公式(25)所示：

同样，根据三重电流控制单元结构控制回路中交流信号的流程量，其中交流电压信号的流程与此类似；而直流电压信号的流程如双电流控制单元结构中直流电压外环控制信号流程，因此，三重电流控制单元结构调制系数中的扰动对称分量可归纳的计算公式，如公式(26)所示：

调制系数和换流器交流电流的基本分量与步骤一中单电流控制单元结构的基本分量相同，换流器交流电流中的扰动分量可推导获得如公式(27)所示：

正序电流扰动的参考量应设置为零，从而获得公式(28)和公式(29)

Y_dp(s+jω₁)＝Y_dn(s-jω₁)＝Y_p(s+jω₁)＝Y_n(s-jω₁)＝0 (28)

其中，Y_ac(s)的计算如公式(30)所示：

由公式(28)表明，从交流侧看，此时其并网导纳为零；因此，当相应的电流参考值设为零时，换流器交流电流中的基本扰动分量得以消除。