CN103259257A - 一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，所述方法采用的直流输电系统包括整流侧电源、依次串联的晶闸管阀、平波电抗器L_d、线路电阻R和线路电感L，线路对地电容C，比换相压降d_xr和d_xi；该方法包括下述步骤：A、确定直流输电系统的约束函数；B、建立正向斜率曲线伏安特性；C、计算电流偏差引起的电压波动；D、建立关断角与电流增量的关系；E、建立关断角增量与电流增量的线性函数关系；F、对约束函数进行归一化。本发明解决了两端电流调节器之间没有稳定的运行点，直流电流将在两个定值之间来回振荡的问题，使得直流输电系统可以稳定运行，避免功率波动对电网的冲击。

Description

一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法

技术领域

本发明涉及直流输电领域，具体涉及一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法。

背景技术

直流输电系统等效电路如附图1所示，实际工程中，往往采用整流侧平波电抗器出口处电压电流表示系统伏安特性。额定工况下，整流侧运行于定电流控制，逆变侧运行于定最小关断角控制，系统额定工作点位N点。由于某种原因，整流侧电压不断下降，整流侧运行于定最小触发角控制，逆变侧运行于定电流控制，在接近于逆变器的定最小关断角控制和定电流控制曲线的过渡部分的某些电压水平，定最小触发角控制与逆变侧定电流和定最小关断角控制均有交点，控制方式的选择将发生混淆如图2所示。此时，两端电流调节器之间没有稳定的运行点，直流电流将在两个定值之间来回振荡。为了避免这一问题，经常在逆变器的定电流控制和定之间引入一个斜率为正的特性，如图3所示。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，本发明提出了将正向斜率控制嵌套于系统中必须设置的定最小关断角控制之中，简化了控制策略的结构。

一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，所述方法采用的直流输电系统包括整流侧电源、依次串联的晶闸管阀、平波电抗器L_d、线路电阻R和线路电感L，线路对地电容C，比换相压降d_xr和d_xi；

其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

A、确定直流输电系统的约束函数；

B、建立正向斜率曲线伏安特性；

C、计算电流偏差引起的电压波动；

D、建立关断角与电流增量的关系；

E、建立关断角增量与电流增量的线性函数关系；

F、对约束函数进行归一化。

优选的，所述步骤A中，直流输电系统的约束函数包括整流侧平波电抗器出口处伏安特性，用下述表达式表示：

U_d＝U_d0rcosα-I_d·d_xr      ①；

所述整流侧平波电抗器出口处伏安特性用逆变侧参数表示为：

U_d＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)    ②；

其中：U_d和I_d分别表示整流侧平波电抗器出口处电压和电流；α表示整流侧触发角；U_d0r表示整流侧理想空载电压；d_xr表示整流侧比换相压降；γ为直流输电系统关断角；U_d0i表示逆变侧理想空载直流电压；d_xi表示逆变侧比换相压降；U_d随I_d增大线性减小，线性变换的斜率由d_xr和d_xi决定。

优选的，所述步骤B中，所述正向斜率控制用于连接逆变侧定电流控制和定关断角控制，与定关断角控制的交点为额定工作点，记作N（I_dN，U_dN），与定电流控制的交点记作N₀（I_d0，U_d0），N和N₀在同一直线上，则线上任意一点（I_d，U_d）表示为：

$\frac{U_{\mathrm{dN}}-U_d}{I_{\mathrm{dN}}-I_d}=\frac{U_d-U_{d0}}{I_d-I_{d0}}$    ③；

其中：U_dN和I_dN分别表示与定关断角控制的额定电压工作点和额定电流工作点；U_d0和I_d0分别表示与定电流控制的额定电压工作点和额定电流工作点；

U_d和U_d0之间，以及I_d和I_d0之间往往存在的比例关系为：

I_d0＝kI_dN

U_d0＝ξU_dN          ④；

其中：k和ξ均为小于1的比例系数；由表达式③和表达式组④得：

$U_d=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}\·I_d+(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}$    ⑤；

简写为：

U_d＝K·I_d+B      ⑥；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}};B=(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}.$

优选的，所述步骤C中，当直流输电系统处于正向斜率控制时，若直流输电系统发生波动，电流增加ΔI_d，则整流侧平波电抗器出口处电压U'_d，此时的直流系统的关断角记作γ′：

U_d′＝U_d0icosγ′-(I_d+ΔI_d)·(d_xi-R)   ⑦；

由⑥式得U'_d为

U_d′＝U_d+K·ΔI_d   ⑧；

将⑧式代入⑦式得：

U_d′＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)+K·ΔI_d   ⑨；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

优选的，所述步骤D中，所述关断角与电流增量的关系用下述表达式表示：

U_d0i(cosγ′-cosγ)＝ΔI_d·(d_xi-R+K)   ⑩；

其中：γ′表示直流输电系统发生波动时的关断角。

优选的，所述步骤E中，在额定运行点附近将余弦函数进行泰勒展开，关断角增量与电流增量的线性函数关系表示为：

cosγ＝cosγ₀-sinγ₀·(γ-γ₀)+R_m(γ)   

R_m(γ)称为拉格朗日余项；

U_d0i·(cosγ′-cosγ)≈-U_d0i·sinγ₀·(γ′-γ)

＝ΔI_d·(d_xi-R+K)

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

优选的，所述步骤F中，在直流输电控制系统中，采用额定直流电流I_d和逆变侧理想空载直流电压U_d0i的标幺值作为直流输电系统控制对象，将约束函数整理得电流变化标幺值与关断角偏差之间的函数关系：

Δγ＝λ·ΔI_d*

$\mathrm{\λ}=\frac{(d_{\mathrm{xi}}-R)(1-k)I_{\mathrm{dN}}+(1-\mathrm{\ξ})U_{\mathrm{dN}}}{U_{d0i}\·\sin {\mathrm{\γ}}_0\·(1-k)}$

其中：Δγ表示关断角增量；R表示线路电阻；γ₀表示额定关断角；

电流增量引起的直流输电系统增加转化为关断角指令的增加，将正向斜率控制嵌套于定关断角控制之中。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供了一种正向斜率控制的实现方法，解决了两端电流调节器之间没有稳定的运行点，直流电流将在两个定值之间来回振荡的问题，使得直流输电系统可以稳定运行，避免功率波动对电网的冲击。

本发明提出了将正向斜率控制嵌套于系统中必须设置的定最小关断角控制之中，简化了控制策略的结构。

附图说明

图1是直流输电系统等效电路；

图2是直流系统中控制方式的选择发生混淆的示意图；

图3是逆变器的定电流控制和定关断角之间引入一个斜率为正的特性示意图；

图4是本发明提供的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种常规直流输电系统用正向斜率控制策略实现方法。该方法从常规直流系统约束函数出发，分析了系统运行电压电流在伏安关系曲线上呈现为正向斜率直线的实现原理，建立了电流偏差与逆变侧关断角增量之间的函数关系，提出了将正向斜率控制嵌套于系统中必须设置的定最小关断角控制之中。

本发明提供的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法采用的直流输电系统包括整流侧电源、依次串联的晶闸管阀、平波电抗器L_d、线路电阻R和线路电感L，线路对地电容C，比换相压降d_xr和d_xi；本发明提供的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法的流程图如图4所示，具体包括下述步骤：

A、确定直流输电系统的约束函数；

步骤A中，直流输电系统的约束函数包括整流侧平波电抗器出口处伏安特性，用下述表达式表示：

U_d＝U_d0rcosα-I_d·d_xr     ①；

所述整流侧平波电抗器出口处伏安特性用逆变侧参数表示为：

U_d＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)    ②；

其中：U_d和I_d分别表示整流侧平波电抗器出口处电压和电流；α表示整流侧触发角；U_d0r表示整流侧理想空载电压；d_xr表示整流侧比换相压降；γ为直流输电系统关断角；U_d0i表示逆变侧理想空载直流电压；d_xi表示逆变侧比换相压降；U_d随I_d增大线性减小，线性变换的斜率由d_xr和d_xi决定。

B、建立正向斜率曲线伏安特性；

步骤B中，所述正向斜率控制用于连接逆变侧定电流控制和定关断角控制，与定关断角控制的交点为额定工作点，记作N（I_dN，U_dN），与定电流控制的交点记作N₀（I_d0，U_d0），N和N₀在同一直线上，则线上任意一点（I_d，U_d）表示为：

$\frac{U_{\mathrm{dN}}-U_d}{I_{\mathrm{dN}}-I_d}=\frac{U_d-U_{d0}}{I_d-I_{d0}}$    ③；

其中：U_dN和I_dN分别表示与定关断角控制的额定电压工作点和额定电流工作点；U_d0和I_d0分别表示与定电流控制的额定电压工作点和额定电流工作点；

U_d和U_d0之间，以及I_d和I_d0之间往往存在的比例关系为：

I_d0＝kI_dN

U_d0＝ξU_dN       ④；

其中：k和ξ均为小于1的比例系数；由表达式③和表达式组④得：

$U_d=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}\·I_d+(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}$    ⑤；

简写为：

U_d=K·I_d+B       ⑥；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}};B=(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}.$

C、计算电流偏差引起的电压波动；

步骤C中，当直流输电系统处于正向斜率控制时，若直流输电系统发生波动，电流增加ΔI_d，则整流侧平波电抗器出口处电压U'_d，此时的关断角记作γ′：

U_d′＝U_d0icosγ′-(I_d+ΔI_d)·(d_xi-R)    ⑦；

由⑥式得U'_d为

U_d′＝U_d+K·ΔI_d         ⑧；

将⑧式代入⑦式得：

U_d′＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)+K·ΔI_d    ⑨；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

D、建立关断角与电流增量的关系；

所述关断角与电流增量的关系用下述表达式表示：

U_d0i(cosγ′-cosγ)＝ΔI_d·(d_xi-R+K)    ⑩；

其中：γ′表示关断角。

E、建立关断角增量与电流增量的线性函数关系；

步骤E中，在额定运行点附近将余弦函数进行泰勒展开，关断角增量与电流增量的线性函数关系表示为：

cosγ＝cosγ₀-sinγ₀·(γ-γ₀)+R_m(γ)      

R_m(γ)称为拉格朗日余项；

U_d0i·(cosγ′-cosγ)≈-U_d0i·sinγ₀·(γ′-γ)

＝ΔI_d·(d_xi-R+K)

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

F、对约束函数进行归一化。

步骤F中，在直流输电控制系统中，采用额定直流电流I_d和逆变侧理想空载直流电压U_d0i的标幺值作为直流输电系统控制对象，将约束函数整理得电流变化标幺值与关断角偏差之间的函数关系：

Δγ＝λ·ΔI_d*

$\mathrm{\λ}=\frac{(d_{\mathrm{xi}}-R)(1-k)I_{\mathrm{dN}}+(1-\mathrm{\ξ})U_{\mathrm{dN}}}{U_{d0i}\·\sin {\mathrm{\γ}}_0\·(1-k)}$     

其中：Δγ表示关断角增量；R表示线路电阻；γ₀表示额定关断角；

电流增量引起的直流输电系统增加转化为关断角指令的增加，将正向斜率控制嵌套于定关断角控制之中。

本发明提供的正向斜率控制的实现方法，解决了两端电流调节器之间没有稳定的运行点，直流电流将在两个定值之间来回振荡的问题，使得直流输电系统可以稳定运行，避免功率波动对电网的冲击。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，所述方法采用的直流输电系统包括整流侧电源、依次串联的晶闸管阀、平波电抗器L_d、线路电阻R和线路电感L，线路对地电容C，比换相压降d_xr和d_xi；

其特征在于，所述方法包括下述步骤：

A、确定直流输电系统的约束函数；

B、建立正向斜率曲线伏安特性；

C、计算电流偏差引起的电压波动；

D、建立关断角与电流增量的关系；

E、建立关断角增量与电流增量的线性函数关系；

F、对约束函数进行归一化。

2.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤A中，直流输电系统的约束函数包括整流侧平波电抗器出口处伏安特性，用下述表达式表示：

U_d＝U_d0rcosα-I_d·d_xr   ①；

所述整流侧平波电抗器出口处伏安特性用逆变侧参数表示为：

U_d＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)   ②；

其中：U_d和I_d分别表示整流侧平波电抗器出口处电压和电流；α表示整流侧触发角；U_d0r表示整流侧理想空载电压；d_xr表示整流侧比换相压降；γ为直流输电系统关断角；U_d0i表示逆变侧理想空载直流电压；d_xi表示逆变侧比换相压降；U_d随I_d增大线性减小，线性变换的斜率由d_xr和d_xi决定。

3.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤B中，所述正向斜率控制用于连接逆变侧定电流控制和定关断角控制，与定关断角控制的交点为额定工作点，记作N（I_dN，U_dN），与定电流控制的交点记作N₀（I_d0，U_d0），N和N₀在同一直线上，则线上任意一点（I_d，U_d）表示为：

$\frac{U_{\mathrm{dN}}-U_d}{I_{\mathrm{dN}}-I_d}=\frac{U_d-U_{d0}}{I_d-I_{d0}}$   ③;

其中：U_dN和I_dN分别表示与定关断角控制的额定电压工作点和额定电流工作点；U_d0和I_d0分别表示与定电流控制的额定电压工作点和额定电流工作点；

U_d和U_d0之间，以及I_d和I_d0之间往往存在的比例关系为：

I_d0＝kI_dN

U_d0＝ξU_dN   ④；

其中：k和ξ均为小于1的比例系数；由表达式③和表达式组④得：

$U_d=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}\·I_d+(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}$   ⑤;

简写为：

U_d＝K·I_d+B   ⑥；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}};B=(1-\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k})\·U_{\mathrm{dN}}.$

4.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤C中，当直流输电系统处于正向斜率控制时，若直流输电系统发生波动，电流增加ΔI_d，则整流侧平波电抗器出口处电压U'_d，此时的直流输电系统关断角记作γ′：

U_d′＝U_d0icosγ′-(I_d+ΔI_d)·(d_xi-R)   ⑦；

由⑥式得U'_d为

U_d′＝U_d+K·ΔI_d   ⑧；

将⑧式代入⑦式得：

U_d′＝U_d0icosγ-I_d(d_xi-R)+K·ΔI_d   ⑨；

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

5.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤D中，所述关断角与电流增量的关系用下述表达式表示：

U_d0i(cosγ′-cosγ)＝ΔI_d·(d_xi-R+K)   ⑩；

其中：γ′表示直流输电系统发生波动时的关断角。

6.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤E中，在额定运行点附近将余弦函数进行泰勒展开，关断角增量与电流增量的线性函数关系表示为：

cosγ＝cosγ₀-sinγ₀·(γ-γ₀)+R_m(γ)  

R_m(γ)称为拉格朗日余项；

U_d0i·(cosγ′-cosγ)≈-U_d0i·sinγ₀·(γ′-γ)

＝ΔI_d·(d_xi-R+K)

其中： $K=\frac{1-\mathrm{\ξ}}{1-k}\·\frac{U_{\mathrm{dN}}}{I_{\mathrm{dN}}}.$

7.如权利要求1所述的直流输电系统正向斜率控制策略的实现方法，其特征在于，所述步骤F中，在直流输电控制系统中，采用额定直流电流I_d和逆变侧理想空载直流电压U_d0i的标幺值作为直流输电系统控制对象，将约束函数整理得电流变化标幺值与关断角偏差之间的函数关系：

Δγ＝λ·ΔI_d*

$\mathrm{\λ}=\frac{(d_{\mathrm{xi}}-R)(1-k)I_{\mathrm{dN}}+(1-\mathrm{\ξ})U_{\mathrm{dN}}}{U_{d0i}\·\sin {\mathrm{\γ}}_0\·(1-k)}$

其中：Δγ表示关断角增量；R表示线路电阻；γ₀表示额定关断角；

电流增量引起的直流输电系统增加转化为关断角指令的增加，将正向斜率控制嵌套于定关断角控制之中。

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