CN112564157B - 一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法，包括：步骤S1，检测到交流故障后，基于设定周期的逆变侧三相电压数据，拟合下一周期的三相电压并转换为线电压形式；步骤S2，根据线电压形式，预测下一周期内各个换相过程所对应的换相电压过零点时刻；步骤S3，在下一周期内各换相过程起始时刻，估算出各换相过程的换相结束时刻；步骤S4，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值；步骤S5，将所述熄弧角预测值与实测型控制策略实测的熄弧角取小后作为改进后定熄弧角控制的输入。本发明能有效抑制直流系统连续换相失败，在一定程度上解决了定熄弧角控制响应速度与控制精度之间的矛盾问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统安全分析与控制技术领域，尤其涉及一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法。
背景技术
我国能源中心和负荷重心在地理上呈现逆向分布的特点，为有效解决能源的跨区域传输问题，基于电网换相换流器型的高压直流输电系统因其在大容量远距离传输上的优势得到了广泛的应用。多回直流密集接入同一交流电网，形成了复杂的多馈入系统，对电力系统的安全稳定运行形成了新的挑战。
换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，单次换相失败将及连续换相失败对直流线路功率传输、无功电压稳定、暂态稳定等方面造成了不利影响。定熄弧角控制是高压直流输电系统抑制换相失败的主要控制策略之一，但当前针对实测型和预测型控制的研究仍未能有效解决其在响应速度与控制精度之间存在的矛盾问题，抑制连续换相失败的控制效果有待进一步提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提出一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法，以有效抑制直流系统的连续换相失败。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法，包括：
步骤S1，检测到交流故障后，基于设定周期的逆变侧三相电压数据，拟合下一周期的三相电压并转换为线电压形式；
步骤S2，根据所述线电压形式，预测所述下一周期内各个换相过程所对应的换相电压过零点时刻；
步骤S3，在所述下一周期内各换相过程起始时刻，估算出各换相过程的换相结束时刻；
步骤S4，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值；
步骤S5，将所述熄弧角预测值与实测型控制策略实测的熄弧角取小后作为改进后定熄弧角控制的输入。
进一步地，所述步骤S1具体包括：
步骤S11，采用对称分量法将频域内三相电压分解为正、负、零三序分量Fna(ζ)(k)，基于暂态响应一般函数形式，采用最小二乘法拟合确定该函数形式的系数：
其中，θ′n(ξ)、θ″n(ξ)分别表示ψn的拟合系数；fit是基于最小二乘法原理的非线性拟合函数，返回参数θ得到具体的拟合函数ψ；ξ＝1,2,0表示正序、负序和零序分量；j＝k-3,…,k表示根据以第k周期往前四个周期的数据进行函数拟合；
步骤S12，通过拟合出的函数，对下一周期n次频率下三序分量暂态响应的预测：
步骤S13，经对称分量法逆变换和傅里叶级数求和，得到下一周期时域内三相电压数据，将其两两做差转化为线电压形式。
进一步地，所述步骤S2具体包括：根据下式近似求解下一周期内各换相过程的换相电压过零时刻：
其中，m为采样点；fs为采样频率。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
在下一周期内每一个换相过程的开始时刻，根据下式计算得到各换相过程的换相结束时刻：
其中，tβ表示换相过程的换相开始时刻，表示换相过程中的换相结束时刻，Lc为换相电感，Id(tβ)为换相开始时刻的直流电流，Id(tγ)为换相结束时刻的直流电流。
进一步地，计算得到各换相过程的换相结束时刻的公式进一步简化为：
其中，T为采样周期。
进一步地，所述步骤S4中，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值的方式为：
为各换相过程的熄弧角预测值，ω0为基频角速度。
本发明实施例的有益效果在于：能有效地抑制直流系统的连续换相失败，且与现有方法相比，在一定程度上解决了定熄弧角控制响应速度与控制精度之间的矛盾问题。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中换相电压预测值与实际值的对比曲线示意图。
图3为本发明实施例中熄弧角预测值与实际值的对比曲线示意图。
图4为改进前后的控制策略下的直流电流响应曲线示意图。
图5为改进前后的控制策略下的熄弧角响应曲线示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本发明实施例提供一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法，包括：
步骤S1，检测到交流故障后，基于设定周期的逆变侧三相电压数据，拟合下一周期的三相电压并转换为线电压形式；
步骤S2，根据所述线电压形式，预测所述下一周期内各个换相过程所对应的换相电压过零点时刻；
步骤S3，在所述下一周期内各换相过程起始时刻，估算出各换相过程的换相结束时刻；
步骤S4，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值；
步骤S5，将所述熄弧角预测值与实测型控制策略实测的熄弧角取小后作为改进后定熄弧角控制的输入。
具体地，直流输电线路呈感性且存在对地电容，对于故障后的交直流系统可采用二阶RLC电路来表征。二阶系统有欠阻尼、过阻尼和临界阻尼三种状态，由于直流系统对地电容远小于线路电感，故暂态过程中的交直流系统属于欠阻尼系统，其暂态响应的数学形式如式(1)所示：
其中，p1,2＝-τ±jωd为等值系统的特征根，a(t)为f(t)稳态响应，x(t)为f(t)暂态响应；τ、K、ωd和为与等值系统相关的常数。
将上式进行傅里叶变换，可以得到稳态分量、暂态分量相应的傅里叶展开形式如式(2)所示：
其中，u0，v0，u1，v1，u2及v2为没有实际物理含义中间量系数，具体计算公式如下：
其中，T为采样周期，T＝2π/ω0，ω0为基频角速度。
记为某电气量第k个周期采样数据的波形：
其中，ΔT表示两次采样的时间间隔。
对于第k个周期采样的其傅里叶展开形式/>根据式(3)可以写成如下形式：
将写成实部加虚部的形式，从而分别得到暂态响应的一般形式：
其中，和/>分别表示第k周期该电气量暂态响应形式的实部和虚部。
实部与虚部暂态响应的一般形式相同，将其写成关于采样周期k的一般函数形式：
其中，θ＝{θ1,θ2,…,θ9}表示函数的系数。
因此可基于式(6)所示的电气量暂态响应形式对换相电压进行预测，只需拟合确定相关系数即可得到暂态过程中的换相电压表达式。本发明基于直流系统暂态响应过程中前四个周期的换相电压进行拟合，从而预测下一周期的换相电压并计算其过零点时刻。
具体地，步骤S1包括：
步骤S11，首先对采集的前四个周期电压数据进行傅里叶分解，分解次数从基波到五次谐波。当系统发生不对称故障时，采用对称分量法将频域内三相电压分解为正、负、零三序分量Fna(ζ)(k)。基于上述所推导的暂态响应一般函数形式，采用最小二乘法拟合确定该函数形式的系数：
其中，θ′n(ξ)、θ″n(ξ)分别表示ψn的拟合系数；fit是基于最小二乘法原理的非线性拟合函数，返回参数θ得到具体的拟合函数ψ；ξ＝1,2,0表示正序、负序和零序分量；j＝k-3,…,k表示根据以第k周期往前四个周期的数据进行函数拟合。
步骤S12，通过拟合出的函数，即可实现对下一周期n次频率下三序分量暂态响应的预测：
步骤S13，经对称分量法逆变换和傅里叶级数求和，得到下一周期时域内三相电压数据，将其两两做差转化为线电压形式，根据式(9)可近似求解下一周期内各换相过程的换相电压过零时刻。
其中，m为采样点；fs为采样频率。
后续换相过程的熄弧角不仅与换相电压过零点有关，还取决于换相结束时刻，如式(10)所示：
其中，和/>分别表示后续换相过程中的换相电压过零点和换相结束时刻，ω0为基频角速度。
在下一周期内每一个换相过程的开始时刻，各换相过程的换相结束时刻可基于式(11)计算得到：
其中，tβ表示换相过程的换相开始时刻，表示换相过程中的换相结束时刻，Lc为换相电感，Id(tβ)为换相开始时刻的直流电流，Id(tγ)为换相结束时刻的直流电流。
显然地，在换相开始时刻无法得到换相结束时刻的直流电流Id(tγ)。尽管换相过程的时间很短，但为保证计算结果的准确性，本发明假设直流电流在换相期间按照换相开始时刻的电流变化率进行变化，则式(11)可进一步简化为：
其中考虑故障期间换相过程所需时间的增大，可保守取值T＝2ms。
综上所述，检测到交流故障后首先基于前四个周期的逆变侧三相电压数据，快速拟合下一周期的三相电压并转换为线电压形式，根据式(9)预测该周期内各个换相过程所对应的换相电压过零点时刻然后在该周期内各换相过程起始时刻，根据式(12)估算出各换相过程的换相结束时刻，经式(10)得到各换相过程的熄弧角预测值。
参考原定熄弧角控制中对上个工频周期熄弧角取最小值的控制策略，对于采用12脉波换流器的标准测试系统，将当前换相过程的熄弧角预测值与前11个阀熄弧角的预测值取最小值并保存为最后将/>与实测型控制策略实测的熄弧角取小后作为改进后定熄弧角控制的输入。
为使直流系统在故障后平滑地恢复到稳定状态，本发明实施例假定若连续10个周期预测得的各换相过程的熄弧角均大于换流阀的固有极限熄弧角(一般为7.2°)，附加控制策略退出从而使直流系统在原有定熄弧角控制策略的闭环控制下平稳恢复。
为验证本发明所提出的定熄弧角控制改进方法抑制连续换相失败的有效性，基于PSCAD/EMTDC中CIGRE HVDC标准测试模型进行了电磁暂态仿真分析。
(一)预测方法分析
设逆变侧换流母线在1.0s时发生单相接地故障，接地电感值Lf＝0.8H，故障持续时间为0.5s。逆变侧AB相线电压和熄弧角的预测值与实际值的对比曲线分别如图2和3所示。由图2可知，电压预测值与实际值曲线基本吻合，仅在分别发生于1.01s和1.17s的换相失败后的2个周期内电压预测误差稍大。其原因在于本发明实施例为保证算法快速性，对换相电压进行拟合预测时仅考虑到五次谐波进行傅里叶分解，而这一阶段的电压波形存在一定量的高次谐波，削弱了预测结果的准确性。故图3中的熄弧角预测值在同一阶段误差稍大，但在恢复后期高次谐波含量减小后，较准确的电压拟合预测结果以及对直流电流变化的考虑，保证了熄弧角预测的准确性，尤其是对换相失败的准确预测保证了控制策略的有效性。
(二)控制效果分析
设逆变侧换流母线在1.0s时发生A相接地故障，接地电感值Lf＝0.6H，故障持续时间0.5s。在该故障条件下，采用不同控制策略的直流系统直流电流和熄弧角的响应曲线分别如图4和图5所示。此时Lf值较小，对应实际系统中的故障点与换流母线电气距离较近、故障较严重。采用实测型控制策略时，直流系统熄弧角4次跌落至0°，发生较严重的连续换相失败。对于采用改进定熄弧角控制策略的直流系统，由于首次换相失败距离交流故障的时间很短，且所提方法对换相电压的拟合预测需要一定的采样时间，故首次换相失败难以避免。但基于后续各换相过程中的熄弧角预测值改进了原有控制的输入，改善了实测型控制策略的滞后性问题，使定熄弧角控制能够根据换相裕度的预判对触发角进行快速调节，从而有效地抑制了连续换相失败。由图5可以看出，采用改进的控制策略后直流系统在发生1次换相失败后恢复到了稳定状态。
通过上述说明可知，本发明实施例的有益效果在于：能有效地抑制直流系统的连续换相失败，且与现有方法相比，在一定程度上解决了定熄弧角控制响应速度与控制精度之间的矛盾问题。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种抑制连续换相失败的定熄弧角控制改进方法，其特征在于，包括：
步骤S1，检测到交流故障后，基于设定周期的逆变侧三相电压数据，拟合下一周期的三相电压并转换为线电压形式；
步骤S2，根据所述线电压形式，预测所述下一周期内各个换相过程所对应的换相电压过零点时刻；
步骤S3，在所述下一周期内各换相过程起始时刻，估算出各换相过程的换相结束时刻；
步骤S4，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值；
步骤S5，将所述熄弧角预测值与实测型控制策略实测的熄弧角取小后作为改进后定熄弧角控制的输入；
所述步骤S2具体包括：根据下式近似求解下一周期内各换相过程的换相电压过零时刻：
其中，m为采样点；fs为采样频率；
所述步骤S3具体包括：
在下一周期内每一个换相过程的开始时刻，根据下式计算得到各换相过程的换相结束时刻：
其中，tβ表示换相过程的换相开始时刻，表示换相过程中的换相结束时刻，Lc为换相电感，Id(tβ)为换相开始时刻的直流电流，Id(tγ)为换相结束时刻的直流电流；
计算得到各换相过程的换相结束时刻的公式进一步简化为：
其中，T为采样周期。
2.根据权利要求1所述的定熄弧角控制改进方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
步骤S11，采用对称分量法将频域内三相电压分解为正、负、零三序分量Fna(ζ)(k)，基于暂态响应一般函数形式，采用最小二乘法拟合确定该函数形式的系数：
其中，θn′(ξ)、θn″(ξ)分别表示ψn的拟合系数；fit是基于最小二乘法原理的非线性拟合函数，返回参数θ得到具体的拟合函数ψ；ξ＝1,2,0表示正序、负序和零序分量；j＝k-3,…,k表示根据以第k周期往前四个周期的数据进行函数拟合；
步骤S12，通过拟合出的函数，对下一周期n次频率下三序分量暂态响应的预测：
步骤S13，经对称分量法逆变换和傅里叶级数求和，得到下一周期时域内三相电压数据，将其两两做差转化为线电压形式。
3.根据权利要求1所述的定熄弧角控制改进方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据所述换相电压过零点时刻和换相结束时刻，计算得到各换相过程的熄弧角预测值的方式为：
为各换相过程的熄弧角预测值，ω0为基频角速度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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