CN110690695A - 一种抑制换流器直流谐振的电路 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种抑制换流器直流谐振的电路，通过引入控制器替代现有的一次设备例如阻波器等，使得直流回路阻抗可通过对控制器参数的调整进行优化配置。当直流回路出现不同频次的谐振电流时，只需要调整控制器的参数即可模拟出不同阻抗值，通过控制器实现对直流回路谐波阻抗的灵活宽范围的调整，无需对硬件设备进行拆装和调整，解决了现有的换流器通过加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题，减少了设备种类，提升系统的紧凑性，节省了设备的投资、占地和运维等成本问题，提高了系统的可靠性与系统效率。

Description

一种抑制换流器直流谐振的电路

技术领域

本申请涉及电力设备控制领域，具体涉及一种抑制换流器直流谐振的电路。

背景技术

随着电力技术的进步，换流器在高压直流输电、直流融冰等诸多需要直流电能的领域都有广泛的应用。

然而，在现有技术中，换流器通过开关的交替开通，会在直流侧产生直流电，同时也会在直流侧产生谐波。直流谐波会产生许多危害，如：对直流系统产生危害，谐波会流过直流侧线路和负载等设备，会造成附加发热，增加了设备的设计要求、成本和运行费用；再如：对交流系统产生危害，直流谐波会通过换流器转移到交流系统，使交流系统的谐波增加。

另外，为了解决在直流线路为较长的架空线路或电缆时，直流线路体现为分布参数特性，此时线路参数对直流回路的阻抗影响较大，可能会使直流回路某些频率点阻抗较低，存在引发直流回路谐振的风险。现有技术为了解决以上问题时，为减小直流谐波，需增加直流回路敏感频率点的阻抗，目前普遍采用加装直流平波电抗器、直流滤波器或增加阻波器等，这些方法都是对主回路进行的改进，当谐振频率变化时需要重新进行滤波设计，且当系统的谐振频率点较多时需要配备较多的滤波和阻波设备，增加设备的投资、占地和运维等成本问题，并存在谐振抑制调整不灵活的技术问题。

发明内容

基于此，本发明提供一种抑制换流器直流谐振的电路，通过在换流器与直流回路之间增加控制器的方法来抑制含交流阻抗和直流线路分布参数的换流器直流回路谐振，用于解决现有技术中采用加装直流平波电抗器、直流滤波器或增加阻波器等方式抑制直流侧的谐振，导致设备的投资、占地和运维等成本问题，与谐振抑制调整不灵活的技术问题。

有鉴于此，本发明提供一种抑制换流器直流谐振的电路，包括：

在换流器与直流回路之间接有控制器，把所述直流回路的实时直流电信号作为所述控制器的输入，根据所述实时直流电信号的变化量调整所述控制器的参数，输出所述换流器的触发角，控制所述换流器的开通时间使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内。

优选地，所述控制器包括比例环节、积分环节和微分环节中的至少一项。

优选地，所述控制器为单独设计电路。

优选地，所述控制器与换流器无直接电气连接。

优选地，实时直流电信号包括直流输出电压、直流输出电流、换流器触发角、熄弧角、直流功率中的一项或多项。

优选地，换流器具体包括六脉动换流器。

优选地，根据所述实时直流电信号的变化量调整所述控制器的参数，输出所述换流器的触发角，控制所述换流器的开通时间使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内包括：

在所述控制器中建立直流阻抗模型，根据直流侧实时电流值与参考电流值的差值调整所述控制器中比例环节和积分环节的参数，计算所述触发角，并利用在所述控制器中建立的直流阻抗模型计算全回路阻抗值，控制谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内。

优选地，直流阻抗模型采用小信号分析法获得。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种抑制换流器直流谐振的电路，包括：在换流器与直流回路之间引入控制器，把换流器产生的实时直流电信号输入控制器中，根据所述实际直流电信号的变化量调整控制器的参数，经过控制器的输出调整换流器的直流电信号，使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内，当换流器直流回路出现了不同频次的谐振电流时，只需要调整直流阻抗模型的参数，即可模拟出不同阻抗值，通过控制器实现对直流回路谐波阻抗的灵活宽范围的调整，无需对硬件设备进行拆装和调整，解决了现有的换流器通过加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题，减少了设备种类，提升了系统的紧凑型，节省了设备的投资、占地和运维等成本问题，提高了系统的可靠性与系统效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一个实施例的方法实施流程示意图；

图2为六脉动定电流PI控制回路示意图；

图3为换流器的直流回路谐波阻抗传递函数框图；

图4为六脉动换流器直流回路的谐波阻抗频谱图；

图5为控制器参数K_p取不同值时六脉动换流器直流回路的谐波阻抗频谱图；

图6为控制器参数K_i取不同值时六脉动换流器直流回路的谐波阻抗频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种抑制换流器直流谐振的电路，在换流器中引入控制器阻尼，把换流器产生的实时直流电信号输入控制器中，根据所述实际直流电信号的变化量调整控制器的参数，经过控制器的输出调整换流器的直流电信号，使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内。

需要说明的是，获取实际直流电信号后，通过反馈控制方式调节直流阻抗模型的比例控制系数和/或积分控制系数和/或微分控制系数，模拟出不同阻抗，从而调整换流器的直流谐波阻抗和谐波电流，直至谐振电流和谐振频率点处于预置的正常范围以内，谐振现象消失为止。

其中，本实施例的直流阻抗模型具体为式1所示，

式中，Z为直流阻抗模型的模拟阻抗值，ΔVs为预设的谐波扰动电压，ΔI_DC为直流电流的小信号变化量，K₂为换流器的直流输出电压与直流输出电流的小信号传递函数，K₁为换流器的直流输出电压和触发角控制值的小信号传递函数，K_P为比例控制系数，K_i为积分控制系数，

为积分算子。

为了更具体地解释本申请的技术方案，下面将在六脉动换流器中以定电流PI控制为例，对实现本申请方法的完整过程进行详细的讲解请，参考图1与图2。

首先，现有的六脉动换流器的主回路一般包括以下组成部分：交流侧三相电压源V_a、V_b、V_c和接地点G以及换流器，交流侧电感L_S，其中，换流器部分包括：S1、S2、S3、S4、S5、S6共6个半导体开关。

交流侧三相交流电压源的相电压幅值和频率分别为V_p和50Hz，三相电压依次相位差120°。

六脉动换流器正常工作时，换流器每隔120°电角度依次顺序开通S1、S2、S3、S4、S5、S6这6个开关，循环往复，将交流侧的三相电压V_a、V_b、V_c依次不断导通到直流侧，在直流侧产生一个电周期具有6个脉动的直流电压，实现交流到直流的转换。

直流侧的电感L₀为直流的平波电感，用于滤除直流的高次谐波，R₀为直流的等效负载。直流电流为I_DC，直流电压为V_dc，其中V_dc跟交流电压和触发角α、直流电流I_DC和交流侧电感Ls等有关，其表达式如式2。

直流线路通常有长距离架空线或电缆线等结构，需采用分布式参数进行计算，工程上常采用π型等效电路进行计算，π型等效电路的个数根据线路长度和计算精度等要求确定，每个π型等效电路包括一个串联的Ln和Rn，两端再各并联一个Cn，线路参数或线路长度不同时，系统模型会有一定区别。本实施例中等效后的六脉动换流器主回路图如图2所示。

本实施例中引入PI控制器，并将PI控制器和直流一次设备联合成一个整体来构成直流回路的统一回路，通过在控制器回路中增加相应频率的阻尼即可调整统一直流回路的阻抗，实现直流谐振抑制。

采集I_dc的值并反馈至PI控制器进行计算，以此调节触发角α，换流器通过调整S1、S2、S3、S4、S5、S6这6个开关的开通时间即触发角α，来改变直流侧的电压V_dc或电流I_DC的大小，使实际电流值I_DC达到希望的电流参考值I_ref，实现对直流输出电压或电流的自动控制。

实现具体过程如图2所示，在PI控制器中，I_DC为实际直流电流值，I_ref为直流侧希望达到的电流参考值，二者相减后的差值为I_er，I_er经比例环节K_p和积分环节

处理后相加，得到六脉动桥的触发角控制值α，α被送到6脉动换流器，换流器根据α来控制S1、S2、S3、S4、S5、S6的开通时间，实现对电压V_dc的调整。直流电压V_dc调整后，直流电流I_DC随之发生改变，改变后的I_DC继续被送回到控制器与I_ref进行比较，直到I_er为0，最终使I_DC达到希望的电流参考值I_ref。

六脉动桥正常运行时，交流电压、直流电流、触发角等参数都保持稳定。本发明采用小信号分析的方法对六脉动桥进行主回路和控制器的统一建模。在直流侧引入一个谐波电压输入ΔV_s作为扰动，电流参考值不变，即ΔI_ref为0，求得此时直流电流的小信号变化量ΔI_DC即可得到六脉动换流器的直流回路谐波阻抗传递函数框图，如图3所示，其中，G(s)和F(s)为相关传递系数。得到六脉动换流器的统一直流回路的阻抗为式3，

式中，Z为直流阻抗模型的模拟阻抗值，ΔVs为预设的谐波扰动电压，ΔI_DC为直流电流的小信号变化量，K₂为换流器的直流输出电压与直流输出电流的小信号传递函数，K₁为换流器的直流输出电压和触发角控制值的小信号传递函数，K_P为比例控制系数，K_i为积分控制系数，

为积分算子。

至此，本实施例引入PI控制器来实现对直流回路谐振的抑制已完成，接着下面的实施例为基于上述引入的控制器阻尼实现对直流回路谐振抑制的过程。

本实施例中交流电压V_p取6300V，频率取50Hz，交流侧电感L_s取2mH，直流侧电感L₀取20mH，直流线路每个π型等效电路的L_n取7.6mH，C_n取6.1μF，R_n取0.755，负载电阻R₀取0.5Ω，直流电流参考值I_ref取2000A，K_p的初始值取0.001，K_i的初始值取2。得到如图4所示的六脉动换流器统一直流回路的阻抗频谱。

由图4中直线、圆圈和星号“*”分别表示直流线路有1个、2个和4个π型等效电路时的阻抗频谱图，可见直流线路π型等效电路个数不同时，各阻抗曲线分别有2个、3个和5个谐振点，谐振频率也各不相同，即直流线路π型等效电路个数不同时直流回路阻抗的谐振个数和频率也都不同。当直流回路产生相应频率的谐波时，会在直流系统产生较大谐波电流，不利于系统安全。

由式2可知，直流阻抗不仅跟直流侧的电感和电阻相关，跟控制器的参数K_p和K_i也密切相关，所以可通过调整K_p和K_i来对直流阻抗进行定向调整，在保证系统稳定的基础上使直流阻抗达到满意的范围。下面以直流线路有3个π型等效电路的情况为例介绍分别调整K_p和K_i时直流阻抗的变化情况。

1)保持其他参数不变，增大K_p，分别得到K_p为0.001、0.01、0.02、0.04和0.05时的阻抗波形如图5中从下至上所示，由图5可见，K_p增大时，直流阻抗的谐振频率点没有变化，但整体的阻抗值都增大了，如K_p为0.05时，4个谐振点的最低阻抗都增大到了200Ω以上，当继续增大K_p时，各频段的直流阻抗将进一步增大，谐振电流会显著减小。

2)保持其他参数不变，改变K_i，得到K_i不同时的阻抗波形如图6所示，从左至右分别对应K_i为1、4.5、20、和30时的阻抗波形。由图6可见，K_i变化时，直流回路谐波阻抗的最低点的频率发生了变化，但各个最低的阻抗值基本没变。K_i减小时谐振频率减小，整体直流阻抗曲线逐渐左移，K_i增大时谐振频率增大，整体直流阻抗曲线逐渐右移。频率偏移敏感性方面，第一个谐振点等低频段的谐振点随K_i变化更大，即更敏感；高频段的谐振点随K_i变化较小。谐振阻抗敏感性方面，第一个谐振点等低频段的谐振点随K_i增大时会有一定增加趋势；高频段的谐振点随K_i增大时会有一定减小趋势。说明通过调整K_i可以调整直流回路的谐振频率点，将谐振频率点调整到系统不敏感的频率范围，避免产生直流谐振。

另外，本实施例主要针对用于六脉动高压换流器直流回路谐波阻抗的优化设计和直流回路谐振抑制。其中六脉动换流器也可为全桥或半桥换流器等其他类型的换流器，开关器件可以是晶闸管或其他类型的可控开关，交流侧电源也可为单相电源等其他电源，电压等级也可为中压或低压等级，反馈控制的目标控制量除了定电流也可以是定电压、定触发角、定熄弧角、定功率等，反馈控制方式除了PI控制也可以是PID、P、PD等控制方式，电流等目标控制量也可引入测量采样等环节接入控制回路，直流负载除了纯电阻负载R也可为电阻电感串并联负载、电阻电容串并联负载等各种形式的负载。本发明所述的一种换流器直流谐振抑制方法可以用于抑制以下情况的换流器直流回路谐振，如：只包含交流阻抗，不包含直流线路分布参数的换流器直流回路谐振；只包含直流线路分布参数，不包含交流阻抗的换流器直流回路谐振；既含交流阻抗也含直流线路分布参数的换流器直流回路谐振。交流阻抗可为电网等效阻抗、变压器阻抗等各阻抗等效值，也可包含部分电阻等。直流线路的等效分布参数型式不局限于本专利所提形式，也包括T型等效等其他型式。上述这些情况都视为本专利的保护范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，

在换流器与直流回路之间接有控制器，把所述直流回路的实时直流电信号作为所述控制器的输入，根据所述实时直流电信号的变化量调整所述控制器的参数，输出所述换流器的触发角，控制所述换流器的开通时间使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内。

2.根据权利要求1所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述控制器包括比例环节、积分环节和微分环节中的至少一项。

3.根据权利要求1所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述控制器单独设计电路。

4.根据权利要求1所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述控制器与所述换流器无直接电气连接。

5.根据权利要求1所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述实时直流电信号包括：

直流输出电压、直流输出电流、换流器触发角、熄弧角、直流功率中的一项或多项。

6.根据权利要求1所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述换流器包括：六脉动换流器。

7.根据权利要求1或2所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述根据所述实时直流电信号的变化量调整所述控制器的参数，输出所述换流器的触发角，控制所述换流器的开通时间使得谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内包括：

在所述控制器中建立直流阻抗模型，根据直流侧实时电流值与参考电流值的差值调整所述控制器中比例环节和积分环节的参数，计算所述触发角，并利用在所述控制器中建立的直流阻抗模型计算全回路阻抗值，控制谐振电流和谐振频率点处于预置正常范围内。

8.根据权利要求7所述的抑制换流器直流谐振的电路，其特征在于，所述直流阻抗模型采用小信号分析法获得。

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