CN112769132B - 基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法 - Google Patents

基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，过程如下：采集直流输电系统换流器阀侧三相交流电流、直流电流和换流阀触发脉冲；建立交直流电流与阀电流的节点电流方程；当检测到换流阀触发脉冲的上升沿时，将换流阀的编号进行锁存；根据换流阀的触发脉冲和交流电流的幅值特征以及交流电流变化量的特征进行阀状态的导通和截止判别，求取阀状态；构造阀状态矩阵；判断每相是否存在旁通的状态；通过求三相的阀旁通状态之和，判断旁通相的数量；增补旁通回路电压方程；对换流阀电流进行求解；当计算得到阀电流的值为负时，根据换流阀的单向导电性修正阀状态为截止，否则不修正；再次重复以上步骤计算阀电流。

Description

基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法
技术领域
本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，具体涉及一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法。
背景技术
换流阀是LCC-HVDC直流工程的核心设备，承担交流和直流相互转换的功能。交流故障容易导致换流阀发生换相失败，各个换流阀的电流分布不均匀，换相失败的阀长时间处于过流或过热状态对阀设备的安全极为不利，会造成设备烧坏或使用寿命降低的后果。从换流阀的安全角度考虑，准确获取运行全过程的阀状态和阀电流是保护阀设备和控制协调的前提条件。
由于设备散热、绝缘等工艺设计的原因，实际电网直流工程的换流阀内部无法安装测量元件直接测量阀电流，只能利用换流阀外部的电流互感器测量得到的直流电气量和交流电气量间接表示换流阀的电流导通情况和换流阀的运行状态。正常运行时同相的上、下桥臂不会同时导通，根据电流从高电位阀流入、从低电位流出的工作规律，通过测量到的交流电流的极性特征可以计算得到阀电流和阀状态。然而，当发生交流故障时，同相的上、下桥臂可能会同时导通，换流阀出现单相旁通或多相旁通的运行情况，此时仅仅利用交流电流的极性特征无法求取换流阀电流和阀状态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，同时为减小对电压的依赖，提供一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，此方法得到的阀状态与阀电流可对直流工程的故障分析、控制保护优化等提供有力的支撑。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，所述求解方法包括以下步骤：
S1、采集直流输电系统换流器阀侧三相交流电流ia、ib、ic和直流电流idH、idN，换流阀触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6；
S2、根据直流输电系统换流器的拓扑结构，建立阀侧三相交流电流ia、ib、ic、直流电流idH、idN与阀电流iVTm的节点电流方程Ai＝y；
Figure GDA0003698035940000021
其中，
Figure GDA0003698035940000022
A为阀电流系数矩阵，i为阀电流向量，y为阀侧两端电流向量，iVTm分别为6个换流阀的电流，m为6个换流阀的编号，m＝1、2、3、4、5、6；
S3、根据步骤S1得到的换流阀的触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6，当检测到换流阀的触发脉冲的上升沿时，将换流阀的编号m锁存到寄存器中；
S4、根据步骤S1得到的换流阀的触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6和交流电流的幅值特征以及交流电流变化量的特征进行阀状态的导通和截止判别，求取6个换流阀的阀状态SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6；
S5、根据步骤S4得到的阀状态，构造阀状态矩阵S：
Figure GDA0003698035940000031
式中：SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为6个换流阀的阀状态；
S6、通过求每相上、下两阀状态的乘积，判断每相是否存在旁通的状态，每相的阀旁通状态Sa、Sb、Sc为：
Figure GDA0003698035940000032
式中：Sa表示a相的阀旁通状态，Sb表示b相的阀旁通状态，Sc表示c相的阀旁通状态，Sk＝1表示旁通，Sk＝0表示不旁通，k为a、b、c三相的序号；
S7、对三相的阀旁通状态进行求和，判断旁通相的数量，其中，旁通相的数量Stotal表示如下：
Stotal＝∑(Sa+Sb+Sc) (G4)；
式中：Stotal表示abc三相中旁通相的数量；
S8、根据步骤S7中求得的旁通相的数量与对应相，当Stotal＞1时，换流阀存在2条及以上旁通对，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp；其中：Cp为旁通回路电压方程的系数矩阵，i为阀电流向量，Dp为常数向量，p为旁通相的序号；
S9、根据步骤S2和步骤S8，并结合步骤S4对换流阀电流iVTm进行求解；
S10、当步骤S9计算的阀电流iVTm＜0时，考虑换流阀的单向导电性，修正阀状态，将阀状态修正为截止SVTm＝0，否则，不修正；
S11、重复步骤S5-步骤S10，直至计算得到的阀电流iVTm≥0。
进一步地，所述步骤S4过程如下：
S41、当步骤S1中检测到换流阀的触发脉冲是高电平且满足换流阀的导通判据时，置位阀状态SVTm＝1，其中，换流阀的导通判据是：编号为m的换流阀所在相的交流电流的幅值|ik|大于交流电流定值，即：
|ik|＞Iset3 (G5)
式中：ik为a、b、c三相交流电流，Iset3为交流电流定值；
S42、当编号为m的换流阀为导通状态SVTm＝1时，若交流电流满足截止判据，则编号为m的换流阀为截止状态SVTm＝0；否则，编号为m的换流阀继续保持导通状态SVTm＝1；其中，换流阀的截止判据是：编号为m的换流阀所在相的交流电流的幅值|ik|小于截止电流门槛定值，且交流电流变化率小于变化量门槛定值，即：
Figure GDA0003698035940000041
式中：Iset4为截止电流门槛定值，Iset5为变化量门槛定值；
S43、当只有单相的上、下两阀导通时，换流阀形成单相旁通对运行，旁通对的两阀判别为导通状态，单相旁通对判别条件是：直流电流的最大值减去交流电流绝对值的最大值大于换相失败门槛定值，且交流电流绝对值的最大值小于单相旁通对门槛定值，即：
Figure GDA0003698035940000042
式中：Iset1为换相失败门槛定值，Iset2为单相旁通对门槛定值；
S44、当交直流电流满足步骤S43的公式(G7)时，换流阀为单相旁通对运行，其中，单相旁通对的阀状态判别条件为：
1)当所有阀的旁通状态标志Sbypass_m＝0时，若步骤S3的寄存器信号等于m，则编号为m的换流阀所在相为旁通相，置位旁通相两阀的旁通状态标志等于1，保持旁通相两阀都为导通状态，即：Sbypass_m＝1和Sbypass_(mod(m+3,6))＝1，SVTm＝1和SVT(mod(m+3,6))＝1；
2)当编号为m的换流阀所在相的旁通状态标志Sbypass_m＝1或Sbypass_(mod(m+3,6))＝1时，保持编号为m的换流阀所在相两阀都为导通状态。
进一步地，所述步骤S8过程如下：
S81、根据步骤S7中得到的旁通相的数量，当旁通相的数量Stotal≤1时，换流阀无旁通对或单相旁通对运行，此时不需要构造旁通回路电压方程，跳到步骤S91，否则，转到步骤S82；
S82、当旁通相的数量Stotal＝2时，表明换流阀两相旁通运行，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp，跳到步骤S92，否则，转到步骤S83；其中，
1)若Sa＝Sb，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT3+iVT6 (G8)
增补旁通回路电压方程Cabi＝Dab，其中：Cab＝[10-110-1]，Dab＝[0]，p＝ab，Cab为ab相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dab为ab相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
2)若Sa＝Sc，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT2+iVT5 (G9)
增补旁通回路电压方程Caci＝Dac，其中：Cac＝[1 -1 0 1 -1 0]，Dac＝[0]，p＝ac，Cac为ac相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dac为ac相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
3)若Sb＝Sc，则存在以下关系：
iVT2+iVT5＝iVT3+iVT6 (G10)
增补旁通回路电压方程Cbci＝Dbc中，Cbc＝[0 1 -1 0 1 -1]，Dbc＝[0]，p＝bc，Cbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
S83、当旁通相的数量Stotal＝3时，表明换流阀三相旁通对运行，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp，跳到步骤S92；同时，存在以下关系：
Figure GDA0003698035940000061
增补旁通回路电压方程Cabci＝Dabc，其中：
Figure GDA0003698035940000062
Dabc＝[00]T，p＝abc，Cabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
所述步骤S9过程如下：
S91、构造基于阀状态特征的状态方程ASi＝y，对系数矩阵求逆计算阀电流iVTm：
i＝(AS)-1×y (G12)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T。
S92、将Ai＝y与Cpi＝Dp联立，结合阀状态特征S构造状态方程ESi＝z，对系数矩阵求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(ES)-1×z (G13)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure GDA0003698035940000063
p为旁通相的序号，E为系数矩阵A和系数矩阵Cp组成的系数矩阵，z为阀侧两端电流向量y和常数向量Dp组成的向量。
进一步地，所述步骤S3中当检测到换流阀的触发脉冲的上升沿FPm(t)-FPm(t-Δt)＝1时，将换流阀的编号m锁存到寄存器中；其中：FPm(t)是编号为m的换流阀在t时刻的触发脉冲信号，FPm(t-Δt)是编号为m的换流阀在(t-Δt)时刻的触发脉冲信号，t为某一时刻的时间，Δt为采样时间间隔。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
高压直流输电系统中，基于换流阀电流为基础所做的理论研究偏多，如换相失败检测等。然而，阀电流不可直接测量且无合适的计算方法，使得研究成果不能直接应用于实际直流工程，只能停留在理论研究阶段。本发明根据换流阀两端的交流电流、直流电流以及换流阀触发脉冲可以测量得到的信号，通过节点电流方程和换流阀的单向导电性，不但可以准确计算阀电流，而且还能实时判别换流阀的导通和关断状态。阀状态的监控和阀电流的精确计算对已有的理论研究在实际工程应用尤为重要，且对重构换流阀的保护与控制具有重要意义。
附图说明
图1是本发明中阀状态判别和阀电流计算的流程图，clockVT表示寄存器的符号，t_end表示运行结束时间；
图2是本发明中阀状态和阀电流计算模型示意图，其中ia、ib、ic、idH、idN为换流器阀侧采集电流的接入端口，FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6为换流阀触发脉冲的采集接入端口，SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为阀状态信号的输出端口；iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6为阀电流计算的输出端口；
图3是本发明中高压直流输电换流阀示意图，其中ia、ib、ic为三相交流电流的a相、b相、c相，idH为高压侧直流电流，idN为低压侧直流电流，iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6为阀电流，图中箭头指示方向为正电流；
图4是本发明中换流阀阀侧三相交流电流ia、ib、ic和直流电流idmax的波形，直流电流idmax是高压侧直流电流idH和低压侧直流电流idN的最大值，即idmax＝max(idH,idN)；
图5是本发明的高压直流输电6个换流阀的触发脉冲，FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6为6个换流阀的触发脉冲；
图6是本发明中换流阀旁通对状态判别的电流回路图；
图7是本发明中6脉波的阀状态判别流程图；
图8是本发明中编号为1的换流阀的阀状态判别流程图；
图9是本发明中旁通对状态判别的流程图；
图10是本发明中基于交流电流的变化特征判别的阀状态波形图，图中SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为阀状态信号；
图11是本发明中增补旁通方程的流程图；
图12是本发明中基于阀状态计算的阀电流波形图，图中iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6为阀电流信号；
图13是本发明中考虑阀的单向导电性修正的阀状态波形图，图中SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为阀状态信号；
图14是本发明中基于修正后阀状态计算的阀电流波形图，图中iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6为阀电流信号。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例
本发明公开了一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，利用此方法在实际电网工程里面进行阀状态判别和阀电流计算。交流故障后换流阀工况变化不尽相同，为了更能全面的囊括故障后的换流阀工况情况，本实施例以6脉波逆变侧换流母线的三相故障为例，按照图1和图2对本发明做进一步详细说明。
S1、首先对本发明涉及的换流器进行简要描述。本实施例的换流拓扑结构如图3所示，图中6个阀臂按正常开通的次序编号，VT1表示编号为1的换流阀，VT2表示编号为2的换流阀，VT3表示编号为3的换流阀，VT4表示编号为4的换流阀，VT5表示编号为5的换流阀，VT6表示编号为6的换流阀，阀VT4、阀VT6、阀VT2构成上桥臂，阀VT1、阀VT3、阀VT5构成下桥臂。采集直流输电系统图3换流器阀侧三相交流电流ia、ib、ic、高压侧直流电流idH、高压侧直流电流idN和换流阀触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6。根据采集的信号，得到故障前后阀侧三相交流电流和直流电流的电流波形如图4所示，6个换流阀的触发脉冲波形如图5所示；
S2、根据步骤S1中直流输电系统换流器的拓扑结构，根据基尔霍夫定律，建立阀侧三相交流电流ia、ib、ic、直流电流idH、idN与阀电流iVTm的节点电流方程Ai＝y；
Figure GDA0003698035940000091
其中，
Figure GDA0003698035940000092
A为阀电流系数矩阵，i为阀电流向量，y为阀侧两端电流向量，iVTm分别为6个换流阀的电流，m为6个换流阀的编号，m＝1、2、3、4、5、6；
S3、根据步骤S1中采集的换流阀的触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6，当检测到换流阀的触发脉冲的上升沿(FPm(t)-FPm(t-Δt)＝1)时，将换流阀的编号m锁存到寄存器中；其中：FPm(t)是编号为m的换流阀在t时刻的触发脉冲信号，FPm(t-Δt)是编号为m的换流阀在(t-Δt)时刻的触发脉冲信号，t为某一时刻的时间，Δt为采样时间间隔；
例如：当检测到编号为1的换流阀的触发脉冲的上升沿时，寄存器中保存编号1；
S4、结合步骤S1和步骤S3，根据换流阀的触发脉冲和交流电流的幅值特征以及交流电流变化量的特征进行阀状态的导通和截止判别，求取阀状态SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6。本方法的阀状态判别主要利用交流电流的幅值特征，但当换流阀只有同相上、下桥臂导通形成单相旁通对时，如图6所示，此时三相交流电流为0，交直流完全隔离，无法利用交流电流判别阀状态，故需要对单相旁通对的阀状态单独判别。其中，阀状态总判别的流程图如图7所示，图中包含6个换流阀的阀状态判别的子模块和单相旁通对状态判别的子模块。6个换流阀的阀状态判别的子模块以阀VT1为例，流程图如图8所示。单相旁通对状态判别的子模块如图9所示。根据流程图7、8、9基于交流电流的变化特征得到的6个阀状态波形如图10所示，SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6分别表示6个换流阀的阀状态；
本实施例中，结合图7阀状态判别流程图，步骤S4具体包括以下几个步骤：
S41、根据步骤S1，以阀VT1为例，阀VT1的阀状态判别流程图如图8所示，当检测到阀VT1的触发脉冲是高电平且满足换流阀的导通判据时，置位阀状态SVT1＝1。其中，换流阀的导通判据是：阀VT1所在a相的交流电流的幅值|ia|大于交流电流定值。即：
|ia|＞Iset3 (2)
式中：ia为a相交流电流；Iset3为交流电流定值。
S42、根据步骤S41，当阀VT1为导通状态(SVT1＝1)时，若交流电流满足截止判据，则阀VT1为截止状态(SVT1＝0)。否则，阀VT1继续保持导通状态(SVT1＝1)。其中，换流阀的截止判据是：阀VT1所在a相的交流电流的幅值|ia|小于截止电流门槛定值，且交流电流变化率小于变化量门槛定值。即：
Figure GDA0003698035940000111
式中：Iset4为截止电流门槛定值，Iset5为变化量门槛定值。
S43、根据步骤S1、步骤S41和步骤S42，当只有单相的上、下两阀导通时，换流阀形成单相旁通对运行，旁通对的两阀判别为导通状态。单相旁通对判别条件是：直流电流的最大值减去交流电流绝对值的最大值大于换相失败门槛定值，且交流电流绝对值的最大值小于单相旁通对门槛定值。即：
Figure GDA0003698035940000112
式中：Iset1为换相失败门槛定值，Iset2为单相旁通对门槛定值。
S44、根据S1、步骤S3和步骤S43，当交直流电流满足步骤S43的公式(4)时，换流阀为单相旁通对运行，旁通对条件下状态判别的流程图如图9所示。单相旁通对的阀状态判别为：
1)当所有阀的旁通状态标志Sbypass_m＝0时，若步骤S3中寄存器信号等于1或4，a相旁通对。则旁通状态标志Sbypass_1＝1和Sbypass_4＝1，阀状态SVT1＝1和SVT4＝1；
否则：若步骤S3中寄存器信号等于3或6，b相旁通对。则Sbypass_3＝1和Sbypass_6＝1，SVT3＝1和SVT6＝1；
否则：若步骤S3中寄存器信号等于2或5，c相旁通对。则Sbypass_2＝1和Sbypass_5＝1，SVT2＝1和SVT5＝1；
2)当旁通状态标志Sbypass_1＝1或Sbypass_4＝1时，保持a相两阀继续导通状态；
否则：当旁通状态标志Sbypass_3＝1或Sbypass_6＝1，保持b相两阀继续导通状态；
否则：当旁通状态标志Sbypass_2＝1或Sbypass_5＝1，保持c相两阀继续导通状态。
S5、根据步骤S4得到的阀状态，构造阀状态矩阵S：
Figure GDA0003698035940000121
式中：SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为6个换流阀的阀状态；
S6、根据步骤S5，通过求每相上、下两阀状态的乘积，判断每相是否存在旁通的状态，每相的旁通状态Sa、Sb、Sc为：
Figure GDA0003698035940000122
式中：Sa表示a相的阀旁通状态，Sb表示b相的阀旁通状态，Sc表示c相的阀旁通状态，Sk＝1表示旁通，Sk＝0表示不旁通，k为a、b、c三相的序号；
S7、根据步骤S6，对三相的阀旁通状态进行求和，判断旁通相的数量。旁通相的数量Stotal表示如下：
Stotal＝∑(Sa+Sb+Sc) (7)
式中：Stotal表示abc三相中旁通相的数量；
S8、根据步骤S7中得到的旁通相的数量与对应相，当Stotal＞1时，换流阀存在2条及以上旁通对，直接根据式(1)换流阀的节点电流方程不可求解阀电流或方程解不唯一，故需要增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp，判别增补流程图如图11所示，其中：Cp为旁通回路电压方程的系数矩阵，i为阀电流向量，Dp为常数向量，p为旁通相的序号；
本实施例中，增补旁通回路电压方程的流程图如图11所示，步骤S8具体包括以下几个步骤：
S81、根据步骤S7中得到的旁通相的数量，当旁通相的数量Stotal≤1时，换流阀无旁通对或单相旁通对运行，此时不需要构造旁通回路电压方程，跳到步骤S91。否则，转到步骤S82；
S82、根据步骤S7和步骤S81，当旁通相的数量Stotal＝2时，表明换流阀两相旁通运行，增补旁通回路电压方程，跳到步骤S92。否则，转到步骤S83。
1)若Sa＝Sb，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT3+iVT6 (8)
增补旁通回路电压方程Cabi＝Dab中，Cab＝[1 0 -1 1 0 -1]，Dab＝[0]，Cab为ab相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dab为ab相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
2)若Sa＝Sc，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT2+iVT5 (9)
增补旁通回路电压方程Caci＝Dac中，Cac＝[1 -1 0 1 -1 0]，Dac＝[0]，Cac为ac相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dac为ac相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
3)若Sb＝Sc，则存在以下关系：
iVT2+iVT5＝iVT3+iVT6 (10)
增补旁通回路电压方程Cbci＝Dbc中，Cbc＝[0 1 -1 0 1 -1]，Dbc＝[0]，Cbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
S83、根据步骤S7、步骤S81和步骤S82，当旁通对工况Stotal＝3时，表明换流阀三相旁通对运行，跳到步骤S92。则存在以下关系：
Figure GDA0003698035940000141
增补旁通回路电压方程Cabci＝Dabc中，
Figure GDA0003698035940000142
Dabc＝[0 0]T，Cabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量。
S9、根据步骤S2和步骤S8，并结合步骤S4对换流阀电流iVTm进行求解，得到基于交流电流的变化特征得到的阀状态的基础上计算的阀电流iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6，将计算得到的阀电流与直流工程中的仿真值进行对比，波形如图12所示，发现计算值与仿真值存在明显差异，且存在阀电流的计算值有负值的情况，需要对计算结果进行修正；
本实施例中，结合图1和图11，为方便进行计算，将各种旁通情况下的状态方程的表示形式和阀电流求解方法都一一进行表示，步骤S9具体包括以下几个步骤：
S91、根据步骤S2、步骤S4和步骤S81，构造基于阀状态特征的状态方程ASi＝y，计算阀电流iVTm。其中：
Figure GDA0003698035940000151
式中，
Figure GDA0003698035940000152
AS为状态方程的系数矩阵。
对系数矩阵AS求逆。计算阀电流iVTm：
i＝(AS)-1×y (13)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T。
S92、根据步骤S2、步骤S4、步骤S81和步骤S83，将Ai＝y与Cpi＝Dp的，结合阀状态特征S构造状态方程ESi＝z。对系数矩阵求逆，计算阀电流iVTm。
1)当Sa＝Sb，结合式(1)和式(8)，构造状态方程EabSi＝zab：
Figure GDA0003698035940000153
式中，
Figure GDA0003698035940000161
对系数矩阵EabS求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(EabS)-1×zab (15)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure GDA0003698035940000162
p＝ab，Eab为系数矩阵A和系数矩阵Cab组成的系数矩阵，zab为阀侧两端电流向量y和常数向量Dab组成的向量。
2)若Sa＝Sc，结合式(1)和式(9)，构造状态方程EacSi＝zac：
Figure GDA0003698035940000163
式中，
Figure GDA0003698035940000164
对系数矩阵EacS求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(EacS)-1×zac (17)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure GDA0003698035940000165
p＝ac，Eac为系数矩阵A和系数矩阵Cac组成的系数矩阵，zac为阀侧两端电流向量y和常数向量Dac组成的向量。
3)若Sb＝Sc，结合式(1)和式(10)，构造状态方程EbcSi＝zbc：
Figure GDA0003698035940000171
式中，
Figure GDA0003698035940000172
对系数矩阵EbcS求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(EbcS)-1×zbc (19)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure GDA0003698035940000173
p＝bc，Ebc为系数矩阵A和系数矩阵Cbc组成的系数矩阵，zbc为阀侧两端电流向量y和常数向量Dbc组成的向量。
4)当Sa＝Sb＝Sc，结合式(1)和式(11)，构造状态方程EabcSi＝zabc：
Figure GDA0003698035940000174
式中，
Figure GDA0003698035940000181
对系数矩阵EabcS求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(EabcS)-1×zabc (21)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure GDA0003698035940000182
p＝abc，Eabc为系数矩阵A和系数矩阵Cabc组成的系数矩阵，zabc为阀侧两端电流向量y和常数向量Dabc组成的向量。
S10、根据步骤S9，当步骤S9中计算的阀电流iVTm＜0(m＝1,2,3,4,5,6)时，考虑换流阀的单向导电性，在规定的正方向内换流阀的电流只能为正值，修正此时的阀状态，将阀状态修正为截止SVTm＝0，否则，不修正；
S11、重复步骤S5-步骤S10，直至计算得到的阀电流iVTm＞0。考虑阀的单向导电性修正后的阀状态如图13所示，SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为6个换流阀修正后的阀状态；基于修正后的阀状态的基础上再次计算的阀电流iVT1、iVT2、iVT3、iVT4、iVT5、iVT6，将阀状态修正后计算得到的阀电流与仿真值做对比，波形如图14所示，发现计算值与仿真值相吻合，表明此方法的有效性。
综上，本实施例提出的一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，借助于换流阀的触发脉冲信号和交流电流幅值的变化特征对阀状态判别；基于阀状态的基础上，结合交直流电流与阀电流的拓扑关系求解阀电流。考虑阀的单向导电性修正阀状态，再次计算阀电流，从而得到运行全过程的阀状态和阀电流。根据图14，阀电流的计算值与实际直流电网中的仿真值相吻合，验证了本发明方法的有效性。此方法可以应用到实际工程中，对工程的故障分析及控制协调非常重要。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，其特征在于，所述求解方法包括以下步骤：
S1、采集直流输电系统换流器阀侧三相交流电流ia、ib、ic和直流电流idH、idN，换流阀触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6；
S2、根据直流输电系统换流器的拓扑结构，建立阀侧三相交流电流ia、ib、ic、直流电流idH、idN与阀电流iVTm的节点电流方程Ai＝y；
Figure FDA0003698035930000011
其中，
Figure FDA0003698035930000012
A为阀电流系数矩阵，i为阀电流向量，y为阀侧两端电流向量，iVTm分别为6个换流阀的电流，m为6个换流阀的编号，m＝1、2、3、4、5、6；
S3、根据步骤S1得到的换流阀的触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6，当检测到换流阀的触发脉冲的上升沿时，将换流阀的编号m锁存到寄存器中；
S4、根据步骤S1得到的换流阀的触发脉冲FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6和交流电流的幅值特征以及交流电流变化量的特征进行阀状态的导通和截止判别，求取6个换流阀的阀状态SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6；
S5、根据步骤S4得到的阀状态，构造阀状态矩阵S：
Figure FDA0003698035930000021
式中：SVT1、SVT2、SVT3、SVT4、SVT5、SVT6为6个换流阀的阀状态；
S6、通过求每相上、下两阀状态的乘积，判断每相是否存在旁通的状态，每相的阀旁通状态Sa、Sb、Sc为：
Figure FDA0003698035930000022
式中：Sa表示a相的阀旁通状态，Sb表示b相的阀旁通状态，Sc表示c相的阀旁通状态，Sk＝1表示旁通，Sk＝0表示不旁通，k为a、b、c三相的序号；
S7、对三相的阀旁通状态进行求和，判断旁通相的数量，其中，旁通相的数量Stotal表示如下：
Stotal＝∑(Sa+Sb+Sc) (G4)；
式中：Stotal表示abc三相中旁通相的数量；
S8、根据步骤S7中求得的旁通相的数量与对应相，当Stotal＞1时，换流阀存在2条及以上旁通对，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp；其中：Cp为旁通回路电压方程的系数矩阵，i为阀电流向量，Dp为常数向量，p为旁通相的序号；所述步骤S8过程如下：
S81、根据步骤S7中得到的旁通相的数量，当旁通相的数量Stotal≤1时，换流阀无旁通对或单相旁通对运行，此时不需要构造旁通回路电压方程，跳到步骤S91，否则，转到步骤S82；
S82、当旁通相的数量Stotal＝2时，表明换流阀两相旁通运行，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp，跳到步骤S92，否则，转到步骤S83；其中，
1)若Sa＝Sb，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT3+iVT6 (G8)
增补旁通回路电压方程Cabi＝Dab，其中：Cab＝[1 0 -1 1 0 -1]，Dab＝[0]，p＝ab，Cab为ab相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dab为ab相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
2)若Sa＝Sc，则存在以下关系：
iVT1+iVT4＝iVT2+iVT5 (G9)
增补旁通回路电压方程Caci＝Dac，其中：Cac＝[1 -1 0 1 -1 0]，Dac＝[0]，p＝ac，Cac为ac相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dac为ac相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
3)若Sb＝Sc，则存在以下关系：
iVT2+iVT5＝iVT3+iVT6 (G10)
增补旁通回路电压方程Cbci＝Dbc中，Cbc＝[0 1 -1 0 1 -1]，Dbc＝[0]，p＝bc，Cbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dbc为bc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
S83、当旁通相的数量Stotal＝3时，表明换流阀三相旁通对运行，增补旁通回路电压方程Cpi＝Dp，跳到步骤S92；同时，存在以下关系：
Figure FDA0003698035930000031
增补旁通回路电压方程Cabci＝Dabc，其中：
Figure FDA0003698035930000032
Dabc＝[0 0]T，p＝abc，Cabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的系数矩阵，Dabc为abc相旁通时旁通回路电压方程的常数向量；
S9、根据步骤S2和步骤S8，并结合步骤S4对换流阀的阀电流iVTm进行求解，S9过程如下：
S91、构造基于阀状态特征的状态方程ASi＝y，对系数矩阵求逆计算阀电流iVTm：
i＝(AS)-1×y (G12)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T；
S92、将Ai＝y与Cpi＝Dp联立，结合阀状态矩阵S构造状态方程ESi＝z，对系数矩阵求逆，计算阀电流iVTm：
i＝(ES)-1×z (G13)
式中：i＝[iVT1 iVT2 iVT3 iVT4 iVT5 iVT6]T，
Figure FDA0003698035930000041
p为旁通相的序号，E为阀电流系数矩阵A和旁通回路电压方程的系数矩阵Cp组成的系数矩阵，z为阀侧两端电流向量y和常数向量Dp组成的向量；
S10、当步骤S9计算的阀电流iVTm＜0时，考虑换流阀的单向导电性，修正阀状态，将阀状态修正为截止SVTm＝0，否则，不修正；
S11、重复步骤S5-步骤S10，直至计算得到的阀电流iVTm≥0。
2.根据权利要求1所述的基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，其特征在于，所述步骤S4过程如下：
S41、当步骤S1中检测到换流阀的触发脉冲是高电平且满足换流阀的导通判据时，置位阀状态SVTm＝1，其中，换流阀的导通判据是：编号为m的换流阀所在相的交流电流的幅值|ik|大于交流电流定值，即：
|ik|＞Iset3 (G5)
式中：ik为a、b、c三相交流电流，Iset3为交流电流定值；
S42、当编号为m的换流阀为导通状态SVTm＝1时，若交流电流满足截止判据，则编号为m的换流阀为截止状态SVTm＝0；否则，编号为m的换流阀继续保持导通状态SVTm＝1；其中，换流阀的截止判据是：编号为m的换流阀所在相的交流电流的幅值|ik|小于截止电流门槛定值，且交流电流变化率小于变化量门槛定值，即：
Figure FDA0003698035930000051
式中：t为某一时刻的时间，Δt为采样时间间隔，Iset4为截止电流门槛定值，Iset5为变化量门槛定值；
S43、当只有单相的上、下两阀导通时，换流阀形成单相旁通对运行，旁通对的两阀判别为导通状态，单相旁通对判别条件是：直流电流的最大值减去交流电流绝对值的最大值大于换相失败门槛定值，且交流电流绝对值的最大值小于单相旁通对门槛定值，即：
Figure FDA0003698035930000052
式中：Iset1为换相失败门槛定值，Iset2为单相旁通对门槛定值；
S44、当交直流电流满足步骤S43的公式(G7)时，换流阀为单相旁通对运行，其中，单相旁通对的阀状态判别条件为：
1)当所有阀的旁通状态标志Sbypass_m＝0时，若步骤S3的寄存器信号等于m，则编号为m的换流阀所在相为旁通相，置位旁通相两阀的旁通状态标志等于1，保持旁通相两阀都为导通状态，即：Sbypass_m＝1和Sbypass_(mod(m+3,6))＝1，SVTm＝1和SVT(mod(m+3,6))＝1；
2)当编号为m的换流阀所在相的旁通状态标志Sbypass_m＝1或Sbypass_(mod(m+3,6))＝1时，保持编号为m的换流阀所在相两阀都为导通状态。
3.根据权利要求1所述的基于阀侧电流时序特征的换流阀状态与阀电流的求解方法，其特征在于，所述步骤S3中当检测到换流阀的触发脉冲的上升沿FPm(t)-FPm(t-Δt)＝1时，将换流阀的编号m锁存到寄存器中；其中：FPm(t)是编号为m的换流阀在t时刻的触发脉冲信号，FPm(t-Δt)是编号为m的换流阀在(t-Δt)时刻的触发脉冲信号，t为某一时刻的时间，Δt为采样时间间隔。
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