12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法及相关装置与流程

[0001]
本申请涉及直流换流器技术领域，尤其涉及一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法及相关装置。


背景技术：

[0002]
随着高压直流输电技术的发展，高压直流换流器在高压直流输电、直流融冰等诸多领域都有广泛的应用，基于晶闸管半导体开关的12脉动高压直流换流器因其通流能力强、容量高而被普遍应用。12脉动换流器通过开关的交替开通，会在直流侧产生直流电，同时也会在直流侧产生谐波。12脉动换流器直流侧特征谐波为12的整数倍，非特征谐波主要包括换流器交直流一次设备和二次控制系统的各种偏差引起的谐波以及直流侧线路上的雷击等各种原因产生谐波等。直流回路的谐波有许多危害，例如当谐波流过交直流回路设备时，会增加设备发热，当直流侧线路附近有通信线路时，影响线路的通信质量。
[0003]
其中，如图1所示，针对直流回路的低频次谐波抑制问题，目前常用的方法是调整系统主回路设备，如在直流出口加装阻波器等，但这些方法都是对一次设备进行的调整，只能对单一固定频率的谐波进行抑制，当出现新的其他频率的谐波时，原设备通常难以满足谐振抑制要求，需要加装或更换新的设备，增加了设备投入成本。


技术实现要素：

[0004]
本申请提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法及相关装置，用于解决现有的12脉动高压换流系统采用加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题。
[0005]
首先，本申请第一方面提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法，应用于12脉动高压换流系统中的直流回路谐波抑制设备，其中，所述12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法包括：
[0006]
基于所述12脉动高压换流系统的直流回路拓扑以及所述直流回路拓扑中各个负载的负载参数，计算得到所述12脉动高压换流系统的一次回路阻抗；
[0007]
基于所述一次回路阻抗与虚拟阻抗的阻抗值，得到所述12脉动高压换流系统的直流回路阻抗实际值，其中，所述虚拟阻抗为通过所述直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到的；
[0008]
当所述直流回路敏感频率处阻抗实际值小于所述直流回路阻抗标准值时，基于所述12脉动高压换流系统输出的电信号，结合pi反馈控制方式，对所述虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至所述直流回路阻抗实际值大于所述直流回路阻抗标准值，所述直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率计算得到的。
[0009]
优选地，所述虚拟阻抗调控模型具体为：
[0010]
[0011]
式中，z
dc
为所述直流回路阻抗实际值，z
eq
为所述一次回路阻抗，为所述虚拟阻抗，k
p
为比例控制系数，k
i
为积分控制系数，1/s为积分控制常数，t
12
为所述12脉动高压换流系统输出的直流电压与触发角的小干扰传递函数。
[0012]
优选地，所述虚拟阻抗调控模型的参数具体为：比例控制系数和/或积分控制系数。
[0013]
同时，本申请第二方面提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制装置，包括：
[0014]
一次回路阻抗计算单元，用于基于所述12脉动高压换流系统的直流回路拓扑以及所述直流回路拓扑中各个负载的负载参数，计算得到所述12脉动高压换流系统的一次回路阻抗；
[0015]
直流回路阻抗计算单元，用于基于所述一次回路阻抗与虚拟阻抗的阻抗值，得到所述12脉动高压换流系统的直流回路阻抗实际值，其中，所述虚拟阻抗为通过所述直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到的；
[0016]
直流回路阻抗调整单元，用于当所述直流回路敏感频率处阻抗实际值小于所述直流回路阻抗标准值时，基于所述12脉动高压换流系统输出的电信号，结合pi反馈控制方式，对所述虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至所述直流回路阻抗实际值大于所述直流回路阻抗标准值，所述直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率计算得到的。
[0017]
优选地，所述虚拟阻抗调控模型具体为：
[0018][0019]
式中，z
dc
为所述直流回路阻抗实际值，z
eq
为所述一次回路阻抗，为所述虚拟阻抗，k
p
为比例控制系数，k
i
为积分控制系数，1/s为积分控制常数，t
12
为所述12脉动高压换流系统输出的直流电压与触发角的小干扰传递函数。
[0020]
优选地，所述虚拟阻抗调控模型的参数具体为：比例控制系数和/或积分控制系数。
[0021]
本申请第三方面提供了一种应用于12脉动高压换流系统的直流回路谐波抑制设备，包括：存储器和处理器；
[0022]
所述存储器用于存储与本申请第一方面提及的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法相对应的程序代码；
[0023]
所述处理器用于执行所述程序代码。
[0024]
本申请第四方面提供了一种存储介质，所述存储介质中保存有与本申请第一方面提及的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法相对应的程序代码。
[0025]
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
[0026]
本申请提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法，应用于12脉动高压换流系统中的直流回路谐波抑制设备，其中，所述12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法包括：基于所述12脉动高压换流系统的直流回路拓扑以及所述直流回路拓扑中各个负载的负载参数，计算得到所述12脉动高压换流系统的一次回路阻抗；基于所述一次回路
阻抗与虚拟阻抗的阻抗值，得到所述12脉动高压换流系统的直流回路阻抗实际值，其中，所述虚拟阻抗为通过所述直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到的；当所述直流回路敏感频率处阻抗实际值小于所述直流回路阻抗标准值时，基于所述12脉动高压换流系统输出的电信号，结合pi反馈控制方式，对所述虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至所述直流回路阻抗实际值大于所述直流回路阻抗标准值，所述直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率计算得到的。
[0027]
本申请通过引入虚拟阻抗，在保持直流回路线路和负载不变的情况下，通过调整虚拟阻抗调控模型的参数调整虚拟阻抗，实现调整12脉动换流器的直流回路阻抗，从而达到抑制不同频率谐波，解决了现有的12脉动高压换流系统采用加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0029]
图1为现有的12脉动高压换流系统直流回路的拓扑结构示意图；
[0030]
图2为本申请提供的12脉动高压换流系统直流回路的拓扑结构示意图；
[0031]
图3为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法的流程示意图；
[0032]
图4为本申请提供的12脉动换流系统仿真电路图；
[0033]
图5为本申请提供的12脉动换流器的小干扰传递函数框图；
[0034]
图6为本申请提供的12脉动换流器直流回路阻抗频谱计算值结果示意图；
[0035]
图7为通过matlab仿真得到的直流回路阻抗实际值与图6中的直流回路阻抗频谱计算值的比对结果示意图；
[0036]
图8为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制装置的结构示意图。
具体实施方式
[0037]
如图1所示，针对直流回路的低频次谐波抑制问题，目前常用的方法是调整系统主回路设备，如在直流出口加装阻波器等，但这些方法都是对一次设备进行的调整，只能对单一固定频率的谐波进行抑制，当出现新的其他频率的谐波时，原设备通常难以满足谐振抑制要求，需要加装或更换新的设备，增加了设备投入成本。
[0038]
图1中，交流侧三相交流电压源vac的相电压幅值和频率分别为vp和50hz，三相电压依次相位差120
°
。
[0039]
t1和t2为理想变压器，ls为换流变压器的漏电感，t1为星角接线，t2为yy接线，t1和t2的二次侧电压相位相差30度。为便于说明，变压器变比为1:1。
[0040]
v1和v2为基于晶闸管的六脉动换流器，l0为直流平波电感。直流电流为idc，直流电压为vdc。l1和l2为直流线路，r为直流负载，blocking filter为阻波器。
[0041]
本申请实施例提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法及相关装置，用于解决现有的12脉动高压换流系统采用加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题。
[0042]
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
[0043]
请参阅图2和图3，本申请第一个实施例提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法，应用于12脉动高压换流系统中的直流回路谐波抑制设备，其中，12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法包括：
[0044]
步骤101、基于12脉动高压换流系统的直流回路拓扑以及直流回路拓扑中各个负载的负载参数，计算得到12脉动高压换流系统的一次回路阻抗。
[0045]
需要说明的是，首先，由直流回路谐波抑制设备基于获取到的或预设的12脉动高压换流系统的直流回路拓扑信息，根据直流回路中接入的负载设备信息，负载设备包括但不限于电感负载、电阻负载以及直流回路末端的用电负载，以便利用这些负载信息计算出由该直流回路的一次设备构成回路阻抗，即一次回路阻抗。
[0046]
步骤102、基于一次回路阻抗与虚拟阻抗的阻抗值，得到12脉动高压换流系统的直流回路阻抗实际值，其中，虚拟阻抗为通过直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到的。
[0047]
需要说明的是，在本申请实施例的方案中，直流回路的阻抗是由一次回路阻抗和虚拟阻抗共同组成，因此，通过步骤101得到的一次回路阻抗和过直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到虚拟阻抗，可以得到直流回路的实际阻抗，以便作为后续步骤中抑制谐波的调控基准。
[0048]
步骤103、当直流回路敏感频率处阻抗实际值小于直流回路阻抗标准值时，基于12脉动高压换流系统输出电信号，结合pi反馈控制方式，对虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至直流回路阻抗实际值大于直流回路阻抗标准值，直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率计算得到的。
[0049]
需要说明的是，本申请中的直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率，结合经验公式计算得到的阻抗值，能够抑制该频率谐波的直流回路阻抗。
[0050]
根据直流回路阻抗实际值与直流回路阻抗标准值进行比较得到的比较结果，当直流回路阻抗敏感频率的实际值小于直流回路阻抗标准值时，则基于12脉动高压换流系统输出的电信号，通过pi反馈控制方式，对虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至直流回路阻抗实际值大于直流回路阻抗标准值，从而达到抑制直流回路谐波的目的。
[0051]
本申请实施例通过引入虚拟阻抗，在保持直流回路线路和负载不变的情况下，通过调整虚拟阻抗调控模型的参数调整虚拟阻抗，实现调整12脉动换流器的直流回路阻抗，从而达到抑制不同频率谐波，解决了现有的12脉动高压换流系统采用加装阻波器等一次设备的方式抑制直流侧的谐振，导致的谐振抑制调整不灵活的技术问题。
[0052]
以上为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法的第一个
实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法的第二个实施例的详细说明。
[0053]
请参阅图2和图3，在第一个实施例的基础上，本申请第二个实施例提供了一种更为具体的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法。
[0054]
更具体地，虚拟阻抗调控模型具体为：
[0055][0056]
式中，z
dc
为直流回路阻抗实际值，z
eq
为一次回路阻抗，为虚拟阻抗，kp为比例控制系数，ki为积分控制系数，1/s为积分控制常数，t
12
为12脉动高压换流系统输出的直流电压与触发角的小干扰传递函数。
[0057]
更具体地，虚拟阻抗调控模型的参数具体为：比例控制系数和/或积分控制系数。
[0058]
需要说明的是，12脉动换流器正常运行时，交流电压、直流电流、触发角等参数都保持稳定，因为v1和v2为含晶闸管的非线性元件，本申请采用小干扰分析的方法对12脉动换流器进行数学建模。
[0059]
根据换流器工作原理，v
dc
表达式如式1。
[0060][0061]
其中ω＝2πf。
[0062]
图4中，通过直流线路采用3段pi型电路进行等效得到图示的电路原理图结构，其中，3段pi型电路的等效并联电容、串联电感、电阻分别为c1、l1、r1、c2、l2、r2、c3、l3、r3，为便于分析，设每段pi型电路的长度、导线参数和工作环境都一致，则每段pi型电路的等效电容、电感和电阻都相等，则换流器直流侧出口的一次回路总等效阻抗zeq为式2。
[0063]
z
eq
(s)＝l0s+1/(c1s+1/(r1+l1s+1/(1/(r1+1/(1/(r1+1/(c1s+1/r0)+l1s)+2
×
c1s)+l1s)+2
×
c1s)))
ꢀꢀ
(2)
[0064]
直流侧电压v
dc
和电流i
dc
在s域的关系表达式为：
[0065]
v
dc
(s)＝z
eq
(s)i
dc
(s)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
由式(1)和(3)可得直流电压v
dc
和其触发角α的小干扰传递函数为：
[0067][0068]
其中，12脉动换流器的小干扰传递函数框图如图5所示。
[0069]
接着，为得到12脉动换流器的直流回路阻抗，采用在直流回路注入小干扰谐波δvs的方法，可得12脉动换流器的直流回路阻抗的小干扰s域传递函数为
[0070][0071]
由式5可知，12脉动换流器直流回路的谐波阻抗zdc(s)由两部分组成：其中左边zeq(s)为换流器出口回路阻抗，包括直流线路和直流负载，为一次主设备产生的阻抗；左边
为中的直流回路谐波抑制设备虚拟阻抗。则通过调整直流回路谐波抑制设备产生的虚拟阻抗即可调整统一直流回路的总阻抗，实现直流回路阻抗的调整设计。
[0072]
为验证上述方法，本申请在matlab中建立了上述模型的计算程序，并选定了一套系统参数，模型中各参数为：交流电压vp为10kv，频率f为50hz，交流侧电感ls为2mh，直流侧平波电感l0为100mh，直流线路为3个π型电路串联，负载为电阻r和电感l串联，r为4ω，l为40mh，直流电流参考值i
ref
为2000a，kp的初始值为0.001,ki的初始值为0.1。
[0073]
根据本申请的方法，上述系统的直流回路阻抗的初始频率曲线如图6所示。
[0074]
可见该系统的直流回路阻抗有多个波峰和波谷点，200hz以内有2个低于50ω的频率点，且在局部区域的阻抗随频率变化较快。
[0075]
为验证附图6数据的准确性，本申请基于附图3的系统框图和上述系统数据在matlab软件的simulink模块中搭建了仿真模型，仿真系统框图如图4所示。
[0076]
在图7的matalb仿真中，v
h
为频率和幅值可变的谐波电压源，可以根据需要设置谐波电压的幅值和频率，仿真开始时v
h
的谐波幅值为零，等系统直流即i
dc
达到2000a并保持稳定后，再开始将v
h
设置为不同的频率f
p
和幅值v
hp
，此时idc中会出现相应不同频率的谐波电流i
dcp
，则相应频率f
p
处的直流回路阻抗为：
[0077][0078]
其中v
hp0
和v
hp
分别为加谐波电源前后的直流端口相应频率谐波电压，i
dcp0
和i
dcp
分别为加谐波电源前后的直流回路相应频率谐波电流。且v
hp0
、v
hp
、i
dcp
、和i
dcp0
均由fft分析得到。则根据式6可以得到直流回路各频率点的实际阻抗值，如图7中虚线所示，图7中的实线为图6中根据本申请方法计算得到的阻抗曲线。
[0079]
由式5知附图7，直流回路阻抗跟直流回路谐波抑制设备虚拟阻抗有关且该关系是准确的，下面研究当换流器直流出口一次回路的设备保持不变时，调整直流回路谐波抑制设备的虚拟阻抗后换流器直流回路总阻抗的变化情况。
[0080]
直流回路谐波抑制设备积分环节放大系数ki增大时，12脉动换流器直流回路阻抗曲线的高频部分基本没变化，低频部分的曲线则变化较明显。ki变化时直流回路阻抗曲线低频部分的阻抗最小值波动不大，但其阻抗最低点对应的频率随ki增大而逐渐右移，即谐振点频率随着ki增大而增大，可见换流器直流回路的低频部分的谐振点与直流回路谐波抑制设备积分环节系数ki成正相关关系。
[0081]
本实施例通过理论推导发现直接将直流出口回路阻抗和直流回路谐波抑制设备虚拟阻抗二者相加即得到12脉动换流器直流回路阻抗。则通过调整直流回路谐波抑制设备的虚拟阻抗或直流回路线路或负载参数，都可直接调整12脉动换流器直流回路阻抗。实际应用中，直接调整直流回路线路或负载参数的方法是最直观和有效的，但会存在增加设备数量、占地面积、经济成本等不利因素，若12脉动换流器系统已经投入运行，则还需要考虑对系统进行停运等操作，增加了时间成本和停运损失。通过本申请的方法，在保持直流回路线路和负载不变的情况下，通过合理调整直流回路谐波抑制设备的虚拟阻抗，即可快速便捷地调整12脉动换流器直流回路阻抗，且可同时调整所有频率范围内的阻抗值和阻抗值最低点的频率值即谐振频率点，使12脉动换流器运行可靠性和工作适应范围显著提高。
[0082]
以上为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法的第二个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制装置的一个实施例的详细说明。
[0083]
请参阅图8，本申请第三个实施例提供了一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制装置，包括：
[0084]
一次回路阻抗计算单元801，用于基于12脉动高压换流系统的直流回路拓扑以及直流回路拓扑中各个负载的负载参数，计算得到12脉动高压换流系统的一次回路阻抗；
[0085]
直流回路阻抗计算单元802，用于基于一次回路阻抗与虚拟阻抗的阻抗值，得到12脉动高压换流系统的直流回路阻抗实际值，其中，虚拟阻抗为通过直流回路谐波抑制设备中的虚拟阻抗调控模型得到的；
[0086]
直流回路阻抗调整单元803，用于根据直流回路阻抗实际值与直流回路阻抗标准值的比较结果，当直流回路阻抗实际值小于直流回路阻抗标准值时，基于12脉动高压换流系统输出的电信号，通过pi反馈控制方式，对虚拟阻抗调控模型的参数进行调节，直至直流回路阻抗实际值大于直流回路阻抗标准值，直流回路阻抗标准值为根据待抑制谐波的频率计算得到的。
[0087]
更具体地，虚拟阻抗调控模型具体为：
[0088][0089]
式中，z
dc
为直流回路阻抗实际值，z
eq
为一次回路阻抗，为虚拟阻抗，kp为比例控制系数，ki为积分控制系数，1/s为积分控制常数，t
12
为12脉动高压换流系统输出的直流电压与触发角α的小干扰传递函数。
[0090]
更具体地，调节的虚拟阻抗调控模型的参数具体为：比例控制系数和/或积分控制系数。
[0091]
以上为本申请提供的一种12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制装置的一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种应用于12脉动高压换流系统的直流回路谐波抑制设备及存储介质的详细说明。
[0092]
本申请第三个实施例提供了一种应用于12脉动高压换流系统的直流回路谐波抑制设备，包括：存储器和处理器；
[0093]
存储器用于存储与本申请第一个实施例或第二个实施例提及的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法相对应的程序代码；
[0094]
处理器用于执行程序代码，以实现本申请的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法。
[0095]
本申请第四个实施例提供了一种存储介质，存储介质中保存有与本申请第一个实施例或第二个实施例提及的12脉动高压换流系统直流回路谐波抑制方法相对应的程序代码。
[0096]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0097]
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以
通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0098]
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0099]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0100]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0101]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0102]
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。