一种高压直流输电的低压限流控制方法、系统及装置与流程
本发明涉及高压直流输电领域，特别是涉及一种高压直流输电的低压限流控制方法、系统及装置。
背景技术：
目前，高压直流输电技术在限制系统短路电流水平、隔断交直流系统间故障影响及解决大容量远距离输电等问题上具有较大优势，因此高压直流输电系统在电网中得到广泛应用。现有技术中，高压直流输电系统内开关器件通常采用无关断能力的晶闸管，所以高压直流输电系统逆变侧发生换相失败是一种常见的故障，它会导致系统直流电压降低、直流输电功率减少、直流电流增大及换流阀寿命缩短等不良后果。如果换相失败后控制不当，还会引发后续的换相失败，最终导致系统直流传输中断。
为了防止高压直流输电系统出现连续换相失败，现有技术通常采用低压限流控制方法：在系统直流电压下降到一个指定值时，对系统的直流电流指令进行限制，目的是防止故障期间系统直流电流的迅速增大，降低系统无功需求，从而有利于系统直流电压的维持或恢复，进而起到预防换相失败的作用。具体地，现有的低压限流控制方法采用线性控制方式，如图1所示(图1中，udc*为系统直流电压，uh*为系统启动电压，ul*为系统最小允许电压，iord*为系统直流电流指令，ih*为系统最大允许电流，il*为系统最小允许电流)。但是，当系统发生严重故障时，其响应较慢，导致逆变侧电压和直流输电功率调整缓慢，对于低电压水平时直流电流的增长速度来说，仍难以避免系统发生连续换相失败，且不利于故障切除后系统的恢复。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高压直流输电的低压限流控制方法、系统及装置，避免了系统发生连续换相失败的情况，且保证了系统较快恢复正常运行。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流输电的低压限流控制方法，包括：
预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流；
将以所述启动电压和所述最大允许电流为一个端点、以所述最小允许电压和所述最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率；n为大于1的整数；
将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线；
在所述系统工作的过程中，当所述系统的实际直流电压小于所述启动电压时，根据变斜率的所述ui特性曲线对所述系统的直流电流指令进行限制。
优选地，所述预设电压电流关系式包括电流坐标求取关系式
优选地，在获取相邻子曲线的交点坐标值之后，在最终得到变斜率的ui特性曲线之前，该低压限流控制方法还包括：
利用预设迭代算法对所述交点坐标值进行迭代计算，得到最优交点坐标值；
则所述最终得到变斜率的ui特性曲线的过程，包括：
根据两端点的坐标值和所述最优交点坐标值得到变斜率的ui特性曲线。
优选地，该低压限流控制方法还包括：
当所述系统的实际直流电压小于所述启动电压时，控制提示装置发出表示系统进入低压限流控制的提示信息。
优选地，所述提示装置具体为指示灯或蜂鸣器。
优选地，0.7*所述系统的额定电压≤所述启动电压≤0.9*所述额定电压，0.1*所述额定电压≤所述最小允许电压≤0.2*所述额定电压，0.1*所述系统的额定电流≤所述最小允许电流≤0.2*所述额定电流，所述最大允许电流＝所述额定电流。
优选地，n＝6。
优选地，所述根据变斜率的所述ui特性曲线对所述系统的直流电流指令进行限制的过程，包括：
根据变斜率的所述ui特性曲线得到直流电流指令关系式
将所述实际直流电压代入对应直流电流指令关系式，得到所述系统的直流电流指令，以按照所述直流电流指令控制所述系统的直流电流。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种高压直流输电的低压限流控制系统，包括：
端点确定模块，用于预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流；
曲线设定模块，用于将以所述启动电压和所述最大允许电流为一个端点、以所述最小允许电压和所述最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率；n为大于1的整数；
曲线获取模块，用于将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线；
限流控制模块，用于在所述系统工作的过程中，当所述系统的实际直流电压小于所述启动电压时，根据变斜率的所述ui特性曲线对所述系统的直流电流指令进行限制。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种高压直流输电的低压限流控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现上述任一种高压直流输电的低压限流控制方法。
本发明提供了一种高压直流输电的低压限流控制方法，包括：预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流；将以启动电压和最大允许电流为一个端点、以最小允许电压和最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率；将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线；在系统工作的过程中，当系统的实际直流电压小于启动电压时，根据变斜率的ui特性曲线对系统的直流电流指令进行限制。
可见，本申请的ui特性曲线包含n段斜率不同的子曲线(对应越大直流电压的子曲线的斜率越大)。也就是说，当系统直流电压处于较低水平时，系统所能提供的无功功率较少，此时系统直流电流应以较缓慢的速度增长，从而相比于现有技术，减小了换相时的无功消耗，促进了换相电压的恢复；当系统直流电压达到较高水平时，系统所能提供的无功功率较多，此时系统直流电流应以较快的速度增长，从而促进了系统传输功率的恢复，进而避免了系统发生连续换相失败的情况，且保证了系统较快恢复正常运行。
本发明还提供了一种高压直流输电的低压限流控制系统及装置，与上述低压限流控制具有相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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为现有技术中的一种低压限流控制ui特性曲线；
图2为本发明实施例提供的一种高压直流输电的低压限流控制方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统模型的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种低压限流控制ui变斜率特性曲线；
图5为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统控制结构框图；
图6(a)为本发明实施例提供的一种使用传统低压限流控制在受端三相接地故障时的直流电流仿真波形图；
图6(b)为本发明实施例提供的一种使用传统低压限流控制在受端三相接地故障时的直流电压仿真波形图；
图6(c)为本发明实施例提供的一种使用传统低压限流控制在受端三相接地故障时的关断角仿真波形图；
图7(a)为本发明实施例提供的一种使用改进低压限流控制在受端三相接地故障时的直流电流仿真波形图；
图7(b)为本发明实施例提供的一种使用改进低压限流控制在受端三相接地故障时的直流电压仿真波形图；
图7(c)为本发明实施例提供的一种使用改进低压限流控制在受端三相接地故障时的关断角仿真波形图；
图8为本发明实施例提供的一种高压直流输电的低压限流控制系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种高压直流输电的低压限流控制方法、系统及装置，避免了系统发生连续换相失败的情况，且保证了系统较快恢复正常运行。
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。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种高压直流输电的低压限流控制方法的流程图。
该高压直流输电的低压限流控制方法包括：
步骤s1：预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流。
具体地，请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统模型的结构示意图。高压直流输电系统包括整流侧交流线路阻抗z1、逆变侧交流线路阻抗z2、直流线路阻抗zl、整流侧变压器t1、逆变侧变压器t2、控制器(αrec为整流侧延迟角，αinv为逆变侧延迟角)、整流器和逆变器。
高压直流输电系统的工作原理为：通过控制器调节整流器和逆变器的导通角来实现直流电压、直流电流的生成及功率的传输。通常情况下，控制器配有适用于不同条件的控制策略，如定功率控制、定电流控制、定关断角控制、电流偏差控制及低压限流控制等控制策略。
对于高压直流输电系统的低压限流控制来说，低压限流控制的触发条件为：系统受端电压发生故障导致系统直流电压出现一定程度地下降，当系统直流电压下降到系统启动电压时，系统内控制器进入低压限流控制。
基于此，本申请首先获取低压限流控制对应的系统最值电压及最值电流。具体地，本申请根据系统的工作参数确定系统的启动电压和最小允许电压(系统最值电压)，及确定系统的最大允许电流和最小允许电流(系统最值电流)，以为后期改进ui特性曲线打下基础。
步骤s2：将以启动电压和最大允许电流为一个端点、以最小允许电压和最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率。
具体地，考虑到系统直流电压处于较低水平时，系统所能提供的无功功率较少，而系统直流电流处于较快增长速度时，系统换相所需的无功功率较多，所以当系统直流电压处于较低水平时，若系统直流电流增长速度较快，则会出现系统所能提供的无功功率不足以供系统换相使用，从而导致换相失败的情况发生。反之，系统直流电压处于较高水平时，系统所能提供的无功功率较多，所以此时系统直流电流可以通过较快的速度增长，这样反而能够促进系统传输功率的恢复。
因此，为了避免系统发生连续换相失败，本申请应根据系统直流电压值的大小适应性改变系统直流电流的增长速度，具体是：系统直流电压较大时直流电流的增长速度＞系统直流电压较小时直流电流的增长速度。基于此，本申请的低压限流控制方法采用分段线性控制方式，其具体设定原理为：
首先获取低压限流控制方法对应的ui特性曲线的两端点的坐标值(可以理解的是，系统的启动电压和最大允许电流为ui特性曲线的一个端点，系统的最小允许电压和最小允许电流为ui特性曲线的另一个端点)；然后依据系统直流电压越大，系统直流电流的增长速度越快(即ui特性曲线的斜率越大)的控制原理，将ui特性曲线分成n段子曲线(n为大于1的整数)，且按照对应越大直流电压的子曲线的斜率越大的规则，为每段子曲线设定斜率。
步骤s3：将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线。
需要说明的是，本申请的预设是提前设置好的，只需要设置一次，除非根据实际情况需要修改，否则不需要重新设置。
具体地，本申请在获得ui特性曲线的两端点的坐标值和每段子曲线的斜率之后，还需获取相邻子曲线的交点坐标值，才能最终得到完整的ui特性曲线。所以，本申请提前设置已知量为ui特性曲线的两端点的坐标值和每段子曲线的斜率、未知量为相邻子曲线的交点坐标值的电压电流关系式，然后本申请在获取到电压电流关系式的已知量之后，便可将已知量代入电压电流关系式，得到电压电流关系式的未知量：相邻子曲线的交点坐标值，从而便可得出完整的ui特性曲线(由于ui特性曲线包含不同斜率，所以可称为ui变斜率特性曲线)。
步骤s4：在系统工作的过程中，当系统的实际直流电压小于启动电压时，根据变斜率的ui特性曲线对系统的直流电流指令进行限制。
具体地，在系统工作的过程中，本申请应实时检测系统的实际直流电压，并将其与系统的启动电压作比较，当系统的实际直流电压小于其启动电压时，本申请便可依据改进后的低压限流控制对系统进行保护，即根据ui变斜率特性曲线获取与系统的实际直流电压对应的直流电流指令，并按照此直流电流指令对系统的直流电流进行控制，从而起到限流作用。
本发明提供了一种高压直流输电的低压限流控制方法，包括：预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流；将以启动电压和最大允许电流为一个端点、以最小允许电压和最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率；将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线；在系统工作的过程中，当系统的实际直流电压小于启动电压时，根据变斜率的ui特性曲线对系统的直流电流指令进行限制。
可见，本申请的ui特性曲线包含n段斜率不同的子曲线(对应越大直流电压的子曲线的斜率越大)。也就是说，当系统直流电压处于较低水平时，系统所能提供的无功功率较少，此时系统直流电流应以较缓慢的速度增长，从而相比于现有技术，减小了换相时的无功消耗，促进了换相电压的恢复；当系统直流电压达到较高水平时，系统所能提供的无功功率较多，此时系统直流电流应以较快的速度增长，从而促进了系统传输功率的恢复，进而避免了系统发生连续换相失败的情况，且保证了系统较快恢复正常运行。
在上述实施例的基础上：
作为一种可选地实施例，预设电压电流关系式包括电流坐标求取关系式
具体地，请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种低压限流控制ui变斜率特性曲线。图4给出了ui特性曲线分成6段子曲线(n＝6)的一种实施例，图4中，i1为最大允许电流，in+1为最小允许电流，u1为最大允许电压，un+1为最小允许电压，ii代表相邻子曲线的交点对应的电流值。
本申请将坐标(u1，i1)和坐标(u2，i2)之间的子曲线称为第1段子曲线，第1段子曲线的斜率称为k1，以此类推，坐标(ui，ii)和坐标(ui+1，ii+1)之间的子曲线称为第i段子曲线，第i段子曲线的斜率称为ki，则ii为第i-1段子曲线和第i段子曲线的交点对应的电流值，ui为第i-1段子曲线和第i段子曲线的交点对应的电压值。
基于此，本申请的电压电流关系式可以设置为：电流坐标求取关系式
作为一种可选地实施例，在获取相邻子曲线的交点坐标值之后，在最终得到变斜率的ui特性曲线之前，该低压限流控制方法还包括：
利用预设迭代算法对交点坐标值进行迭代计算，得到最优交点坐标值；
则最终得到变斜率的ui特性曲线的过程，包括：
根据两端点的坐标值和最优交点坐标值得到变斜率的ui特性曲线。
进一步地，考虑到利用上述电压电流关系式求取的相邻子曲线的交点坐标值并不是最优值，所以本申请采用迭代算法对交点坐标值进行优化，具体可利用matlab对交点坐标值进行迭代计算，从而得到最优交点坐标值。
相应的，本申请最终的ui变斜率特性曲线是基于最优交点坐标值得到的，从而实现以更优的低压限流控制方式对系统进行保护。
作为一种可选地实施例，该低压限流控制方法还包括：
当系统的实际直流电压小于启动电压时，控制提示装置发出表示系统进入低压限流控制的提示信息。
进一步地，已知当系统的实际直流电压小于启动电压时，系统进入低压限流控制。所以本申请可以当系统的实际直流电压小于启动电压时，控制提示装置发出表示系统进入低压限流控制的提示信息，从而使相关人员通过查看提示装置的提示信息来得知系统是否进入低压限流控制。
作为一种可选地实施例，提示装置具体为指示灯或蜂鸣器。
具体地，本申请的提示装置可以选用但不仅限于指示灯(指示灯的亮灭状态或灯光颜色可用于表示系统进入低压限流控制)或蜂鸣器(蜂鸣器的蜂鸣情况可用于表示系统进入低压限流控制)，本申请在此不做特别的限定。
作为一种可选地实施例，0.7*系统的额定电压≤启动电压≤0.9*额定电压，0.1*额定电压≤最小允许电压≤0.2*额定电压，0.1*系统的额定电流≤最小允许电流≤0.2*额定电流，最大允许电流＝额定电流。
具体地，根据工程经验，系统的启动电压通常设定在0.7～0.9倍的系统额定电压之间；系统的最小允许电压需大于系统的最小电压，其通常设定在0.1～0.2倍的系统额定电压之间；系统的最大允许电流通常设定为等于系统额定电流；同理，系统的最小允许电流需大于系统的最小电流，其通常设定在0.1～0.2倍的系统额定电流之间。
作为一种可选地实施例，n＝6。
具体地，本申请的ui特性曲线划分的子曲线的数量越多，系统性能越高，但相应的算法越复杂，所以本申请综合考虑这两种因素，将ui特性曲线划分为6段子曲线。当然，本申请的ui特性曲线的划分数量也可以选取其他值，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况而定。
作为一种可选地实施例，根据变斜率的ui特性曲线对系统的直流电流指令进行限制的过程，包括：
根据变斜率的ui特性曲线得到直流电流指令关系式
将实际直流电压代入对应直流电流指令关系式，得到系统的直流电流指令，以按照直流电流指令控制系统的直流电流。
具体地，已知ui变斜率特性曲线中每段子曲线的两端点坐标值，当系统直流电压udc在任一段子曲线上时，均可根据同一子曲线斜率相等的原则求取系统直流电压udc对应的直流电流指令iord。
假设第n段子曲线的两端点坐标为(un，in)、(un+1，in+1)，当系统直流电压udc在第n段子曲线上时，可根据同一子曲线斜率相等的原则得到关系式：
基于此，本申请将检测的实际直流电压代入对应直流电流指令关系式，得到系统的直流电流指令，从而按照直流电流指令控制系统的直流电流。具体地，直流电流指令在控制器的作用原理如图5所示。图5中，udc_inv为逆变侧直流母线电压，udc为启动点处补偿后母线电压，iord_rec为整流侧电流指令，iord_inv为逆变侧电流指令，id_rec为整流侧实际电流，id_inv为逆变侧实际电流，e_rec为整流侧电流误差信号，e_inv为逆变侧电流误差信号，e_γ为关断角误差信号，βrec为整流侧超前角指令，βinv为逆变侧超前角指令，αrec为整流侧延迟角，αinv为逆变侧延迟角，δi为偏差电流，δγ为偏差关断角，γ_ord为逆变侧关断角指令，γ_inv为逆变侧上周期关断角最小值，βinv_γ为逆变侧定关断角控制的超前角指令，βinv-i为逆变侧电流控制的超前角指令。最终，控制器将αrec和αinv分别输入至整流侧和逆变侧的脉冲发生单元，以使脉冲发生单元生成相应的控制信号。
此外，本申请可分别对使用传统低压限流控制和使用改进低压限流控制在受端三相接地故障时的参数(直流电流、直流电压及关断角)进行仿真，得到如图6(a)-图7(c)的仿真图，从而分析二者对比图可以看出改进后的低压限流控制在性能上更优。
请参照图8，图8为本发明实施例提供的一种高压直流输电的低压限流控制系统的结构示意图。
该高压直流输电的低压限流控制系统包括：
端点确定模块1，用于预先根据高压直流输电系统的工作参数确定系统的启动电压、最小允许电压、最大允许电流及最小允许电流；
曲线设定模块2，用于将以启动电压和最大允许电流为一个端点、以最小允许电压和最小允许电流为另一个端点的ui特性曲线分成n段子曲线，并设定每段子曲线的斜率；其中，对应较大直流电压的子曲线的斜率＞对应较小直流电压的子曲线的斜率；n为大于1的整数；
曲线获取模块3，用于将两端点的坐标值和每段子曲线的斜率代入预设电压电流关系式，获取相邻子曲线的交点坐标值，以最终得到变斜率的ui特性曲线；
限流控制模块4，用于在系统工作的过程中，当系统的实际直流电压小于启动电压时，根据变斜率的ui特性曲线对系统的直流电流指令进行限制。
本发明提供的低压限流控制系统的介绍请参考上述低压限流控制方法的实施例，本申请在此不再赘述。
本发明还提供了一种高压直流输电的低压限流控制装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行计算机程序时实现上述任一种高压直流输电的低压限流控制方法。
本发明提供的低压限流控制装置的介绍请参考上述低压限流控制方法的实施例，本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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