CN104333029B - 预测型换相失败预防方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预测型换相失败预防方法与装置，本发明的方法在计算中所需的角度α取自锁相环的输出，不再需要测量交流同步电压的过零点和半周期时间；由于同时计算12个桥臂的换相裕度面积，不再需要考虑预触发阀号；并且选取12个面积的最小值，使得预防换相失败的效果更好；使用直流电流整形和非线性补偿技术，对触发后的换相电压和直流电流波动进行修正，以增强预防换相失败能力。

Description

预测型换相失败预防方法与装置

技术领域

本发明涉及直流输电预测型换相失败预防领域，特别是预测型换相失败预防方法与装置。

背景技术

换相失败是直流输电系统逆变器最常见的故障之一。主要是逆变器中，当2个桥臂之间换相时，若刚退出导通的阀在反向电压作用的时间内未能恢复阻断能力，或在反向电压期间换相过程未能进行完毕，则在阀电压转变为正向时原来预定退出的阀将重新导通。换相失败将导致直流电压降低、输送功率减少、电流增大、换流阀寿命缩短、换流变压器直流偏磁及逆变侧交流系统过电压等不良后果。如果换相失败后控制不当，还会引起连续换相失败，最终导致直流停运。

随着西电东送和全国联网，华东电网和南方电网都已经是多直流馈入系统，一个直流子系统换相失败，可能引起其它直流子系统也换相失败。为了增加输送容量、节约线路走廊，在建的和新规划的直流都是特高压直流输电；特高压直流输电普遍使用了串联阀组结构，一个阀组故障产生的故障电流将穿过另外一个阀组，可能引起另外一个阀组的换相失败。因此近几年来，直流输电系统的换相失败呈现增多和恶化的趋势。

换相失败发生的根本原因是换相裕度小于晶闸管的关断需求，晶闸管实际需要的关断角通常在6°～9°之间，在逆变侧各角度的关系如下：

γ＝180°-α-μ (1)

式中γ为关断角，α为触发角，μ为换相重叠角。其中α是由控制器决定的，μ是由换相过程决定的；防止换相失败就是保证γ大于晶闸管的关断需求，这需要通过减小α来实现；因此本发明是对逆变器触发角α的辅助控制仪器。

逆变器发生换相失败的主要原因是由于交流电压幅值降低、直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移等原因。防止换相失败发生可以从一次系统设计和控制系统设计两方面想办法，对于控制系统来说预防换相失败有以下两种可行的技术方案：

第一种，增大正常运行时的关断角γ。在逆变侧使用定直流电压控制，正常运行时关断角γ的范围是17.5°～21.5°，相对较大，因此无功功率消耗也要大一些；换流阀通过阀基电子设备向控制系统发送每个桥臂的关断信号，此关断信号和交流同步电压通过硬件计时实测出每个桥臂的关断角，12个关断角的最小值作用于一个PI控制器；如果最小关断角小于17°，PI控制器就开始减小触发角α，西门子直流控制保护相关技术平台主要采用此方案。

这种方案关断角大，其无功功率消耗也大，需要逆变侧配置较多的交流滤波器。而且对设备的依赖性强，无法与同类换流阀相配合。

第二种，在检测到将要发生换相失败时，将触发角α减小以增加换相裕度，从而减少换相失败的发生。在逆变侧使用定关断角控制，正常运行时关断角γ为17°，相对较小,而无功功率消耗也相对较小；通过对交流换相电压和直流电流的快速采样(通过TDM光纤传输，采样间隔24us)，依次计算12个桥臂的换相裕度面积CMA(通过DSP实现，计算间隔50us)，计算中需要用到换相电压正向过零点到当前计算点的时间；当CMA小于等于换相裕度面积参考值CMAref时(CMAref为关断角等于14°的额定换相电压面积)，立即强制触发该桥臂，从而保证足够的换相裕度，ABB直流控制保护相关技术平台主要采用此方案。

这种方法属于预测型换相失败预防(Predictive Commutation Prevention)：当外部条件变化即将导致逆变侧换相失败时，适当地将触发角向90度方向移动以增加换相裕度；由于能够在很大程度上减小换相失败发生的概率，所以这种方法被称为换相失败预防。预测型是指不需要逆变器提供桥臂关断信号，只依靠交流电压和直流电流测量值、以及逆变器设计参数实现的换相失败预防方法。换相裕度面积(Commutation Margin Area,简称CMA)是指：在换相重叠过程结束后，剩下的换相正向电压对时间的积分面积。该积分面积和晶闸管的去电离成正比，是晶闸管成功换相的关键因素。换相裕度面积取决于直流电流和换流变短路阻抗，后者也称为换相阻抗。

第二种方案的预测型换相失败预防，虽然相对第一种方案对设备依赖性低，但效果不稳定，换相失败仍时有发生。

发明内容

本发明的目的是提供预测型换相失败预防方法与装置，用以解决现有预测型换相失败预防方法效果不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种预测型换相失败预防方法，步骤如下：

a)，测量换相电压；

b)，测量直流电流；

c)，根据a)、b)步骤的输出进行12路换相裕度面积计算，采用锁相环PLL的输出进行计算；

d)，将c)步骤输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的提前触发角度。

步骤如下：还包括步骤e)，对d)步骤输出角度进行非线性补偿。

所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度进行限制。

步骤d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。

6，根据权利要求1所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤b)中，对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。

一种预测型换相失败预防装置，包括如下模块：

模块a)，测量换相电压；

模块b)，测量直流电流；

模块c)，根据模块a)、b)的输出进行12路换相裕度面积计算，采用锁相环PLL的输出进行计算；

模块d)，将模块c)输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的提前触发角度。

还包括模块e)，对模块d)输出角度进行非线性补偿。

所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度进行限制。

模块d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。

以上技术方案基于对预测型换相失败预防方法的深入研究和剖析。

如图1所示，换相裕度面积CMA的表达式如下所示：

其中α是换相电压的当前相位角，U_pk是换相电压的峰值，X_B是换相电抗，I_dc是直流电流。公式(2)的标幺值形式如下所示：

其中U_pkN是换相电压峰值的额定值，U_2Lpu(α)是换相电压在当前相位角α的瞬时标幺值，I_dcpu是直流电流标幺值，d_xNpu是换相电抗标幺值。

分析公式(3)，由于CMA的计算方法是瞬时值计算，因此采样间隔和计算间隔必须足够小，才能实现对CMA的实时监视，在CMA达到最小允许值之前发出触发脉冲，从而降低换相失败发生的概率。因此，结合背景技术所述的现有预测型换相失败预防方法，造成效果不稳定的因素在于：

1，受限于DSP的性能，逐个计算12个桥臂的CMA，计算间隔无法小于50us；

2，用换相电压的过零点来测量当前时间及半波周期，容易受到换相电压谐波和过零点畸变的影响；

3，由于触发后的换相电压和直流电流会产生波动，使得实际的换相裕度面积偏小，对预防换相失败的效果有所减弱。

在采用本发明的方法后，与第二种技术方案相比，本发明的主要优点在于：

1)计算中所需的角度α取自锁相环的输出，不再需要测量交流同步电压的过零点和半周期时间；

2)由于同时计算12个桥臂的换相裕度面积，不再需要考虑预触发阀号；并且选取12个面积的最小值，使得预防换相失败的效果更好；

3)使用直流电流整形和非线性补偿技术，对触发后的换相电压和直流电流波动进行修正，以增强预防换相失败能力；

4)使用高速总线和大规模FPGA技术，进一步减小换相裕度面积的计算间隔，从而提高了换相裕度面积的计算精度。

附图说明

图1是换相裕度面积CMA示意图；

图2是换相失败预防方法原理框图；

图3是换相失败预防设备硬件框图；

图4是锁相环同步原理框图；

图5是非线性补偿环节框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

由于特高压直流输电工程要求测量系统和控制系统分开，预测型换相失败预防仪器也分为信号测量单元和计算单元。信号测量单元与所述计算单元通信连接。本实施例的改进在于，至少所述计算单元由FPGA实现。

具体的，如图3的实施例所所示，信号测量单元包括依次连接的相移传感器、模数转换器和测量FPGA，计算单元包括计算FPGA。测量FPGA通过高速串行总线连接计算FPGA。

换相裕度面积的计算完全使用大规模现场可编程门阵列FPGA实现，因为FPGA的并行计算特性，能够同时计算12个桥臂的CMA，并且计算间隔减小到15us，大大提高了CMA的计算速度和精度。

实施例2

现有技术中，用换相电压的过零点来测量当前时间及半波周期，容易受到换相电压谐波和过零点畸变的影响。

本实施例中，预测型换相失败预防仪器的信号测量单元和计算单元均采用现有硬件构成，改进在于，计算CMA用到的当前角度取自锁相环的输出，因为锁相环和换相电压处于惯性同步状态，锁相环的稳定输出消除了电压谐波和过零点畸变的影响。

锁相同步元件是直流输电最重要的基础组件，如图4所示，它主要包括抗混叠滤波器和插值采样环节(a部分)、滤过正序和滤除谐波的数字滤波器(b部分)、交流电压的幅值和相位计算(c部分)、交流电压频率跟踪模块(d部分)、相位误差控制器和相位积分器五个部分(e部分)，

波形变换过程如下：

①.三相交流电压：

U_a＝A·cos(wt)，U_b＝A·cos(wt-120°)，U_c＝A·cos(wt+120°)

②.ALF和BET分量变换(如图4f部分)：

NUL＝(R+S+T)/3，正常为零

ALF＝R-NUL＝A·cos(wt)

③.求出幅值和相位(如图4c部分)：

YP＝arctan(XB/XA)＝wt，(-π＝-2,π＝2)

结合图1和公式1、公式2、公式3，可知：

当采用换相电压的过零点来测量当前时间及半波周期时，如果出现换相电压含有谐波和过零点畸变从而引起换相电压过零点测量出现偏差，将直接会导致逆变侧各角度α、μ、γ的测量和计算偏差，进而会影响换相裕度面积CMA计算的精度。

而锁相同步元件中的滤过正序和滤除谐波的数字滤波器部分(如图4中b部分)同时具备滤过正序分量和滤除谐波的双重功能，从而有效解决了用换相电压的过零点来测量当前时间及半波周期，容易受到换相电压谐波和过零点畸变的影响。

实施例3

由于触发后的换相电压和直流电流会产生波动，使得实际的换相裕度面积偏小，对预防换相失败的效果有所减弱。所以对输出角度进行非线性补偿，以平衡直流电流波动的影响。本实施例中，预测型换相失败预防仪器的信号测量单元和计算单元均采用现有硬件构成，改进在于，在输出环节增加输出角度的非线性补偿。本领域技术人员可以选择补偿方式和补偿程度。

实施例4

实施例4，综合了上述3个实施例的技术手段，图2所示为本实施例方法的原理图，即预测型换相失败预防的软件原理，软件由以下几个步骤(部分)组成：

a)，12路标幺值换相电压生成；

b)，直流电流预处理整形；

c)，结合a)、b)步骤的输出进行12路换相裕度面积计算；

d)，将c)步骤输出与参考CMA值进行比较；

e)，对d)步骤输出角度进行非线性补偿；

下面对各个组成部分的作用和实现方法进行详细说明。

如图3所示，本实施例采用了FPGA。另外，计算FPGA可以同时实现直流输电的锁相环和脉冲生成单元，能够降低了硬件平台的总体成本。

a)，12路标幺值换相电压生成

因为换相电压无法直接测量，只能根据换流变原边电压、分接头档位、YD换流变接线形式、以及换流变变比计算得到。以下例子以11点接线为例进行计算，其他接线方式的具体计算过程不再赘述；YY换流变和YD换流变的换相电压如下所示：

其中Ua、Ub、Uc是换流变原边相电压的标幺值，Uy1～Yy6是YY换流变的6路换相电压标幺值，Ud1～Ud6是YD换流变的6路换相电压标幺值，TAP是分接头档位系数。

b)，直流电流预处理

对于12脉动换流器，直流电流正常情况下含有12次及倍频谐波；而在故障情况下，直流电流会含有50Hz、100Hz、及高频谐波分量。对直流电流进行瞬时值采样，很可能采到谐波电流的一个波谷，从而造成对换相重叠区的计算偏小，也就是预测的CMA比实际值偏大，这对预防换相失败是不利的。因此增加了一个对直流电流的预处理整形环节，该环节对直流电流的短时间窗取最大值，使用经过整形的直流电流能够对预防换相失败起到积极的影响。

c)，12路换相裕度面积计算

a，b步骤输出的换相电压和直流电流，以及换相电抗、锁相环PLL输出，经过步骤c进行换相裕度面积计算。本实施例使用FPGA同时计算12个桥臂的CMA，因为FPGA的并行计算特性，可以实现更小的计算间隔，综合考虑到模拟量的AD转换时间和串行总线的传输时间，最终采用的计算间隔为15us。CMA的计算区间为120°～164°，164°是逆变侧的最大允许触发角，最小角度取120°的原因是：触发角小于120°对避免换相失败作用不大，但是会造成直流电压过低，从而引起直流系统过电流。

d)，12路提前触发角度及最小值计算

换相裕度面积参考值CMAref取值为关断角等于14°时的额定换相电压面积，当12路CMA小于等于CMAref时对应的锁相环相位角，就是避免换相失败的提前触发角度。每个桥臂都有自己的提前触发角度，因此有12个提前触发角度；这里对12个提前触发角取最小值，这样有利于在故障期间保持12个桥臂的等间隔触发。

e)，输出角度的非线性补偿

CMA计算公式假定换相电压为正弦波，实际在动态过程中，换相电压的谐波和畸变较大，此时CMA的计算结果并不能准确反映真实的换相裕度面积，可能会出现计算结果比真实面积大的情况，从而导致提前触发角度减小程度不够，最终影响换相失败预防效果。

输出角度的非线性补偿有效的解决了这个问题，补偿方法分为两个：一个是对大小的补偿，一个是对变化速度的补偿。对大小的补偿是指输出角度小于触发角指令时，对输出角度再减去一个补偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，经过一个速度限制器，这对于交流故障切除时的换相失败相当有效。这两种补偿的定值通过电磁暂态仿真试验确定。

具体的，如图5是按照上述思路的一种非线性补偿环节。结合图2，12路提前触发角最小值为输入，首先经过对变化速度的补偿环节，对变化速度的补偿环节将输入分为两路，分别经过一阶惯性环节和直接输出环节，输出到第一个取最小值环节，用于实现上述当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，进行了速度限制。第一个取最小值环节输出αmin与换相裕度面积参考值CMAref对应角度αCMAref作为第二个取最小值环节的输入，第二个取最小值环节的输出与Degree1或Degree2的偏差为最终输出。Degree1或Degree2的选择取决于Ctrl信号，Ctrl信号由αmin与αCMAref通过比较器产生，Ctrl＝1时，选取Degree1，Ctrl＝0时，选取Degree2。

这两种补偿的参数(如对变化速度补偿中一阶惯性环节的G和S以及对角度大小补偿中的Degree1和Degree2)通过电磁暂态仿真试验确定。由于仿真试验过程属于常规技术手段，本实施例不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式，如可以采用实施例1。本发明的基本思路在于本发明的方法基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤如下：

a)，测量换相电压；

b)，测量直流电流；

c)，根据a)、b)步骤的输出进行12路换相裕度面积计算，采用锁相环PLL的输出进行计算；

d)，将c)步骤输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的提前触发角度；

步骤e)，对d)步骤输出角度进行非线性补偿；

所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度与换相裕度面积参考值CMAref对应角度进行比较得到的最小值减去补偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度进行限制。

2.根据权利要求1所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。

3.根据权利要求1所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤b)中，对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。

4.一种预测型换相失败预防装置，其特征在于，包括如下模块：

模块a)，测量换相电压；

模块b)，测量直流电流；

模块c)，根据模块a)、b)的输出进行12路换相裕度面积计算，采用锁相环PLL的输出进行计算；

模块d)，将模块c)输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的提前触发角度；

模块e)，对模块d)输出角度进行非线性补偿；

所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度与换相裕度面积参考值CMAref对应角度进行比较得到的最小值减去补偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度进行限制。

5.根据权利要求4所述的一种预测型换相失败预防装置，其特征在于，模块d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。