CN113783401B - 高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质 - Google Patents

高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质，控制方法包括以下步骤：实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；根据旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据直流电流获取换相面积预测值；根据换相电压预测波形和换相面积预测值计算触发角指令预测值；获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值，并从触发角指令预测值和触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制。本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质，可有效的减少换相失败，保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。

Description

高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质
技术领域
本发明涉及直流输电系统控制技术领域，尤其涉及一种高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质。
背景技术
我国地域辽阔，80％以上的能源分布在西部、北部，而75％左右的电能消费集中在中部、东部沿海经济发达地区，供需相距800至3000公里。高压直流输电以其在长距离、大容量电力传输的优势，在我国能源优化配置中发挥着举足轻重的作用。目前，“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。
高压直流输电换流器采用无自关断能力的晶闸管作为基本换流元件，如果预计关断的阀在反向电压作用时间内未能彻底关断，那么阀电压由负变正后会再次导通，这种现象称为换相失失败。换相失败是高压直流输电系统中最常见故障形式之一，通常发生于逆变侧。统计表明，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，甚至引发直流闭锁，严重威胁电网的安全稳定运行。随着我国交直流系统耦合日趋紧密，换相失败的发生将更为频繁、表现更为复杂，其影响范围也将进一步扩大。
换流器关断角过小是换相失败的根本原因，但关断角无法直接控制，需要通过控制触发角来间接调节关断角。目前工程普遍采用了换相失败预测控制环节来实现故障后的触发角快速控制，其核心在于对于三相故障和单相故障的判别。然而，依赖故障判别的控制手段在识别到故障前不具备换相失败预防能力，控制滞后性严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流输电系统的触发角控制方法、系统、装置及介质，可有效的减少换相失败，保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。
本发明通过下述技术方案实现：
高压直流输电系统的触发角控制方法，包括以下步骤：
实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对所述交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；
根据所述旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据所述直流电流获取换相面积预测值；
根据所述换相电压预测波形和所述换相面积预测值计算触发角指令预测值；
获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值，并从所述触发角指令预测值和所述触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制。
换流器关断角过小是换相失败的根本原因，但关断角无法直接控制，需要通过控制触发角来间接调节关断角。目前工程普遍采用了换相失败预测控制环节来实现故障后的触发角快速控制，其核心在于对于三相故障和单相故障的判别。然而，依赖故障判别的控制手段在识别到故障前不具备换相失败预防能力，控制滞后性严重。基于此，在本申请中提供了一种高压直流输电系统的触发角控制方法，通过在每个采样点构造换相电压预测波形，并结合换相机理，实现了可避免换相失败的触发角指令值实时预测。相比于现有的换相失败预测控制技术，本申请提出的触发角预测指令可以在故障后立即响应，无需进行故障判别即可实现触发角的动态调整，可以有效利用故障已发生但尚未被识别到的时段实现换相失败预防。
优选地，所述换相电压预测波形为：
Figure BDA0003305524860000021
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
优选地，所述换相面积预测值由下式获取：
Figure BDA0003305524860000022
其中，A是换相面积预测值，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
优选地，所述触发角指令预测值由下式获取：
Figure BDA0003305524860000031
其中，αp是触发角指令预测值，π为圆周率。
高压直流输电系统的触发角控制系统，包括：
采集模块，用于实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对所述交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；
处理模块，用于根据所述旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据所述直流电流获取换相面积预测值；
计算模块，用于根据所述换相电压预测波形和所述换相面积预测值计算触发角指令预测值；
获取模块，用于获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值；
控制模块，用于从所述触发角指令预测值和所述触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制。
换流器关断角过小是换相失败的根本原因，但关断角无法直接控制，需要通过控制触发角来间接调节关断角。目前工程普遍采用了换相失败预测控制环节来实现故障后的触发角快速控制，其核心在于对于三相故障和单相故障的判别。然而，依赖故障判别的控制手段在识别到故障前不具备换相失败预防能力，控制滞后性严重。基于此，在本申请中提供了一种高压直流输电系统的触发角控制方法，通过在每个采样点构造换相电压预测波形，并结合换相机理，实现了可避免换相失败的触发角指令值实时预测。相比于现有的换相失败预测控制技术，本申请提出的触发角预测指令可以在故障后立即响应，无需进行故障判别即可实现触发角的动态调整，可以有效利用故障已发生但尚未被识别到的时段实现换相失败预防。
优选地，所述换相电压预测波形为：
Figure BDA0003305524860000032
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
优选地，所述换相面积预测值为：
Figure BDA0003305524860000041
其中，A是换相面积预测值，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
优选地，所述触发角指令预测值为：
Figure BDA0003305524860000042
其中，αp是触发角指令预测值，π为圆周率。
电子装置，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如上所述的高压直流输电系统的触发角控制方法。
计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上所述的高压直流输电系统的触发角控制方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、触发角预测指令可以在故障后立即响应，无需进行故障判别即可实现触发角的动态调整，可以有效利用故障已发生但尚未被识别到的时段实现换相失败预防；
2、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。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明控制方法的流程示意图；
图2为采用本发明的控制方法与传统策略的三相故障下的关断角响应对比；
图3为采用本发明的控制方法与传统策略的单相故障下的关断角响应对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种高压直流输电系统的触发角控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：数据采集与处理
实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对采集的交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；同时为了后期能够获取和利用之前采集的数据，高压直流输电系统的控制保护装置还将采集的数据储存至少一个周期。
步骤2：换相电压预测波形构造
根据在每个采样时刻t下得到的旋转矢量幅值构造一段换相电压预测波形Up；
Figure BDA0003305524860000051
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
步骤3：换相面积预测值计算
根据在每个采样时刻t下采集的直流电流计算换相面积预测值A；
Figure BDA0003305524860000052
其中，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
步骤4：触发角指令预测值计算
在每个采样时刻t，根据步骤2的构造结果以及步骤3的计算结果，计算触发角预测指令值αp，αp满足：
Figure BDA0003305524860000061
其中，π为圆周率。
步骤5：触发角控制
获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值，并比较触发角指令预测值和触发角指令值的大小，选择小的指令值(本实施例所说的选择小的指令值指的是：在触发角指令值和触发角指令预测值中选择较小者)对高压直流输电系统的触发角进行控制。
以下对本方案的原理进行说明：
本发明的高压直流输电系统在每个采样时刻t构造一段换相电压预测波形Up：
Figure BDA0003305524860000062
可以看出，换相电压预测波形本质上是一段正弦半波，相位[0,θ]部分由历史电压数据直接归算获得，(θ,π]部分基于当前采样时刻电压数据和一周期内的电压跌落情况预测获得，并考虑可能的最恶劣工况。
实际换相过程中，换相电压、直流电流和换相持续时间之间的关系可以表示为：
Figure BDA0003305524860000063
其中，α为触发角，μ为换相重叠角，A为换相电压在换相时段内围成的面积，简称换相重叠面积。
类比上式，针对换相电压预测波形有：
Figure BDA0003305524860000064
其中，αp为人为设置的触发角，μp为αp作用下的换相重叠角，Ap为αp作用下的换相重叠面积。由上式可知，与实际换相过程类似，在特定的运行状态(直流电流、预测换相电压、换相电抗)下，预测换相过程的持续时间由触发角唯一确定。因此，利用期望的关断角可以反推求得满足条件的触发角指令。
在逆变侧交流系统故障等情况下，直流电流和换相电压都会发生变化，但上式由换相机理推导得出，相关关系仍可满足。因此可基于实测电流、换相电压预测波形，实时计算能够保证充足换相裕度的触发角预测指令αp，以降低系统的换相失败几率：
Figure BDA0003305524860000071
其中，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，参考正常工况下的换相裕度面积求得：
Figure BDA0003305524860000072
A1是换相重叠面积预测值，换相重叠面积为等值换相电抗和直流电流的乘积，而本发明是对于未来一次换相的提前控制，因此换相期间实际的直流电流变化情况无法直接获得，需对其进行估算。由于预测触发角的计算是实时进行的，其更新时刻无限接近换相起始时刻，故采用当前时刻的实测电流近似换相起始时刻的电流。另外，基于最近一周期的电流采样数据，考虑可能的最严重电流上升来估算换相结束时刻的直流电流。基于此，A1可以表示为：
Figure BDA0003305524860000073
其中，Id_ave是换相起止时刻电流预测平均值，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上提供了一种高压直流输电系统的触发角控制系统，包括：
采集模块，用于实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；
处理模块，用于根据旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据直流电流获取换相面积预测值；
其中，换相电压预测波形为：
Figure BDA0003305524860000074
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
换相面积预测值为：
Figure BDA0003305524860000081
其中，A是换相面积预测值，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
计算模块，用于根据换相电压预测波形和换相面积预测值计算触发角指令预测值；
其中，触发角指令预测值为：
Figure BDA0003305524860000082
其中，αp为触发角指令预测值，π为圆周率。
获取模块，用于获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值；
控制模块，用于从触发角指令预测值和触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上提供了一种电子装置，包括处理器和存储器；
存储器，用于存储处理器可执行指令；
处理器，被配置为执行如实施例1所提供的高压直流输电系统的触发角控制方法。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序，该计算机程序运行时执行如实施例1所提供的高压直流输电系统的触发角控制方法。
实施例5
为验证本申请所提供的控制方法能够减少换相失败的效果，在本实施例中采用PSCAD/EMTDC中的CIGRE直流输电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分别设置三相接地故障和单相接地故障，故障持续0.01s，故障电感分别为1.1H和0.7H，对比本发明方法投入与否对关断角响应情况的影响，仿真结果如图2和图3所示。
由图2可以看出，在传统换相失败预测控制策略下，电压扰动使得关断角跌落至0度，高压直流输电系统发生换相失败。而采用本发明策略后，关断角的跌落显著减少，换相失败得到了有效预防。由图3关断角的波形对比情况可以看出，单相故障下本发明仍可预防换相失败的发生。由此可见，本发明提出的控制方法或控制系统可以有效避免三相故障和单相故障下的换相失败现象。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.高压直流输电系统的触发角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对所述交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；
根据所述旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据所述直流电流获取换相面积预测值；
根据所述换相电压预测波形和所述换相面积预测值计算触发角指令预测值；
获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值，并从所述触发角指令预测值和所述触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制；
其中，所述换相电压预测波形为：
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统的触发角控制方法，其特征在于，所述换相面积预测值由下式获取：
其中，A是换相面积预测值，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
3.根据权利要求1所述的高压直流输电系统的触发角控制方法，其特征在于，所述触发角指令预测值由下式获取：
其中，αp为触发角指令预测值，π为圆周率。
4.高压直流输电系统的触发角控制系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于实时采集逆变侧的交流母线电压和直流电流，并对所述交流母线电压进行Clark变换，得到旋转矢量幅值；
处理模块，用于根据所述旋转矢量幅值构造换相电压预测波形，以及根据所述直流电流获取换相面积预测值；
计算模块，用于根据所述换相电压预测波形和所述换相面积预测值计算触发角指令预测值；
获取模块，用于获取逆变侧控制系统生成的触发角指令值；
控制模块，用于从所述触发角指令预测值和所述触发角指令值中选择小的指令值对高压直流输电系统的触发角进行控制；
其中，所述换相电压预测波形为：
其中，Up(ωtp)为换相电压预测波形，t为采样时刻，tp为所构造的换相电压预测波形对应的时间变量，其在[0,π]范围内变化，|uαβ(ωt)|为t时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值，ku为|uαβ(ωt)|一周期内的最大跌落速率，θ为正常运行工况下逆变侧的触发角，uαβ(ωt+ωtp-θ)为t+tp-θ/ω时刻下逆变侧交流母线电压进行clark变换后获得的旋转矢量幅值。
5.根据权利要求4所述的高压直流输电系统的触发角控制系统，其特征在于，所述换相面积预测值为：
其中，A是换相面积预测值，A0是可确保换相成功的换相裕度面积，A1是换相重叠面积预测值，ULn是额定逆变侧交流线电压有效值，γn是额定关断角，ω是系统的额定角频率，Lr是换相电感；Id是直流电流，kI是一周期内直流电流的最大上升斜率，μn是正常运行工况下的换相重叠角。
6.根据权利要求4所述的高压直流输电系统的触发角控制系统，其特征在于，所述触发角指令预测值为：
其中，αp为触发角指令预测值，π为圆周率。
7.电子装置，其特征在于，包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令；
所述处理器，被配置为执行如权利要求1-3中任意一项所述的高压直流输电系统的触发角控制方法。
8.计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1-3中任意一项所述的高压直流输电系统的触发角控制方法。
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