预测型换相失败预防方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种预测型换相失败预防方法和装置，本发明在计算中所需的角度α取自锁相环的输出，不再需要测量交流同步电压的过零点和半周期时间；由于同时计算12个桥臂的换相裕度面积，不再需要考虑预触发阀号；并且选取12个面积的最小值，使得预防换相失败的效果更好；使用直流电流整形和非线性补偿技术，对触发后的换相电压和直流电流波动进行修正，以增强预防换相失败能力。
【专利说明】预测型换相失败预防方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流输电预测型换相失败预防领域，特别是预测型换相失败预防方法 和装置。
【背景技术】
[0002] 换相失败是直流输电系统逆变器最常见的故障之一。主要是逆变器中，当2个 桥臂之间换相时，若刚退出导通的阀在反向电压作用的时间内未能恢复阻断能力，或在反 向电压期间换相过程未能进行完毕，则在阀电压转变为正向时原来预定退出的阀将重新导 通。换相失败将导致直流电压降低、输送功率减少、电流增大、换流阀寿命缩短、换流变压器 直流偏磁及逆变侧交流系统过电压等不良后果。如果换相失败后控制不当，还会引起连续 换相失败，最终导致直流停运。
[0003] 随着西电东送和全国联网，华东电网和南方电网都已经是多直流馈入系统，一个 直流子系统换相失败，可能引起其它直流子系统也换相失败。为了增加输送容量、节约线路 走廊，在建的和新规划的直流都是特高压直流输电；特高压直流输电普遍使用了串联阀组 结构，一个阀组故障产生的故障电流将穿过另外一个阀组，可能引起另外一个阀组的换相 失败。因此近几年来，直流输电系统的换相失败呈现增多和恶化的趋势。
[0004] 换相失败发生的根本原因是换相裕度小于晶闸管的关断需求，晶闸管实际需要的 关断角通常在6°?9°之间，在逆变侧各角度的关系如下：
[0005] Y = 180° -α -μ (I)
[0006] 式中Y为关断角，α为触发角，μ为换相重叠角。其中α是由控制器决定的， μ是由换相过程决定的；防止换相失败就是保证Y大于晶闸管的关断需求，这需要通过减 小α来实现；因此本发明是对逆变器触发角α的辅助控制仪器。
[0007] 逆变器发生换相失败的主要原因是由于交流电压幅值降低、直流电流突增、交流 换相电压过零点相角偏移等原因。防止换相失败发生可以从一次系统设计和控制系统设计 两方面想办法，对于控制系统来说预防换相失败有以下两种可行的技术方案：
[0008] 第一种，增大正常运行时的关断角Y。在逆变侧使用定直流电压控制，正常运行时 关断角Y的范围是17. 5°?21. 5°，相对较大，因此无功功率消耗也要大一些；换流阀通 过阀基电子设备向控制系统发送每个桥臂的关断信号，此关断信号和交流同步电压通过硬 件计时实测出每个桥臂的关断角，12个关断角的最小值作用于一个PI控制器；如果最小关 断角小于17°，ΡΙ控制器就开始减小触发角α，西门子直流控制保护相关技术平台主要采 用此方案。
[0009] 这种方案关断角大，其无功功率消耗也大，需要逆变侧配置较多的交流滤波器。而 且对设备的依赖性强，无法与同类换流阀相配合。
[0010] 第二种，在检测到将要发生换相失败时，将触发角α减小以增加换相裕度，从而 减少换相失败的发生。在逆变侧使用定关断角控制，正常运行时关断角Y为17°，相对较 小，而无功功率消耗也相对较小；通过对交流换相电压和直流电流的快速采样（通过TDM 光纤传输，采样间隔24us)，依次计算12个桥臂的换相裕度面积CM (通过DSP实现，计算间 隔50us)，计算中需要用到换相电压正向过零点到当前计算点的时间；当CMA小于等于换相 裕度面积参考值CMAref时（CMAref为关断角等于14°的额定换相电压面积），立即强制触 发该桥臂，从而保证足够的换相裕度，ABB直流控制保护相关技术平台主要采用此方案。
[0011] 这种方法属于预测型换相失败预防（Predictive Commutation Prevention):当 外部条件变化即将导致逆变侧换相失败时，适当地将触发角向90度方向移动以增加换相 裕度；由于能够在很大程度上减小换相失败发生的概率，所以这种方法被称为换相失败预 防。预测型是指不需要逆变器提供桥臂关断信号，只依靠交流电压和直流电流测量值、以及 逆变器设计参数实现的换相失败预防方法。换相裕度面积（Commutation Margin Area,简 称CM)是指：在换相重叠过程结束后，剩下的换相正向电压对时间的积分面积。该积分面 积和晶闸管的去电离成正比，是晶闸管成功换相的关键因素。换相裕度面积取决于直流电 流和换流变短路阻抗，后者也称为换相阻抗。
[0012] 第二种方案的预测型换相失败预防，虽然相对第一种方案对设备依赖性低，但效 果不稳定，换相失败仍时有发生。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是提供预测型换相失败预防方法和装置，用以解决现有预测型换相 失败预防方法效果不稳定的问题。
[0014] 为实现上述目的，本发明的方案包括：
[0015] 一种预测型换相失败预防方法，步骤如下：
[0016] a)，测量换相电压；
[0017] b)，测量直流电流；
[0018] c)，根据a)、b)步骤的输出进行12路换相裕度面积计算；
[0019] d)，将c)步骤输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的 提前触发角度；
[0020] e)，对d)步骤输出角度进行非线性补偿。
[0021] 所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补 偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向 160°方向变化时，对速度进行限制。
[0022] 步骤d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。
[0023] 步骤b)中，对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。
[0024] -种预测型换相失败预防装置，包括如下模块：
[0025] 模块a)，测量换相电压；
[0026] 模块b)，测量直流电流；
[0027] 模块c)，根据a)、b)模块的输出进行12路换相裕度面积计算；
[0028] 模块d)，将c)模块输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失 败的提前触发角度；
[0029] 模块e)，对d)模块输出角度进行非线性补偿。
[0030] 所述非线性补偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补 偿量；对变化速度的补偿是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向 160°方向变化时，对速度进行限制。
[0031] 模块d)中，对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。
[0032] 模块b)中，对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。
[0033] 以上技术方案基于对预测型换相失败预防方法的深入研究和剖析。
[0034] 如图1所示，换相裕度面积CM的表达式如下所示：
【权利要求】
1. 一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤如下： a) ，测量换相电压； b) ，测量直流电流； c) ，根据a)、b)步骤的输出进行12路换相裕度面积计算； d) ，将c)步骤输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的提前 触发角度； e) ，对d)步骤输出角度进行非线性补偿。
2. 根据权利要求1所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，所述非线性补 偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补偿量；对变化速度的补偿 是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度 进行限制。
3. 根据权利要求1或2所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤d)中， 对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。
4. 根据权利要求1或2所述的一种预测型换相失败预防方法，其特征在于，步骤b)中， 对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。
5. -种预测型换相失败预防装置，其特征在于，包括如下模块： 模块a)，测量换相电压； 模块b)，测量直流电流； 模块c)，根据a)、b)模块的输出进行12路换相裕度面积计算； 模块d)，将c)模块输出与换相裕度面积参考值CMAref进行比较，确定避免换相失败的 提前触发角度； 模块e)，对d)模块输出角度进行非线性补偿。
6. 根据权利要求5所述的一种预测型换相失败预防装置，其特征在于，所述非线性补 偿包括大小补偿和变化速度补偿；大小补偿为对输出角度减去补偿量；对变化速度的补偿 是指当输出角度向90°变化时，不限制变化速度，当输出角度向160°方向变化时，对速度 进行限制。
7. 根据权利要求5或6所述的一种预测型换相失败预防装置，其特征在于，模块d)中， 对计算出的各桥臂的触发角度取最小值。
8. 根据权利要求5或6所述的一种预测型换相失败预防装置，其特征在于，模块b)中， 对直流电流进行预处理，对采集的直流电路的短时间窗取最大值。
【文档编号】H02J3/36GK104333028SQ201410392184
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】姚致清, 李亚萍, 王伟, 王峥夏, 李志勇, 周鹏鹏, 庄良文, 傅润炜, 贾德峰, 胡卫东 申请人:许昌开普检测技术有限公司