CN105260558A - 一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法。建立基于RLC串并联的换流阀元器件的宽频模型。采用RLC串并联建立换流阀元器件的宽频模型，预估所述宽频模型元器件中R、L和C的参数；然后通过设置目标函数、初始值、初始温度、迭代次数和终止条件，利用模拟退火算法对所建立宽频模型的RLC参数进行优化，使宽频模型的阻抗频率特性和换流阀元器件的实际阻抗频率特性相符。本发明提高了所建立高压直流换流阀元件宽频模型的准确程度，使所建的物理宽频模型的阻抗频率特性和实际测量的元件的阻抗频率特性拟合特性更吻合。

Description

一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，属于高压直流输电领域。

背景技术

换流阀是高压直流输电系统的核心设备，它是由晶闸管串联而成的一种链式结构，其中电压分布是其重要的电气特性之一。在系统运行的过程中，换流阀的三相桥式电路在运行中要承受来自交流和直流系统的操作过电压、雷电过电压以及陡波过电压。换流阀在运行和试验中要经受直流和工频交流电压和各类冲击电压，而这些电压含有多种频率成分。尤其在遭受速变电压，如雷电、陡波前冲击电压时，合理的电压分布特性对保障换流阀安全运行显得尤为关键。

因此，建立高压直流换流阀元件的模型，分析其在各类电压模式下电压分布等电气特性是十分必要的，为了与实际情况中各类电压形式相对应，要满足所建立的模型适用于0-5MHz甚至更高的频率范围，因此，建立的模型即为高压直流换流阀元件的宽频模型。现有技术中，常用的宽频模型建模方法有物理建模、数学建模和综合建模。但是，基本上运算过程复杂，计算量大，选取的物理参数意义不明确，计算的准确程度不高，并不适用于对工程的分析及应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，解决了所建立的换流阀元器件宽频模型精度较低的问题。

本发明是通过如下方案予以实现的：

一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，步骤如下：

步骤1)，建立换流阀基于RLC元器件串并联的宽频模型；

步骤2)，预估所述宽频模型元器件中R、C和L的参数；

步骤3)，通过设置目标函数、初始值、初始温度、迭代次数和终止条件，其中，初始值即为预估的R、L和C的参数，利用模拟退火算法对所建立的宽频模型RLC参数进行优化，使宽频模型的阻抗频率特性和换流阀元器件的实际阻抗频率特性相符。

进一步的，所述的步骤2中，通过阻抗分析仪测量所述宽频模型元器件的阻抗频率特性并绘制阻抗频率特性的曲线；根据所述曲线中的低频段特性预估R和C的参数，根据所述曲线中的拐点特性预估L参数。

进一步的，所述的步骤3)中的目标函数表达式如下：

${\mathrm{obj}}_0=\sqrt{\frac{1}{N}{\Σ}_{n-1}^N\left\{w_{n1}\frac{1}{|Z_n{|}^2}{\[Z_n|-|Z\left(f_n\right)|\]}^2+w_{n2}\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_n^2}{\[{\mathrm{\θ}}_n-\mathrm{\θ}\left(f_n\right)\]}^2\right\}}$

其中，N表示元器件实际测量频率点的个数；f_n表示第n个测量频率点对应的频率值；|Z_n|和θ_n分别表示f_n时测量得到的元器件阻抗幅值和相位角；|Z(f_n)|和θ(f_n)分别表示f_n时宽频模型的阻抗幅值和相位角。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

现有技术中建立的高压直流换流阀元件的宽频模型的精度较差，并不适用于是实际的工程需求，而且在计算换流阀元件的阻抗频率特性中还存在计算量大、计算程度复杂，所选取的参数的物理意义不明确等弊端。本发明提出了一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，由于随着频率的升高，元件间的寄生电容，元件引线的杂散电感、杂散电阻等寄生参量的影响不可忽略，因此，所建立的模型中的元件可用理想元件模型组成物理宽频模型。通过建立基于RLC的换流阀元器件宽频模型，绘制阻抗频率特性曲线图，对特定处的R、L和C的参数进行预估，通过模拟退火算法优化该宽频模型，寻求最优的阻抗频率特性RLC参数，提高了所建立高压直流换流阀元件宽频模型的准确程度，使元件的物理宽频模型的阻抗频率特性和实际测量的元件的阻抗频率特性拟合特性更吻合。

而且，与现有技术相比本发明计算量小，运算过程简单，具有一定的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法的流程图；

图2是本发明实施例的电阻元件的物理宽频模型示意图；

图3是本发明实施例的电容元件的物理宽频模型示意图；

图4是本发明实施例的RLC元件的阻抗频率特性曲线；

图5是本发明实施例的物理宽频模型的阻抗特性与实际测量的元件的阻抗特性对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

(一)、一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，步骤如下：

步骤(一)、利用理想的RLC元件串并联电路建立换流阀元器件的宽频模型，所建立的物理宽频模型如图3所示。

换流阀元器件的宽频模型对应的阻抗表达式如下：

$Z\left(f\right)=\sqrt{R^2+{(2\mathrm{\π}fL-\frac{1}{2\mathrm{\π}fC})}^2}{e}^{jartcan}\left(\frac{2\mathrm{\π}fL-\frac{1}{2\mathrm{\π}fC}}{R}\right)---\left(1\right)$

其中，f为该宽频模型中对应的频率值。

步骤(二)、使用仪器测量该换流阀元器件的阻抗频率特性，绘制阻抗频率特性曲线，然后，对RLC的初始参数进行预估。其中，利用阻抗频率特性曲线中的低频段特性对R和C的值进行预估，表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}R=\left|Z_0\right|{\mathrm{cos\θ}}_0\\ C=\frac{-1}{2{\mathrm{\πf}}_0\left|z_0\right|{\mathrm{sin\θ}}_0}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，f₀为该频率特性曲线中低频段特性点处对应的频率值；|Z₀|为当频率值为f₀时元件的阻抗幅值。

利用阻抗频率特性曲线中的拐点特性对L的值进行预估，表达式如下：

$L=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^{2}C}---\left(3\right)$

其中，f为该频率特性曲线中拐点处的频率值。

步骤(三)、如图1所示，设置目标函数、初始值、初始温度、迭代次数和终止条件，其中，初始值即为预估的R、L和C的值，利用模拟退火算法对所建立的宽频模型RLC参数进行优化，使宽频模型的阻抗频率特性和换流阀元器件的实际阻抗频率特性相符。设置的目标函数表达式如下：

${\mathrm{obj}}_0=\sqrt{\frac{1}{N}{\Σ}_{n-1}^N\left\{w_{n1}\frac{1}{|Z_n{|}^2}{\[Z_n|-|Z\left(f_n\right)|\]}^2+w_{n2}\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_n^2}{\[{\mathrm{\θ}}_n-\mathrm{\θ}\left(f_n\right)\]}^2\right\}}---\left(4\right)$

其中，N表示元器件实际测量频率点的个数；f_n表示第n个测量频率点对应的频率值；|Z_n|和θ_n分别表示f_n时测量得到的元器件阻抗幅值和相位角；|Z(f_n)|和θ(f_n)分别表示f_n时宽频模型的阻抗幅值和相位角；w_n1和w_n2分别表示幅值的权重值和相位的权重值。具体求解过程如下：

当初始温度为T时，随机扰动产生新解w'，带入目标函数计算它的目标函数值，然后计算增量△f'＝f(w')-f(w)。当△f'≤0时，接受新解作为当前解。当△f'>0时，以概率exp(-△f'/T)接受新解w'作为新的当前解。然后再次扰动产生新解，迭代求解，如果满足终止条件则输出当前解作为最优解，结束程序。如果不满足终止条件，将温度值设为T-1，开始新一轮的迭代求解，直至满足终止条件，获取最优解。

(二)、仿真实验分析与结论

本实验中选用阻抗分析仪的型号为稳科6500B系列，测量频率点个数为1600个。根据绘制阻抗频率特性曲线和本发明选取的预估点。预估的RLC参数的初值分别为：R＝675mΩ，L＝182.79nH，C＝42.8nF。

利用MATLAB进行编程仿真实验，参数R、L、C采用十进制数并通过一个三维数组表示，即[R,L,C]＝[675,182.79,42.80]。然后，设置下限数组设为[0,0,0]，上限数组设为[1000,1000,100]，初始温度T为100，迭代次数N为100。终止条件为连续30个新解都没有被接受。

通过仿真实验，根据本发明采用的模拟退火算法，当T＝80，N＝30时获取最优解，最优解为[682.17,186.42,42.803]，即所建的宽频模型的最终参数为R＝682.17mΩ，L＝186.42nH，C＝42.803nF。将所建立的直流换流阀元件宽频模型建模的阻抗特性与实际测量的元件的阻抗特性进行对比，得出如图5所示的曲线图，分析得出所建立的宽频模型建模的阻抗特性与实际测量的元件的阻抗特性基本相符。

本实施例中所建立的直流换流阀元件的宽频模型阻抗频率特性与电容元件相似，通过对R、L、C进行串联得到该换流阀元件的宽频模型，如图3所示，作为其他实施方式，根据所建立模型目标特性的不同，也可以选用其他RLC连接方式，如若建立的宽频模型阻抗频率特性与电阻元件相似，该模型中理想元件RLC的连接方式如图2所示。

本实施例中通过使用仪器测量该换流阀元器件的阻抗频率特性，绘制阻抗频率特性曲线，利用阻抗频率特性曲线中的低频段特性对R和C的值进行预估，利用阻抗频率特性曲线中的拐点特性对L的值进行预估。作为其他实施方式，也可以选择绘制阻抗频率特性曲线中其他点的特性预估R、L和C的参数。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)，建立换流阀基于RLC元器件串并联的宽频模型；

步骤2)，预估所述宽频模型元器件中R、L和C的参数；

步骤3)，通过设置目标函数、初始值、初始温度、迭代次数和终止条件，其中，初始值即为预估的R、L和C的参数，利用模拟退火算法对所建立的宽频模型RLC参数进行优化，使宽频模型的阻抗频率特性和换流阀元器件的实际阻抗频率特性相符。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，其特征在于，所述的步骤2)中，通过阻抗分析仪测量所述宽频模型元器件的阻抗频率特性并绘制阻抗频率特性曲线，根据所述曲线中的低频段特性预估R和C的参数，根据所述曲线中的拐点特性预估L参数。

3.根据权利要求1所述的一种高压直流换流阀元件的宽频模型建模方法，其特征在于，所述的步骤3)中的目标函数表达式如下：

${\mathrm{obj}}_0=\sqrt{\frac{1}{N}{\Σ}_{n=1}^N\left\{w_{n1}\frac{1}{|Z_n{|}^2}{\[\left|Z_n\right|-\left|Z\left(f_n\right)\right|\]}^2+w_{n2}\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_n^2}{\[{\mathrm{\θ}}_n-\mathrm{\θ}\left(f_n\right)\]}^2\right\}}$

其中，N表示元器件实际测量频率点的个数；f_n表示第n个测量频率点对应的频率值；|Z_n|和θ_n分别表示f_n时测量得到的元器件阻抗幅值和相位角；|Z(f_n)|和θ(f_n)分别表示f_n时宽频模型的阻抗幅值和相位角。