CN108808717A - 基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法 - Google Patents

基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法，具有触发控制灵活，触发参考相位更为稳定准确的效果。该方法包括：对12脉动晶闸管的换流器的每对换流阀设置进行如下配置；将换流母线任一线电压引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧相应线电压基波相位；将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲；将换流母线任一相电压反相引入单相锁相环进行锁相，得到△侧相应线电压基波相位；将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲。

Description

基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法
技术领域
本发明涉及高压直流技术领域，特别是涉及一种高压直流触发相位控制方法。
背景技术
换流器触发相位控制是直流系统用来改变换流阀开通时刻，实现对系统运行状态进行调节的控制环节，是高压直流控制系统分层结构的基础。早期(上世纪50年代)直流工程采用了基于过零点的分相触发技术，也称为按相触发或等触发角触发，这是第一代触发相位控制技术，该触发控制中每个换流阀各自有其单独的相位控制电路，通过与换相交流电压波形直接进行比较来确定各个阀的触发时间。谐波电压含量达到其对应频率的倒数时就会导致出现多次过零点，如3次谐波畸变水平超过33％、11次谐波超过9％。过零点检测在系统故障暂态过程中会受到较大干扰，尤其是交流系统较弱时，容易导致触发不稳定，可能出现谐波不稳定现象。
由于上述问题，1968年基于锁相振荡器的触发相位控制方式(即等间隔触发)被提出，高压直流逐步开始采用等间隔触发来产生触发脉冲，这是第二代触发相位控制技术，该触发控制中每个换流器只装配一套相位控制电路，根据三相锁相环输出的相位等间隔地发出触发脉冲信号序列，目前国际上在运高压直流输电工程无一例外采用了等间隔触发。发明人发现传统技术中至少存在如下问题：等间隔触发下各个换流阀的触发角不能单独控制，换流器控制自由度降低，不对称故障下各阀的实际触发角存在差别，其中实际触发角较大的阀发生换相失败的几率增大，同时系统无法对交直流侧谐波进行主动控制，不利于系统的安全稳定运行。
我国已投运和在建的直流输电线路超过40条，居世界首位，直流输电已经成为我国大电网安全稳定运行的关键因素，高压直流对交流故障支撑能力的提升以触发相位控制技术为基础。因此有必要研究新一代的触发相位控制技术。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法，应用高压直流输电系统实现所述控制方法，具体包括：
所述高压直流输电系统包括：
12脉动晶闸管的换流器，上6脉动桥与一台Y0/Y联结变压器Y侧连接，下6脉动桥与一台Y0/△联结变压器△侧连接；
对所述换流器的每对换流阀设置进行如下配置；
将换流母线任一线电压引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧相应线电压基波相位；
将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲；
将换流母线任一相电压反相引入单相锁相环进行锁相，得到△侧相应线电压基波相位；
将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲
12脉动晶闸管换流器包括有上6脉动桥及下6脉动桥，上6脉动桥与一台Y0/Y联结变压器Y侧连接，下6脉动桥与一台Y0/△联结变压器△侧连接。对于Y0/Y换流变压器连接阀组，将换流母线A、C相间线电压UAC引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ua1c1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀11(V11)的触发脉冲PV11，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀14(V14)的触发脉冲PV14；将换流母线B、A相间线电压UBA引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ub1a1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀13(V13)的触发脉冲PV13，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀16(V16)的触发脉冲PV16；将换流母线电压C、B相间线电压UCB引入单相锁相环进行锁相，得到线电压uc1b1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀15(V15)的触发脉冲PV15，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀12(V12)的触发脉冲PV12。
对于Y0/△换流变压器连接阀组，将换流母线A相电压UA反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧a、c相间线电压ua2c2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀21(V21)的触发脉冲PV21，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀24(V24)的触发脉冲PV24；将换流母线电压B相电压UB反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧b、a相间线电压ub2a2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀23(V23)的触发脉冲PV23，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀26(V26)的触发脉冲PV26；将换流母线C相电压UC反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧c、b相间线电压uc2b2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀25(V25)的触发脉冲PV25，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀22(V22)的触发脉冲PV22。
本发明具有如下优点和有益效果：
与利用过零点检测提供相位基准的传统分相触发相比，本发明的新分相触发借鉴了等间隔触发所采用的锁相环技术，触发参考相位更为稳定准确，不会直接受到过零点波动的影响。等间隔触发下换流器只有一套触发电路，三相电压不平衡时各阀实际触发角之间出现较大差异；而新分相触发下每对换流阀各自有其独立的触发电路，能够对每对换流阀单独进行控制，具有控制灵活的特点，并且对于单相锁相环而言，不存在负序电压分量对锁相过程造成干扰的问题，其能够在三相电压不平衡时保持对各个线电压相位的锁定，同时还对谐波具有更好的抑制效果。
附图说明
图1为本发明基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法的示意图；
图2为本发明基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法实施例的基于两相正交变量的单相锁相环的高压直流触发相位控制方法。
图3为本发明基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法实施例的单相锁相环的基于二阶广义积分器SOGI的正交信号发生器QSG的原理图；
图4为本发明基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法实施例的单相锁相环的基于二阶广义积分器SOGI的正交信号发生器QSG闭环传递函数D(s)的伯德图和阶跃响应曲线
图5为本发明一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统；
图6(a、b)为本发明一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统逆变侧三相故障性能测试；
图7(a、b)为本发明一个示例中CIGRE直流输电标准测试系统逆变侧单相故障性能测试。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
高压直流输电系统采用的12脉动晶闸管换流器包括有上6脉动桥及下6脉动桥，上6脉动桥与一台Y0/Y联结变压器Y侧连接，下6脉动桥与一台Y0/△联结变压器△侧连接。
触发相位控制是直流系统用来改变换流阀开通时刻，实现对系统运行状态进行调节的控制环节，是高压直流控制系统的基础。
为解决等间隔触发下换流器控制自由度低的问题，本发明提供一种换流阀触发角能够单独控制的触发相位控制方法与装置。
本实施例中的基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法包括如下步骤：
对于Y0/Y换流变压器连接阀组，将换流母线A、C相间线电压UAC引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ua1c1基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀11(V11)的触发脉冲PV11，
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀14(V14)的触发脉冲PV14；
将换流母线B、A相间线电压UBA引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ub1a1基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀13(V13)的触发脉冲PV13，
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀16(V16)的触发脉冲PV16；
将换流母线电压C、B相间线电压UCB引入单相锁相环进行锁相，得到线电压uc1b1基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀15(V15)的触发脉冲PV15，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀12(V12)的触发脉冲PV12。
对于Y0/△换流变压器连接阀组，
将换流母线A相电压UA反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧a、c相间线电压ua2c2基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀21(V21)的触发脉冲PV21，
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀24(V24)的触发脉冲PV24；
将换流母线电压B相电压UB反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧b、a相间线电压ub2a2基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀23(V23)的触发脉冲PV23，
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀26(V26)的触发脉冲PV26；
将换流母线C相电压UC反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧c、b相间线电压uc2b2基波相位，
将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀25(V25)的触发脉冲PV25，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀22(V22)的触发脉冲PV22。
在具体的一个示例中，参见图5，图5为本发明一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统；以CIGRE高压直流输电标准测试系统为基本算例，其采用12脉动换流器，额定直流电压为500kV，额定直流电流为2kA。
1)稳态性能测试
分别在三相对称工况和三相不对称工况下，对本发明分相触发方式下系统达到准稳态后的谐波性能进行了测试。
正常工况和三相接地故障时直流电压的主要谐波幅值分别如表1和表2所示，三相接地故障中的故障电感为0.44H，三相交流电压幅值均为0.796p.u.。从表1和表2可以看到，三相对称工况下两种触发方式的主要谐波幅值基本相同，谐波性能一致。
表1正常工况下两种触发方式的主要谐波幅值
表2三相接地故障下两种触发方式的主要谐波幅值
在整流侧交流母线处设置各类不对称故障，通过改变故障电感大小模拟故障距离换流站的距离，记录两种触发方式下的三相交流电压幅值、不对称度(交流负序电压分量与正序电压分量的比值)和直流电压主要谐波幅值，仿真结果如表3所示。从表3可以看到，不对称工况下系统直流侧主要含2次谐波，特征谐波含量相对较低；两种触发下的电气量差异随着故障严重程度的增加而逐渐增大，并且不同故障类型的对比结果也不同。故障阻抗较大时，换相电压相位偏移量有限，两种触发的作用效果相差不大；当故障阻抗较小时，与等间隔触发相比，分相触发在单相接地故障时2次谐波有所增大，故障相电压幅值明显上升，相应地非故障相电压出现下降；两相接地故障时2次谐波含量降低，交流电压幅值变化情况与单相接地故障时类似；与以上两种故障类型相比，两相相间短路时的电气量差别较小。因此，分相触发不会产生比等间隔触发含量更高的非特征谐波。
此外，在对传统分相触发进行同样测试后发现，三相对称工况下其与上述两种触发方式的主要谐波幅值基本相同；而在不对称工况下，由于触发原理相似，传统分相触发与新分相触发的性能较为接近，两者的差异主要来自于单相电压相位获取方式的不同。
表3不对称工况下两种触发相位控制方式的比较
2)暂态性能测试
逆变侧交流系统在t＝3s时发生三相短路故障，故障持续时间为0.1s，故障后等间隔触发和新分相触发下系统各电气量变化情况如图6所示。发生三相短路故障时，两种触发下的电气量波形基本相同，新分相触发不会引起高压直流三相短路故障暂态性能的恶化。
逆变侧交流系统在t＝3s时发生单相接地故障，故障持续时间为0.2s，故障后等间隔触发和新分相触发下系统各电气量变化情况如图7所示。从图7(a)和7(b)中的波形对比情况可以发现，与等间隔触发相比，新分相触发下故障后系统的恢复过程总体上较为平稳，两种触发下逆变器都在故障初期发生了换相失败，但等间隔触发在故障恢复期间发生了后续换相失败，而新分相触发在仿真中并没有出现类似的情况。通常认为故障初期的换相失败是难以避免的，而故障恢复阶段的换相失败可以通过控制系统的改进加以消除。新分相触发在抑制后续换相失败方面显然具有比等间隔触发更好的效果。
究其原因，一是因为不对称故障使得换相电压相位发生偏移，等间隔触发下各个换流阀的实际触发角出现较大差异，其中实际触发角较大的阀发生换相失败的可能性增大，而新分相触发下换流阀的触发以其对应的换相电压相位为参考，单相锁相环的相位输出能够根据线电压相位的偏移做出相应调整，保持对其相位的锁定，减小各阀实际触发角之间的差异；
二是因为不对称故障下负序基波电压含量大幅上升，三相锁相环在负序电压分量的干扰下相位输出发生波动，无法提供准确稳定的触发参考相位，这会对等间隔触发下触发脉冲的生成造成不利影响，而单相电压不存在负序分量的概念，因此对于单相锁相环和新分相触发而言，不会出现负序分量对锁相和触发过程造成干扰的问题；新分相触发所采用的单相锁相环还对谐波具有很好的抑制效果。
另外，对于传统分相触发而言，无论是三相短路故障还是单相接地故障，仿真结果都显示其暂态性能要明显劣于其它两种触发方式。传统分相触发下逆变器在交流系统故障后各电气量波动幅度很大，交直流系统稳定性降低，可能引发谐波不稳定现象。
此外，在将系统短路比SCR分别设置为5、10、15后进行仿真，得到的仿真结果与上述类似。

Claims (2)

1.一种基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法，应用高压直流输电系统实现所述控制方法，其特征在于，包括：
高压直流输电系统包括：
12脉动晶闸管的换流器，上6脉动桥与一台Y0/Y联结变压器Y侧连接，下6脉动桥与一台Y0/△联结变压器△侧连接；
对所述换流器的每对换流阀设置进行如下配置；
将换流母线任一线电压引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧相应线电压基波相位；
将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲；
将换流母线任一相电压反相引入单相锁相环进行锁相，得到△侧相应线电压基波相位；
将得到相位与触发角指令值进行比较，得到对应换流阀的触发脉冲；
将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较，得到对应阀的触发脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于单相锁相的高压直流触发相位控制方法，其特征在于，
将换流母线A、C相间线电压UAC引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ua1c1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀11(V11)的触发脉冲PV11，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀14(V14)的触发脉冲PV14；将换流母线B、A相间线电压UBA引入单相锁相环进行锁相，得到Y侧线电压ub1a1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀13(V13)的触发脉冲PV13，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀16(V16)的触发脉冲PV16；将换流母线电压C、B相间线电压UCB引入单相锁相环进行锁相，得到线电压uc1b1基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀15(V15)的触发脉冲PV15，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀12(V12)的触发脉冲PV12；
对于Y0/△换流变压器连接阀组，将换流母线A相电压UA反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧a、c相间线电压ua2c2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀21(V21)的触发脉冲PV21，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀24(V24)的触发脉冲PV24；将换流母线电压B相电压UB反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧b、a相间线电压ub2a2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀23(V23)的触发脉冲PV23，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀26(V26)的触发脉冲PV26；将换流母线C相电压UC反相后引入单相锁相环进行锁相，得到△侧c、b相间线电压uc2b2基波相位，将所得相位与触发角指令值进行比较后可以得到对应的阀25(V25)的触发脉冲PV25，将触发角指令值增大180°后与相位基准进行比较得到阀22(V22)的触发脉冲PV22。
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