CN108808719B - 预测型定关断角控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预测型定关断角控制方法，通过分析逆变器换相过程获得计及换相期间直流电流变化的关断角计算公式，考虑了各交流换相电压幅值和相位的变化，利用滑动平均滤波器和二阶广义积分器分别对直流电流实测值和交流电压进行处理后用于各换流阀触发角的求解，并取其中最小触发角作为定关断角控制的输出。这种控制方法能够有效提高系统抵御换相失败的能力。

Description

预测型定关断角控制方法
技术领域
本发明涉及高压直流技术领域，特别是涉及一种预测型定关断角控制方法。
背景技术
高压直流控制系统中，极控制的控制特性直接决定了换流器触发角指令的变化趋势，对直流系统的暂态响应特性具有非常重要的影响。定关断角控制是逆变侧主要控制方式之一，其控制目的在于尽可能降低换流器无功消耗的同时，维持关断角不小于关断角参考值，以保证换流阀的正常关断。因此，定关断角控制故障暂态响应性能的好坏会在很大程度上影响换流器抵御换相失败的能力。
换相失败是高压直流系统最常见的故障之一，主要原因是交流电压幅值降低和电压畸变。近年来随着多馈入直流电网和多端直流系统的发展，换相失败问题的研究被提到了一个新的高度。发明人发现传统技术中至少存在如下问题：
实际直流工程中预测型定关断角控制是基于理想空载直流电压和直流电流指令值来对触发角进行求取的，这种求取方法会对故障暂态和准稳态时控制的响应速度和准确性造成不利影响。
因此有必要研究计及换相期间直流电流变化，且考虑各交流换相电压幅值和相位的变化的高压直流预测型定关断角控制方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种预测型定关断角控制方法，能够有效提高系统抵御换相失败的能力，具体包括：
采用一台12脉动晶闸管换流器和一台Y0/y联结变压器，对各换流阀触发角的求解并取其中最小触发角作为定关断角控制的输出；
步骤所述对各换流阀触发角的求解包括：
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/d联结变压器d侧连接；
1)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa1c1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000021
式中：Xr为换相电抗；id为直流电流；T为换相持续时间；
Figure GDA0003105854630000022
为直流电流变化率；kT为换流变压器变比；UAC为Y0/y换流变压器Y0侧A、C相间线电压幅值；γ0为关断角参考值；φa1c1换相电压uac(Y0/y联结变压器y侧ac线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度；
2)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb1a1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000023
式中：UBA为Y0/y换流变压器Y0侧B、A相间线电压幅值；φb1a1换相电压uba(Y0/y联结变压器y侧ba线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度；
3)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc1b1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000024
式中：UCB为Y0/y换流变压器Y0侧C、B相间线电压幅值；φc1b1换相电压ucb(Y0/y联结变压器y侧cb线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度；
4)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa2c2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000025
式中：UA为Y0/d换流变压器Y0侧A相电压幅值；φa2c2换相电压ua2c2(Y0/y联结变压器y侧a相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度；
5)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb2a2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000031
式中：UB为Y0/d换流变压器Y0侧B相电压幅值；φb2a2换相电压ub2a2(Y0/y联结变压器y侧b相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度；
6)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc2b2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000032
式中：UC为Y0/d换流变压器Y0侧C相电压幅值；φc2b2换相电压uc2b2(Y0/y联结变压器y侧c相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
可选的，
步骤所述对各换流阀触发角的求解之前还包括：
检测到电压过零点后根据锁相环输出相位得到过零时刻对应相位。
可选的，
步骤所述对各换流阀触发角的求解之前还包括：
将所述相位与正常工况下的相位进行比较得到相位偏移角度。
可选的，
采用12脉动换流器的额定直流电压为500kV，额定直流电流为2kA。
可选的，
所述关断角参考值γ0均设置为17°
本发明具有如下优点和有益效果：
通过分析逆变器换相过程获得计及换相期间直流电流变化的关断角计算公式，考虑了各交流换相电压幅值和相位的变化，利用滑动平均滤波器和二阶广义积分器分别对直流电流实测值和交流电压进行处理后用于各换流阀触发角的求解，并取其中最小触发角作为定关断角控制的输出。这种控制方法能够有效提高系统抵御换相失败的能力。
附图说明
图1为本发明高压直流预测型定关断角控制方法示意图；
图2为本发明高压直流Y0/y换流变压器连接阀组ac相预测型定关断角控制原理框图；
图3为本发明高压直流Y0/y换流变压器连接阀组ba相预测型定关断角控制原理框图；
图4为本发明高压直流Y0/y换流变压器连接阀组cb相预测型定关断角控制原理框图；
图5为本发明高压直流Y0/d换流变压器连接阀组ac相预测型定关断角控制原理框图；
图6为本发明高压直流Y0/d换流变压器连接阀组ba相预测型定关断角控制原理框图；
图7为本发明高压直流Y0/d换流变压器连接阀组cb相预测型定关断角控制原理框图；
图8为本发明利用二阶广义积分器进行交流换相电压幅值进行检测原理图；
图9为本发明一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统；
图10为本发明一个示例中CIGRE直流输电标准测试系统SCR＝2.5时两种控制下的换相失败免疫因子对比
图11为本发明一个示例中CIGRE直流输电标准测试系统SCR＝2.5时两种控制下系统的故障响应特性对比
图12为本发明一个示例中CIGRE直流输电标准测试系统SCR＝10时两种控制下的换相失败免疫因子对比
图13为本发明一个示例中CIGRE直流输电标准测试系统SCR＝25时两种控制下的换相失败免疫因子对比。
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。
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/d联结变压器d侧连接。
1)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa1c1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000051
式中：Xr为换相电抗；id为直流电流；T为换相持续时间；
Figure GDA0003105854630000052
为直流电流变化率；kT为换流变压器变比；UAC为Y0/y换流变压器Y0侧A、C相间线电压幅值；γ0为关断角参考值；φa1c1换相电压uac(Y0/y联结变压器y侧ac线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
2)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb1a1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000053
式中：UBA为Y0/y换流变压器Y0侧B、A相间线电压幅值；φb1a1换相电压uba(Y0/y联结变压器y侧ba线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
3)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc1b1采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000054
式中：UCB为Y0/y换流变压器Y0侧C、B相间线电压幅值；φc1b1换相电压ucb(Y0/y联结变压器y侧cb线电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
4)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa2c2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000061
式中：UA为Y0/d换流变压器Y0侧A相电压幅值；φa2c2换相电压ua2c2(Y0/y联结变压器y侧a相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
5)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb2a2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000062
式中：UB为Y0/d换流变压器Y0侧B相电压幅值；φb2a2换相电压ub2a2(Y0/y联结变压器y侧b相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
6)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc2b2采用下式计算：
Figure GDA0003105854630000063
式中：UC为Y0/d换流变压器Y0侧C相电压幅值；φc2b2换相电压uc2b2(Y0/y联结变压器y侧c相反相电压)的过零点相位超前于正常工况的角度。
7)取步骤1)-6)计算延迟触发角的最小值为延迟触发角输出值。
在具体的一个示例中，参见图9，图9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。
本发明提出新型预测型定关断角控制原理框图如图2-图7所示。图2-7中ZCD表示过零点检测模块，其检测到电压过零点后根据锁相环输出相位θ得到过零时刻对应相位，再与正常工况下的相位进行比较得到相位偏移角度，s表示微分，用于求取电流变化率。将测得的电压幅值与0.1p.u.比较取大，以避免电压幅值在系统启动或故障过程中过小。两种控制中的关断角参考值γ0均设置为17°，电流偏差控制的增益K取0.15，其输出最大限幅取0.15。正常工况下逆变器换相角约为20°到30°，工频(50Hz)时对应时长为1.11到1.67ms，考虑到故障时换相角可能增大，保守取值T取作2ms。取计算得到的6个触发角中的最小值作为定关断角控制的最终输出。逆变侧定关断角控制与定电压控制、定电流控制采用限幅配合方式进行配合，通过控制参数调整使逆变器在正常工况时工作在定关断角控制方式下，整流器工作在定电流控制方式下；此外两端换流站控制系统还设有低压限流控制、定最小触发角αmin控制和定最小直流电流控制等其他控制环节。
交流换相电压幅值采用二阶广义积分器(Second Order GeneralizedIntegrator,SOGI)构建电压正余弦分量的方法进行检测，其原理如图8所示。
在逆变侧交流母线处设置接地故障，通过改变电感值的大小模拟接地点到交流母线之间的电气距离。考虑故障发生时刻对换相失败的影响，在系统启动达到稳定后的3.0s开始，以0.002s为时间间隔在一个工频周期内设置故障，故障持续时间0.1s，分别对单相接地故障和三相短路故障下系统换相失败免疫因子进行测量计算，得到的仿真结果如图10所示。图11为三相短路故障下，故障发生时刻Tf＝3.0s、接地电感Lf＝0.95H时两种控制方法下的电气量波形对比情况。从图中可以进一步看到，故障时原控制下系统发生了换相失败，直流电流经过快速大幅上升后又出现了短暂断流，直流传输功率显著下降；而采用改进控制后，在交流电压幅值最大下降幅度相近的情况下，系统成功抵御了换相失败，直流电流波动范围较小，直流功率在故障期间下降幅度相对较小，故障切除后系统恢复过程较为平稳。
将逆变侧交流系统短路比SCR分别设置为10和25，用同样的方法检测系统换相失败免疫因子，得到的仿真结果如图12、图13所示。从图中可以看到，随着交流系统强度的提高，不论是发生单相接地故障还是三相短路故障，系统抵御换相失败的能力整体上都有明显提高，并且改进控制的改善效果依然非常显著。这验证了改进预测型定关断角控制的通用性。

Claims (5)

1.预测型定关断角控制方法，其特征在于，采用一台12脉动晶闸管换流器和一台Y0/y联结变压器、一台Y0/d联结变压器，对各换流阀触发角的求解并取其中最小触发角作为定关断角控制的输出；
所述对各换流阀触发角的求解包括：
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/d联结变压器d侧连接；
1)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa1c1采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000011
式中：Xr为换相电抗；id为直流电流；T为换相持续时间；
Figure FDA0003210555870000012
为直流电流变化率；kT为换流变压器变比；UAC为Y0/y换流变压器Y0侧A、C相间线电压幅值；γ0为关断角参考值；φa1c1换相电压uac的过零点相位超前于正常工况的角度,uac为Y0/y联结变压器y侧ac线电压；
2)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb1a1采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000013
式中：UBA为Y0/y换流变压器Y0侧B、A相间线电压幅值；φb1a1换相电压uba的过零点相位超前于正常工况的角度，uba为Y0/y联结变压器y侧ba线电压；
3)Y0/y换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc1b1采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000014
式中：UCB为Y0/y换流变压器Y0侧C、B相间线电压幅值；φc1b1换相电压的过零点相位超前于正常工况的角度，ucb为Y0/y联结变压器y侧cb线电压；
4)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ac相延迟触发角αa2c2采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000021
式中：UA为Y0/d换流变压器Y0侧A相电压幅值；φa2c2换相电压ua2c2的过零点相位超前于正常工况的角度，ua2c2为Y0/y联结变压器y侧a相反相电压；
5)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器ba相延迟触发角αb2a2采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000022
式中：UB为Y0/d换流变压器Y0侧B相电压幅值；φb2a2换相电压ub2a2的过零点相位超前于正常工况的角度，ub2a2为Y0/y联结变压器y侧b相反相电压；
6)Y0/d换流变压器连接阀组逆变器cb相延迟触发角αc2b2采用下式计算：
Figure FDA0003210555870000023
式中：UC为Y0/d换流变压器Y0侧C相电压幅值；φc2b2换相电压uc2b2的过零点相位超前于正常工况的角度，uc2b2为Y0/y联结变压器y侧c相反相电压。
2.根据权利要求1所述的预测型定关断角控制方法，其特征在于，
所述对各换流阀触发角的求解之前还包括：
检测到电压过零点后根据锁相环输出相位得到过零时刻对应相位。
3.根据权利要求1所述的预测型定关断角控制方法，其特征在于，
所述对各换流阀触发角的求解之前还包括：
将所述相位与正常工况下的相位进行比较得到相位偏移角度。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的预测型定关断角控制方法，其特征在于，
采用12脉动换流器的额定直流电压为500kV，额定直流电流为2kA。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的预测型定关断角控制方法，其特征在于，
所述关断角参考值γ0均设置为17°。
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"A New Single-Phase PLL Structure Based on Second Order Generalized Integrator";Mihai Ciobotaru;《2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference》;20170525;1-6 *
"采用新型换流变压器及其滤波系统对换相失败的影响";许加柱;《电力自动化设备》;20080229;10-14 *
高压直流输电换相失败响应策略与预测控制技术路线分析;王海军;《电力系统保护与控制》;20141101;124-131 *

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