CN108964109A - 一种抑制连续换相失败的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制连续换相失败的协调控制方法，在逆变站正常运行时，通过初始配置，即定直流电压控制、定直流电流控制、定关断角控制和低压限流控制对逆变站进行稳定控制。此时，附加关断角调节动态控制和附加直流电流控制是不工作的，且其对正常运行控制无影响；在逆变站交流侧发生单相接地故障时，基于最小关断面积恒定原则和单相故障具体影响的附加关断角调节动态控制开始工作并动态调节关断角整定值，以保证换流阀的关断裕度。本发明可以广泛应用于传统直流输电系统的控制。

Description

一种抑制连续换相失败的协调控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电系统控制领域，特别是一种抑制连续换相失败的协调控制方法。

背景技术

传统直流输电系统电能输送容量大，同时兼顾传输损耗低、输电功率调节或反转迅速灵活、输电可靠性高、非同步联络能力强等优点，因此在远距离、大区域的电网互联及大容量输电等方面应用广泛。目前，我国已成为世界上直流输电线路最多、输送容量最大的国家。

然而传统直流输电采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，交流故障等事故容易导致其换相失败。换相失败会引起直流电压下降和直流电流短时增大等影响系统运行的不利因素；连续的换相失败容易引起直流系统降额运行，甚至造成阀组闭锁或极闭锁。随着MIDC规模的增大及直流落点间电气距离的减小，受端交流系统故障时，可能引起多回直流同时或相继换相失败；当交流故障严重时，多回直流换相失败的发生可能导致直流功率传输中断，严重威胁直流系统的安全稳定运行。为提高输电的稳定性和电网的安全运行水平，必须采取有效措施，保证高压直流输电系统的正常运行。因此研究一种抑制连续换相失败的协调控制方法意义重大。

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，提供一种抑制连续换相失败的协调控制方法，在传统直流输电逆变站交流侧发生短路故障时，快速且有效地抑制连续换相失败现象的发生，同时不会影响系统的正常运行工况。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种抑制连续换相失败的协调控制方法，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对逆变站直流侧直流电压U_d-INV、直流电流I_d-INV、交流侧三相单相电压U_a、U_b、U_c分别进行采样，经测量环节转换，其中，G是测量环节的比例系数，其取值为G＝0.002；T为时间常数，其取值为T＝0.02s；s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；对逆变站所有换流阀的关断角进行采样，取上一个周期的关断角最小值作为逆变站阀关断角的实测值γ_实测；所有采样数据通过并行接口输入给逆变站控制层进行处理；

2)将测量的直流电流I_d-INV×0.01与直流电压U_d-INV相加，和值送入VDCOL低压限流控制；将低压限流后的电流值和电流整定值的标幺值1.0进行取小选择，得到选择后的电流值ΔI_d-REC；

3)交流侧发生接地故障，则采样模块采集到的是故障后的三相单相电压U_fa、U_fb、U_fc，将U_fa、U_fb、U_fc分别与对应的三相单相电压稳态值U_A、U_B、U_C进行比较，得到三个比值k₁、k₂、k₃；将k₁、k₂、k₃一起送入取小模块，选取三者中最小的值k；计算故障后单相电压幅值变化k所对应的换相线电压的相角变化和幅值变化k_l： 0≤k≤1；计算关断角的计算整定值γ_ref：将γ_ref送入Delay延时模块，将γ_ref延时0.5s即当故障发生后才开始作用于整个控制系统，再将γ_ref与原整定值0.2618作取大选择，限幅处理后得到关断角整定值γ；

4)将实测值γ_实测和测量的三相单相电压U_a、U_b、U_c一起送入附加直流控制器，得到电流补偿值Δi_d；

5)将ΔI_d-REC和Δi_d相加，和值与I_d-INV相减得到差值I_d，将差值I_d与稳态标幺值0.1相减得到ΔI_d，再将ΔI_d送入第一PI控制器，其中，第一PI控制器的传递函数G_U(s)表达式为：G_U(s)＝k_Up+k_Ui/s，k_Up是第一PI控制器的比例系数，其取值为k_Up＝0.63；k_Ui是第一PI控制器的积分系数，其取值为k_Ui＝41.34；s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；第一PI控制器输出的限定范围为[0.52，1.92]；最后得到定直流控制下的触发越前角β_INV-1；

6)对步骤5)中得到的差值I_d通过电流偏差控制环节CEC，然后与关断角的输出整定值γ相加，和值再与实测值γ_实测相减，得到的差值与-0.544作取大选择，然后送入第二PI控制器，其中，第二PI控制器的传递函数G_I(s)表达式为：G_I(s)＝k_Ip+k_Ii/s，k_Ip是第二PI控制器的比例系数，其取值为k_Ip＝0.7506；k_Ii是第二PI控制器的积分系数，其取值为k_Ii＝13.80；PI控制器输出的限定范围为[0.52，1.57]；得到定关断角控制下的触发越前角β_INV-2；

7)将β_INV-1和β_INV-2作取大选择，得到最终控制所需的触发越前角β_-INV，再与π相减，得到触发延迟角α_INV，作为逆变侧的α角指令值。

附加关断角调节动态控制包括关断角整定值计算模块、使能控制器、取大模块和限幅模块；其特征在于，该方法包括以下方面：

1)当系统正常运行时，逆变站定关断角控制按初始整定值工作，综合考虑晶闸管去离子恢复时间、串联连接的晶闸管之间存在的电压分布不平衡、器件特性的变化以及安全裕度等因素，一般情况下关断角初始整定值为γ₀＝15°；

2)当交流侧发生短路故障时，关断角整定值计算模块开始工作，基于最小关断面积恒定原则和单相故障具体影响，动态输出大于15°的关断角的计算整定值γ_ref，以保证换流阀的关断裕度，计算模块的具体步骤如下：

①首先通过采样模块对逆变站交流侧的三相单相电压U_A、U_B、U_C的值进行采集；

②若交流侧发生接地故障，则步骤①采集到的是故障后的三相单相电压U_fA、U_fB、U_fC，将其分别送入k值计算模块，k值即故障后电压与故障前稳态电压的比值，得到三个比值k₁、k₂、k₃；

③将步骤②得到的k₁、k₂、k₃一起送入取小模块，选取最小的幅值降落比k作为计算所需要的单相接地故障的电压降落比值；

④将步骤③得到的k分别送入值计算模块和k_l值计算模块，即计算故障后单相电压幅值变化k所对应的换相线电压的相角变化和幅值变化k_l，

其具体对应关系为(以A相为例)：

A相发生单相接地故障时故障位置处的三相电压分别为：

上三式中，U_A、U_B、U_C为故障前相电压，即正序等值电动势，U_fA、U_fB、U_fC为故障后相电压，X_1Σ、X_2Σ、X_0Σ分别为系统正、负、零序序网等值阻抗。当过渡电阻R_g从0到∞变化时，接地相A相的相电压也会随着R_g的不同而不同，具体幅值和相角变化(以U_A为基准相量)如下：

结合两式可以得到：

对上式进行数学推导，当A相经过渡电阻R_g发生单相接地故障时，随着R_g从0到∞变化，U_fA的变化轨迹是一个起点为O点，终点为U_A，相角滞后0°到90°的一个半圆。

可以计算出故障后受影响最大的换相线电压U_f与A相电压幅值下降系数k之间的关系。假设故障后A相电压幅值变化：

则相对应的受影响最大的换相线电压U_f的幅值和相角变化分别为：

⑤将步骤④得到的和k_l一起送入关断角整定值计算模块，最后得到动态变化的关断角整定值γ_ref。具体数值设计如下：

晶闸管在关断过程中根据换相电压--时间图可得关断面积G的计算公式为：

式中，U_l是晶闸管所需的换相线电压幅值，γ是晶闸管的关断角。

换流线电压为额定值U_N且关断角为γ_min时，可得到最小关断面积的计算公式：(γ_min是晶闸管元件恢复正向阻断能力所必需的时间，考虑到串联元件的误差，γ_min通常约为10°。)

若晶闸管在关断过程中交流侧发生单相接地故障，则其故障后的关断面积G_f的计算公式可修正为：

式中，U_l’是故障后的换相线电压幅值，是故障后的换相线电压相角超前变化值。

则定最小关断面积的判据公式为：

G_f＝G_min

由此可以计算出当换相电压变化时关断角的最佳整定值为：

3)为了避免在交流电压稍不平衡时，关断角整定值产生不必要的波动，在计算模块后加入使能控制器，使其在故障情况下才有输出；

4)因关断角过大会影响系统的输出功率，在输出侧加入限幅模块，设置为整定值输出一般不超过45°。

ΔI_d计算过程包括以下步骤：

1)由换相期间的等效积分可得直流侧电流为：

式中，U_l是晶闸管所需的换相线电压幅值，γ_实测是取上一个周期的关断角最小值作为逆变站阀关断角的实测值，β是晶闸管的触发越前角，L_c是换相等效电感值，w为系统角频率。

2)由于触发信号具有一定的滞后性，所以可以看作在发生故障的那一时刻，只有交流侧线电压U_l的下降以及关断角γ的迅速减小，β来不及变化，因此将上式在平衡点线性化可得：

式中各变量均取标幺值，k_l、γ_实测、Δγ代表发生接地故障后的交流侧换相线电压、取上一个周期的关断角最小值作为逆变站阀关断角的实测值以及关断角的变化值，最终得到Δi_d后将其直接输入原有的定电流控制环节。可以看出，当系统正常运行时，Δγ为零，附加直流电流控制器的输出也为零，因此该控制器的加入并不会影响原有的控制环节。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在逆变站正常运行时，通过初始配置，即定直流电压控制、定直流电流控制、定关断角控制和低压限流控制对逆变站进行稳定控制。此时，附加关断角调节动态控制和附加直流电流控制是不工作的，且其对正常运行控制无影响；在逆变站交流侧发生单相接地故障时，基于最小关断面积恒定原则和单相接地故障具体影响的附加关断角调节动态控制开始工作并动态调节关断角整定值，以此来有效的保证换流阀的关断裕度。此外，基于电压变化和关断角变化的附加直流电流控制器也会在故障后开始工作，弥补VDCOL控制和PI控制在交流侧发生故障时具有滞后性的不足，可以有效的抑制故障所引起的直流电流迅速上升现象，有利于后续的换相过程。本发明实现了传统直流输电逆变站在交流侧发生短路故障时，快速且有效地抑制连续换相失败现象的发生，同时不会影响系统的正常运行工况，可以广泛应用于传统直流输电系统的控制。

附图说明

图1为本发明一实施例逆变站协调控制方法总模型图；

图2为本发明一实施例附加的关断角调节器动态控制模型图；

图3为本发明一实施例关断角整定值计算模块图；

图4为本发明一实施例晶闸管的换相电压--时间图；

图5为本发明一实施例单相故障电压相量图(以A相为例)；

图6为本发明一实施例晶闸管单相故障后的换相电压--时间图；

图7为本发明一实施例附加的直流电流控制模型图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例逆变站协调控制方法总模型图，该协调控制方法包括：定直流电压控制、定直流电流控制、定关断角控制、低压限流控制、附加关断角调节动态控制和附加直流电流控制；所述定直流电压控制、定直流电流控制和定关断角控制共同作用于逆变站提前触发角的动态变化来控制整个逆变站的稳定运行；所述定直流电压控制和低压限流控制依次连接。逆变站控制初始配置有定直流电压控制、定直流电流控制、定关断角控制和低压限流控制。基于初始的控制环节，考虑到交流侧发生单相接地故障对换相失败的影响以及直流电流突升对系统后续换相的影响，本发明对逆变站的控制系统进行了进一步的优化，增加了附加关断角调节动态控制和附加直流电流控制，如图1所示，其中在仿真软件中用Delay模块充当使能控制器的作用，使关断角整定值计算模块延时到故障后启动。

图2为本发明一实施例附加的关断角调节器动态控制模型图，所述的附加关断角调节动态控制附加于所述定关断角控制，所述附加关断角调节器动态控制包括关断角整定值计算模块、使能控制器、取大模块和限幅模块；其特征在于，该方法包括以下方面：

1)当系统正常运行时，逆变站定关断角控制按初始整定值工作，综合考虑晶闸管去离子恢复时间、串联连接的晶闸管之间存在的电压分布不平衡、器件特性的变化以及安全裕度等因素，一般情况下关断角初始整定值为γ₀＝15°；

2)当交流侧发生短路故障时，关断角整定值计算模块开始工作，基于最小关断面积恒定原则的动态输出大于15°的关断角的计算整定值γ_ref，以保证换流阀的关断裕度；

3)为了避免在交流电压稍不平衡时，关断角整定值产生不必要的波动，在关断角整定值计算模块后加入使能控制器，使其在故障情况下才有输出；

4)因关断角过大会影响系统的输出功率，在输出侧加入限幅模块，设置为整定值输出一般不超过45°。

图3为本发明一实施例关断角整定值计算模块图，所述关断角整定值计算模块包括幅值采集模块、k值计算模块、k值取小模块、值计算模块、k_l计算模块以及输出整定值计算模块，其特征在于，该方法包括以下方面：

1)首先通过幅值采集模块对逆变站交流侧的三相单相电压U_A、U_B、U_C的值进行采集；

2)若交流侧发生接地故障，则步骤1)采集到的是故障后的三相单相电压U_fA、U_fB、U_fC，将其分别送入k值计算模块，k值即故障后电压与故障前稳态电压的比值，得到三个比值k₁、k₂、k₃；

3)将步骤2)得到的k₁、k₂、k₃一起送入取小模块，选取最小的幅值降落比k作为单相接地故障的电压降落比值；

4)将步骤3)得到的k分别送入值计算模块和k_l值计算模块，即计算故障后单相电压幅值变化k相对应的换相线电压的相角变化和幅值变化k；

5)将步骤4)得到的和k_l一起送入输出整定值计算模块，最后得到动态变化的关断角的计算整定值γ_ref。具体数值设计如下：

换流线电压为额定值U_N且关断角为γ_min时，可得到最小关断面积的计算公式：(γ_min是晶闸管元件恢复正向阻断能力所必需的时间，考虑到串联元件的误差，γ_min通常约为10°。)

若晶闸管在关断过程中交流侧发生单相接地故障，则其故障后的关断面积

G_f的计算公式可修正为：

式中，U_l’是故障后的换相线电压幅值，是故障后的换相线电压相角超前

变化值。

定最小关断面积的判据公式为：

G_f＝G_min

由此可以计算出当换相电压变化时关断角的计算整定值为：

图4为本发明一实施例晶闸管的换相电压--时间图，根据图4可以计算得到晶闸管在关断过程中的关断面积G的计算公式为：

式中，U_l是晶闸管所需的换相线电压幅值，γ是晶闸管的关断角。

换流线电压为额定值U_N且关断角为γ_min时，可得到最小关断面积的计算公式：(γ_min是晶闸管元件恢复正向阻断能力所必需的时间，考虑到串联元件的误差，γ_min通常约为10°。)

相较于定关断角控制方式，从与关断角换相过程关系密切的换相电压--时间曲线角度来看，最小关断面积判别方法中的G_min在γ_min的基础上考虑了交流电压的影响。且根据PN结原理也可知，当晶闸管受到的反向电压偏大、反向交流电压的作用时间更长时，其内部载流子的去离子恢复时间也会更短，需要的关断时间缩短；当晶闸管受到的反向电压偏小且作用时间也减短时，去离子恢复时间需要的更多，从而导致可能会发生换相失败。因此最小关断面积判别方法能够在换相电压波动时更精准地判断是否发生换相失败。

图5为本发明一实施例单相故障电压相量图(以A相为例)，发生单向接地故障时故障位置处的三相电压分别为：

上三式中，U_A、U_B、U_C为故障前相电压，即正序等值电动势，U_fA、U_fB、U_fC为故障后相电压，X_1Σ、X_2Σ、X_0Σ分别为系统正、负、零序序网等值阻抗。

当过渡电阻R_g从0到∞变化时，接地相A相的相电压也会随着R_g的不同而不同，具体幅值和相角变化(以U_A为基准相量)如下：

结合两式可以得到：

对上式进行数学推导，当A相经过渡电阻R_g发生单相接地故障时，随着R_g从0到∞变化，U_fA的变化轨迹是一个起点为O点，终点为U_A，相角滞后0°到90°的一个半圆，如图5所示。

根据图5可以计算出故障后受影响最大的换相线电压U_f与A相电压幅值下降系数k之间的关系。假设故障后A相电压幅值变化：

则相对应的受影响最大的换相线电压U_f的幅值和相角变化分别为：

图6为本发明一实施例晶闸管单相故障后的换相电压--时间图，根据图6所示的故障后波形图，对关断面积G的计算公式进行修正可得：

式中，U_l’是故障后的换相线电压幅值，是故障后的换相线电压相角超前变化值。

化简得到故障后的关断面积可修正为：

图7为本发明一实施例附加的直流电流控制模型图，所述的附加直流电流控制附加于所述定关断角控制和所述定直流电流控制之间，所述附加直流电流控制包括Δi_d计算模块；其特征在于，该方法包括以下方面：

1)由换相期间的等效积分可得直流电流为：

式中，U_l是晶闸管所需的换相线电压幅值，γ是晶闸管的关断角，β是晶闸管的触发越前角，L_c是换相等效电感值。

2)由于触发信号具有一定的滞后性，所以可以看作在发生故障的那一时刻，只有交流侧线电压U_l的下降以及关断角γ的迅速减小，β来不及变化，因此在平衡点线性化可得：

式中各变量均取标幺值，k_l、γ、Δγ代表发生接地故障后的交流侧换相线电压、取上一周期最小值作为关断角的实测值以及关断角的变化值，k_l的值由上文中第2点计算模型中得到，最终得到Δi_d后将其直接输入原有的定电流控制环节。可以看出，当系统正常运行时，Δγ为零，附加直流电流控制器的输出也为零，因此该控制器的加入并不会影响原有的控制环节。

Claims (3)

1.一种抑制连续换相失败的协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对逆变站直流侧直流电压U_d-INV、直流电流I_d-INV、交流侧三相单相电压U_a、U_b、U_c分别进行采样，经测量环节转换；其中，G是测量环节的比例系数，其取值为G＝0.002；T为时间常数，其取值为T＝0.02s；s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；对逆变站所有换流阀的关断角进行采样，取上一个周期的关断角最小值作为逆变站阀关断角的实测值γ_实测；

2)将测量的直流电流I_d-INV×0.01与直流电压U_d-INV相加，和值送入VDCOL低压限流控制；将低压限流后的电流值和电流整定值的标幺值1.0进行取小选择，得到选择后的电流值ΔI_d-REC；

3)若交流侧发生接地故障，则采样模块采集到的是故障后的三相单相电压U_fa、U_fb、U_fc，将U_fa、U_fb、U_fc分别与对应的三相单相电压稳态值U_A、U_B、U_C进行比较，得到三个比值k₁、k₂、k₃；将k₁、k₂、k₃一起送入取小模块，选取三者中最小的值k；计算故障后单相电压幅值变化k所对应的换相线电压的相角变化和幅值变化k_l： 0≤k≤1；计算关断角的计算整定值γ_ref：将γ_ref送入Delay延时模块，将γ_ref延时0.5s即当故障发生后才开始作用于整个控制系统，再将γ_ref与原整定值0.2618作取大选择，限幅处理后得到关断角整定值γ；

4)将实测值γ_实测和测量的三相单相电压U_a、U_b、U_c一起送入附加直流控制器，得到电流补偿值Δi_d；

5)将ΔI_d-REC和Δi_d相加，和值与I_d-INV相减得到差值I_d，将差值I_d与稳态标幺值0.1相减得到ΔI_d，再将ΔI_d送入第一PI控制器，其中，第一PI控制器的传递函数G_U(s)表达式为：G_U(s)＝k_Up+k_Ui/s，k_Up是第一PI控制器的比例系数，其取值为k_Up＝0.63；k_Ui是第一PI控制器的积分系数，其取值为k_Ui＝41.34；s＝jω，j是虚部单位符号，ω为电网角频率；第一PI控制器输出的限定范围为[0.52，1.92]；最后得到定直流控制下的触发越前角β_INV-1；

6)对步骤5)中得到的差值I_d通过电流偏差控制环节CEC，然后与关断角的输出整定值γ相加，和值再与实测值γ_实测相减，得到的差值与-0.544作取大选择，然后送入第二PI控制器，其中，第二PI控制器的传递函数G_I(s)表达式为：G_I(s)＝k_Ip+k_Ii/s，k_Ip是第二PI控制器的比例系数，其取值为k_Ip＝0.7506；k_Ii是第二PI控制器的积分系数，其取值为k_Ii＝13.80；PI控制器输出的限定范围为[0.52，1.57]；得到定关断角控制下的触发越前角β_INV-2；

7)将β_INV-1和β_INV-2作取大选择，得到最终控制所需的触发越前角β_-INV，再与π相减，得到触发延迟角α_INV，作为逆变侧的α角指令值。

2.根据权利要求1所述的抑制连续换相失败的协调控制方法，其特征在于，步骤3)中，关断角的计算整定值γ_ref的计算过程包括以下步骤：

1)采集逆变站交流侧的三相单相电压U_a、U_b、U_c；

2)若交流侧发生接地故障，则步骤1)采集到的是故障后的三相单相电压U_fa、U_fb、U_fc，将U_fa、U_fb、U_fc分别与对应的稳态值U_A、U_B、U_C进行比较，得到三个比值k₁、k₂、k₃；

3)将k₁、k₂、k₃一起送入取小模块，选取三者中最小的幅值降落比k作为计算所需要的单相接地故障的电压降落比值；

4)计算故障后单相电压幅值变化k所对应的换相线电压的相角变化和幅值变化k_l： 0≤k≤1；

5)利用下式计算关断角的计算整定值γ_ref：其中γ_min为10°。

3.根据权利要求1所述的抑制连续换相失败的协调控制方法，其特征在于，电流补偿值Δi_d的计算公式为：其中，γ_实测是取上一个周期的关断角最小值作为逆变站阀关断角的实测值，Δγ的计算公式为：Δγ＝γ-γ_实测，γ为关断角的输出整定值，k_l为故障后单相电压幅值变化k相对应的幅值变化，L_c是换相等效电感值，w是系统角频率。