CN108599224B - 基于自适应电流偏差控制的hvdc连续换相失败抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，一方面将传统的线性的电流偏差控制转变成自适应电流偏差控制，根据交流电压的下降程度设置不同电流偏差控制特性的斜率和工作区间，增强了HVDC系统的在严重故障时的动态响应；另一方面，通过检测系统的零序分量来判断系统是否发生单相故障，并设置单相故障补偿控制，提高了HVDC系统对单相故障的灵敏度，进一步降低了HVDC系统发生连续换相失败的可能。

Description

基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法
技术领域
本发明涉及HVDC连续换相失败抑制控制领域，特别是一种基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法。
背景技术
我国一次能源与负荷需求呈逆向分布，客观上要求在大范围内对能源进行优化配置。而高压直流输电(HVDC)电能输送容量大，输电可靠性高，能实现交流电网异步互联，因此成为我国远距离、跨区域的电网互联的重要组成手段。但是电网换相换流器高压直流输电(LCC-HVDC)采用晶闸管作为换流器件，容易受逆变侧交流电压下降、直流电流短时增大等故障影响发生换相失败，如果保护和恢复措施设置不合理，将进一步发生连续换相失败。连续换相失败会引起直流系统直流偏磁、继电保护装置误动、过电压，甚至引发阀组闭锁或极闭锁导致较大的功率冲击，严重威胁电网的安全稳定运行。
电流偏差控制(CEC)是抑制换相失败的常见控制方法，主要是根据整流侧电流指令值与逆变侧检测电流值的差值调整逆变侧的关断角控制的指令，从而使得逆变侧的控制方式能在定电流控制和定关断角控制之间平滑切换，避免在过渡过程中因控制方式不确定而来回摆动。但是传统的CEC的灵敏度不高，当系统发生严重三相或单相故障时，其响应较慢，逆变侧电压和直流输送功率调整缓慢，难以避免系统发生连续换相失败。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，将静态的CEC控制转变成自适应CEC控制，可以根据逆变侧交流电压的幅值，自动调节CEC控制曲线的斜率和工作区间，增强对严重故障的灵敏度和动态性能；同时，增加了单相故障补偿控制，改善单相故障时HVDC系统的表现，增大故障时的换相裕度，降低系统发生连续换相失败的可能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，该方法包括：
(1)分别检测逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv，逆变侧直流电压信号Udc-inv、整流侧直流电流信号Id-rec，逆变侧直流电流信号Id-inv，检测逆变侧换流器中的所有换流阀的关断角信号，比较并选择其中的最小值作为γinv；
(2)将Id-rec乘以电压补偿系数0.01，与Udc-inv相加得到补偿后的电压信号即直流线路中点的电压信号Udc；
(3)将Udc传送至VDCOL控制环节，得到整流侧的定电流控制指令信号Iord-rec；
(4)将Iord-rec与Id-rec相减得到误差信号eI-rec，eI-rec通过相应的PI环节得到整流侧换流阀组的超前角指令βrec，用π减去βrec得到整流侧换流阀组的延迟角αrec；
(5)将αrec传送到整流侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号；
(6)将Iord-rec减去电流裕度0.1，得到逆变侧定电流控制指令Iord-inv，再将Iord-inv信号减去Id-inv得到误差信号eI-inv，eI-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定电流控制的超前角指令βinv-I；
(7)将Iord-rec减去Id-inv得到电流偏差信号ΔI；
(8)将电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv传送至故障系数计算模块，得到电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm；
(9)将电压变化幅值ΔUm和电流偏差信号ΔI传送至自适应电流偏差控制模块得到自适应电流偏差控制指令Δγ1；
(10)将电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm传送至单相故障补偿控制模块得到单相故障补偿控制指令Δγ2；
(11)将Δγ1和Δγ2相加得到关断角增量Δγ；
(12)将Δγ与逆变侧最小关断角γ0相加得到逆变侧定关断角控制指令γord-inv，所述γ0的值为0.2618；
(13)将γord-inv减去γinv得到误差信号eγ-inv，eγ-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定关断角控制的超前角指令βinv-γ；
(14)通过最大值选择单元选择βinv-I和βinv-γ中的最大值作为逆变侧超前角指令βinv，用π减去βinv得到逆变侧换流阀组的延迟角αinv；
(15)将αinv传送到逆变侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号。
步骤(3)中VDCOL控制环节输出的整流侧的定电流控制指令信号Iord-rec的计算公式为：
Figure GDA0003344987600000031
步骤(8)中的故障系数计算模块包括以下环节：
(a)对逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv求和并乘以1/3，得到零序分量U0；
(b)将Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv传送至锁相环，得到同步角θ及相应的正余弦信号sinθ和cosθ和交流电压角频率ω；
(c)将Ua-inv、Ub-inv、Uc-inv和U0传送至sin-cos分量检测模块，得到逆变侧交流电压幅值Uam、Ubm、Ucm和零序分量幅值Uzm；
(d)将Uam、Ubm和Ucm进行比较取其中的最小值，用1减去最小值得到逆变侧交流电压变化幅值ΔUm，即ΔUm＝1-min[Uam,Ubm,Ucm]；
步骤(c)中sin-cos分量检测模块的计算公式为：
Figure GDA0003344987600000032
其中，U∈[Ua-inv,Ub-inv,Uc-inv,U0]；|U|表示U的幅值，即|U|∈[Uam,Ubm,Ucm,Uzm]；U′表示U的一阶导数。
基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，步骤(9)中自适应电流偏差控制指令Δγ1的计算公式为：
Figure GDA0003344987600000033
ΔIH＝-0.32ΔUm+0.1
其中，ΔIH为直流电流偏差饱和值。
基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑
制方法，步骤(10)中单相故障补偿控制指令Δγ2的计算公式为：
Δγ2＝3sgn(Uzm-Uzm-th)*ΔUm
其中，Uzm-th表示单相故障时零序电压的阈值，为0.0083。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
(1)采用了故障系数计算模块，采用sin-cos分量法可以快速得到逆变侧交流电压下降程度和零序电压幅值，从高了检测速度和精度，有利于尽快调节HVDC的控制；
(2)根据故障程度动态调节电流偏差控制的斜率和工作区间，在交流故障严重时采用更大的斜率从而迅速地增大关断角值，增大了换相裕度，降低了连续换相失败发生的可能性；
(3)设置了单相故障补偿控制，提高了系统在单相故障时的灵敏度，进一步避免发生连续换相失败。
附图说明
图1为自适应电流偏差控制特性图；
图2为本发明的整体控制结构图；
图3为故障系数计算模块结构图；
图4为sin-cos分量检测法结构图；
图5为不同控制方式在三相故障时的效果图；(a)为传统HVDC控制在三相故障时的效果图；(b)为本发明在三相故障时的效果图。
具体实施方式
传统电流偏差控制特性是线性的，因此当系统发生严重故障时，其动态响应较慢，从而导致逆变侧电压和直流输送功率调整缓慢，进而难以避免系统发生连续换相失败。所以可以通过实时检测逆变侧电压下降程度，动态调节电流偏差控制特性的斜率和工作区间，当发生严重故障时可以增大控制特性斜率，增强系统在严重故障时的灵敏度。
图1为自适应电流偏差控制特性图。特性1是传统的电流偏差控制特性，而特性2和3是自适应电流偏差控制在不同的电压变化程度下所对应的控制特性，其中3对应的是电压下降程度较为严重的情况。从图1可以看出，相对于传统电流偏差控制，自适应控制的特性斜率是增大的，并且随着电压变化幅值ΔUm的增大会进一步加大控制的灵敏度，从而提高自适应控制抑制连续换相失败的能力。
同时，为了增强系统应对单相故障的能力，本发明还提出一种单相故障补偿控制，通过检测系统中的零序分量，判断是否发生单相故障，然后产生相应的补偿信号Δγ2并与自适应电流偏差控制产生的信号Δγ1叠加生成关断角增量Δγ。
图2为本发明的整体控制结构图，相对于传统HVDC控制结构，本发明主要增加了故障系数计算模块、自适应电流偏差控制模块和单相故障补偿控制模块。具体的实施步骤包括：
(1)分别检测逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv，逆变侧直流电压信号Udc-inv、整流侧直流电流信号Id-rec，逆变侧直流电流信号Id-inv，检测逆变侧换流器中的所有换流阀的关断角信号，比较并选择其中的最小值作为γinv；
(2)将Id-rec乘以电压补偿系数0.01，与Udc-inv相加得到补偿后的电压信号即直流线路中点的电压信号Udc；
(3)将Udc传送至VDCOL控制环节，得到整流侧的定电流控制指令信号Iord-rec；其中，定电流控制指令信号Iord-rec可由如下公式得到：
Figure GDA0003344987600000051
(4)将Iord-rec与Id-rec相减得到误差信号eI-rec，eI-rec通过相应的PI环节得到整流侧换流阀组的超前角指令βrec，用π减去βrec得到整流侧换流阀组的延迟角αrec；
(5)将αrec传送到整流侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号；
(6)将Iord-rec减去电流裕度0.1，得到逆变侧定电流控制指令Iord-inv，再将Iord-inv信号减去Id-inv得到误差信号eI-inv，eI-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定电流控制的超前角指令βinv-I；
(7)将Iord-rec减去Id-inv得到电流偏差信号ΔI；
(8)将电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv传送至故障系数计算模块，得到电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm；
(9)将电压变化幅值ΔUm和电流偏差信号ΔI传送至自适应电流偏差控制模块得到自适应电流偏差控制指令Δγ1；
(10)将电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm传送至单相故障补偿控制模块得到补偿控制指令Δγ2；
(11)将Δγ1和Δγ2相加得到关断角增量Δγ；
(12)将Δγ与逆变侧最小关断角γ0相加得到逆变侧定关断角控制指令γord-inv，所述γ0的值为0.2618；
(13)将γord-inv减去γinv得到误差信号eγ-inv，eγ-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定关断角控制的超前角指令βinv-γ；
(14)通过最大值选择单元选择βinv-I和βinv-γ中的最大值作为逆变侧超前角指令βinv，用π减去βinv得到逆变侧换流阀组的延迟角αinv；
(15)将αinv传送到逆变侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号。
图3为步骤(8)中的故障系数计算模块结构图。其具体实施方式为：
(a)对逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv求和并乘以1/3，得到零序分量U0；
(b)将Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv传送至锁相环，得到同步角θ及相应的正余弦信号sinθ和cosθ和交流电压角频率ω；
(c)将Ua-inv、Ub-inv、Uc-inv和U0传送至sin-cos分量检测模块，得到逆变侧交流电压幅值Uam、Ubm、Ucm和零序分量幅值Uzm；
(d)将Uam、Ubm和Ucm进行比较取其中的最小值，用1减去最小值得到逆变侧交流电压变化幅值ΔUm，即ΔUm＝1-min[Uam,Ubm,Ucm]。
图4为步骤(c)中sin-cos分量检测法结构图。其具体的计算公式如下：
Figure GDA0003344987600000061
其中，U∈[Ua-inv,Ub-inv,Uc-inv,U0]；|U|表示U的幅值，即|U|∈[Uam,Ubm,Ucm,Uzm]；U′表示U的一阶导数。
根据故障系数计算模块得到的逆变侧交流电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm以及电流偏差信号传送给相应的自适应电流偏差控制模块和单相故障补偿控制模块，分别得到自适应电流偏差控制指令Δγ1和单相故障补偿控制Δγ2，两者相叠加得到关断角增量信号Δγ2。
自适应电流偏差控制指令Δγ1的计算公式为：
Figure GDA0003344987600000062
ΔIH＝-0.32ΔUm+0.1
其中，ΔIH为直流电流偏差饱和值。
单相故障补偿控制指令Δγ2的计算公式为：
Δγ2＝3sgn(Uzm-Uzm-th)*ΔUm
其中，Uzm-th表示单相故障时零序电压的阈值，为0.0083。
图5为不同控制方式在三相故障时的效果图。对比图5中的(a)和(b)，在传统的HVDC控制方式下，当逆变侧发生较为严重的三相故障时，关断角增量变化缓慢，不能及时地调整关断角指令致使直流系统发生了两次连续换相失败故障；而应用本发明的控制方法，故障发生后Δγ迅速增加，及时地增加了换相裕度，从而抑制了连续换相失败的发生。本发明可以根据交流侧电压下降程度动态调整控制特性，在交流侧严重故障时，其动态响应和灵敏度都较传统控制方式有了较大提升，从而减弱了连续换相失败对电网的危害。

Claims (7)

1.一种基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，
其特征在于，包括以下步骤：
1)分别检测逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv，逆变侧直流电压信号Udc-inv、整流侧直流电流信号Id-rec，逆变侧直流电流信号Id-inv，检测逆变侧换流器中的所有换流阀的关断角信号，比较并选择其中的最小值γinv；
2)将Id-rec乘以电压补偿系数0.01，与Udc-inv相加得到补偿后的电压信号，即直流线路中点的电压信号Udc；
3)将Udc传送至VDCOL控制环节，得到整流侧的定电流控制指令信号Iord-rec；
4)将Iord-rec与Id-rec相减得到误差信号eI-rec，eI-rec通过相应的PI环节得到整流侧换流阀组的超前角指令βrec，用π减去βrec得到整流侧换流阀组的延迟角αrec；
5)将αrec传送到整流侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号；
6)将Iord-rec减去电流裕度0.1，得到逆变侧定电流控制指令Iord-inv，再将Iord-inv减去Id-inv得到误差信号eI-inv，eI-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定电流控制的超前角指令βinv-I；
7)将Iord-rec减去Id-inv得到电流偏差信号ΔI；
8)对电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv进行故障系数计算，得到电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm；
9)将电压变化幅值ΔUm和电流偏差信号ΔI传送至自适应电流偏差控制模块，得到自适应电流偏差控制指令Δγ1；
10)将电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm传送至单相故障补偿控制模块，得到单相故障补偿控制指令Δγ2；
11)将Δγ1和Δγ2相加得到关断角增量Δγ；
12)将Δγ与逆变侧最小关断角γ0相加，得到逆变侧定关断角控制指令γord-inv；
13)将γord-inv减去γinv得到误差信号eγ-inv，eγ-inv通过相应的PI环节得到逆变侧定关断角控制的超前角指令βinv-γ；
14)通过最大值选择单元选择βinv-I和βinv-γ中的最大值作为逆变侧超前角指令βinv，用π减去βinv得到逆变侧换流阀组的延迟角αinv；
15)将αinv传送到逆变侧的脉冲发生单元生成对应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤3)中，电流控制指令信号Iord-rec的计算公式为：
Figure FDA0001660871670000021
3.根据权利要求1所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤8)中，电压变化幅值ΔUm和零序分量幅值Uzm的计算过程包括：
1)对逆变侧交流电压信号Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv求和并乘以1/3，得到零序分量U0；
2)将Ua-inv、Ub-inv和Uc-inv传送至锁相环，得到同步角θ及相应的正余弦信号sinθ和cosθ，以及交流电压角频率ω；
3)将Ua-inv、Ub-inv、Uc-inv和U0传送至sin-cos分量检测模块，得到逆变侧交流电压幅值Uam、Ubm、Ucm和零序分量幅值Uzm；
4)将Uam、Ubm和Ucm进行比较，取其中的最小值，用1减去最小值得到逆变侧交流电压变化幅值ΔUm，即ΔUm＝1-min[Uam,Ubm,Ucm]。
4.根据权利要求3所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，sin-cos分量检测模块的计算公式为：
Figure FDA0001660871670000022
其中，U∈[Ua-inv,Ub-inv,Uc-inv,U0]；|U|表示U的幅值，即|U|∈[Uam,Ubm,Ucm,Uzm]；U′表示U的一阶导数。
5.根据权利要求1所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤9)中，自适应电流偏差控制指令Δγ1的计算公式为：
Figure FDA0001660871670000031
ΔIH＝-0.32ΔUm+0.1
其中，ΔIH为直流电流偏差饱和值。
6.根据权利要求1所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤10)中，单相故障补偿控制指令Δγ2的计算公式为：Δγ2＝3sgn(Uzm-Uzm-th)*ΔUm，其中，Uzm-th表示单相故障时零序电压的阈值，为0.0083。
7.根据权利要求1所述的基于自适应电流偏差控制的HVDC连续换相失败抑制方法，其特征在于，步骤12)中，γ0的值为0.2618。
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