CN110460087B - 一种改进型定关断角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型定关断角控制方法，基于直流电流预测功能和临界关断电压时间面积两个方面，对现有定关断角控制方式进行改进。通过在触发角α时刻延时△T检测直流电流I_d的值以求得直流电流变化率，假定I_d以恒定速率变化，并将换相开始时刻对应的直流电流变化率作为整个换相期间内的电流变化率，即dI_d/dt；同时考虑到暂态过程中换相电压变化对关断角的影响，由暂态运行时关断电压时间面积应满足临界关断面积的条件，推导出调整后定关断角控制参考值γ_ref的表达式，从而结合直流电流预测计算得出所需提前触发角α的值。

Description

一种改进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，更具体的说，涉及一种改进型定关断角控制方法。

背景技术

我国能源高储备和电能重负荷地区呈现分布极不均匀的态势，利用具有远距离和大容量功率输送能力的高压直流输电系统进行大规模跨区域电力输送以有效改善这一问题。高压直流输电系统主要由送受端换流站和直流输电线路组成，换流器是换流站中最为重要的设备，主要负责交直流转换的工作。在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。

换相失败是采用电网换相型换流器的高压直流系统中最为常见的故障，主要发生在受端换流器，其原因在于交流电压幅值降低和电压畸变。换相失败会导致逆变过程无法完成，并对一次设备的运行和整个电网的稳定性产生严重影响，倘若换相失败发生后调控失效，将引发继发性换相失败的出现，危及电网稳定运行，并最终致使直流系统闭锁、功率传输中止。因此，针对避免换相失败的对策措施的研究成为了直流输电领域的主要研究方向之一。传统的定关断角控制基于在不同运行方式下整定值均不变，没有考虑暂态运行时直流电流、换相电压等电气参数大幅度变化对换相过程的影响，从而不能有效抑制换相失败。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种有效抑制换相失败的改进型定关断角控制方法，提高了抵御换相失败的能力，解决了现有技术中没有考虑暂态运行时直流电流、换相电压等电气参数大幅度变化对换相过程的影响而不能有效抑制换相失败的技术问题。

本发明提供了一种改进型定关断角控制方法，应用于高压直流系统，包括：计算换流器的提前触发角，以实现关断角控制的参考值的自适应调节；

利用以下步骤实现对所述换流器的提前触发角的计算，包括：

1)采用下式计算换相过程中的电流变化量ΔI_d

式中α为提前触发角，Δt为换相开始后经过的极短时间，T为换相过程对应的时间长度，I_d(α+Δt)为换相开始后经过Δt的电流值，I_d(α)为换相开始时的电流值。

2)采用下式计算定关断角控制的参考值γ_ref

式中γ_N为正常运行时关断角的参考值，U为换相电压的有效值，U_N为正常运行时换相电压的有效值。

3)采用下式计算换流器的提前触发角α

式中I_d为直流电流，ΔI_d为步骤1)得到的换相过程中的电流变化量，γ_ref为步骤2)得到的定关断角控制的参考值，U为换相电压的有效值，X_c为换相电抗值，所述L为0或第一式子。

可选的，在步骤2)计算完成后加入限幅环节，以保证关断角处于合理的范围。

可选的，所述第一式子为K(I_d-I_o)，其中，所述K为增益，所述I_d为直流电流，I_o为电流整定值。

可选的，所述第一式子计算完成后加入限幅环节。

可选的，所述K取值0.1-0.3。

可选的，所述步骤1)中，所述换相开始后经过的极短时间Δt取值为0.001-0.003s，换相过程对应的时间长度T取值为1.8-2.1ms。

与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：

(1)本发明的改进型定关断角控制方法综合考虑暂态过程中直流电流变化、换相电压变化和其过零点移相等影响因素，实现关断角控制的参考值γ_ref的自适应调节，最后计算出所需提前触发角α，使得换流阀在故障情况下能够有足够的换相裕度，有效抑制了换相失败。

(2)本发明能够保证在暂态运行时根据系统实际的运行情况进行自我调节，综合考虑直流电流变化、换相电压变化等影响因素，实现对关断角参考值γ_ref的自适应调节，使得换流阀在故障情况下能够有足够的换相裕度，降低换相失败的发生概率，提高交流母线电压的稳定性。

附图说明

图1为本发明采用六脉冲触发方式的换流器接线图；

图2为本发明换流阀V₁向V₃换相时的等值电路图；

图3本发明改进型定关断角控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种改进型定关断角控制方法，应用于高压直流系统，包括：计算换流器的提前触发角，以实现关断角控制的参考值的自适应调节；

利用以下步骤实现对所述换流器的提前触发角的计算，包括：

1)采用下式计算换相过程中的电流变化量ΔI_d

式中α为提前触发角，Δt为换相开始后经过的极短时间，T为换相过程对应的时间长度，I_d(α+Δt)为换相开始后经过Δt的电流值，I_d(α)为换相开始时的电流值。

可选的，所述步骤1)中，所述换相开始后经过的极短时间Δt取值为0.001-0.003s，换相过程对应的时间长度T取值为1.8-2.1ms。

2)采用下式计算定关断角控制的参考值γ_ref

式中γ_N为正常运行时关断角的参考值，U为换相电压的有效值，U_N为正常运行时换相电压的有效值。

可选的，在步骤2)计算完成后加入限幅环节，以保证关断角处于合理的范围。

3)采用下式计算换流器的提前触发角α

式中I_d为直流电流，ΔI_d为步骤1)得到的换相过程中的电流变化量，γ_ref为步骤2)得到的定关断角控制的参考值，U为换相电压的有效值，X_c为换相电抗值，所述L为0或第一式子。

可选的，所述第一式子为K(I_d-I_o)，其中，所述K为增益，所述I_d为直流电流，I_o为电流整定值。可选的，所述第一式子计算完成后加入限幅环节。可选的，所述K取值0.1-0.3。

上述控制方法中式子的推导过程如下：

图1是采用六脉冲触发方式的换流器接线图，V₁～V₆分别是由半控开关器件晶闸管构成的换流阀，i₁～i₆为流过各阀的电流；u_a、u_b、u_c分别为交流三相电压，L_c为交流侧等值换相电感，i_a、i_b、i_c分别是三相电流；U_d是直流系统受端出口电压，L_d是输电线路受端平波电抗器电感，I_d是直流电流。图2是换流阀V₁向V₃换相时的等值电路图。

设

为换相过程中不同时刻对应的电角度，X_c为等效电感L_c的电抗值。由图2所述等值电路图，得到下式：

可简化为：

假定换流阀有理想通断性能，即换相发生前，阀处于完全关断状态，流经电流为零；换相结束后，换流阀完全导通，流通电流为直流电流I_d。当

时，为换相开始时刻的电角度；

时，为换相过程结束时刻对应电角度。α为触发延迟角，μ为换相角。所以，i₃(α)＝0、i₃(α+μ)＝I_d，并在

角度区间内，对式(2)两边同时积分得到下式：

其中，右侧表示对换相期间的换相电压与时间轴所围面积的积分，定义为换相电压时间面积A。进一步理解为：

式中U_ba为换相电压的有效值。暂态运行下的电压跌落致使换相电压A小于某一临界值时，为保证换相过程的顺利进行，换相角μ会朝着过零点时刻的方向增加，导致γ减小，换流阀没有足够的时间完全恢复阻断能力，进而引发换相失败的发生。

关断角γ所对应的面积为关断电压时间面积G，换相电压下降会导致换流阀在彻底关断期间两端的反向电压减少，造成晶闸管恢复速度减慢，所需电角度γ变大。为保证晶闸管能够在过零点之前完全关断，关断电压时间面积也需要大于临界值(取额定运行状态下的关断电压时间面积)。下式为关断电压时间面积G的表达式：

式中

时，为晶闸管恢复阻断能力开始时刻对应角度；当

时，为线电压过零点时刻对应角度。在换相过程中需要合适的换相电压时间面积和关断电压时间面积，为抑制交流故障引起的换相电压下降的影响，采用提前减小触发角α的方式可以降低换相失败概率。

传统的定关断角控制在不同运行方式下整定值均不变，没有考虑暂态运行时直流电流、换相电压等电气参数大幅度变化对换相过程的影响。本发明基于预测功能和关断电压时间面积两个方面的改进型定关断角控制策略能够有效检测换相失败趋势以提前增大换相裕度，并在暂态运行时根据系统实际的实时运行情况进行自我调节。

α、μ和关断角γ之间存在μ＝π-α-γ的关系。将式(4)带入式(3)中，得到：

变换得到：

式(7)可用于计算交流系统发生故障时受端换流器的触发延迟角α，以实现提前触发抑制换相失败。用定关断角控制的参考值γ_ref替换关断角γ。

由于在测量换相开始对应的直流电流时，无法预测换相结束时刻的电流。而将直流电流视为恒定，必定造成触发角指令的误差，增加换相失败的风险。考虑到直流电流在较短换相时间内的变化幅度，可通过测量换相开始后经过极短时间Δt的电流值I_d(α+Δt)以求得电流变化率dI_d/dt，从而得到换相全过程的电流变化量：

式中T为换相过程对应的时间长度，正常运行时受端换流器换相角在20°～30°区间内，在系统工频为50Hz时，换相角对应时间长度为1.11～1.67ms。考虑一定的安全裕度和暂态运行时换相电压的下降，T取值为1.8-2.1ms，优选的，T的取值为2ms。Δt取值为0.001-0.003s，优选的，在保证高准确率的同时取最小值，为0.001s。

将式(4)带入式(3)中，并用I_d表示换相开始时刻的电流I_d(α)，得到：

考虑到关断电压时间面积的临界值，可以适时调节关断角整定值的大小以达到最佳运行状态。当交流故障引起换相电压降低时，提高关断角以抵御换相失败；当其他因素导致换相电压升高时，在保留安全裕度的同时，适当降低关断角以减小无功功率的损耗。

额定运行状态下的临界关断电压时间面积为：

γ_N是正常运行时关断角γ的参考值，即临界关断电压时间面积所需的关断角。由暂态运行时关断电压时间面积应满足临界关断电压时间面积，可得：

由上式可推导出调整后的定关断角控制的参考值γ_ref的表达式：

将式(12)带入式(9)中，得到提前触发角α的表达式：

上式化简可得：

上式为改进型定关断角控制方法的基本计算公式。改进型定关断角控制策略综合考虑暂态过程中直流电流变化、换相电压变化和其过零点移相等影响因素，实现关断角参考值γ_ref的自适应调节，最后计算出所需提前触发角α，使得换流阀在故障情况下能够有足够的换相裕度，有效抑制换相失败。

此外，若原控制系统为定电流控制时，本发明的改进型定关断角控制方法可以和原控制系统的控制方法结合，即：

其中，I_o为电流整定值。

图3示意了本发明改进型定关断角控制方法原理框图。根据式(15)绘制的改进型定关断角控制策略原理图。其中，I_d为实时测量的直流电流值，通过延迟模块形成时间差，得到换相开始时直流电流和经过Δt后的电流值，通过两者差值以求得暂态时电流变化率。U为通过检测模块测得的实时交流系统线电压幅值，计算出调整后的定关断角控制的参考值γ_ref，通过暂态时线电压的瞬时变化和额定运行时的固定临界值实现关断角参考值的自适应调节，为保证γ处于合适范围内，加入限幅环节。直流电流I_d与电流整定值I_o的差值实现电流偏差控制，该值可直接取自定电流控制方式，增益K取值0.1-0.3，优选的为0.15，并增加0～0.15的限幅环节。

改进型定关断角控制方法将完全替代原定关断角控制方式，并与原控制系统的定电流控制和低压限流环节(VDCOL)配合构成新的受端控制系统。定电流控制在直流电路激增时，通过调节触发角以维持电流处于整定值。当系统电压快速跌落至某一程度时，受端低压限流环节启动，限制电流整定值以恢复电压。改进型控制策略输出的提前触发角α与定电流控制经PI调节器得到的触发角相比取小，并将最终值作为受端换流器的触发角指令。正常运行时，受端控制系统将以改进型定关断角为主，送端控制系统则以定电流控制为主。

本发明中改进型定关断角控制策略综合考虑暂态过程中直流电流变化、换相电压变化和其过零点移相等影响因素，实现关断角参考值γ_ref的自适应调节，最后计算出所需提前触发角α，使得换流阀在故障情况下能够有足够的换相裕度，有效抑制换相失败。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改进型定关断角控制方法，应用于高压直流系统，其特征在于，包括：

计算换流器的提前触发角，以实现关断角控制的参考值的自适应调节；

利用以下步骤实现对所述换流器的提前触发角进行计算，包括：

1)采用下式计算换相过程中的电流变化量ΔI_d

式中α为提前触发角，Δt为换相开始后经过的极短时间，T为换相过程对应的时间长度，I_d(α+Δt)为换相开始后经过Δt的电流值，I_d(α)为换相开始时的电流值；

2)采用下式计算定关断角控制的参考值γ_ref

式中γ_N为正常运行时关断角的参考值，U为换相电压的有效值，U_N为正常运行时换相电压的有效值；

3)采用下式计算换流器的提前触发角α

式中I_d为直流电流，ΔI_d为步骤1)得到的换相过程中的电流变化量，γ_ref为步骤2)得到的定关断角控制的参考值，U为换相电压的有效值，X_c为换相电抗值，所述L为0或第一式子，所述第一式子为K(I_d-I_o)，其中，所述K为增益，所述I_d为直流电流，I_o为电流整定值。

2.根据权利要求1所述的改进型定关断角控制方法，其特征在于：在步骤2)计算完成后加入限幅环节，以保证关断角处于合理的范围。

3.根据权利要求1所述的改进型定关断角控制方法，其特征在于：所述第一式子计算完成后加入限幅环节。

4.根据权利要求1所述的改进型定关断角控制方法，其特征在于：所述K取值0.1-0.3。

5.根据权利要求1所述的改进型定关断角控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述换相开始后经过的极短时间Δt取值为0.001-0.003s，换相过程对应的时间长度T取值为1.8-2.1ms。

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