CN113572188B - 一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：检测逆变侧直流电压；S2：计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率；S3：定义并计算高压直流输电控制系统逆变侧的自适应补偿电阻；S4：获取低压限流控制环节新的输入电压；S5：利用模型仿真并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统中抑制后续换相失败的有效性。本发明能及时降低低压限流控制环节输出的直流电流指令，抑制直流系统后续换相失败，提高了高压直流输电系统运行的安全可靠性。

Description

一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电控制系统抵御换相失败技术领域，尤其涉及一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法。

背景技术

高压直流输电控制系统换相失败是逆变器常见的故障，当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称为换相失败，作为直流输电系统中重要的控制策略，低压限流器能够在直流电压跌落时发出降低直流电流指令，从而在故障稳态后将直流电流维持在较低的数值，有利于减小逆变站在故障期间的无功消耗和换流母线电压的恢复，也有利于促进换相过程，抑制直流输电换相失败。

传统的常规低压限流控制(VDCOL)的启动电压与逆变侧的直流电流、直流电压和补偿电阻有关，然而，由于逆变侧的直流电流值、直流电压值均是通过实验测量所得，补偿电阻为常数，因此，常规VDCOL直流电流调节指令灵敏度较低，导致高压直流输电系统中连续换相失败无法被有效的抑制，降低了高压直流输电控制系统的安全可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的不足，而提出能够减小系统换相失败的风险，并在正常情况下不影响系统稳定运行的一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法，括以下步骤：

S1：检测高压直流输电系统逆变侧直流电压，通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；

S2：计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率；

直流电流增长率的计算步骤如下：

S2.1：检测逆变侧的直流电流，通过测量单元获取逆变侧直流电流标幺值；

S2.2：计算直流系统逆变侧的直流电流增长率；

其，直流电流增长率K的计算公式为：其中，K为直流电流增长率，I_dn*为逆变侧的直流电流的标幺值，I_dN*为额定工况下逆变侧的直流电流标幺值；

S3：定义并计算高压直流输电控制系统的自适应补偿电阻；

自适应补偿电阻的计算步骤如下：

S3.1：检测直流控制系统中的补偿电阻；

S3.2：检测引入的增益因子；

S3.3：计算自适应补偿电阻；

自适应补偿电阻的计算公式为：R_v-z＝R_v(1-nK)，其中，R_v-z为自适应补偿电阻，R_v为补偿电阻，n为引入的增益因子，n>1；

S4：计算直流输电控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；

S5：利用模型仿真并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相；模型为在PSCAD/EMTDC环境中基于CIGRE标准测试模型。

一种制后续换相失败的自适应补偿电阻控制系统，该系统运行时执行权利要求1-7任意一项所述的方法，包括检测模块、计算模块和仿真验证模块，

所述检测模块用于检测高压直流输电系统逆变侧的直流电压、直流电流和逆变站的关断角数值；

所述计算模块用于计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率和加入自适应补偿电阻后低压限流控制环节新的输入电压的数值；

所述仿真验证模块用于采用仿真模型分析，并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相。

本发明提供了一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法。具备以下有益效果：

该控制方法采用自适应补偿电阻的方式，能够灵敏地捕捉到直流电流的变化情况，并根据直流电流的变化情况及时降低低压限流控制环节输出的直流电流指令，从而有效抑制直流系统后续换相失败，提高高压直流输电系统的可靠性。

附图说明

图1为CIGRE HVDC标准测试模型控制环节结构框图；

图2为低压限流控制特性曲线；

图3为本发明提出的一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法中自适应补偿电阻的示意图；

图4为本发明中单相接地故障接地电感L_f＝1.2H时系统的动态特性的示意图；

图5为本发明中三相接地故障接地电感L_f＝0.45H时系统的动态特性的示意图；

图6为本发明中单相接地故障接地电感L_f＝0.45H时系统的动态特性的示意图；

图7为本发明CIGRE标准测试模型的原理图。

具体实施方式

下面将结合说明书中的附图，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。

如图1所示，I_dre为整流侧直流电流测量值；U_din为逆变侧直流电压测量值；I_din为逆变侧直流电流测量值；γ_in为逆变侧关断角测量值；I_des为主控制极给出的直流电流指令值；γ_ref为关断角参考值；α_{re_ord}为整流侧定电流控制输出的触发角指令值；α_{in_ord}为输出的逆变侧触发角指令值。

低压限流控制(VDCOL)作为直流输电系统中重要的控制策略，低压限流器能够在直流电压跌落时发出降低直流电流指令，从而在故障稳态后将直流电流维持在较低的数值，有利于减小逆变站在故障期间的无功消耗和换流母线电压的恢复，也有利于促进换相过程，抑制直流输电换相失败。

一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法，包括以下步骤：

S1：检测高压直流输电系统逆变侧直流电压，通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；

S2：计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率；

S3：定义并计算高压直流输电控制系统的自适应补偿电阻；

S4：获取直流输电控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；

S5：利用模型仿真并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述步骤S2中，直流电流增长率的计算步骤如下：

S2.1：检测逆变侧的直流电流，通过测量单元获取逆变侧直流电流标幺值；

S2.2：计算直流系统逆变侧的直流电流增长率。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述直流电流增长率K的计算公式为：其中，K为直流电流增长率，I_dn*为逆变侧的直流电流的标幺值，I_dN*为额定工况下逆变侧的直流电流标幺值。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述步骤S3中，自适应补偿电阻的计算步骤如下：

S3.1：检测直流控制系统中的补偿电阻；

S3.2：检测引入的增益因子；

S3.3：计算自适应补偿电阻。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述自适应补偿电阻的计算公式为：R_v-z＝R_v(1-nK)，其中，R_v-z为自适应补偿电阻，R_v为补偿电阻，n为引入的增益因子，n>1。

如图3，U_dn*、I_dn*分别是逆变侧直流电压、直流电流经过测量单元后的标幺值，I_dN*是直流额定电流标幺值，K是直流电流增长率，n为增益因子，R_v-z为新得到的自适应补偿电阻。在图3中，VDCOL的启动电压主要取决于U_dn(U_dn>>R_vI_dn)，因此，引入增益因子n(n>1)，n越大，R_v-z越小，新的启动电压U_r'降幅越显著，换相失败的抑制作用可得到显著提升。

当交流系统无故障发生，即正常稳定运行时，直流电流保持为额定值不变，故K＝0，R_v-z＝R_v＝0.01。意味着正常工况运行时，该控制方法不会对VDCOL控制及直流系统产生任何影响。

当受端交流系统发生接地故障时，逆变侧直流电流增大，K>0，R_v-z<R_v，U_d*<U_d，当U_d*<U₂时，直流电流指令I_ord将从I₂开始降低，如图2所示。自适应的补偿电阻控制方法使得VDCOL对故障的反应更加灵敏，使直流电流指令提前减小，有利于降低故障期间换相失败的发生概率。

在恢复过程中，逆变侧直流电流减小，当直流电流I_din*在控制系统的作用下慢慢降低，小于额定值I_din-n*时，K<0，R_v-z>R_v，U_d*>U_d，VDCOL控制直流电流指令I_ord增大，因此从一定程度上可以限制输出功率的大幅降低。

步骤S5中，仿真模型为在PSCAD/EMTDC环境中基于CIGRE标准测试模型，模型如图7所示：其中，R_d、L_d分别为直流线路上电阻与电感的集中参数值，C为输电线路的对地电容值，电感性接地故障是实际系统中最为常见的故障形态，且在相同条件下也是最容易导致换相失败的故障形态，在逆变侧换流母线处设置了感性接地故障，不同接地电感值L_f代表接地点到换流母线之间不同的电气距离，L_f越小，表示故障越严重；

步骤S5中，针对所搭建的CIGRE标准测试模型，设计了以下两种直流控制方案以对比在交流系统发生不同程度短路故障状态下交直流系统的动态特性：

(1)：控制系统与CIGRE直流输电标准测试系统相同；

(2)：将方案(1)中的虚拟电阻改为自适应补偿电阻。

工况1：在逆变侧换流母线处设置单相接地故障，接地电感L_f＝1.2H，模拟实际工程中可能出现的轻微故障，故障时刻设在2.0s，故障持续时间为0.5s，在该故障条件下，直流输电系统在两种控制方案下的部分电气量的变化如图4所示；

由图4可见，此时L_f值较大，实际系统中的故障点与换流母线电气距离较大、故障较轻，CIGRE直流输电标准测试系统没有发生换相失败，在改进为自适应的补偿电阻控制后，系统亦没有发生换相失败；

经过大量仿真实验分析可得，对于类似较轻故障，若采用方案(1)时直流输电未发生换相失败，则采用方案(2)时直流输电系统也不会发生换相失败。表明补偿电阻改进后并未引起不良效果；

工况2：在3.0s时在逆变侧换流母线处设置经L_f＝0.45H电感接地的三相故障，故障持续时间为0.5s，在该故障条件下，直流输电系统在各控制方案下的部分电气量的对比结果如图5所示；

有图3可见，该工况下L_f较小，对应实际工程中较严重的故障。当应用方案(1)时，直流系统在故障发生后发生两次冲击，关断角γ两次降至0°，即直流输电连续发生两次换相失败，由于直流输电的第一次换相失败距离交流系统故障的时间很短，故障程度严重，故第一次换相失败难以避免，但自适应的补偿电阻的引入，通过对逆变侧直流电流变化的响应，进而对VDCOL启动电压有效地压低，从而避免了后续的第二次换相失败，直流功率避免了再一次的跌落；

工况3：设逆变侧换流母线于2.0s时发生三相感性接地故障，接地电感值L_f＝0.45H，故障持续时间为0.5s，在该故障条件下，两种控制方案部分电气量的对比结果如图6所示；

如图6所示，原直流系统发生了三次换相失败，而所提出的控制方法有效抑制了第三次换相失败；

综上所述，本文所提出的自适应的补偿电阻控制方法，在正常工作或轻微故障时，不会给直流系统带来负面影响，在较为严重的单相或三相故障时有效抑制了直流系统的后续换相失败。

该控制方法采用自适应补偿电阻的方式，能够灵敏地捕捉到直流电流的变化情况，并及时降低低压限流控制输出的直流电流指令，在系统正常且不影响系统传输的功率的情况下，降低直流系统发生后续换相失败的概率，提高高压直流输电控制系统的运行安全性。

一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制系统，包括检测模块、计算模块和仿真验证模块：

所述检测模块用于检测高压直流输电系统逆变侧的直流电压、直流电流和逆变站的关断角数值；

所述计算模块用于计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率和加入自适应补偿电阻后低压限流控制环节新的输入电压的数值；

所述仿真验证模块用于采用仿真模型分析，并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种抑制后续换相失败的自适应补偿电阻控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：检测高压直流输电系统逆变侧直流电压，通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；

S2：计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率；

直流电流增长率的计算步骤如下：

S2.1：检测逆变侧的直流电流，通过测量单元获取逆变侧直流电流标幺值；

S2.2：计算直流系统逆变侧的直流电流增长率；

其，直流电流增长率K的计算公式为：其中，K为直流电流增长率，/>为逆变侧的直流电流的标幺值，/>为额定工况下逆变侧的直流电流标幺值；

S3：定义并计算高压直流输电控制系统的自适应补偿电阻；

自适应补偿电阻的计算步骤如下：

S3.1：检测直流控制系统中的补偿电阻；

S3.2：检测引入的增益因子；

S3.3：计算自适应补偿电阻；

自适应补偿电阻的计算公式为：R_v-z＝R_v(1-nK)，其中，R_v-z为自适应补偿电阻，R_v为补偿电阻，n为引入的增益因子，n>1；

S4：计算直流输电控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；

S5：利用模型仿真并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相；模型为在PSCAD/EMTDC环境中基于CIGRE标准测试模型。

2.一种制后续换相失败的自适应补偿电阻控制系统，该系统运行时执行权利要求1所述的方法，其特征在于：包括检测模块、计算模块和仿真验证模块，

所述检测模块用于检测高压直流输电系统逆变侧的直流电压、直流电流和逆变站的关断角数值；

所述计算模块用于计算高压直流输电系统逆变侧的直流电流增长率和加入自适应补偿电阻后低压限流控制环节新的输入电压的数值；

所述仿真验证模块用于分析并验证自适应补偿电阻在高压直流输电系统的换相。