CN112364586A - 直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置和计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置和计算机设备，其方法包括获取直流换流器的状态空间参数；将状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。该直流回路阻抗计算方法，只需要将状态空间参数输入直流回路阻抗模型即可计算出直流回路阻抗，操作简单易行，计算效率高。

Description

直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置和计算机设备

技术领域

本发明涉及换流器设计技术领域，具体涉及一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。

背景技术

直流换流器在诸多需要直流电能的领域都有广泛的应用，基于晶闸管半导体开关的换流器因其通流能力强、容量高而被普遍应用。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。其中，直流谐波会产生许多危害，例如直流谐波会对直流系统产生危害，直流谐波流过直流侧线路和负载等设备，容易造成附加发热，从而增加了设备的设计要求、成本和运行费用；其次直流谐波会对直流侧线路的临近通信系统产生危害，干扰明线电话线路的通信质量；此外，直流谐波会对交流系统产生危害，直流谐波通过换流器转移到交流系统，使交流系统的谐波增加甚至超标。

为抑制直流谐波对系统和设备产生的影响，在换流器系统设计时需要对直流回路阻抗进行计算和设计调整。目前通常采用电磁暂态等仿真软件进行扫描计算得到直流回路阻抗，然后基于阻抗对系统一次设备进行调整，之后再对直流回路阻抗进行仿真扫描计算，如此迭代得到最终的一次设备参数和直流回路阻抗结果，以实现对直流回路谐波的抑制，确保系统和设备安全运行。该方法虽然直观可靠，可对直流回路阻抗进行准确计算和设计，然而需要反复进行调整计算，效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，以克服现有技术中采用电磁暂态等仿真软件来测量直流回路阻抗需要反复进行调整计算，效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法，包括以下步骤：

获取直流换流器的状态空间参数；

将所述状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中所述预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

第二方面，本发明实施例提供了一种直流换流器的直流回路阻抗计算装置，包括：

参数获取模块，用于获取直流换流器的状态空间参数；

直流回路阻抗计算模块，用于将所述状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中所述预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的直流换流器的直流回路阻抗计算方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的直流换流器的直流回路阻抗计算方法。

本发明实施例中的直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，获取直流换流器的状态空间参数，将状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。该直流回路阻抗计算方法，只需要将状态空间参数输入直流回路阻抗模型即可计算出直流回路阻抗，操作简单易行，且准确率高。

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为本发明一个实施例提供的直流换流器的直流回路阻抗计算方法流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的六脉动直流换流器的原理图；

图3为本发明一个实施例提供的六脉动换流器直流回路阻抗的计算流程示意图；

图4为本发明一个实施例提供的六脉动直流换流器的第一控制系统框架图；

图5为本发明另一个实施例提供的六脉动直流换流器的第二控制系统框架图；

图6为本发明一个实施例提供的六脉动直流换流器的直流回路阻抗频谱图；

图7为本发明另一个实施例提供的六脉动直流换流器的直流回路阻抗频谱图；

图8为本发明一个实施例提供的直流换流器的直流回路阻抗计算装置结构示意图；

图9为本发明一个实施例提供的计算机设备结构示意图。

具体实施方式

下面将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。

为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，进行具体地描述。

本方法运用于的终端中，终端可以是个人计算机、笔记本电脑等。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法，以该方法应用于终端为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S102，获取直流换流器的状态空间参数；

其中，直流换流器的状态空间参数包括换流器的直流输出电压、换流器的直流输出电流、换流器的触发角控制值、换流器的交流输出电压、电流参考值等，以及根据这些参数进行变换处理得到的参数。

步骤S104，将状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

直流回路阻抗模型是预先构建的，在构建的过程中主要是基于直流换流器系统的状态空间方程来确定直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系，将这种关系记为直流回路阻抗模型。

在一个实施例中，直流换流器为六脉动直流换流器。

在一个实施例中，直流回路阻抗模型的建立步骤，包括：

根据直流换流器系统的控制原理建立第一控制系统框架图；对第一控制系统框架图进行变换，得到第二控制系统框架图；根据第二控制系统框架图建立直流换流器系统的状态空间方程；根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系，建立直流回路阻抗模型。

在本实施例中，通过建立直流换流器的状态空间方程，其中状态空间方程是根据控制系统框架图建立的，而控制系统框架图是根据直流换流器系统的控制原理确定，即根据控制原理确定各系统参数(例如电压、电流、电阻等)关系，然后根据这些关系计算出直流回路阻抗的数学表达式(即得到直流回路阻抗模型)，根据直流回路阻抗的数学表达式清晰分析出直流回路阻抗与直流换流器系统各个系统参数的变化规律，则根据系统参数可以计算出直流回路阻抗值，也可以根据直流回路阻抗值的需求来定向精细调整各系统参数。

在一个实施例中，直流回路阻抗模型的表达式为：

其中，Z_DC(s)表示直流回路阻抗模型，s表示拉普拉斯算子，I表示三阶单位矩阵，A表示对系统状态变量的微分方程组求导数所得状态方程矩阵，B表示对输入的直流电压参数求导数所得输入电压矩阵，(3)表示取矩阵的第三个矩阵单元。

在一个实施例中，状态空间方程的表达式为：

其中，

表示状态空间状态变量空间的导数，X表示状态变量空间矩阵，U表示输入的直流电压参数；状态变量空间矩阵为[X1；X2；I_DC]，X1、X2和I_DC的表达式为：

I_DC表示直流电流，V_DCS表示输入的直流电压参数，V_DC为直流电压，R表示直流电阻，L表示直流电感，α为触发角控制值，a、b和K₂分别表示直流换流器系统的控制系数。

在一个实施例中，根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系的步骤中，包括：采用以下表达式来计算直流回路阻抗：

其中，Z_DC表示直流回路阻抗，V_DCS表示输入的直流电压参数，I_DC表示直流电流。

为了更具体地解释本申请的技术方案，下面将对本申请的方法在六脉动直流换流器中实现完整过程进行详细的讲解。

首先，现有的六脉动直流换流器的原理图如图2所示。六脉动直流换流器一般包括以下组成部分：交流侧电压源Vac、交流侧电感Lac和接地点G以及换流器，直流侧电感L1、电阻R1，其中，换流器部分包括6个晶闸管半导体开关。

六脉动换流器正常工作时，换流器每隔60°电角度依次顺序开通6个开关，循环往复，将交流侧的电压Vac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L1为直流的平波电感，用于滤除直流的高次谐波，R1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V_p和触发角α等有关。换流器通过调整6个开关的开通时间即触发角α，可以改变直流侧的电压V_dc或电流I_DC的大小，当将V_dc或I_dc的值进行采集并反馈送到控制器进行计算来调节触发角时，可实现对直流输出电压或电流的自动控制。

请参阅图2，附图中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被送到六脉动换流器，换流器根据α来控制6个开关的开通时间，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_Iref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。六脉动换流器正常运行时，交流电压、直流电流、触发角等参数都保持稳定。

本发明中采用的6脉动换流器直流回路阻抗的计算流程和设计方法如附图3所示，具体过程为：搭建6脉动换流器状态空间方程，然后设置状态空间参数，得到6脉动换流器直流回路阻抗值，然后判断该阻抗值是否满足要求，在满足要求是时结束；在不满足要求时，重新设置或调整状态空间参数。

请参考如图4，本发明的6脉动换流器建模方法如下：

6脉动换流器正常运行时，系统参数都保持在额定参数稳定运行，其中V_DC的表达式如式1。

其中Xr为交流电感的感抗，可见V_DC跟交流电压Vac、触发角α和电流I_DC有关，而交流电压基本不变，可得V_DC与触发角α和I_DC的小干扰表达式为：

由附图4和式2，可得：

根据上述的公式可得6脉动换流器系统的第一控制系统框架图如附图4所示。其中：

对附图4进行变换，可得6脉动换流器的第二控制系统框架图如附图5。其中a、b、K1和K2为由附图4变换得到的系数。

根据附图5，选择X1、X2和I_DC作为状态空间的状态变量，可得微分方程组如下：

根据微分方程组，可得6脉动换流器系统的状态方程如下

其中X为状态空间参数矩阵[X1；X2；I_DC]，A表示对状态空间参数求导数所得状态方程矩阵，即A为由式(5)对状态变量求导数所得状态方程矩阵，U为系统输入状态变量(即输入的直流电压参数V_DCs)，B表示对输入的直流电压参数求导数所得输入电压矩阵，即B为由式(5)对输入变量变量求导数输入状态矩阵。

系统直流回路谐波阻抗跟直流回路谐波电压和产生的直流谐波电流有关，其关系式如下：

由式(2)、式(3)、式(4)和附图5，可得6脉动换流器的直流回路阻抗的状态空间表达式为：

其中s为拉普拉斯算子，I为3阶单位矩阵，(3)表示取矩阵的第三个矩阵单元。

本发明实施例中建立了6脉动换流器直流回路阻抗的数学表达式，可以清晰准确分析直流回路阻抗与系统各参数的关系，根据这些关系设计人员可以对直流回路阻抗实现针对性的准确调整和设计，而不必进行大量的盲目摸索，设计效率可以显著提高；另外也可以快速便捷的得到直流回路阻抗随各参数变化的结果，可以直观地从结果中选取最符合要求的结果和对应的系统参数。因此，本发明实施例中的方法，可以显著提高6脉动换流器直流回路阻抗计算设计的效率，节约大量人力和时间，便于确保6脉动换流器具有更好的直流回路阻抗和稳定运行能力。

效果实施例：

请参考附图2，交流电压Vac线电压有效值为10kV，频率为50Hz，Ls为1mH，直流负载电感L为0.2H，电阻R为12Ω，直流电流2000A，Kp为0.001，Ki为0.1。采用本发明的直流换流器的直流回路阻抗计算方法中的直流回路阻抗模型，然后计算可得到6脉动直流换流器的直流回路阻抗，其结果如图6所示。

由图6可知，6脉动直流换流器的直流回路阻抗存在一个谐振点，若系统对该谐振点的频率比较敏感，就需要重新设计。此时，采用本发明的直流换流器的直流回路阻抗计算方法可以直接修改6脉动直流换流器的状态空间参数，得到一系列的直流回路阻抗，其结果如附图7所示；从图中可直观对比各阻抗频谱的优劣并选出满足要求的阻抗和状态空间参数。图7为状态空间参数Kp和Ki不同时的直流回路阻抗，可见本申请的方法可以方便快捷地调整状态空间参数并得到对应的直流回路阻抗，也可以直观的发现阻抗随各状态空间参数变化的规律，设计人员可以根据实际需求从所有直流回路阻抗结果中直观高效的选取最优的阻抗值，并选定对应的状态空间参数也即6脉动直流换流器系统参数，确保6脉动直流换流器系统稳定可靠运行。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法，对于本发明公开的上述方法可采用多种形式的设备实现，因此本发明还公开了对应上述方法的直流换流器的直流回路阻抗计算装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图8，为本发明实施例公开的一种直流换流器的直流回路阻抗计算装置，主要包括：

参数获取模块802，用于获取直流换流器的状态空间参数；

直流回路阻抗计算模块804，用于将状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

在一个实施例中，还包括：

第一控制系统框架图构建模块，用于根据直流换流器系统的控制原理建立第一控制系统框架图；

控制系统框架图变换模块，用于对所述第一控制系统框架图进行变换，得到第二控制系统框架图；

状态空间方程建立模块，用于根据所述第二控制系统框架图建立直流换流器系统的状态空间方程；

直流回路阻抗模型建立模块，用于根据所述状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系，建立所述直流回路阻抗模型。

在一个实施例中，状态空间方程建立模块，还用于根据直流换流器系统的控制原理建立直流换流器系统的状态空间方程；

直流回路阻抗模型建立模块，还用于根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系，建立直流回路阻抗模型。

在一个实施例中，直流回路阻抗模型的表达式为：

其中，Z_DC(s)表示直流回路阻抗模型，s表示拉普拉斯算子，I表示三阶单位矩阵，A表示对系统状态变量的微分方程组求导数所得状态方程矩阵，B表示对输入的直流电压参数求导数所得输入电压矩阵，(3)表示取矩阵的第三个矩阵单元。

在一个实施例中，状态空间方程的表达式为：

其中，

表示状态空间，X表示状态空间变量矩阵，U表示输入的直流电压参数；状态空间变量矩阵为[X1；X2；I_DC]，X1、X2和I_DC的表达式为：

I_DC表示直流电流，V_DCS表示输入的直流电压参数，V_DC为直流电压，R表示直流电阻，L表示直流电感，α为触发角控制值，a、b和K₂分别表示直流换流器系统的控制系数。

在一个实施例中，还包括：直流回路阻抗的表达式为：

其中，Z_DC表示直流回路阻抗，V_DCS表示输入的直流电压参数，I_DC表示直流电流。

在一个实施例中，直流换流器为六脉动直流换流器。

关于直流换流器的直流回路阻抗计算装置的具体限定可以参见上文中对于直流换流器的直流回路阻抗计算方法的限定，在此不再赘述。上述直流换流器的直流回路阻抗计算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储电阻等效模型、等效子模型的数据，以及存储执行计算时得到的等效电阻、工作电阻以及接触电阻。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法。

本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明实施例中提供的直流换流器的直流回路阻抗计算方法中的任一方法步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例中提供的直流换流器的直流回路阻抗计算方法中的任一方法步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种直流换流器的直流回路阻抗计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取直流换流器的状态空间参数；

将所述状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中所述预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流回路阻抗模型的建立步骤，包括：

根据直流换流器系统的控制原理建立第一控制系统框架图；

对所述第一控制系统框架图进行变换，得到第二控制系统框架图；

根据所述第二控制系统框架图建立直流换流器系统的状态空间方程；

根据所述状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系，建立所述直流回路阻抗模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述直流回路阻抗模型的表达式为：

其中，Z_DC(s)表示直流回路阻抗模型，s表示拉普拉斯算子，I表示三阶单位矩阵，A表示对系统状态变量的微分方程组求导数所得状态方程矩阵，B表示对输入的直流电压参数求导数所得输入电压矩阵，(3)表示取矩阵的第三个矩阵单元。

4.根据权利要求3所述所述的方法，其特征在于，所述状态空间方程的表达式为：

其中，

表示状态空间方程，X表示状态空间参数矩阵，U表示输入的直流电压参数；所述状态空间变量矩阵为[X1；X2；I_DC]，X1、X2和I_DC的表达式为：

I_DC表示直流电流，V_DCS表示输入的直流电压参数，V_DC为直流电压，R表示直流电阻，L表示直流电感，α为触发角控制值，a、b和K₂分别表示直流换流器系统的控制系数。

5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，根据所述状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系的步骤中，包括：

所述直流回路阻抗的表达式为：

其中，Z_DC表示直流回路阻抗，V_DCS表示输入的直流电压参数，I_DC表示直流电流。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直流换流器为六脉动直流换流器。

7.一种直流换流器的直流回路阻抗计算装置，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于获取直流换流器的状态空间参数；

直流回路阻抗计算模块，用于将所述状态空间参数输入预先建立的直流回路阻抗模型计算直流回路阻抗；其中所述预先建立的直流回路阻抗模型是基于直流换流器系统的状态空间方程确定的，用于记录直流回路阻抗与直流换流器的状态空间参数之间的关系。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

第一控制系统框架图构建模块，用于根据直流换流器系统的控制原理建立第一控制系统框架图；

控制系统框架图变换模块，用于对所述第一控制系统框架图进行变换，得到第二控制系统框架图；

状态空间方程建立模块，用于根据所述第二控制系统框架图建立直流换流器系统的状态空间方程；

直流回路阻抗模型建立模块，用于根据所述状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路阻抗的关系，建立所述直流回路阻抗模型。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述算计程序时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。

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