基于SVG抑制直流系统暂态过电压控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种应用于交直流输电系统的基于svg抑制直流系统暂态过电压的控制系统及控制方法，属于电力自动化技术领域。

背景技术：

我国能源与负荷分布不平衡，跨区域、远距离输电是我国资源优化配置的一项重要手段。电网换相换流器高压直流输电(linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，lcc-hvdc)具有输送容量大、有功功率快速可控、不存在交流输电的稳定问题、可实现电网的非同步并网等优势，广泛应用于我国远距离大容量输电场合。但lcc-hvdc换流器的换流元件为无自关断能力的晶闸管，存在以下缺陷：需要依赖一定强度的交流电网实现换相，使得lcc-hvdc连接弱交流系统时存在换相失败问题；两端换流设备需要消耗大量的无功功率，需要大量无功补偿等。在lcc-hvdc系统交流母线处装设无功补偿设备，是提高系统运行特性的重要措施，可为系统提供无功支撑，提高系统的稳定性与可靠性。静止无功发生器(staticvargenerator，svg)与传统的无功补偿装置相比，在抑制母线电压振荡、提高系统暂态电压稳定水平方面具有重大优势。为改善lcc-hvdc系统的运行特性，增强其抵御换相失败的能力，越来越多的svg装置应用于lcc-hvdc系统。

然而svg在用于改善lcc-hvdc系统换流站交流电压的调控能力时也存在一些问题，尤其是在连接弱交流系统时，会造成换流站暂态过电压的情况发生：换相失败发生时，交流侧电压下降，svg控制系统发出增发无功指令，当电压恢复正常水平，控制系统指令不能瞬时改变，svg仍发出无功，电压继续上升，随后，控制系统发出指令，使svg无功增发量减少直至不再增发无功，此时，交流系统无功已经过剩，出现暂态过电压现象。暂态过电压的出现不利于系统的安全稳定运行，因此，针对加装svg的lcc-hvdc系统产生的暂态过电压制定相应的抑制措施十分必要。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出一种基于svg的直流系统暂态过电压控制系统及控制方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于svg的直流系统暂态过电压控制系统，该控制系统包括：电压电流测量模块(1)、隔离模块一(2)、霍尔无功功率变送器模块(3)、信号计算及滤波模块(4)、pwm控制模块(5)、隔离模块二(6)、人机交互模块(7)、开关控制模块(8)、隔离模块三(9)、开关选择及驱动模块(10)、开关一(11)、开关二(12)；

其中，电压电流测量模块(1)同时通过隔离模块一(2)与霍尔无功功率变送器模块(3)与信号计算及滤波模块(4)相连；信号计算及滤波模块(4)、pwm控制模块(5)、隔离模块二(6)依次相连；开关控制模块(8)与信号计算及滤波模块(4)相连；人机交互模块(7)、开关控制模块(8)、隔离模块三(9)、开关选择及驱动模块(10)依次相连；开关一(11)、开关二(12)分别与开关选择及驱动模块(10)相连。

所述电压电流测量模块(1)用于获取svg接入点母线瞬时电压值和svg与电网之间的瞬时电流值，并输送至隔离模块一(2)和霍尔无功功率变送器模块(3)；

所述隔离模块一(2)用于隔离一、二次系统，将一次系统的强电压电流信号转换成二次系统的弱电压电流信号，并输送至信号计算及滤波模块(4)；

所述霍尔无功功率变送器模块(3)使用电压电流测量模块(1)的测量数据求得svg与电网之间交换的无功功率，并且同时起到隔离一、二次系统的作用；

所述信号计算及滤波模块(4)采用“abc-dq”变换瞬时获得电压、电流有效值，并进一步计算电压参考值、电流参考值和无功参考值，并将所述电压参考值、电流参考值和无功参考值的计算结果在滤波过后输送至pwm控制模块(5)，将所获得的电压有效值在滤波过后输送至开关控制模块(8)；

所述pwm控制模块(5)用于计算逆变桥晶闸管的触发角并生成触发脉冲，输出至隔离模块二(6)；

所述隔离模块二(6)用于隔离一、二次系统，将二次系统的弱信号转换成一次系统的强信号，并输出至svg逆变桥；

所述人机交互模块(7)包括键盘、显示器和转换接口，用于进行参数设置、实时显示系统的数据和状态，实现系统与上位机的串行通信；其中所述参数设置包括将触发计数结果n手动置零、设定用于和电压有效值比较的电压阈值、设定用于和n比较的计数阈值以及人工选择动作开关，最后将以上参数设置的数据输出到开关控制模块(8)；

所述开关控制模块(8)用于计算并判断系统是否满足开关一(11)与开关二(12)的动作条件，同时根据人机交互模块(7)的参数设置实现动作开关的选择，并将开关控制指令输出至隔离模块三(9)；

所述隔离模块三(9)用于隔离一、二次系统，将二次系统的弱信号转换成一次系统的强信号，并输出至开关选择及驱动模块(10)；

所述开关选择及驱动模块(10)根据隔离模块三(9)的输出，实现控制电阻的开关一(11)和控制电容的开关二(12)的选择和开合。

优选地，所述开关控制模块(8)根据信号计算及滤波模块(4)输出的电压有效值和人工交互模块(7)输入的电压阈值、计数阈值及开关选择指令，完成对系统是否符合开关动作条件的判断和开关的选择，并通过隔离模块三(9)将控制指令输出到开关驱动模块(10),驱动开关一(11)或开关(12)。

所述开关控制模块(8)包括以下器件：

电压比较器：输入电压有效值和电压阈值，比较两者的大小，并将比较结果输出至触发条件计数器；

触发条件计数器：接于电压比较器和触发脉冲产生器的输出端，每个脉冲周期运行一次计数或置零，将结果输出至开关触发判断器；

触发脉冲产生器：用于产生一定周期的脉冲，输出至触发条件计数器；

开关触发判断器：接收触发条件计数器和人工交互模块7的输出，用于判断是否符合开关动作的条件并发出控制指令；

单稳输出延迟器；接收开关触发判断器的输出，经过延迟时间，将稳态输出信号输入至可重复触发的单稳态触发器。

可重复触发的单稳态触发器：接收单稳态输出延迟器的输出信号，将开关控制信号输入至开关驱动模块。

根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述控制系统的暂态过电压的控制方法，包括以下步骤：

第一步：将开关触发条件计数结果n置零；

第二步：采集svg接入点母线电压瞬时值，并采用“abc-dq”变换瞬时获得电压的有效值；

第三步：判断电压有效值是否大于电压阈值；

第四步：若电压有效值小于电压阈值，则把n置为0；若电压有效值大于电压阈值，则n＝n+1；

第五步：将n的值与设定的计数阈值进行比较大小；

第六步：若n的值大于等于计数阈值，则发出断开开关指令；若n的值小于计数阈值并且不等于0，则保持开关状态不变；若n的值等于0，则发出闭合开关指令；结束本次控制，并回到第二步。

优选地，所述的电压阈值为1.2un，其中，un为所述控制系统的额定电压。

优选地，所述的计数阈值为5。

附图说明

图1是本发明所述基于svg的直流系统暂态过电压控制系统的组成框图；

图2是本发明所述控制系统中隔离模块一的电路图；

图3是本发明所述控制系统中霍尔无功功率变送器的电路图；

图4是本发明所述控制系统中开关控制模块的工作原理框图；

图5是本发明所述控制系统中电压比较器电路图；

图6是本发明所述控制系统中脉冲发生器的电路图；

图7是本发明所述控制系统中开关触发条件计数器的电路图；

图8是本发明所述控制系统中单稳输出延迟器的电路图；

图9是本发明所述控制系统中可重复触发的单稳态触发器的电路图；

图10是本发明所述控制系统中隔离模块二的电路图；

图11是本发明所述控制系统中隔离模块三的电路图。

图12是应用本发明所述控制系统的暂态过电压控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1示出了本发明的所述的基于svg抑制直流系统暂态过电压的控制系统，如图1所示，该控制系统包括：电压电流测量模块(1)、隔离模块一(2)、霍尔无功功率变送器模块(3)、信号计算及滤波模块(4)、pwm控制模块(5)、隔离模块二(6)、人机交互模块(7)、开关控制模块(8)、隔离模块三(9)、开关选择及驱动模块(10)、开关一(11)、开关二(12)；其中，电压电流测量模块(1)同时通过隔离模块一(2)与霍尔无功功率变送器模块(3)与信号计算及滤波模块(4)相连；信号计算及滤波模块(4)、pwm控制模块(5)、隔离模块二(6)依次相连；开关控制模块(8)与信号计算及滤波模块(4)相连；人机交互模块(7)、开关控制模块(8)、隔离模块三(9)、开关选择及驱动模块(10)依次相连；开关一(11)、开关二(12)分别与开关选择及驱动模块(10)相连。

图2是本发明所述控制系统中隔离模块一(2)的电路图，隔离模块一(2)包括光电耦合器tlp521-4、电阻r201、r202、r203，其中，光电耦合器tlp521-4的第1脚通过250欧姆的电阻r203与开关相连，开关的另一端与电源vcc1相接；tlp521-4的第2脚与gnd1相连，tlp521-4的第16脚通过10-100欧姆的电阻r201与电源vcc2相连，tlp521-4的第15脚通过100千欧姆的电阻r202与电源地gnd2相连，tlp521-4的第15脚为输出端。

图3是本发明所述控制系统中霍尔无功功率变送器(3)的电路图，电压输入信号经过变压器与电阻r301和电容c301构成的低通滤波器相连，低通滤波器输出端与电位器r302、电容c302以及霍尔元件串联；电流信号输入到线圈中，形成磁场注入到霍尔元件，霍尔元件的输出经过电阻r303与电阻r304、r305和电容c303、304构成的二阶滤波器串联后输出。

本发明的开关控制模块包括以下器件：

电压比较器：输入电压有效值和电压阈值，比较两者的大小，并将比较结果输出至触发条件计数器；

触发条件计数器：接于电压比较器和触发脉冲产生器的输出端，每个脉冲周期运行一次计数或置零，将结果输出至开关触发判断器；

触发脉冲产生器：用于产生一定周期的脉冲，输出至触发条件计数器；

开关触发判断器：接收触发条件计数器和人工交互模块7的输出，用于判断是否符合开关动作的条件并发出控制指令。

单稳输出延迟器；接收开关触发判断器的输出，经过延迟时间，将稳态输出信号输入至可重复触发的单稳态触发器。

可重复触发的单稳态触发器：接收单稳态输出延迟器的输出信号，将开关控制信号输入至开关驱动模块。

图4是本发明所述开关控制模块的工作原理框图。所述开关控制模块(8)的输入信号来自信号计算及滤波模块(4)和人机交互模块(7)，具体过程为，先由电平比较器瞬时比较电压有效值和电压参考值的大小，并实时输出到触发条件计数器，而计数器的计数时间间隔由触发脉冲模块产生和控制；之后将计数结果实时输出到开关触发判断器，用于和计数阈值比较判断对开关应实施的控制，人机交互模块则是可人工选择开关和设定开关触发判断器的计数阈值的数值大小；最终将开关控制信号通过可重复触发的单稳态触发器输出到开关驱动模块。

图5是本发明的开关控制模块中电压比较器的电路图，所述电压比较器包括运算放大器、不可重复触发的单稳态触发器；

所述不可重复触发的单稳态触发器由cmos门电路g1、g2组成，其中g1为“≥1”的或非门，g2为“＝1”的非门，g1的输出通过隔离电容c502连接至g2的输入端，g2的输入端经过电阻r502连接至电压vcc，电容c502与电阻r502并联；所述运算放大器的输出信号经过隔离电容c501后接入g1的一个输入端，g2的输出信号连接至g1的另一个输入端，所述电压比较器的输入电压经过电阻r501后连接至所述运算放大器的正极，所述电压比较器的阈值电压经过电阻r502后连接至所述运算放大器的负极。

图6是本发明的开关控制模块中触发脉冲产生器的电路图，触发脉冲产生器为占空比可调的时钟脉冲发生器，由555定时芯片,两个二极管d601、d602，两个电容c601、c602以及三个电阻r601、r602、r603组成，所述555定时芯片的引脚7引出滑片连接至电阻r602，将r602分为r602上、r602下两部分；

在所述触发脉冲产生器中，通过接入两只二极管d601，d602后，将电容c601的充放电回路分开，放电回路由d602、r602上+r603、内部三极管及电容c601构成，放电时间等于0.7(r602上+r603)c601；充电回路由d601、r602下+r601、c601，充电时间等于0.7(r602下+r601)c601。

该触发脉冲产生器输出脉冲的频率为：

其中r601、r602、r603分别指电阻r601、r602、r603的阻值，单位为欧姆，c601指电容c601的电容值，单位为法。调节电位器可以改变输出脉冲的占空比，但频率不变，通过调节所述电位器可改变输出脉冲的占空比，但频率不变，通过设定电阻r601、r602、r603的阻值和电容c601的电容值，可调整频率f的大小。

图7是本发明的开关控制模块中开关触发条件计数器的电路图，由74ls161芯片组成，将电压比较器输出至芯片的清零端，可达成电压有效值高于电压阈值便计数，反之则清零的功能；脉冲触发器输出至芯片的时钟端，上升沿触发，可通过控制脉冲发生器来控制计数时间间隔。

图8是本发明的开关控制模块中单稳输出延迟器的电路图，所述单稳输出延迟器包括两个运算放大器ic1、ic2，,两个二极管d801、d802，电阻r801、r802、r803、r804、r805、r806，非门，隔离电容c801、c802，开关s；

其中，所述单稳输出延迟器的输入电压ui连接至所述运算放大器ic1的正极，所述运算放大器ic1的负极通过电阻r801接地，所述运算放大器ic1的输出端通过电阻r802与运算放大器ic1的负极连接，所述运算放大器ic1的输出端依次连接非门、电阻r803、隔离电容c801后接入所述运算放大器ic2的负极，所述运算放大器ic2的负极通过隔离电容c802接地，并依次通过电阻r806、r805、r804接地，所述电容c801、c802相互并联，且与电阻r806、r805、r804所构成的串联支路并联；所述电阻r806的两端并联接有二极管d801，所述二极管d801的正极连接至运算放大器ic2的负极；所述运算放大器ic2的正极通过开关s连接至二极管d802的正极，所述二极管d802的负极接地，所述运算放大器ic2的输出所述单稳输出延迟器的输出电压uo。

图9是本发明的开关控制模块中可重复触发的单稳态触发器的电路图，所述可重复触发的单稳态触发器由包括一个555定时芯片,，一个pnp三极管，电阻r901、隔离电容c901、c902；

其中，所述555定时芯片的第1引脚接地并连接至所述pnp三极管的集电极，第2引脚连接至所述pnp三极管的基极，并连接至输入电压ui，第3引脚为所述可重复触发的单稳态触发器的输出端uo，第4、第8引脚连接至正偏电压vcc，第5引脚通过隔离电容c902连接至所述三极管的集电极，第6、第7引脚一并连接至所述pnp三极管的发射极，并通过隔离电容c901连接至所述pnp三极管的集电极，第7引脚和第4引脚之间连接有电阻r901。

图10是本发明所述控制系统中隔离模块二的电路图，为mosfet驱动电路，选用芯片tlp250对主电路和驱动电路进行光电隔离，芯片tlp250的3号引脚连接下位机的光隔离数字量输出口；芯片tlp250的2号引脚通过限流电阻r1101和下位机上的电源接口相连；芯片tlp250的6号引脚与5号引脚分别通过限流电阻r1102和10v的稳压管d连接至mosfet的栅极和源极；当低电平输入时，mosfet的栅源电压将被钳位在稳压管的击穿电压，可以使mosfet稳定关断。

图11是本发明所述控制系统中隔离模块三的电路图，开关的一端与电源vcc1相接，另一端通过150欧姆的电阻r1103与光电耦合器tlp521-4的第3脚相连；电源地gnd1与tlp521-4的第2脚相连，电源vcc2通过100欧姆的电阻r1101与tlp521-4的第14脚相连，电源地gnd2通过500千欧姆的电阻r1102与tlp521-4的第13脚相连，500千欧姆的电阻r1102的上端为输出端。

在本发明的另一个实施例中，通过应用上述基于svg的直流系统暂态过电压控制系统，实现对直流系统暂态过电压进行控制，具体方法是，通过开关(包括开关已(11)、开关二(12))对所述控制系统进行控制，从而实现对直流系统暂态过电压的控制(抑制)。

图12是应用本发明所述控制系统的暂态过电压控制方法的流程图，具体步骤如下：

第一步：将开关的触发条件计数结果n置零；

第二步：采集svg接入点母线电压瞬时值，并采用“abc-dq”变换瞬时获得电压的有效值urms；

第三步：判断电压有效值urms是否大于电压阈值；

第四步：若电压有效值小于电压阈值，则把n置零；若电压有效值大于电压阈值，则n＝n+1；

第五步：根据人机交互模块(7)人工设定选择动作开关；

第六步：将n的值与设定的计数阈值进行比较大小；

第七步：若n的值大于等于计数阈值，则发出断开开关指令；若n的值小于计数阈值并且不等于0，则保持开关状态不变；若n的值等于0，则发出闭合开关指令；结束本次控制，并回到第二步。

在本发明的一个具体实施例中，所述的电压阈值为1.2un,un为控制系统的额定电压，所述的计数阈值为5。

在本发明的控制方法中，通过人机交互方式，可人为设定或更改电压预支、计数结果阈值以及选择动作开关，当电网侧发生故障时，能够提供动态无功支撑，在svg动态无功补偿出现暂态过电压情况时，可自动对svg副电容器或电阻的投切开关进行控制，有效减小svg助增暂态过电压的影响。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过人机交互方式，可人为设定更改电压阈值、计数结果阈值和选择动作开关。

2.能够迅速判断电网电压有效值，有效缩短指令发出时间。

3.在电网侧发生故障时，能够提供动态无功支撑，提高系统稳定性。

4.在svg动态无功补偿出现暂态过电压情况时，可自动对svg副电容器或电阻的投切开关进行控制，有效减小svg助增暂态过电压的影响。

本领域技术人员应该理解，本发明的实施例仅用于描述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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。