一种用于生成高压直流晶闸管换流器电压波形的数字方法及系统与流程

本发明涉及电力技术领域，更具体地，涉及一种用于生成高压直流晶闸管换流器电压波形的方法及系统。

背景技术：

自上世纪50年代世界上第一套高压直流(hvdc)换流器在瑞典哥特兰岛工程投运以来，到目前国内外已有百套以上的hvdc工程在运行。为了进一步提高电能输送能力和输送距离，近几年国内已有数套特高压直流输电工程已投运，在直流输电技术上和输送能力上我国均处于国际领先地位。

但是由于高压直流换流器运行中电压波形不是正弦波，而是一个直流电压和一个波形复杂的周期性纹波电压的叠加，高压实验室普通试验设备无法产生这种波形，因此无法进行相关试验。为了解决试验问题，国内曾经研发了经过缩比的小型的高压直流换流系统，但是由于试验设备参数被严重压缩，试品的接入造成试验波形严重畸变，实际上达不到对试品进行有效试验的目的。

高压直流换流器避雷器是高压直流换流器的主要过电压保护设备。由于高压直流换流器电压波形复杂，国内外缺少试验设备，2000年以前高压直流换流器避雷器(特指阀避雷器和桥避雷器)的老化试验实际上无法进行。2000年后随着国内高压直流输电工程的大规模上马，这种老化试验逐渐被重视，国内随后研制了实验室用的小型的高压直流换流器，以求对避雷器进行老化试验。但是由于试品的接入会导致试验电压波形的严重畸变，实际试验数据的有效性受到强烈质疑。

因此，需要提出一种新的技术，以解决高压直流换流器高电压波形生成的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于计算高压直流晶闸管换流器电压波形的方法及系统，以解决如何对高压直流换流器高电压波形生成的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于计算高压直流晶闸管换流器电压波形的方法，所述方法包括：

将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个存在函数；

利用触发角和换相重叠角两个参量对所述6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数；

利用所述6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算所述直流换流器的直流端电压；

将所述6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压；

利用导通函数，计算所述6脉动晶闸管换流器的阀电压。

优选地，所述基本存在函数为e(ωt)，其周期为2π。

优选地，所述将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个一般存在函数，包括：

考虑滞后相位角φ时，所述6个一般存在函数的表达式如下：

优选地，所述利用触发角和换相重叠角两个参量对所述6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，包括：

考虑触发角α，换相重叠角μ两个参量后，将所述6脉动晶闸管换流器的6个存在函数用触发角α和触发角加换相重叠角α+μ进行修改，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数如下式：

优选地，所述利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算所述6脉动晶闸管换流器的直流端电压，包括：

ud为所述晶闸管换流器直流端电压，ua、ub、uc为a、b、c三相交流工频电压。

优选地，所述利用导通函数，计算所述晶闸管换流器的阀电压，包括：

c为导通函数，当c的值为1时，阀处于导通状态；当c的值为0时，阀处于关断状态。

优选地，所述利用导通函数，计算所述晶闸管换流器的阀电压，包括：

所述晶闸管换流器阀v1电压u1的如下计算公式：

优选地，通过所述高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压和所述晶闸管换流器的阀电压计算所述晶闸管换流器其它位置的电压。

基于本发明的另一方面，提供一种用于计算高压直流换流器电压波形的系统，所述系统包括：

第一获取单元，用于将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个存在函数；

第二获取单元，用于利用触发角和换相重叠角两个参量对所述6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数；

第一计算单元，用于利用所述6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算所述6脉动晶闸管换流器的直流端电压；

第三获取单元，用于将所述6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压；

第二计算单元，利用导通函数，计算所述晶闸管换流器的阀电压。

本申请提供的技术方案通过将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个存在函数；利用触发角和换相重叠角两个参量对6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数；利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算6脉动晶闸管换流器直流端电压；将6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压；利用导通函数，计算6脉动晶闸管换流器的阀电压。本申请技术方案是一种可灵活生成高压直流换流器相关电压波形的数字方法，其各函数表达式中的直流分量和脉动分量可分别处理以便进行高压输出，形成相关高电压试验用专门波形。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的方法流程图；

图2为根据本发明实施方式的基本存在函数波形示意图；

图3为根据本发明实施方式的存在函数一般形式的波形示意图；

图4为根据本发明实施方式的三相工频交流电压波形示意图；

图5为根据本发明实施方式的6脉动晶闸管换流器电路原理图；

图6为根据本发明实施方式的考虑滞后相位φ时的6个存在函数波形示意图；

图7为根据本发明实施方式的6脉动晶闸管换流器端电压波形(α＝15°，μ＝15°)示意图；

图8为根据本发明实施方式的12脉动晶闸管换流器端电压波形(α＝15°，μ＝15°)示意图；

图9为根据本发明实施方式的晶闸管换流器阀电压波形(α＝15°，μ＝15°)示意图；

图10为根据本发明实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的方法流程图。本申请实施方式提供的技术方案通过将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个一般存在函数；利用触发角和换相重叠角两个参量对6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数；利用这12个存在函数，计算6脉动晶闸管换流器直流端电压；将6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压；利用导通函数，计算6脉动晶闸管换流器的阀电压。如图1所示，一种用于计算高压直流换流器电压波形的方法100从步骤101开始：

优选地，在步骤101：将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个存在函数。

本申请中存在函数是一个周期性开关函数，其值为1或0，被用来分别代表开关的接通和关断。存在函数取值为1在一个周期内是连续的，其时间占一个周期的1/3，另2/3的时间取值为0。基本存在函数e(ωt)的波形如图2所示。基本存在函数为e(ωt)，其周期为2π。

为了利用存在函数，将基本存在函数滞后一个任意相位角φ，变成e(ωt-φ)，其波形示意图参见图3。e(ωt-φ)是存在函数的一般表达形式。

本申请中，工频交流电压的函数表达式和波形图如图4所示，三相工频交流电压由下列函数式表示：

式中u是线电压有效值。

6脉动晶闸管换流器电路原理图以及6个晶闸管阀的编号如图5所示。用6个存在函数分别对应于这6个晶闸管阀。

考虑滞后相位角φ时，6个一般存在函数的波形图如图6所示，6个一般存在函数的表达式如下：

优选地，在步骤102：利用触发角和换相重叠角两个参量对6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数。

本申请考虑触发角α，换相重叠角μ两个参量后，将6脉动晶闸管换流器的6个存在函数用触发角α和触发角加换相重叠角α+μ进行修改，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数如下式：

。

优选地，在步骤103：利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压。

本申请利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压，包括：

ud为高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压，ua、ub、uc为a、b、c三相交流工频电压。

用上式得到的电压波形如图7所示。

优选地，在步骤104：将6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压。

本申请中12脉动换流器端电压是两个6脉动换流器直流端电压的叠加，其中的一个6脉动换流器电源电压以及相应的换相脉冲移相了30°。因此，12脉动换流器端电压表达式可简单地描述为一个6脉动换流器直流端电压表达式与一个移相30°的6脉动换流器直流端电压表达式之和。用上述原理得到的12脉动晶闸管换流器端电压波形如图8所示。

优选地，在步骤105：利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压。

参考图5给出的6脉动晶闸管换流器电路示意图。图中每一个阀的电压波形都是一样的。因此只需要给出其中一个阀的电压表达式即可。以图中v1阀的电压u1为例，推导如下：

为了简化公式表述，这里再引入一个导通函数c。当c的值为1时，阀处于导通状态，反之当c的值为0时，阀处于关断状态。导通函数是两个存在函数进行逻辑“或”运算的结果，因此它也是一个周期性函数，其周期为2π。定义：

优选地，利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压，包括：

c为导通函数，当c的值为1时，阀处于导通状态；当c的值为0时，阀处于关断状态。

本申请中v1阀和v4阀均连接于电源的a相，因此它们不可能同时导通，用导通函数描述时，c1和c4的值不可能同时为1，因此当c4的值为1时，阀v4是导通的，此时阀v1上的(正向)电压等于整个6脉动晶闸管换流器端电压的负值，即u1＝-ud。而当c1的值为1时，阀v1是导通的，其阀v1的(正向)电压值为u1＝0。只有当c1和c4的值均为0时，阀v1的电压u1可表示如下：

u1＝ua-ub·c3-uc·c5

利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压，包括：

晶闸管换流器阀v1电压u1的如下计算公式：

由上式得到的晶闸管换流器的阀(正向)电压波形如图9所示。

优选地，通过高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压和晶闸管换流器的阀电压用叠加方式计算高压直流换流器其它位置的电压。

图10为根据本发明实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的系统结构图。如图10所示，一种用于计算高压直流换流器电压波形的系统10，包括：

第一获取单元11，用于将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个存在函数。

优选地，基本存在函数为e(ωt)，其周期为2π。

优选地，将基本存在函数进行变换，获取6脉动晶闸管换流器的6个一般存在函数，包括：

考虑滞后相位角φ时，6个一般存在函数的表达式如下：

第二获取单元12，用于利用触发角和换相重叠角两个参量对6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数。

优选地，利用触发角和换相重叠角两个参量对6脉动晶闸管换流器的6个存在函数进行修正，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，包括：

考虑触发角α，换相重叠角μ两个参量后，将6脉动晶闸管换流器的6个存在函数用触发角α和触发角加换相重叠角α+μ进行修改，获取修正后的6脉动晶闸管换流器的12个存在函数如下式：

。

第一计算单元13，用于利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压。

优选地，利用6脉动晶闸管换流器的12个存在函数，计算高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压，包括：

ud为高压直流6脉动晶闸管换流器的直流端电压，ua、ub、uc为a、b、c三相交流工频电压。

第三获取单元14，用于将6脉动晶闸管换流器的直流端电压与另外一个换相脉冲移相30°的6脉动晶闸管换流器的直流端电压进行叠加，获取12脉动晶闸管换流器的直流端电压。

第二计算单元15，利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压。

优选地，利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压，包括：

c为导通函数，当c的值为1时，阀处于导通状态；当c的值为0时，阀处于关断状态。

优选地，利用导通函数，计算晶闸管换流器的阀电压，包括：

晶闸管换流器阀v1电压u1的计算公式如下：

优选地，通过高压直流6脉动晶闸管换流器直流端电压和6脉动晶闸管换流器阀电压计算高压直流换流器其它位置的电压。

根据本发明实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的系统10与本发明另一实施方式的一种用于计算高压直流换流器电压波形的方法100相对应，在此不再进行赘述。

至此，已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。