CN110165694B - 基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，属于热光和电光技术领域，该方法利用过换相电压‑时间面积分析法，推导出各次谐波控制回路的控制参数，并将其加入到原有控制系统的低压限流控制中；当高压直流系统发生换相失败后，通过对换流母线电压进行检测并经过傅里叶分解后，由新增的谐波控制系统来对各次谐波分量进行抑制，以此来达到抑制后续换相失败的目的。本发明没有增加一次设备，仅对控制系统进行了改进，系统改造工作量即成本低；当检测到系统谐波电压后，所提控制方法通过减少谐波分量的影响，来改进低压限流控制(VDCOL)性能，达到抑制连续换相失败的效果，降低直流闭锁风险，提高系统运行的安全稳定性。

Description

基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法

技术领域

本发明属于热光和电光技术领域，具体涉及基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法。

背景技术

高压直流输电(High Voltage Direct Current transmission，HVDC)已成为世界上电力大国解决大容量、远距离输电和电网异步互联的重要手段。

换相失败作为HVDC最为常见的故障之一，其存在对电网的安全稳定运行造成了极大的威胁。当系统发生换相失败后，会引起直流电压下降和直流电流迅速上升，且对换流阀产生冲击，并可能引发后续换相失败，严重时造成直流闭锁和设备损坏等后果。交流系统故障后，直流输电的首次换相失败一般无法避免，但可通过合适的控制措施避免直流输电发生后续的连续换相失败，保障系统的安全稳定运行。

国内外关于抑制连续换相失败的研究已经取得了一些成果：一种抑制传统直流输电连续换相失败的虚拟电阻电流限制控制方法，在低压限流器中增添虚拟电阻控制方法，使系统在故障期间直流电流指令提前减小，从而减少发生连续换相失败的可能性；基于虚拟换相面积缺乏量的HVDC系统连续换相失败抑制策略，以换相电压-时间面积的需求量与提供能力之差作为故障衡量标准，继而提出虚拟换相面积缺乏指标，并将该指标增添到系统原有的直流电流控制环节；抑制多馈入直流输电系统后续换相失败措施研究，提出一种渐变恢复策略控制方法，该方法通过延缓单条直流功率恢复速率来降低系统故障时对交流系统的无功需求，并利用延时环节消除暂态不良交互影响，达到抑制连续换相失败的目的。

上述研究均对抑制连续换相失败取得了一定成果，但发生换相失败后产生的谐波也是导致连续换相失败产生的原因，上述研究内容并未对此进行分析。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，作用于直流输电控制系统低压限流控制环节，达到降低直流输电发生后续换相失败的效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，包括以下步骤：

1)检测稳态情况下直流输电逆变侧交流母线线电压有效值E₁、逆变侧的延迟触发角α、换相重叠角μ、系统角频率ω，通过实时检测得到直流输电逆变侧交流母线上的n次谐波电压幅值E_n，并根据晶闸管物理特性得到其临界熄弧角γ_min；

2)当系统处于稳态运行时，计算换流阀换相电压-时间面积A′_CR；

3)当系统检测到谐波后，此时换相电压-时间面积A_CR；

4)在保障成功换相的临界情况下，为量化评估不同次数谐波对换相过程的影响，设n次谐波的换相电压-时间面积为A_CRn；

5)由步骤4)求得n次谐波影响系数k_n，并将其代入谐波控制参数的计算公式得到n次谐波控制回路的控制参数k_Pn；

6)将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn与其相对应的n次谐波电压E_n相结合，以此来得出谐波补偿控制分量总和U_sup，并加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc；将控制系统里低压限流器原有的直流电压输入值U_dc由该步骤得出得直流电压等值控制量U’_dc代替，用以减少系统中谐波的影响来达到抑制后续换相失败的效果。

进一步地，步骤2)中，所述的换流阀换相电压-时间面积A′_CR为：

式中：t₀为换相开始时间，t₀＝α/ω；t₁为晶闸管换相结束时刻，t₁＝(μ+α)/ω。

进一步地，步骤3)中，所述的换流阀换相电压-时间面积A_CR为：

式中：

为n次谐波相角。

进一步地，步骤4)中，为保障所述的成功换相，晶闸管换相结束时刻t₁需满足：

ωt₁＝α+μ≤180-γ_min。

进一步地，步骤4)-步骤5)中，所述的换相电压-时间面积为A_CRn：

其中，令

则可由上式得出n次谐波影响系数k_n；将其代入谐波控制参数的计算公式得到k_Pn：

进一步地，步骤6)中，将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc：

式中：U_sup为各次谐波分量影响的总和；U_dc为直流电压。

在直流输电控制系统低压限流器(VDCOL)输入信号中，加入本发明提出的谐波补偿控制分量U_sup，用以减少系统中谐波的影响来达到抑制后续换相失败的效果。当电力系统处于正常工况时，换流母线中含有的谐波电压分量较小(E_n≈0)，U_sup值接近于0，本发明的控制方法不会影响系统的正常运行；当系统发生故障导致各次换流母线谐波电压分量急剧变化，本发明可以通过减少谐波分量的影响来避免后续换相失败的发生。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，没有增加一次设备，仅对控制系统进行了改进，系统改造工作量即成本低；实时检测换流母线各次谐波电压，当系统处于正常运行过程时，谐波电压较基波电压几乎为零，所提谐波补偿机制不会对系统正常运行产生影响；当检测到系统谐波电压后，所提控制方法通过减少谐波分量的影响，来改进低压限流控制(VDCOL)性能，达到抑制连续换相失败的效果，降低直流闭锁风险，提高系统运行的安全稳定性。

附图说明

图1为CIGRE HVDC标准测试系统结构图；

图2为低压限流控制特性曲线；

图3为谐波检测控制方法结构图；

图4为不同控制方式在三相故障时系统的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，包括以下步骤：

1)检测稳态情况下直流输电逆变侧交流母线线电压有效值E₁、逆变侧的延迟触发角α、换相重叠角μ、系统角频率ω，通过实时检测得到直流输电逆变侧交流母线上的n次谐波电压幅值E_n，并根据晶闸管物理特性得到其临界熄弧角γ_min；

2)当系统处于稳态运行时，计算换流阀换相电压-时间面积A′_CR；

3)当系统检测到谐波后，此时换相电压-时间面积A_CR；

4)在保障成功换相的临界情况下，为量化评估不同次数谐波对换相过程的影响，设n次谐波的换相电压-时间面积为A_CRn；

5)由步骤4)求得n次谐波影响系数k_n，并将其代入谐波控制参数的计算公式得到n次谐波控制回路的控制参数k_Pn；

6)将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn与其相对应的n次谐波电压E_n相结合，以此来得出谐波补偿控制分量总和U_sup，并加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc；将控制系统里低压限流器原有的直流电压输入值U_dc由该步骤得出得直流电压等值控制量U’_dc代替，用以减少系统中谐波的影响来达到抑制后续换相失败的效果。

步骤2)中，换流阀换相电压-时间面积A′_CR为：

式中：t₀为换相开始时间，t₀＝α/ω；t₁为晶闸管换相结束时刻，t₁＝(μ+α)/ω。

步骤3)中，换流阀换相电压-时间面积A_CR为：

式中：

为n次谐波相角。

步骤4)中，为保障成功换相，晶闸管换相结束时刻t₁需满足：

ωt₁＝α+μ≤180-γ_min。

步骤4)-步骤5)中，换相电压-时间面积为A_CRn：

其中，令

则可由上式得出n次谐波影响系数k_n；将其代入谐波控制参数的计算公式得到k_Pn：

步骤6)中，将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc：

式中：U_sup为各次谐波分量影响的总和；U_dc为直流电压。

实施例

本发明拟采用CIGRE HVDC标准测试系统进行算例验证，其系统结构图如图1所示。

检测CIGRE HVDC标准测试系统中稳态情况下逆变侧交流母线线电压有效值E₁、触发角α，通过实时检测得到直流输电逆变侧交流母线上的n次谐波电压幅值E_n，并根据晶闸管物理特性得到其临界熄弧角γ_min，其值为：E₁＝130kV、γ_min＝7°和α＝141°。

当系统处于稳态运行时，此时换流阀换相电压-时间面积A′_CR为：

式中：t₀为换相开始时间，t₀＝α/ω；t₁为换相结束时间，t₁＝(μ+α)/ω。

当系统检测到谐波后，此时换相电压-时间面积为：

式中：

为n次谐波相角。

已有研究表明，换相失败的本质是晶闸管熄弧角γ小于临界熄弧角γ_min。临界熄弧角γ_min由晶闸管的物理特性决定，其含义为换流阀完成载流子复合及恢复阻断能力的时间所对应的电角度。当逆变侧熄弧角γ小于临界熄弧角γ_min时，直流输电系统即发生换相失败。

因此为保障成功换相，晶闸管换相结束时刻t₁需满足：

ωt₁＝α+μ≤180-γ_min；

为量化评估不同次数谐波对换相过程的影响，则设n次谐波的换相电压-时间面积为A_CRn，即：

令

则可由上式得出各次谐波的谐波影响系数k_n。

低压限流控制(VDCOL)为直流输电系统中常用的控制策略，其静态特性如图2所示，对应的直流电压U_dc、直流电流指令I_ord关系如下式：

低压限流控制的作用是在系统电压降低到某一固定值后减少直流电流指令，能够在一定程度上减少逆变站在故障期间的无功需求，同时维持换流母线电压的稳定，减小换相失败发生的可能性。

但传统的低压限流控制在直流电压降低的情况下仅限制直流电流，而不考虑谐波对直流换相的影响。上述分析表明，谐波电压对换相过程的影响可能会造成换相电压-时间面积的减少，进而当换相电压-时间面积小于临界值后，系统即存在发生换相失败的风险。因此，本发明设计了一种基于谐波检测的抑制连续换相失败控制方法，具体控制方法如图3所示。

在图3所示的控制系统中引入谐波补偿控制分量U_sup，定义包含谐波信息的直流电压等值控制量U′_dc，该控制量U′_dc可由下式获取：

式中：U_sup为各次谐波分量影响的总和；k_Pn为n次谐波控制回路的控制参数；U_dc为直流电压。

由上式可得，在CIGRE HVDC标准测试系统中，n次谐波控制回路的控制参数k_Pn如表1所示。

表1 CIGRE HVDC标准测试系统中谐波控制回路的比例放大倍数

谐波次数	2	3	4	5	6
						k<sub>pn</sub>/％	1.35	1.65	1.60	1.17	0.79

在CIGRE HVDC标准测试系统中就本发明对直流输电连续换相失败的抑制效果进行了仿真分析，设t＝1.5s时，系统发生三相经电感接地故障，故障持续时间为0.5s。在该故障条件下，系统直流电流曲线、熄弧角曲线和交流电压曲线结果如图4所示，其中，图4(a)为在原有控制系统下，系统响应曲线；图4(b)为加入谐波控制后系统响应曲线。

在图4(a)中，当直流系统发生电感性接地故障后，直流电流值迅速上升，最大可至基准值的2.5倍，熄弧角迅速降为0°，发生首次换相失败，且在后续的恢复过程中，熄弧角再次降为0°，再一次发生了换相失败；而在图4(b)中，当采用本发明的控制方法后，系统通过谐波控制回路，减小了各次谐波对于后续换相过程的影响，连续换相失败得到有效抑制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)检测稳态情况下直流输电逆变侧交流母线线电压有效值E₁、逆变侧的延迟触发角α、换相重叠角μ、系统角频率ω，通过实时检测得到直流输电逆变侧交流母线上的n次谐波电压幅值E_n，并根据晶闸管物理特性得到其临界熄弧角γ_min；

2)当系统处于稳态运行时，计算换流阀换相电压-时间面积A′_CR：

式中：t₀为换相开始时间，t₀＝α/ω；t₁为晶闸管换相结束时刻，t₁＝(μ+α)/ω；

3)当系统检测到谐波后，计算此时换相电压-时间面积A_CR：

式中：

为n次谐波相角；

4)在保障成功换相的临界情况下，为量化评估不同次数谐波对换相过程的影响，设n次谐波的换相电压-时间面积为A_CRn；

5)由步骤4)求得n次谐波影响系数k_n，并将其代入谐波控制参数的计算公式得到n次谐波控制回路的控制参数k_Pn；

所述的换相电压-时间面积为A_CRn：

其中，令

则由上式得出n次谐波影响系数k_n；将其代入谐波控制参数的计算公式得到k_Pn：

6)将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn与其相对应的n次谐波电压E_n相结合，以此来得出谐波补偿控制分量总和U_sup，并加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc；将控制系统里低压限流器原有的直流电压输入值U_dc由该步骤得出的直流电压等值控制量U’_dc代替，用以减少系统中谐波的影响来达到抑制后续换相失败。

2.根据权利要求1所述的基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，其特征在于：步骤4)中，为保障成功换相，晶闸管换相结束时刻t₁需满足：

ωt₁＝α+μ≤180-γ_min。

3.根据权利要求1所述的基于谐波检测的抑制高压直流输电连续换相失败控制方法，其特征在于：步骤6)中，将n次谐波控制回路的控制参数k_Pn加入低压限流控制中，形成新的直流电压等值控制量U’_dc：

式中：U_sup为各次谐波分量影响的总和；U_dc为直流电压。

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