抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法及系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法及系统。

背景技术：

基于晶闸管的12脉动逆变器是电力电子技术领域重要的交直流电能变换装置，广泛应用于高压直流(highvoltagedirectcurrent，hvdc)输电、柔性交流输电以及新能源并网等场合。高压直流输电技术在中国的电能输送领域起到了极其重要的作用，主要用于远距离大功率输电和非同步联网。然而，hvdc的常见故障——换相失败，其后果严重，主要后果包括：直流电流突增使换流阀电流应力过大，换流变直流偏磁以及换流母线过电压等。若换相失败没有得到有效控制，还会引发后续换相失败，最终导致hvdc单极乃至双极停运，使直流传输功率中断，威胁电网及hvdc的安全稳定运行。高压直流输电的换相失败只发生在12脉动逆变器上。

目前，12脉动逆变器抑制换相失败的方法是通过低压限流控制(vdcol)实现的，其实现过程是：1)故障初期，当检测到直流电压过低时，快速降低定电流控制器的电流整定值；2)故障结束后的交直流系统恢复期间，按照固定斜率逐渐提高定电流控制器的电流整定值。虽然该方法对故障较轻时的12脉动逆变器具有抑制换相失败的作用。但是，如果故障严重，如发生12脉动逆变器近区三相短路故障，则该方法不但不能降低换相失败，而且还可能诱发12脉动逆变器的后续换相失败，严重时，可能导致高压直流输电单极甚至双极停运。这是因为低压限流控制(vdcol)不能区分故障的严重程度，以一成不变的斜率恢复直流功率，因而故障严重时，直流功率快速回升，诱发受端电网难以恢复电压稳定，导致12脉动逆变器发生后续换相失败。因此，设计一种能够灵活适应不同故障严重程度的12脉动逆变器后续换相失败的抑制方法具有重要意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本申请实施例示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法及系统。

根据本申请实施例第一方面示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法，包括：

获取补偿电压；

根据所述补偿电压和直流电压，生成vdcol电压；

将所述vdcol电压输入高压直流输电电路。

可选择的，所述获取vdcol电压的步骤包括：

获取直流电流；

计算出所述直流电流变化率，所述直流电流变化率所述直流电流对时间的积分值；

根据所述直流电流变化率，得到补偿电压；

根据所述补偿电压和直流电压，得到vdcol电压。

可选择的，所述根据直流电流变化率，得到补偿电压的步骤包括：

计算所述直流电流变化率的绝对值，得到直流电流变化率的绝对值；

根据所述直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压。

可选择的，所述根据直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压的步骤包括：

根据所述直流电流变化率的绝对值与补偿系数，计算出补偿电压中间值；

平滑所述补偿电压中间值，得到补偿电压。

可选择的，根据所述直流电流变化率，得到补偿电压的步骤中所述补偿电压的计算公式如下:

其中，id为直流电流；k为补偿系数k≥0。

可选择的，所述补偿系数的值取0.5。

可选的，根据所述补偿电压和直流电压，得到vdcol电压的步骤中，所述vdcol电压的计算公式如下：

udin＝ud-udcom；

其中，udin为vdcol电压；ud为直流电压；udcom为补偿电压。

本申请第二方面示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的系统，所述系统包括：

电流源，与所述电流源相连接的12脉动整流器，与所述12脉动整流器相连接的第一平波电抗器，与所述第一平波电抗器相连接的第二平波电抗器，以及，与所述第二平波电抗器相连接的12脉动换流器；

其中，所述电流源用于输出vdcol电压。

可选择的，所述电流源包括：

积分模块，用于积分直流电流，得到积分后的直流电流；

第一计算模块，用于计算所述直流电流变化率的绝对值，得到直流电流变化率的绝对值；

生成模块，用于根据所述直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压。

可选择的，所述生成模块包括：

第二计算模块，用于根据所述直流电流变化率的绝对值与补偿系数，计算出补偿电压中间值；

平滑模块，用于平滑所述补偿电压中间值，得到补偿电压。

由以上技术方案可知，本申请实施例示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法及系统，所述方法包括：获取补偿电压；根据所述补偿电压和直流电压，生成vdcol电压；将所述vdcol电压输入高压直流输电电路。本申请实施例示出的方法发明充分利用故障清除后交直流系统恢复过程中直流电流的不同变化特点，首先获取vdcol电压，将vdcol电压输入高压直流输电电路将其引入低压限流控制(vdcol)中。故障清除瞬间，直流电流受影响程度最大，直流电流变化率最大，补偿电压最大，vdcol电压最小，相应的直流电流的恢复速率限制在较低的水平，降低了直流功率的恢复速度，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。

本申请实施例示出的vdcol电压，是在直流电压的基础上，引入补偿电压，补偿电压与直流电流变化率的绝对值成正比，因此使补偿电压与故障的严重程度建立关联。故障越严重(如12脉动逆变器的换流母线发生三相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越大；反之，故障越轻(如受端电网远端发生单相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越小。因此故障越严重，vdcol电压越小，有利于在故障清除后的交直流系统恢复初期，将vdcol限制在较低的水平，使直流功率缓慢恢复，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，确保受端电网的稳定，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。而当故障较轻时，vdcol电压较大，vdcol电压对直流电流的限制能力减弱，有利于直流功率的快速恢复。

综上所述，本发明是一种能够区分故障的严重程度的可有效降低12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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为根据一优选实施例示出的一种基于晶闸管的12脉动逆变器的结构框图；

图2为现有技术故障恢复过程中直流电流-电压曲线；

图3为根据一优选实施例示出故障发生过程中直流电流-vdcol电压曲线；

图4根据一优选实施例示出vdcol电压的控制电路；

图5为根据一优选实施例示出的抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的系统的电路图；

图6为直流电压500kv的条件下，现有技术和本申请实施例测试出的时间-电流曲线；

图7为直流电流3ka的条件下，现有技术和本申请实施例测试出的时间-压曲线；

图8为直流功率1500mw的条件下，现有技术和本申请实施例测试出的时间-电流曲线。

其中，idref-电流整定值，udl1现有技术中直流电压最低动作值，udl2本申请实施例示出的直流电压最低动作值；

1-电流源；2-12脉动整流器；3-第一平波电抗器；4-第二平波电抗器；5-12脉动换流器。

具体实施方式

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、完整的描述，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。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。

值得注意的，本申请实施例示出的“直流电流恢复率”与本申请实施例示出的vdvol电压呈正比关系，vdvol电压越高，直流电流恢复率越快。

如图1所示为基于晶闸管的12脉动逆变器的原理图，本申请实施例中，换流阀的运行控制角度一般在30°左右。

图2为现有技术故障恢复过程中直流电流-电压曲线。可以看出，低压限流控制的实现过程是：

1)当12脉动逆变器由于故障而出现直流电压低于阈值udh(通常为0.7pu)时，快速降低定电流控制器的电流整定值idref，使直流电流迅速减小，从而削弱12脉动逆变器的换相失败；

2)故障结束后的交直流系统恢复期间，通过逐渐提高电流整定值idref来平稳增大直流电流，进而恢复直流功率。虽然该方法对故障较轻时的12脉动逆变器具有抑制换相失败的作用。但是，如果故障严重，如发生12脉动逆变器近区三相短路故障，则该方法不但不能降低换相失败，而且还可能诱发12脉动逆变器的后续换相失败，甚至可能导致高压直流输电单极乃至双极停运。

为了降低12脉动逆变器的后续换相失败的几率本申请实施例示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法；

所述方法包括以下步骤：

s101获取补偿电压；

s102根据所述补偿电压和直流电压，生成vdcol电压；

s103将所述vdcol电压输入高压直流输电电路。

本申请实施例示出的方法将现有技术在故障结束后的交直流系统恢复期间，获取的电压值由单一的直流电压转换为vdcol电压；

然后，将所述vdcol电压输入高压直流输电电路。

本申请实施例示出的故障发生过程中直流电流-vdcol电压曲线如图3的曲线2所示；

其中，udl1现有技术中直流电压最低动作值，udl2本申请实施例示出的直流电压最低动作值，由于，在故障清除初期，直流电流变化率大，直流电压最低动作值由udl1延迟至udl2，在迟延过程中vdcol电压保持较低水平，使直流功率缓慢恢复，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，确保受端电网的稳定，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。随着直流电流及vdcol电压水平的缓慢恢复，vdcol电压接近额定值时，直流电流变化率迅速减小，vdcol电压迅速增大，有利于直流功率快速恢复。

可见本申请实施例示出的方法可以实现了恢复初期减缓恢复速度，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。较高直流电压水平时提升恢复速度的作用，满足了快速恢复直流功率的需求。

本申请实施例示出的vdcol电压，是在直流电压的基础上，引入补偿电压，补偿电压与直流电流变化率的绝对值成正比，因此使补偿电压与故障的严重程度建立关联。故障越严重(如12脉动逆变器的换流母线发生三相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越大；反之，故障越轻(如受端电网远端发生单相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越小。因此故障越严重，vdcol电压越小，有利于在故障清除后的交直流系统恢复初期，将vdcol限制在较低的水平，使直流功率缓慢恢复，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，确保受端电网的稳定，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。而当故障较轻时，vdcol电压较大，vdcol电压对直流电流的限制能力减弱，有利于直流功率的快速恢复。

可选择的，所述获取补偿电压的步骤包括：

获取直流电流；

计算出所述直流电流变化率，所述直流电流变化率所述直流电流对时间的积分值；

根据所述直流电流变化率，得到补偿电压；

可选择的，所述根据直流电流变化率，得到补偿电压的步骤包括：

计算所述直流电流变化率的绝对值，得到直流电流变化率的绝对值；

根据所述直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压。

本申请实施例引入补偿电压，其中，补偿电压的表达式如下式所示：

式中udcom为补偿电压；id为直流电流；k为补偿系数(k≥0)。

根据所述补偿电压和直流电压，得到vdcol电压的步骤中，所述vdcol电压的计算公式如下：

udin＝ud-udcom；

其中，udin为vdcol电压；ud为直流电压；udcom为补偿电压。

本申请实施例引入补偿电压，所述补偿电压与所述电流的变化率一定的正比关系，补偿电压与直流电流变化率的绝对值成正比，因此使补偿电压与故障的严重程度建立关联。故障越严重(如12脉动逆变器的换流母线发生三相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越大；反之，故障越轻(如受端电网远端发生单相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越小。因此故障越严重，vdcol电压越小，有利于在故障清除后的交直流系统恢复初期，将vdcol限制在较低的水平，使直流功率缓慢恢复，确保受端电网的稳定；而当故障较轻时，vdcol电压较大，在故障清除后的交直流系统恢复初期，vdcol电压对直流电流的限制能力减弱，有利于直流功率的快速恢复。

可选择的，所述补偿系数的值取0.5。

本申请实施例中规定补偿系数k＝0.5是为了对直流电流变化率进行限制，使故障瞬间电流的突增引起的补偿电压不至于过大，补偿电压引入的目的在于限制直流电压，如果k值过大，相应的补偿电压的值过大，此时补偿电压不但失去了限制直流电压的功能，反而，决定了高压直流输电电路的输入电压，影响整个电路的正常运行。大量仿真证明，k值选取过大会导致12脉动逆变器在故障清除后长时间处于振荡中，不利于故障清除后的交直流系统恢复；而k值选取过小，则对故障清除后交直流系统的恢复力度减弱。

因此，本申请实施例将k值设定为0.5。

可选择的，所述根据直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压的步骤包括：

根据所述直流电流变化率的绝对值与补偿系数，计算出补偿电压中间值；

平滑所述补偿电压中间值，得到补偿电压。

本申请实施例对直流电流变化率的绝对值进行平滑处理；

在实际环境中，常常伴随着直流电流的突变，给电网运行带来了不稳定因素，本申请实施例对补偿电压中间值进行了平滑处理，可有效的避免直流电流的突变，以防止数据品质的无效。

本申请实施例第二方面示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的系统，如图5所示所述系统包括：

电流源，与所述电流源相连接的12脉动整流器，与所述12脉动整流器相连接的第一平波电抗器，与所述第一平波电抗器相连接的第二平波电抗器，以及，与所述第二平波电抗器相连接的12脉动换流器；

其中，所述电流源用于输出vdcol电压。

可选择的所述电流源包括：

积分模块，用于积分直流电流，得到积分后的直流电流；

第一计算模块，用于计算所述直流电流变化率的绝对值，得到直流电流变化率的绝对值；

生成模块，用于根据所述直流电流变化率的绝对值，生成补偿电压。

可选的，所述生成模块包括：

第二计算模块，用于根据所述直流电流变化率的绝对值与补偿系数，计算出补偿电压中间值；

平滑模块，用于平滑所述补偿电压中间值，得到补偿电压。

本申请实施例示出的系统，电流源用于输出vdcol电压，其中，vdcol电压为在原有的直流电压的基础上引入一个补偿电压，所述补偿电压与直流电流变化率成一定的正比关系。在故障清除初期，直流电流变化率小，相应的补偿电压较，对应的vdcol电压较小，进而，使直流功率缓慢恢复，确保受端电网的稳定；随着直流电流及vdcol电压缓慢恢复，vdcol电压接近额定值时，直流电流变化率最大，直流电流变化率迅速减小，vdcol电压迅速增大，有利于直流功率快速恢复。

可见本申请实施例示出的方法可以实现了恢复初期减缓恢复速度，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。较高直流电压水平时提升恢复速度的作用，满足了快速恢复直流功率的需求。

本申请实施例示出的系统，所述电流源用于输出vdcol电压，所述vdcol电压为在原有的直流电压的基础上引入补偿电压。补偿电压与直流电流变化率的绝对值成正比，因此使补偿电压与故障的严重程度建立关联。故障越严重(如12脉动逆变器的换流母线发生三相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越大；反之，故障越轻(如受端电网远端发生单相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越小。因此故障越严重，vdcol电压越小，有利于在故障清除后的交直流系统恢复初期，将vdcol限制在较低的水平，使直流功率缓慢恢复，确保受端电网的稳定；而当故障较轻时，vdcol电压越大，在故障清除后的交直流系统恢复初期，vdcol电压对直流电流的限制能力减弱，有利于直流功率的快速恢复。

为了验证本实施方式的准确性，在电磁暂态仿真软件pscad/emtdc中搭建了如图5所示的抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的系统，主要的仿真参数如表1所示，控制方式为整流器直流电流控制、逆变器定关断角控制，直流线路为架空线。

表1抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的系统的主要参数：

测试结果：

实施例1：

直流电压500kv的条件下，测试结果如图6所示：

可以看出，采用传统的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后又出现一次故障，而采用本申请实施例示出的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后不在出现一次故障。

实施例2：

直流电流3ka的条件下，测试结果如图7所示：

可以看出，采用传统的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后又出现一次故障，而采用本申请实施例示出的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后不在出现一次故障。

实施例3：

直流功率1500mw的条件下，测试结果如图8所示：

可以看出，采用传统的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后又出现一次故障，而采用本申请实施例示出的方法，晶闸管的12脉动逆变器在第一次故障后不在出现一次故障。

可见本申请实施例示出的方法，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。

由以上技术方案可知，由以上技术方案可知，本申请实施例示出一种抑制晶闸管的12脉动逆变器后续换相失败的方法及系统，所述方法包括：获取vdcol电压；将所述vdcol电压输入高压直流输电电路。本申请实施例示出的方法发明充分利用故障清除后交直流系统恢复过程中直流电流的不同变化特点，首先获取vdcol电压，将vdcol电压输入高压直流输电电路将其引入低压限流控制(vdcol)中。故障清除瞬间，直流电流受影响程度最大，直流电流变化率最大，补偿电压最大，vdcol电压最小，相应的直流电流的恢复速率限制在较低的水平，降低了直流功率的恢复速度，从而，减小了换流器的无功功率的消耗，有利于受端电网恢复电压支撑能力，降低了12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。

本申请实施例示出的vdcol电压，是在直流电压的基础上，引入补偿电压，补偿电压与直流电流变化率的绝对值成正比，因此使补偿电压与故障的严重程度建立关联。故障越严重(如12脉动逆变器的换流母线发生三相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越大；反之，故障越轻(如受端电网远端发生单相短路故障)，直流电流变化率的绝对值越小。因此故障越严重，vdcol电压越小，有利于在故障清除后的交直流系统恢复初期，将vdcol限制在较低的水平，使直流功率缓慢恢复，确保受端电网的稳定；而当故障较轻时，vdcol电压越大，在故障清除后的交直流系统恢复初期，vdcol电压对直流电流的限制能力减弱，有利于直流功率的快速恢复。

当直流电压恢复至接近额定值时，直流电流变化率较小，补偿电压较小，vdcol电压较大，相应的直流电流的恢复速率快速提升，在此情况下，对稳定受端电网频率有促进作用。因此本发明是一种能够区分故障的严重程度的可有效降低12脉动逆变器后续换相失败发生的几率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。