CN102931673B - 一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，包括：谐波检测单元、前馈补偿控制单元、选择器、关断角控制单元、电压控制单元、低压限流控制单元、电流控制单元、最大值选择器、减法器和触发单元；采用本发明控制器对直流输电系统中的逆变器进行控制能够有效抑制交流故障切除后系统换相失败的情况。本发明还公开了一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其通过在已有的控制方法下添加改进低压限流控制技术以及基于交流电压谐波检测的触发越前角前馈补偿技术，有效抑制交流故障切除后直流输电系统发生换相失败，有助于整个系统的稳定运行。

Description

一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器及控制方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器及控制方法。

背景技术

换相失败是逆变器常见的故障，也是整个直流输电系统设计需要重点考虑的问题之一。以往的研究已经指出多种引起换相失败的系统扰动因素。由于直流输电系统是一非线性系统，多因素之间存在复杂耦合关系，因此剖析换相失败需要综合考虑所在系统的多种因素。根据实际工程运行情况，一般认为交流系统故障是引起逆变站换相失败的主要原因，交流故障将可能引发交流电压幅值的突降、直流电流突增或换相电压相位偏移，进而影响直流系统的换相过程，致使发生换相失败。

目前，实际直流工程在逆变站所连交流系统故障切除后，未发现有发生换相失败的现象出现。但是，现今主流的电磁暂态仿真软件(如PSCAD/EMTDC、EMTP、MATLAB/SIMULINK)在现有控制方法下，均会在交流系统故障切除后，伴随一定概率的再次换相失败，交流系统发生三相故障并切除过程中，PSCAD/EMTDC的仿真波形与实际直流工程录波分别如图1(a)和图1(b)所示，其中，U_{dc_mes}、I_{dc_mes}和γ_mes分别表示逆变站检测到的直流电压、直流电流和关断角的测量值。从图1(a)和图1(b)的对比中可以发现，当故障切除后，PSCAD/EMTDC的仿真结果会出现再次换相失败，而实际录波中没有发生类似现象；再次换相失败使得直流系统的恢复速率明显减缓。

换相失败会引起直流系统短时间内失去功率传输能力，直流线路传输功率越大，对所连送受两端的交流系统产生的扰动越大，甚至引发系统失稳。对于目前较为热门的大规模交直流电磁暂态仿真而言，仿真中出现的上述换相失败将严重阻碍系统恢复的快速性和平稳性，极可能颠覆系统稳定性结论，得到不正确的仿真结果。因而，使得原本对实际工程规划建设具有指导和检验意义的数字仿真失去其可信度，对实际工作造成巨大影响。经分析可知，实际直流工程的控制系统十分复杂，而在仿真软件中一般均只采用简化的控制系统，上述故障切除后再次发生换相失败现象很大程度上是由控制器简化导致部分特性缺失所致。因此，需要对现有直流系统的控制方法作进一步改进，避免上述现象发生。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器及控制方法，通过在已有的控制方法下添加改进低压限流控制技术以及基于交流电压谐波检测的触发越前角前馈补偿技术，有效抑制交流故障切除后直流输电系统发生换相失败。

一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，包括：

谐波检测单元，用于对直流输电系统受端电网的三相交流电压进行谐波检测，得到三相谐波信号；

前馈补偿控制单元，用于对三相谐波信号进行前馈补偿控制，得到触发越前角增量并生成附加控制信号；

选择器，用于根据附加控制信号从两种预设的关断角整定值中选择其中一种作为关断角额定值；

关断角控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的最小关断角信号，使关断角额定值减去最小关断角信号得到关断角误差信号，并对关断角误差信号进行PI控制输出触发越前角β_r；

电压控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号，使预设的直流电压整定值减去直流电压信号得到直流电压误差信号，并对直流电压误差信号进行PI控制输出触发越前角β_u；

低压限流控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号，对直流电压信号进行低压限流控制，输出直流电流限制值；

电流控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电流信号，使直流电流限制值减去直流电流信号得到直流电流误差信号，并对直流电流误差信号进行PI控制输出触发越前角β_i；

最大值选择器，用于从触发越前角β_r、触发越前角β_u和触发越前角β_i中选取最大值作为逆变器的触发越前角β_inv；

减法器，用于使预设的角常量减去触发越前角β_inv和触发越前角增量得到逆变器的触发角；

触发单元，用于根据触发角构造出触发脉冲信号以控制逆变器中各功率开关管的通断。

所述的前馈补偿控制单元由绝对值计算器、最大值采样保持器、比较器、比例限幅控制器、选择器、一阶惯性环节、下降速率限制器和两个最大值选择器Z1～Z2组成；其中：绝对值计算器的输入端接收三相谐波信号，绝对值计算器的输出端与最大值选择器Z1的输入端相连，最大值选择器Z1的输出端与最大值采样保持器的输入端相连，最大值采样保持器的输出端与比例限幅控制器的输入端和比较器的正相输入端相连，比较器的反相输入端接收给定的谐波整定值，比例限幅控制器的输出端与选择器的第一输入端相连，选择器的第二输入端接收给定的初值常量，比较器的输出端与选择器的控制端相连并输出附加控制信号，选择器的输出端与一阶惯性环节的输入端和最大值选择器Z2的第一输入端相连，一阶惯性环节的输出端与最大值选择器Z2的第二输入端相连，最大值选择器Z2的输出端与下降速率限制器的输入端相连，下降速率限制器的输出端输出触发越前角增量。

所述的低压限流控制单元由低通滤波器、低压限流模块、积分限幅控制器、延时器、与门、减法器、最小值选择器和两个比较器B1～B2组成；其中：低通滤波器的输入端接收直流电压信号，低通滤波器的输出端与低压限流模块的输入端相连，低压限流模块的输出端与最小值选择器的第一输入端、积分限幅控制器的重启输入端、减法器的被减数端、比较器B1的反相输入端、延时器的输入端和比较器B2的反相输入端相连，减法器的减数端与积分限幅控制器的输出端、比较器B2的正相输入端和最小值选择器的第二输入端相连，减法器的输出端与积分限幅控制器的积分输入端相连，延时器的输出端与比较器B1的正相输入端相连，比较器B1的输出端与与门的第一输入端相连，比较器B2的输出端与与门的第二输入端相连，与门的输出端与积分限幅控制器的使能端相连，最小值选择器的第三输入端接收给定的直流电流额定值，最小值选择器的输出端输出直流电流限制值。

一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统中逆变器的直流电压信号、直流电流信号和最小关断角信号；对所述的直流电压信号进行低压限流控制，得到直流电流限制值；

(2)对直流输电系统受端电网的三相交流电压进行谐波检测，得到三相谐波信号；对所述的三相谐波信号进行前馈补偿控制，得到触发越前角增量并生成附加控制信号；

(3)根据附加控制信号选取对应的关断角整定值，使关断角整定值与所述的最小关断角信号作差后经PI控制得到触发越前角β_r；使给定的直流电压整定值与所述的直流电压信号作差后经PI控制得到触发越前角β_u；使所述的直流电流限制值与所述的直流电流信号作差后经PI控制得到触发越前角β_i；并取以上三个触发越前角中的最大值作为逆变器的触发越前角β_inv；

(4)使给定的角常量减去触发越前角β_inv和所述的触发越前角增量得到逆变器的触发角；进而根据所述的触发角构造出触发控制信号以控制逆变器中各功率开关管的通断。

所述的步骤(1)中，对直流电压信号进行低压限流控制的过程如下：

首先，对直流电压信号依次进行低通滤波及低压限流处理后输出直流电流静态整定值；然后，使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值作差后经积分限幅控制处理输出直流电流动态整定值，并将该直流电流动态整定值作为下一控制时刻的直流电流动态反馈值；最后，对于给定的直流电流额定值、直流电流静态整定值和直流电流动态整定值，取其中最小值作为直流电流限制值。

使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值作差后经积分限幅控制处理的过程为：使直流电流静态整定值减去当前控制时刻的直流电流动态反馈值，得到直流电流误差值；根据直流电流静态整定值和当前控制时刻的直流电流动态反馈值构造使能信号；当使能信号为高电平时，使直流电流静态整定值经限幅处理后直接输出作为直流电流动态整定值；当使能信号为低电平时，对直流电流误差值进行积分并经限幅处理后输出作为直流电流动态整定值。

构造使能信号的方法为：使直流电流静态整定值与其经延时后的输出进行比较，得到第一比较信号；使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值进行比较，得到第二比较信号；使两个比较信号进行与逻辑运算，得到使能信号。

对直流电压信号依次进行低通滤波及低压限流处理的方法如下：

首先，根据以下公式对直流电压信号进行低通滤波；

$V\left(s\right)=\frac{1}{1+2\mathrm{\ζ}\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^2}U\left(s\right)$

其中，U(s)为直流电压信号的s域表示，V(s)为直流电压信号经低通滤波后输出电压信号的s域表示，ω_c为特征频率，ζ为阻尼比；

然后，根据以下公式对直流电压信号经低通滤波后输出的电压信号进行低压限流处理，得到直流电流静态整定值；

$I=\left\{\begin{array}{cc}0.55& U\&le;0.4\\ 0.9U+0.19& 0.4<U\&le;0.9\\ U+0.1& U>0.9\end{array}\right.$

其中，U为直流电压信号经低通滤波后输出的电压信号，I为直流电流静态整定值。

所述的步骤(2)中，对三相谐波信号进行前馈补偿控制的过程如下：

首先，对三相谐波信号依次进行绝对值化及最大值选择处理，得到最大谐波信号；对最大谐波信号进行最大值采样保持，得到具有平滑直流特性的谐波信号；

然后，使得到的谐波信号与给定的谐波整定值进行比较得到附加控制信号，并对该谐波信号进行比例限幅控制处理得到触发越前角提前量初值；根据附加控制信号从触发越前角提前量初值和给定的初值常量中选取其一作为触发越前角提前量；

最后，使触发越前角提前量与其经一阶惯性环节处理后的输出作最大值选择处理，得到触发越前角提前量信号；进而对触发越前角提前量信号的下降速率进行限制，得到触发越前角增量。

根据以下公式对最大谐波信号进行最大值采样保持：

$Y\left(s\right)=\max \{X\left(s\right),e^{-s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),e^{-2s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{-\mathrm{ns}{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right)\},$ $n=\frac{T_{\mathrm{hold}}}{T_{\mathrm{smp}}}$

其中：X(s)为最大谐波信号的s域表示，Y(s)为最大谐波信号经最大值采样保持后输出谐波信号的s域表示，T_hold为最大值保持时间，T_smp为采样间隔，s为拉氏算子。

本发明中，逆变器的直流电压信号为逆变器正负输入端两端的电压，逆变器的直流电流信号为流经逆变器正输入端的电流，逆变器的最小关断角信号为逆变器各桥臂功率开关管关断角的最小值。

从电磁暂态软件仿真结果来看，直流输电系统在交流故障切除后，存在一定概率发生再次换相失败，使得直流电压和直流功率跌落至0，直流系统暂时失去功率传输能力，对整个交直流系统引起二次扰动，减缓了系统恢复速度，并可能导致错误的系统稳定性结论。因而，使得原本对实际工程规划建设具有指导和检验意义的数字仿真失去其可信度，对实际工作造成巨大影响。

采用本发明控制器对直流输电系统中的逆变器进行控制能够有效抑制交流故障切除后系统换相失败的情况；本发明控制方法通过在已有的控制方法下添加改进低压限流控制技术以及基于交流电压谐波检测的触发越前角前馈补偿技术，有效抑制交流故障切除后直流输电系统发生换相失败；采用本发明方法对系统中逆变器进行控制后，直流电压、直流电流和直流功率能够在故障切除后快速恢复，较大程度地减少恢复时间，有利于整个交直流系统快速进入稳定工况；同时，本发明方法能够一定程度地抑制故障期间直流系统的连续换相失败，使得故障期间直流系统按最大能力输送功率，有助于整个系统的稳定运行。

附图说明

图1(a)为采用电磁暂态仿真软件对直流输电系统进行仿真，在交流故障开始至切除后系统的直流电压、直流电流和最小关断角的波形图。

图1(b)为实际工程录波下，在交流故障开始至切除后直流输电系统的直流电压、直流电流和最小关断角的波形图。

图2为本发明控制器的结构示意图。

图3为谐波检测单元的结构原理示意图。

图4为前馈补偿控制单元的结构示意图。

图5为低压限流控制单元的结构示意图。

图6为采用本发明方法控制下在交流故障开始至切除后系统的直流电压、直流电流、直流电流限制值和触发越前角增量的波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图2所示，一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，包括：谐波检测单元、前馈补偿控制单元、选择器、关断角控制单元、电压控制单元、低压限流控制单元、电流控制单元、最大值选择器、减法器和触发单元；其中：

谐波检测单元用于对直流输电系统受端电网的三相交流电压ua～uc进行谐波检测，得到三相谐波信号u_ha～u_hc；本实施方式中，谐波检测单元采用如图3所示的过程实现：

(1)将三相交流电压u_a～u_c乘以变换矩阵C₃₂，得到两相静止分量u_α和u_β，同时，将u_a～u_c输入锁相环PLL环节，获得电压同步旋转角θ；将两相静止分量u_α和u_β以及同步旋转角θ送入变换矩阵C₂₂，得到两相旋转分量u_d和u_q；其中，变换矩阵C₃₂和C₂₂如下：

$C_{32}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$ $C_{22}=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]$

(2)将步骤(1)获得的两相旋转分量u_d和u_q分别通过低通滤波器滤波，得到滤波后的两相直流分量和再经知两次逆变换后获得基波分量u_da～u_dc；

(3)将原三相电压测量值u_a～u_c与基波分量u_da～u_dc相减，得到三相谐波信号u_ha～u_hc。

前馈补偿控制单元与谐波检测单元相连，其用于对三相谐波信号u_ha～u_hc进行前馈补偿控制，得到触发越前角增量Δβ并生成附加控制信号D_is。本实施方式中，前馈补偿控制单元由绝对值计算器、最大值采样保持器、比较器、比例限幅控制器、选择器、一阶惯性环节、下降速率限制器和两个最大值选择器Z1～Z2组成，如图4所示；其中：绝对值计算器的输入端接收三相谐波信号u_ha～u_hc，绝对值计算器的输出端与最大值选择器Z1的输入端相连，最大值选择器Z1的输出端与最大值采样保持器的输入端相连，最大值采样保持器的输出端与比例限幅控制器的输入端和比较器的正相输入端相连，比较器的反相输入端接收给定的谐波整定值，比例限幅控制器的输出端与选择器的第一输入端相连，选择器的第二输入端接收给定的初值常量，比较器的输出端与选择器的控制端相连并输出附加控制信号D_is，选择器的输出端与一阶惯性环节的输入端和最大值选择器Z2的第一输入端相连，一阶惯性环节的输出端与最大值选择器Z2的第二输入端相连，最大值选择器Z2的输出端与下降速率限制器的输入端相连，下降速率限制器的输出端输出触发越前角增量Δβ。

绝对值计算模块对三相谐波信号u_ha～u_hc作绝对值处理，得到三相谐波绝对值信号|u_ha |～|u_hc |。

最大值选择器Z1对|u_ha|～|u_hc|作最大值选择，得到最大谐波信号u_{h_max}。

采样保持器根据以下公式对最大谐波信号u_{h_max}进行最大值采样保持，得到具有平滑直流特性的谐波信号u_{h_maxd}；

$Y\left(s\right)=\max \{X\left(s\right),e^{-s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),e^{-2s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,e^{-\mathrm{ns}{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right)\},$ $n=\frac{T_{\mathrm{hold}}}{T_{\mathrm{smp}}}$

其中：X(s)为最大谐波信号u_{h_max}的s域表示，Y(s)为谐波信号u_{h_maxd}的s域表示，T_hold为最大值保持时间，T_smp为采样间隔，s为拉氏算子；本实施方式中，T_smp＝1ms，T_hold＝15ms。

比较器使预设的谐波整定值u_ref与谐波信号u_{h_maxd}进行比较，生成附加控制信号D_is；本实施方式中，u_ref＝0.2pu。

比例限幅控制器使谐波信号u_{h_maxd}与比例系数K相乘，并对相乘后的输出进行限幅得到触发越前角提前量初值β_add；本实施方式中，K＝25，上下限幅值分别为25和0。

选择器根据附加控制信号D_is从触发越前角提前量初值β_add和预设的初值常量中选择其一作为触发越前角提前量β_add1；本实施方式中，D_is为高电平，β_add1＝β_add；D_is为低电平，β_add1等于初值常量，初值常量为0。

一阶惯性环节对触发越前角提前量β_add1进行低通滤波，得到触发越前角提前量β_add2；本实施方式中，一阶惯性环节的传递函数为1/1+sT，T为积分增益常数，取0.015s。

最大值选择器Z2对触发越前角提前量β_add1和触发越前角提前量β_add2作最大值选择，得到触发越前角提前量信号β_add3。

下降速率限制器对触发越前角提前量信号β_add3的下降速率进行限制，得到触发越前角增量Δβ；下降速率的最大限制值由V_ctr决定，V_ctr取50s^-1，即每秒钟下降数值最大不超过50。

选择器与前馈补偿控制单元相连，其根据附加控制信号D_is从两种预设的关断角整定值γ_{ref_s}和γ_{ref_d}中选择其中一种作为关断角额定值γ_ref；其中，当D_is为高电平，γ_ref＝γ_{ref_d}＝20°；当D_is为低电平，γ_ref＝γ_{ref_s}＝15°。

关断角控制单元与选择器相连，其获取直流输电系统中逆变器的最小关断角信号γ_mes，使关断角额定值γ_ref减去最小关断角信号γ_mes得到关断角误差信号Δγ，并根据公式对关断角误差信号Δγ进行PI控制输出触发越前角β_r；k_γp和k_γi分别表示该控制环节的比例系数和积分系数，且k_γp＝1.5，k_γi＝23。

电压控制单元用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号U_{dc_mes}，使预设的直流电压整定值U_{dc_ref}减去直流电压信号U_{dc_mes}得到直流电压误差信号ΔU，U_{dc_ref}＝1pu；并根据公式对直流电压误差信号ΔU进行PI控制输出触发越前角β_u；k_up和k_ui分别表示该控制环节的比例系数和积分系数，且k_up＝0.9，k_ui＝50。

低压限流控制单元用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号U_{dc_mes}，对直流电压信号U_{dc_mes}进行低压限流控制，输出直流电流限制值I_{dc_lim}。本实施方式中，低压限流控制单元由低通滤波器、低压限流模块、积分限幅控制器、延时器、与门、减法器、最小值选择器和两个比较器B1～B2组成，如图5所示；其中：低通滤波器的输入端接收直流电压信号U_{dc_mes}，低通滤波器的输出端与低压限流模块的输入端相连，低压限流模块的输出端与最小值选择器的第一输入端、积分限幅控制器的重启输入端、减法器的被减数端、比较器B1的反相输入端、延时器的输入端和比较器B2的反相输入端相连，减法器的减数端与积分限幅控制器的输出端、比较器B2的正相输入端和最小值选择器的第二输入端相连，减法器的输出端与积分限幅控制器的积分输入端相连，延时器的输出端与比较器B1的正相输入端相连，比较器B1的输出端与与门的第一输入端相连，比较器B2的输出端与与门的第二输入端相连，与门的输出端与积分限幅控制器的使能端相连，最小值选择器的第三输入端接收给定的直流电流额定值，最小值选择器的输出端输出直流电流限制值I_{dc_lim}。

低通滤波器根据以下公式对直流电压信号U_{dc_mes}进行低通滤波；

$V\left(s\right)=\frac{1}{1+2\mathrm{\&zeta;}\left(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\right)}^2}U\left(s\right)$

其中，U(s)为直流电压信号U_{dc_mes}的s域表示，V(s)为直流电压信号U_{dc_mes}经低通滤波后输出电压信号的s域表示，ω_c为特征频率，ζ为阻尼比；本实施方式中ω_c＝100Hz，ζ＝0.707。

低压限流模块根据以下关系式对直流电压信号U_{dc_mes}经低通滤波后输出的电压信号进行低压限流，得到直流电流静态整定值I_{dc_stat}；

$I=\left\{\begin{array}{cc}0.55& U\&le;0.4\\ 0.9U+0.19& 0.4<U\&le;0.9\\ U+0.1& U>0.9\end{array}\right.$

其中，U为直流电压信号U_{dc_mes}经低通滤波后输出的电压信号，I为直流电流静态整定值I_{dc_stat}。

减法器使直流电流静态整定值I_{dc_stat}减去当前控制时刻的直流电流动态反馈值，得到直流电流误差值。

积分限幅控制器根据直流电流静态整定值I_{dc_stat}和直流电流误差值，通过使能控制，输出直流电流动态整定值I_{dc_dyn}，并使I_{dc_dyn}作为下一控制时刻的直流电流动态反馈值；当使能信号Reset为高电平时，积分限幅控制器使直流电流静态整定值I_{dc_stat}经限幅处理后直接输出作为直流电流动态整定值I_{dc_dyn}；当使能信号为低电平时，积分限幅控制器根据传递函数1/s对直流电流误差值进行积分并经限幅处理后输出作为直流电流动态整定值I_{dc_dyn}；上下限幅值分别为1pu和0.1pu。

积分限幅控制器使能信号的构造方法如下：利用延时器对直流电流静态整定值I_{dc_stat}延时，延时时间为一个仿真步长(50us)；利用比较器B1使I_{dc_stat}与其经延时后的输出进行比较，得到第一比较信号；利用比较器B2使I_{dc_stat}与当前控制时刻的直流电流动态反馈值进行比较，得到第二比较信号；最后，利用与门使第一比较信号和第二比较信号进行逻辑运算，得到使能信号Reset。

最小值选择器对直流电流静态整定值I_{dc_stat}、直流电流动态整定值I_{dc_dyn}和给定的直流电流额定值I_{dc_ref}作最小值选择，得到直流电流限制值I_{dc_lim}；本实施方式中，I_{dc_ref}＝1pu。

电流控制单元与低压限流控制单元相连，其获取直流输电系统中逆变器的直流电流信号I_{dc_mes}，使直流电流限制值I_{dc_lim}减去直流电流信号I_{dc_mes}得到直流电流误差信号ΔI；并根据公式对直流电压误差信号ΔI进行PI控制输出触发越前角β_i；k_ip和k_ii分别表示该控制环节的比例系数和积分系数，且k_ip＝0.63，k_ii＝60。

最大值选择器与电流控制单元、电压控制单元和关断角控制单元相连，其从触发越前角β_r、触发越前角β_u和触发越前角β_i中选取最大值作为逆变器的触发越前角β_inv。

减法器与最大值选择器相连，其使预设的角常量减去触发越前角β_inv和触发越前角增量Δβ得到逆变器的触发角α_inv；本实施方式中，角常量为π。

触发单元与减法器相连，其根据触发角α_inv构造出触发脉冲信号以控制逆变器中各功率开关管的通断。

本实施方式中，电压标幺基准值为500KV，电流标幺基准值为2000A。

图6为采用本实施方式对逆变器进行控制，当交流故障被切除后直流输电系统的直流电压U_{dc_mes}、直流电流I_{dc_mes}、经该进低压限流环节得到的直流电流限制值I_{dc_lim}和越前触发角增量Δβ的波形。从图6可以看出，在t＝0.2s故障切除后，系统直流电压和直流电流能够平稳快速恢复，恢复时间仅为0.13s。在恢复期间，低压限流环节输出的直流电流限制值I_{dc_lim}以平稳的速度上升，控制着直流电流的恢复速度，触发越前角增量Δβ在故障切除后快速增大，而后缓慢减小，可见其明显的控制作用。与图1(a)所示的直流电压和直流波形相比较，故障切除后直流换相失败抑制效果十分明显。

Claims (10)

1.一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，包括：

关断角控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的最小关断角信号，使关断角额定值减去最小关断角信号得到关断角误差信号，并对关断角误差信号进行PI控制输出触发越前角β_r；

电压控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号，使预设的直流电压整定值减去直流电压信号得到直流电压误差信号，并对直流电压误差信号进行PI控制输出触发越前角β_u；

低压限流控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电压信号，对直流电压信号进行低压限流控制，输出直流电流限制值；

电流控制单元，用于获取直流输电系统中逆变器的直流电流信号，使直流电流限制值减去直流电流信号得到直流电流误差信号，并对直流电流误差信号进行PI控制输出触发越前角β_i；

触发单元，用于根据逆变器的触发角构造出触发脉冲信号以控制逆变器中各功率开关管的通断；

其特征在于，还包括：

谐波检测单元，用于对直流输电系统受端电网的三相交流电压进行谐波检测，得到三相谐波信号；

前馈补偿控制单元，用于对三相谐波信号进行前馈补偿控制，得到触发越前角增量并生成附加控制信号；

选择器，用于根据附加控制信号从两种预设的关断角整定值中选择其中一种作为关断角额定值；

最大值选择器，用于从触发越前角β_r、触发越前角β_u和触发越前角β_i中选取最大值作为逆变器的触发越前角β_inv；

减法器，用于使预设的角常量减去触发越前角β_inv和触发越前角增量得到逆变器的触发角。

2.根据权利要求1所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，其特征在于：所述的前馈补偿控制单元由绝对值计算器、最大值采样保持器、比较器、比例限幅控制器、选择器、一阶惯性环节、下降速率限制器和两个最大值选择器Z1～Z2组成；其中：绝对值计算器的输入端接收三相谐波信号，绝对值计算器的输出端与最大值选择器Z1的输入端相连，最大值选择器Z1的输出端与最大值采样保持器的输入端相连，最大值采样保持器的输出端与比例限幅控制器的输入端和比较器的正相输入端相连，比较器的反相输入端接收给定的谐波整定值，比例限幅控制器的输出端与选择器的第一输入端相连，选择器的第二输入端接收给定的初值常量，比较器的输出端与选择器的控制端相连并输出附加控制信号，选择器的输出端与一阶惯性环节的输入端和最大值选择器Z2的第一输入端相连，一阶惯性环节的输出端与最大值选择器Z2的第二输入端相连，最大值选择器Z2的输出端与下降速率限制器的输入端相连，下降速率限制器的输出端输出触发越前角增量。

3.根据权利要求1所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制器，其特征在于：所述的低压限流控制单元由低通滤波器、低压限流模块、积分限幅控制器、延时器、与门、减法器、最小值选择器和两个比较器B1～B2组成；其中：低通滤波器的输入端接收直流电压信号，低通滤波器的输出端与低压限流模块的输入端相连，低压限流模块的输出端与最小值选择器的第一输入端、积分限幅控制器的重启输入端、减法器的被减数端、比较器B1的反相输入端、延时器的输入端和比较器B2的反相输入端相连，减法器的减数端与积分限幅控制器的输出端、比较器B2的正相输入端和最小值选择器的第二输入端相连，减法器的输出端与积分限幅控制器的积分输入端相连，延时器的输出端与比较器B1的正相输入端相连，比较器B1的输出端与与门的第一输入端相连，比较器B2的输出端与与门的第二输入端相连，与门的输出端与积分限幅控制器的使能端相连，最小值选择器的第三输入端接收给定的直流电流额定值，最小值选择器的输出端输出直流电流限制值。

4.一种抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，包括如下步骤：

（1）采集直流输电系统中逆变器的直流电压信号、直流电流信号和最小关断角信号；对所述的直流电压信号进行低压限流控制，得到直流电流限制值；

（2）对直流输电系统受端电网的三相交流电压进行谐波检测，得到三相谐波信号；对所述的三相谐波信号进行前馈补偿控制，得到触发越前角增量并生成附加控制信号；

（3）根据附加控制信号选取对应的关断角整定值，使关断角整定值与所述的最小关断角信号作差后经PI控制得到触发越前角β_r；使给定的直流电压整定值与所述的直流电压信号作差后经PI控制得到触发越前角β_u；使所述的直流电流限制值与所述的直流电流信号作差后经PI控制得到触发越前角β_i；并取以上三个触发越前角中的最大值作为逆变器的触发越前角β_inv；

（4）使给定的角常量减去触发越前角β_inv和所述的触发越前角增量得到逆变器的触发角；进而根据所述的触发角构造出触发控制信号以控制逆变器中各功率开关管的通断。

5.根据权利要求4所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，对直流电压信号进行低压限流控制的过程如下：

首先，对直流电压信号依次进行低通滤波及低压限流处理后输出直流电流静态整定值；然后，使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值作差后经积分限幅控制处理输出直流电流动态整定值，并将该直流电流动态整定值作为下一控制时刻的直流电流动态反馈值；最后，对于给定的直流电流额定值、直流电流静态整定值和直流电流动态整定值，取其中最小值作为直流电流限制值。

6.根据权利要求5所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值作差后经积分限幅控制处理的过程为：使直流电流静态整定值减去当前控制时刻的直流电流动态反馈值，得到直流电流误差值；根据直流电流静态整定值和当前控制时刻的直流电流动态反馈值构造使能信号；当使能信号为高电平时，使直流电流静态整定值经限幅处理后直接输出作为直流电流动态整定值；当使能信号为低电平时，对直流电流误差值进行积分并经限幅处理后输出作为直流电流动态整定值。

7.根据权利要求6所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：构造使能信号的方法为：使直流电流静态整定值与其经延时后的输出进行比较，得到第一比较信号；使直流电流静态整定值与当前控制时刻的直流电流动态反馈值进行比较，得到第二比较信号；使两个比较信号进行与逻辑运算，得到使能信号。

8.根据权利要求5所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：对直流电压信号依次进行低通滤波及低压限流处理的方法如下：

首先，根据以下公式对直流电压信号进行低通滤波；

$V\left(s\right)=\frac{1}{1+2\mathrm{\&zeta;}\left(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\right)+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\&omega;}}_c}\right)}^2}U\left(s\right)$

其中，U(s)为直流电压信号的s域表示，V(s)为直流电压信号经低通滤波后输出电压信号的s域表示，ω_c为特征频率，ζ为阻尼比，s为拉氏算子；

然后，根据以下公式对直流电压信号经低通滤波后输出的电压信号进行低压限流处理，得到直流电流静态整定值；

$I=\left\{\begin{array}{cc}0.55& U\&le;0.4\\ 0.9U+0.19& 0.4\&le;U\&le;0.9\\ U+0.1& U>0.9\end{array}\right.$

其中，U为直流电压信号经低通滤波后输出的电压信号，I为直流电流静态整定值。

9.根据权利要求4所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，对三相谐波信号进行前馈补偿控制的过程如下：

首先，对三相谐波信号依次进行绝对值化及最大值选择处理，得到最大谐波信号；对最大谐波信号进行最大值采样保持，得到具有平滑直流特性的谐波信号；

然后，使得到的谐波信号与给定的谐波整定值进行比较得到附加控制信号，并对该谐波信号进行比例限幅控制处理得到触发越前角提前量初值；根据附加控制信号从触发越前角提前量初值和给定的初值常量中选取其一作为触发越前角提前量；

最后，使触发越前角提前量与其经一阶惯性环节处理后的输出作最大值选择处理，得到触发越前角提前量信号；进而对触发越前角提前量信号的下降速率进行限制，得到触发越前角增量。

10.根据权利要求9所述的抑制交流故障切除后直流输电系统换相失败的控制方法，其特征在于：根据以下公式对最大谐波信号进行最大值采样保持：

$Y\left(s\right)=\max \{X\left(s\right),e^{-s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),e^{-2s{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right),...,e^{-\mathrm{ns}{T}_{\mathrm{smp}}}X\left(s\right)\},n=\frac{T_{\mathrm{hold}}}{T_{\mathrm{smp}}}$

其中：X(s)为最大谐波信号的s域表示，Y(s)为最大谐波信号经最大值采样保持后输出谐波信号的s域表示，T_hold为最大值保持时间，T_smp为采样间隔，s为拉氏算子。