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

本发明专利技术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，大幅提升了控制系统的稳定性和可靠性。大幅提升了控制系统的稳定性和可靠性。大幅提升了控制系统的稳定性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有电压支撑功能的柔性切换开关及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换器
，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。

技术介绍

[0002]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，系统抗扰动能力大幅削弱。为了保障供电可靠、运行安全，需要大幅提升电力系统调峰、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，将有效提升系统运行稳定性。
[0003]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，然而锁相环对系统控制会带来一定程度的不稳定性，甚至引起系统振荡。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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术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，旨在解决当前电力系统抗干扰能力较差，当出现馈线故障，利用逆变器具有同步发电机的特性提高系统运行稳定性时，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，然而锁相环对系统控制会带来一定程度的不稳定性的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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：；其中，P
t
及P
e
分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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所述IGCT开关与正常供电馈线或待并网馈线相连；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。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

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建军，庄凯勋，彭珉轩，方仍存，雷何，杨东俊，查晓明，瞿李锋，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司经济技术研究院，
类型：发明
国别省市：