CN112803467A - 减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法，具体为：高压直流输电系统的控制保护装置实时采集关断角、定电流控制器输出、定关断角控制器输出；判断控制启动逻辑，一旦满足，储存当前时刻；基于当前时刻之前一个周期内的控制状态，计算出可保证不发生后续换相失败的关断角偏差；控制保护装置将定关断角控制器控制目标值切换，对高压直流输电系统的关断角进行控制。本发明能够更有效的减少后续换相失败，以保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。

Description

减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法

技术领域

本发明属于直流输电系统控制技术领域，尤其涉及一种减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法。

背景技术

高压直流输电系统在我国长距离、大容量电力传输中发挥着举足轻重的作用。目前，我国东北、华北、西北、华中、华东、南方等6个大型区域电网通过高压直流输电线路实现互联，“三北”和西南地区大型能源基地数亿千瓦的功率正通过数十回高压直流输电线路跨区输送到上千公里之外的中部和东南沿海负荷中心。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，再在高压直流输电系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。

在换流器的整流过程和逆变过程中，如果预计关断的换流阀在反向电压作用时间内未能彻底关断，则换流阀在电压由负变正后会再次导通，称之为换相失败。换相失败是高压直流输电系统中最常见故障形式之一，据统计，2010至2015年华东地区7回直流输电工程共发生换相失败多达330次。换相失败将导致直流电流骤增，对换流阀产生冲击。此外，在单次换相失败之后，高压直流输电系统的控制不合理可能会引起后续换相失败。连续的换相失败容易引起直流系统降功率运行，甚至导致系统停运，威胁大电网的安全稳定。

关断角是决定换相失败发生与否的决定性指标，高压直流输电系统在逆变侧配置有定关断角控制器，同时配置定电流控制器，两者二选一投入。在正常运行工况下，定关断角控制器投入，保证关断角恒定，进而避免发生换相失败。而在首次换相失败发生后，系统电气量剧烈波动，导致定关断角、定电流两控制器频繁切换，在定电流控制模式下，关断角不受控，有可能引起后续换相失败。在典型的高压直流输电系统控制系统中，定关断角控制器和定电流控制器之间仅具有简单的切换逻辑，而没有专门针对预防后续换相失败的协同策略，无法保证首次换相失败发生后关断角持续受控，故其减少后续换相失败的效果有待提高。

发明内容

为更有效的减少后续换相失败，以保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行，本发明提供一种减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法。

本发明的减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法，包括以下步骤：

步骤1：数据采集：

高压直流输电系统的控制保护装置实时采集关断角γ、定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc、定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea，并将采集数据储存一个周期。

步骤2：控制启动逻辑判断：

控制保护装置比较定电流控制器和定关断角控制器输出的越前触发角指令，如果β_cc＞β_cea，令标识变量F₁＝1，否则令F₁＝0。

比较γ_min和γ'_ref，如果γ'_ref＞γ_min，令标识变量F₂＝1，否则令F₂＝0，其中，γ_min是γ在一周期内的最小值，γ'_ref是一个略大于定关断角控制器控制目标值γ_ref的常数。

将F₁和F₂分别输入JK触发器的J端口和K端口，实时监测JK触发器的Q端口输出是否变为1，一旦变为1，储存当前时刻t_c。

步骤3：关断角偏差计算：

控制保护装置提取t_c之前一个周期内，定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc和定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea的最大值，分别记为β_{cc_max}和β_{cea_max}，进一步地，计算出可保证不发生后续换相失败的关断角偏差Δγ'：

Δγ'＝(β_{cc_max}-β_{cea_max})/k_p,cea+γ_ref

其中，k_p,cea是定关断角控制器的比例控制增益。

步骤4：关断角控制参考值切换：

控制保护装置将定关断角控制器控制目标值由原本的γ_ref切换为γ_{ref_2}，γ_{ref_2}＝γ_min+Δγ'，对高压直流输电系统的关断角进行控制。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

一、本发明结合高压直流输电系统电气量测量结果、控制器输出参量，应用JK触发器，实现了首次换相失败后异常控制状态的有效判别，一旦换相失败清除后关断角的大幅跃变引起了控制模式切换，本发明控制启动逻辑可以及时输出指令，便于准确而有针对性地投入后续控制策略。

二、本发明根据系统实际控制状态，反求可保证不发生控制切换的最大关断角偏差，进而以保证该偏差恒定为控制目标，实现首次换相失败后的关断角平稳恢复。相比于传统的定关断角控制，本发明可以保证在首次换相失败后的系统恢复过程中逆变侧关断角持续受控，可以减少高压直流输电系统的后续换相失败现象。

三、本发明无需改变高压直流输电系统的结构和硬件，只需基于系统现有的测量点，实时采集电气量信号，进行简单的加减、比较等运算即可实现控制功能。对硬件软件要求低，速度快，实时性好，适于工程应用。

具体实施方式

下面通过具体实施方法和仿真对本发明做进一步详细说明。

本发明的减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法，包括以下步骤：

步骤1：数据采集：

高压直流输电系统的控制保护装置实时采集关断角γ、定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc、定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea，并将采集数据储存一个周期。

步骤2：控制启动逻辑判断：

控制保护装置比较定电流控制器和定关断角控制器输出的越前触发角指令，如果β_cc＞β_cea，令标识变量F₁＝1，否则令F₁＝0。

比较γ_min和γ'_ref，如果γ'_ref＞γ_min，令标识变量F₂＝1，否则令F₂＝0，其中，γ_min是γ在一周期内的最小值，γ'_ref是一个略大于定关断角控制器控制目标值γ_ref的常数。

将F₁和F₂分别输入JK触发器的J端口和K端口，实时监测JK触发器的Q端口输出是否变为1，一旦变为1，储存当前时刻t_c。

步骤3：关断角偏差计算：

控制保护装置提取t_c之前一个周期内，定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc和定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea的最大值，分别记为β_{cc_max}和β_{cea_max}，进一步地，计算出可保证不发生后续换相失败的关断角偏差Δγ'：

Δγ'＝(β_{cc_max}-β_{cea_max})/k_p,cea+γ_ref

其中，k_p,cea是定关断角控制器的比例控制增益。

步骤4：关断角控制参考值切换：

控制保护装置将定关断角控制器控制目标值由原本的γ_ref切换为γ_{ref_2}，γ_{ref_2}＝γ_min+Δγ'，对高压直流输电系统的关断角进行控制。

本发明原理：

就定关断角控制器的设计初衷而言，在关断角增大后使其稳定恢复至正常即可。控制器感知到的关断角偏差的正负影响控制的调节趋势，其大小影响调节速度。在首次换相失败清除后，关断角快速恢复，此时过大的关断角偏差跃变会导致定关断角控制输出的越前触发角指令β_cea快速降低，一旦β_cea＜β_cc，系统切换为定电流模式，引发后续换相失败的风险。

本发明利用JK触发器实现了控制启动逻辑，JK触发器的输出规则如表1所示。在正常运行工况下，高压直流输电系统逆变侧处于定关断角控制模式，即β_cc＜β_cea，且关断角γ_min被稳定控制于γ_ref，由于γ'_ref略大于γ_ref，故有γ'_ref＞γ_min，此时触发器处于状态2，输出为0。在换相失败发生期间，系统控制模式不发生变化，且关断角跌落至0，此时β_cc＜β_cea和γ'_ref＞γ_min仍成立，触发器的状态和输出值均不变。一旦换相失败清除，换流器恢复逆变功能，关断角将迅速升高至远大于其正常值，此时触发器K端输入跳变，切换为状态1，但输出仍保持不变。关断角迅速增大后，控制模式可能由定关断角切换为定电流，一旦发生控制切换，即满足β_cc＞β_cea，触发器立即由状态1切换为状态3，输出由0变为1，此时启动本发明控制。

表1控制启动逻辑的输出规则

本发明在控制启动条件满足后，根据系统实际调节状态，反求可保证不发生控制切换的最大关断角偏差Δγ'，进而将定关断角控制器控制目标值由原本的γ_ref切换为γ_{ref_2}，γ_{ref_2}＝γ_min+Δγ'，此时虽然调整了控制的调节速度，但在保证控制调节趋势不变的条件下避免了控制模式切换，防止后续换相失败的发生。

仿真实验

为验证所提控制方法减少连续换相失败的效果，采用PSCAD/EMTDC下的CIGRE标准测试系统作为仿真模型。在高压直流输电系统逆变侧的交流母线处设置感性接地故障，接地电感越小，表示故障越严重。设置故障时刻在半个周期内以1ms为步长连续变化，接地电感在0.2H～0.8H范围内以0.1H为步长连续变化，故障类型采用单相接地故障和三相接地故障。在不同故障条件下，对比本方法投入与否对后续换相失败的影响。

三相故障下的仿真结果如表2、表3所示。

表2三相故障时不投入本方法下的后续换相失败次数

表3三相故障时投入本方法下的后续换相失败次数

由仿真结果可知：不采用本发明提出的控制方法时，所仿真的70种故障条件中，有22种会发生一次后续换相失败；如果采用本发明提出的控制方法，所仿真的70种故障条件中，均不会发生后续换相失败。采用本发明的控制方法后，所有后续换相失败情况都可以被有效预防。可见本发明提出的控制方法可以有效避免三相故障下的后续换相失败现象。

单相故障下的仿真结果如表4、表5所示，表中，“—”表示该故障条件下没有首次换相失败发生，即无必要讨论后续换相失败。

表4单相故障时不投入本方法下的后续换相失败次数

表5单相故障时投入本方法下的后续换相失败次数

由仿真结果可知：不采用本发明提出的控制方法时，所仿真的70种故障条件中，有53种会发生一次后续换相失败，有4种会发生两次后续换相失败；如果采用本发明提出的控制方法，所仿真的70种故障条件中，均不会发生后续换相失败。采用本发明的控制方法后，所有后续换相失败情况都可以被有效预防。可见本发明提出的控制方法可以有效避免单相故障下的后续换相失败现象。

Claims (1)

1.减少高压直流输电系统后续换相失败的关断角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据采集：

高压直流输电系统的控制保护装置实时采集关断角γ、定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc、定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea，并将采集数据储存一个周期；

步骤2：控制启动逻辑判断：

控制保护装置比较定电流控制器和定关断角控制器输出的越前触发角指令，如果β_cc＞β_cea，令标识变量F₁＝1，否则令F₁＝0；

比较γ_min和γ'_ref，如果γ'_ref＞γ_min，令标识变量F₂＝1，否则令F₂＝0，其中，γ_min是γ在一周期内的最小值，γ'_ref是一个略大于定关断角控制器控制目标值γ_ref的常数；

将F₁和F₂分别输入JK触发器的J端口和K端口，实时监测JK触发器的Q端口输出是否变为1，一旦变为1，储存当前时刻t_c；

步骤3：关断角偏差计算：

控制保护装置提取t_c之前一个周期内，定电流控制器输出的越前触发角指令β_cc和定关断角控制器输出的越前触发角指令β_cea的最大值，分别记为β_{cc_max}和β_{cea_max}，进一步地，计算出可保证不发生后续换相失败的关断角偏差Δγ'，

Δγ'＝(β_{cc_max}-β_{cea_max})/k_p,cea+γ_ref

其中，k_p,cea是定关断角控制器的比例控制增益；

步骤4：关断角控制参考值切换：

控制保护装置将定关断角控制器控制目标值由原本的γ_ref切换为γ_{ref_2}，γ_{ref_2}＝γ_min+Δγ'，对高压直流输电系统的关断角进行控制。