基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法及控制器

本发明属于高压直流输电领域，更具体地，涉及一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法及控制器。

背景技术：

换相失败是基于电网换相换流器的高压直流输电系统最为常见故障之一。换相失败发生后，直流电压迅速跌落、直流电流剧烈增加，对系统造成严重冲击，甚至会导致传输功率中断。随着高压直流输电工程的相继投入，我国电网“强直弱交、多回直流集中馈入”的特征日渐突出，受端电网支撑能力下降，交流系统故障可能诱发单个换流站的多次换相失败，甚至造成直流闭锁，严重威胁我国新形态下交直流混联电网安全。

为降低换相失败风险，现有文献大多从提升交流系统无功电压支撑能力、改造换流器拓扑结构和优化直流系统控制保护策略3个方面展开研究，其中换相失败预防控制(cfprev)是预防和缓解换相失败有效手段。换相失败的本质是熄弧角γ小于晶闸管恢复正常电压阻断能力所需要的极限熄弧角γ0，熄弧角变化往往可以表征阀电流变化，间接对是否发生换相失败进行判断。直流系统中常用γ、α、β和μ别表示换相过程所对应的熄弧角、触发角、超前触发角和换相重叠角，其关系为：

γ＝β-μ＝π-α-μ(1)

cfprev原理即在检测到交流故障时立刻减小触发角α，提前触发以增大熄弧角γ避免其跌落小于极限熄弧角γ0。

传统cfprev控制模块包括两个并行的部分：①为检测单相故障的零序检测器，②为基于abc-αβ变换的三相故障检测器。其原理如下：

1)单相故障检测：交流系统发生单相故障时，换流站的电压母线含有零序电压。当零序电压分量u0幅值大于预设值，则启动预防控制。

3u0＝ua+ub+uc(2)

式中ua、ub、uc分别为a、b、c三相电压矢量。

2)三相故障检测：交流系统发生三相故障时，交流电压经abc-αβ变换得到α-β平面上以角速度旋转的是矢量uαβ。若uαβ幅值与故障前该量之差大于预设值，则启动预防控制。

其中

当预防控制启动后，控制器将输入值减去相应预设值并经过变化转换为需要补偿的触发角δαcfprev，最终从逆变站触发角中减去该角度。

现有的换相失败预防控制(cfprev)大多具有以下不足：(1)预测精度低：仅根据交流电压进行启动、输入、控制；(2)灵活性差：一旦某增益或时间常数选定，很难根据实际工况进行灵活调整；(3)触发角增加与交流电压跌落矛盾突出，或恶化换相条件。

因此，一种具有强预测能力、参数可自适应变化、能较好平衡触发角增加与电压跌落矛盾的新型换相失败预防控制方法对换相失败抑制，提高高压直流输电系统安全性具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法及控制器，其目的在于，在电网故障后提高交直流混联系统的换相裕度，抑制或缓解换相失败，促进电网恢复。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法，包括：

在当前控制周期开始时刻，根据实时检测的包括直流电流在内的逆变侧参数检测各类预设的故障是否发生；

当任一类故障发生时，根据直流电流变化量δidci预测逆变侧触发角αcv0，并计算系统控制器输出的逆变侧触发角αo，由此得到逆变侧触发角补偿量为δαcv0＝αcv0-αo；直流电流变化量δidci为直流电流的一阶微分项至m阶微分项之和，阶数越高的微分项，其中的时间常数越小；m为正整数，且m≥2；

利用逆变侧触发角补偿量δαcv0对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿，完成当前控制周期的换相失败预防控制。

在暂态时，直流电流变化量δidci将直接影响熄弧角大小，因此，准确预测直流电流变化量，是提高换相裕度的关键；本发明计算直流电流的一阶微分项至m阶微分项之和作为直流电流变化量的预测值，其中的一阶微分项反映了直流电流的变化率，对直流电流变化量的预测起主要作用，高阶微分项则对直流电流变化量的预测进行修正；通过设置阶数越高的微分项，其中的时间常数越小，使得一阶微分项中的时间常数较大，保证了预测灵敏性，有利于提高直流电流变化量的预测精度，高阶微分项中的时间常数则逐渐减小，能够在对预测结果进行修正的同时，避免高阶微分项带来的杂波幅值变大，进一步提高直流电流变化量的预测精度。因此，本发明根据电流电压变化速率间接反映故障程度，对于直流电流变化量具有较强的预测能力，能够更够提供更为合适的触发角补偿量，提高换相裕量，缓解解触发角补偿与电压跌落的矛盾。

进一步地，m＝2，且直流电流变化量δidci为：

其中，idci(t)为t时刻实际的直流电流，t0表示当前控制周期的开始时刻；δt1为一阶电流预测时间常数，δt2为二阶电流预测时间常数，δt1>δt2。

本发明以直流电流的一阶微分项和二阶微分项之和作为直流电流变化变化量的预测值，并且设置一阶微分项中的时间常数大于二阶微分项中的时间常数，能够在保证预测精度的基础上简化计算。

进一步地，逆变侧触发角αcv0为：

其中，k表示换流变压器变比，xc表示换相电抗，idci表示直流电流，eaci为逆变侧交流系统额定线电压，n为逆变站中6脉波换流器个数，γ0为临界熄弧角。

由于本发明所预测的直流电流变化量中包含了直流电流变化率的信息，所计算的逆变侧触发角αcv0实际上是计及直流电流变化率的逆变侧触发角，基于此逆变侧触发角αcv0所计算的触发角补偿量具有更好的补偿效果，能够有效提高换相裕度。

进一步地，逆变侧触发角αo为：

其中，ior表示当前的逆变侧直流电流指令。

传统的换相失败预防控制方法中，直接根据逆变侧直流电流计算系统控制器输出的逆变侧触发角，由于直流电流对于直流电流指令的响应往往存在一定的延迟，直接根据直流电流计算的逆变侧触发角往往与系统控制器实际输出的逆变侧触发角存在较大的偏差；本发明根据直流电流指令计算逆变侧触发角，计算结果更加接近系统控制器实际输出的逆变侧触发角，能够进一步提高所计算的触发角补偿量的补偿效果，提高换相裕度。

进一步地，本发明提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法，还包括：

按照如下公式计算熄弧角补偿量调整系数ki：

其中，δt3、δt3-1和δt3-2均为时间常数，且δt3-1>δt3-2；eaciref为逆变侧交流电压有效值参考值；

并且，利用逆变侧触发角补偿量δαcv0对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿，包括：

利用熄弧角补偿量调整系数ki对逆变侧触发角补偿量δαcv0进行调整，得到调整后的触发角补偿量为δαcv＝kiδαcv0；

从系统控制器实际输出的逆变侧触发角中减去调整后的触发角补偿量δαcv，完成触发角补偿。

逆变侧交流电压有效值参考值eaciref可以有效区分电压跌落程度，本发明对于不同的电压跌落程度分别计算熄弧角补偿量调整系数ki，实现了电流预测为主、电压预测为辅的控制策略，能够在逆变侧系统在不同阶段下动态调节触发角补偿量，具体来说，首次换相失败前，此时电压跌落小，ki能够增大触发角补偿量，提升换相角裕度，利于抑制首次换相失败；交流故障清除前，此时电压跌落大，ki能够使触发角补偿量维持在相对较低状态，减小逆变器无功吸收，维持交流母线电压，利于抑制后续换相失败；交流故障清除后，电压恢复阶段，ki能够减小触发角补偿量，促进电压恢复。因此，本发明通过引入熄弧角补偿量调整系数ki，能够在不同故障程度下，自适应调节触发角补偿量的大小，以提高换相失败失败预防控制的灵敏性与灵活性，能够有效缓解由于交流系统故障引发换相失败对电网造成的冲击。

进一步地，在从系统控制器实际输出的逆变侧触发角中减去调整后的触发角补偿量δαcv之前，还包括：

若调整后的触发角补偿量δαcv的幅值超过了预设的第一幅值区间，则将调整后的触发角补偿量δαcv限幅到第一幅值区间。

本发明在对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿之前，先对触发角补偿量进行限幅，能够有效避免因过补偿而导致逆变站吸收无功过多，引起电压跌落。

进一步地，利用熄弧角补偿量调整系数ki对逆变侧触发角补偿量δαcv0进行调整之前，还包括：

若逆变侧触发角补偿量δαcv0的幅值超过了预设的第二幅值区间，则将逆变侧触发角补偿量δαcv0限幅到第二幅值区间。

本发明在利用熄弧角补偿量调整系数ki对逆变侧触发角补偿量δαcv0进行调整之前先进行限幅操作，能够进一步避免因过补偿而导致逆变站吸收无功过多，引起电压跌落。

进一步地，预设的故障包括换相失败；

并且，检测换相失败的方式为：若直流电流变化量δidci大于换相失败临界电流变化量则判定发生了换相失败。

由于本发明所预测的直流电流变化量中包含了直流电流变化率的信息，因此，本发明对换相失败进行预测的判据具体是基于直流电流微分的换相失败预测判据，该判据能够准确地预测换相失败；除了单相故障和三相故障，其他的系统故障发生时，也会导致换相失败，本发明通过对换相失败进行预测，能够较为全面地检测系统故障，有效预防换相失败。

进一步地，预设的故障还包括：单相故障，和/或三相故障。

相比于换相失败，单相故障检测和三相故障检测灵敏度更高，本发明在检测换相失败的同时，还对单相故障和三相故障进行检测，在系统出现单相故障或三相故障时，能够较快地检测到系统故障，及时进行触发角补偿。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制器，包括：信号检测模块、故障预测模块、直流电流变化量计算模块、触发角补偿量计算模块以及补偿模块；

信号检测模块，用于持续检测包括直流电流在内的逆变侧参数；

直流电流变化量计算模块，用于计算直流电流变化量δidci；直流电流变化量δidci为直流电流的一阶微分项至m阶微分项之和，阶数越高的微分项，其中的时间常数越小；m为正整数，且m≥2；

故障预测模块，用于在当前控制周期开始时刻，根据信号检测模块实时检测到的逆变侧参数检测各类预设的故障是否发生，并在任一类故障发生时，触发触发角补偿量计算模块；

触发角补偿量计算模块，用于根据直流电流变化量δidci预测逆变侧触发角αcv0，并计算系统控制器输出的逆变侧触发角αo，由此得到逆变侧触发角补偿量为δαcv0＝αcv0-αo，之后触发补偿模块；

补偿模块，用于利用逆变侧触发角补偿量δαcv0对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿，完成当前控制周期的换相失败预防控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，通过选取直流电流变化率对直流电流变化量进行预测，具有较强的预测能力；通过引入熄弧角补偿量调整系数ki，使得最终输出的触发角补偿量δαcv根据不同时刻电压电流状态实时变化，实现了参数自适应变化；根据电流电压变化速率间接反映故障程度，灵活调整补偿参数，提供更合理的触发角补偿量，效缓解触发角补偿与电压跌落的矛盾。因此，本发明所提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法，是一种具有强预测能力、参数可自适应变化、能较好平衡触发角增加与电压跌落矛盾的换相失败预防控制方法。

实验表明，本发明提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法及控制器，对首次换相失败、后续换相失败、连续换相失败以及由于故障切除引发的换相失败均有较好的抑制作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制器的结构框图；

图3为本发明实施例提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制器的电路结构图；

图4为现有的cigre-hvdc标准测试系统示意图；

图5为本发明实施例提供的对首次换相失败抑制效果仿真结果示意图；

图6为本发明实施例提供的对后续换相失败抑制效果仿真结果示意图；

图7为本发明实施例提供的对故障切除型换相失败抑制效果仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”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。

实施例1：

一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法，如图1所示，包括：

在当前控制周期开始时刻，根据实时检测的包括直流电流在内的逆变侧参数检测各类预设的故障是否发生；

当任一类故障发生时，根据直流电流变化量δidci预测逆变侧触发角αcv0，并计算系统控制器输出的逆变侧触发角αo，由此得到逆变侧触发角补偿量为δαcv0＝αcv0-αo；直流电流变化量δidci为直流电流的一阶微分项至m阶微分项之和，阶数越高的微分项，其中的时间常数越小；m为正整数，且m≥2；

利用逆变侧触发角补偿量δαcv0对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿，完成当前控制周期的换相失败预防控制。

可选地，本实施例中，控制周期具体为1s。

可选地，本实施例实时检测的逆变侧参数具体包括电流电流idci、eaci为逆变侧交流系统额定线电压eaci以及逆变侧直流电流指令ior；本实施例在进行故障检测时，具体会同时检测单相故障、三相故障以及换相失败；通过检测换相失败，能够保证更为全面地检测系统故障，同步检测单相故障和三相故障，能够在系统发生单相故障或三相故障时，及时检测到故障发生并响应；

本实施例中，检测换相失败的方式为：若直流电流变化量δidci大于换相失败临界电流变化量则判定发生了换相失败；

本实施例中，用于预测直流电流变化量δidci的具体计算公式为：

其中，idci(t)为t时刻实际的直流电流，t0表示当前控制周期的开始时刻；δt1为一阶电流预测时间常数，δt2为二阶电流预测时间常数，δt1>δt2；实验表明，δt1在10ms～20ms区间有较好的换相失败抑制能力；可选地，本实施例中，δt1＝10ms，δt2＝1ms；

换相失败临界电流变化量具体按照如下公式计算：

其中，k表示换流变压器变比，xc表示换相电抗，idci表示直流电流，eaci为逆变侧交流系统额定线电压，n为逆变站中6脉波换流器个数，γ0为临界熄弧角，eacin为逆变侧交流系统额定线电压，αin为逆变器额定触发角，idn为额定直流电流；可选地，本实施例中，γ0＝7°；

单相电流和三相电流的检测可参考cfprev中的检测方式，具体如下：

对于单相故障，由于交流系统发生单相故障时，换流站的电压母线含有零序电压，因此，当零序电压分量u0大于预设值uleveli时，判定发生单相故障；其中，3u0＝ua+ub+uc，式中ua、ub、uc分别为a、b、c三相电压；

对于三相故障，由于交流系统发生三相故障时，交流电压经abc-αβ变换得到α-β平面上以角速度旋转的是矢量uαβ，因此，若uαβ与故障前该量之差大于预设值ulevelii，则判定发生了三相故障；其中，

可选地，本实施例中，具体设定预设值uleveli＝0.95pu，预设值ulevelii＝0.1pu。

当故障发生时，本实施例直流电流变化量δidci计算的逆变侧触发角αcv0，实际为计及直流电流变化率的逆变侧触发角，其计算公式为：

考虑到直流电流对于直流电流指令的响应往往存在一定的延迟，可选地，本实施例在计算系统控制器输出的逆变侧触发角αo时，以直流电流指令替代直流电流进行计算，相应地计算公式如下：

其中，ior表示当前的逆变侧直流电流指令；由此所计算的逆变侧触发角αo更加接近系统控制器实际输出的逆变侧触发角；

为了进一步提高补偿效果，以提高换相裕度，作为一种优选的实施方式，本实施例在计算得到触发角补偿量δαcv0之后，还进一步计算熄弧角补偿量调整系数ki，用于对触发角补偿量进行动态调整；熄弧角补偿量调整系数ki的计算公式具体为：

其中，δt3、δt3-1和δt3-2均为时间常数，且δt3-1>δt3-2，本实施例中，δt3-1＝40ms，δt3-2＝20ms；eaciref为逆变侧交流电压有效值参考值，用于区分电压跌落程度，本实施例中，eaciref＝0.93pu；

计算得到熄弧角补偿量调整系数ki后，按照δαcv＝kiδαcv0对触发角补偿量进行调整，δαcv即为调整后的触发角补偿量，从系统控制器实际输出的逆变侧触发角中减去调整后的触发角补偿量δαcv，即可完成触发角补偿。

为了避免过补偿，本实施例在从系统控制器实际输出的逆变侧触发角中减去调整后的触发角补偿量δαcv之前，还会判断触发角补偿量δαcv的幅值是否在预设的第一幅值区间，若不在，则将调整后的触发角补偿量δαcv限幅到第一幅值区间；可选地，本实施例中，第一幅值区间具体为[-0.4,0.1]rad；

为了进一步避免过补偿，本实施例在利用熄弧角补偿量调整系数ki对逆变侧触发角补偿量δαcv0进行调整之前，还会判断逆变侧触发角补偿量δαcv0的幅值是否在预设的第二幅值区间内，若不在，则将逆变侧触发角补偿量δαcv0限幅到第二幅值区间；可选地，本实施例中，第二幅值区间具体为[-0.2,0.05]rad；

通过限幅，能够有效避免因过补偿而导致逆变站吸收无功过多，引起电压跌落。

应当说明的是，需要说明的是，本实施例在随高压直流输电系统本身控制系统启动而启动，每个控制周期(取决于控制系统的精度)内都会循环执行一次，在系统稳态运行时，直流电流跟随直流电流指令变化且直流电流变化率接近0，δαcv也趋近于0，本实施例不会在系统稳态运行时造成不良影响。另外，在本发明中所选取的控制参数(γ0、δt1、δt2、δt3-1、δt3-2、eaciref、限幅幅度)为经验值，可以进行适当调整；γ0的选取原则为判定交直流系统不发生换相失败的最小熄弧角；δt1、δt2、δt3-1、δt3-2的选取原则是既需要提高预测的灵敏性又要减小预测带来的谐波影响；eaciref的选择是为区分电压跌落程度；限幅幅度的选取原则是避免过补偿带来不良影响。

总体而言，本实施例通过选取直流电流变化率对直流电流变化量进行预测，具有较强的预测能力；通过引入熄弧角补偿量调整系数ki，使得最终输出的触发角补偿量δαcv根据不同时刻电压电流状态实时变化，实现了参数自适应变化；根据电流电压变化速率间接反映故障程度，灵活调整补偿参数，提供更合理的触发角补偿量，效缓解触发角补偿与电压跌落的矛盾。因此，本实施例所提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制方法，是一种具有强预测能力、参数可自适应变化、能较好平衡触发角增加与电压跌落矛盾的换相失败预防控制方法。

实施例2：

一种基于直流电流变化率的换相失败预防控制器，如图2所示，包括：信号检测模块、故障预测模块、直流电流变化量计算模块、触发角补偿量计算模块以及补偿模块；

信号检测模块，用于持续检测包括直流电流在内的逆变侧参数；

直流电流变化量计算模块，用于计算直流电流变化量δidci；直流电流变化量δidci为直流电流的一阶微分项至m阶微分项之和，阶数越高的微分项，其中的时间常数越小；m为正整数，且m≥2；

故障预测模块，用于在当前控制周期开始时刻，根据信号检测模块实时检测到的逆变侧参数检测各类预设的故障是否发生，并在任一类故障发生时，触发触发角补偿量计算模块；

触发角补偿量计算模块，用于根据直流电流变化量δidci预测逆变侧触发角αcv0，并计算系统控制器输出的逆变侧触发角αo，由此得到逆变侧触发角补偿量为δαcv0＝αcv0-αo，之后触发补偿模块；

补偿模块，用于利用逆变侧触发角补偿量δαcv0对系统控制器实际输出的逆变侧触发角进行补偿，完成当前控制周期的换相失败预防控制；

本实施例中，各模块的具体实施方式，可参考上述方法实施例中的描述，在此将不作复述；依照上述方法实施例实施后，本实施例所提供的基于直流电流变化率的换相失败预防控制器，其具体电路结构如图3所示。

为了验证本发明提供控制方法的技术效果，以pscad/emtdc中自带的cigre-hvdc标准测试系统模型进行仿真实验，模型如图4所示，系统参数均沿用其自带参数，不做修改。

仿真内容包括首次换相失败抑制、后续换相失败抑制和故障切除型换相失败抑制，具体如下：

首次换相失败抑制，仿真设置：0.55s时逆变侧交流母线经1.1h电感三相接地，故障持续0.4s，对应的逆变侧交流系统额定线电压eaci、直流电流idci、触发角αi和熄弧角γ分别如图5所示。根据图5所示结果可知，本发明能在交流故障发生后立即减小触发角(约3.5°)，增大换相裕度，具有首次换相失败抑制能力。

后续换相失败抑制，仿真设置：0.5s时逆变侧交流母线经0.4h电感三相接地，故障持续0.4s，对应的逆变侧交流系统额定线电压eaci、直流电流idci、触发角αi和熄弧角γ分别如图6所示。根据图6所示结果可知，在上次换相失败恢复过程中，直流电流持续恢复上升，本发明持续给予补偿，提高换相裕度，抑制了由电流恢复过度风险引发的后续换相失败。

故障切除型换相失败抑制，仿真设置：0.55s时逆变侧交流母线经0.05h电感三相接地，故障持续0.4s，对应的逆变侧交流系统额定线电压eaci、直流电流idci、触发角αi和熄弧角γ分别如图7所示。根据图7所示结果可知，故障切除后，电压电流迅速恢复，本发明根据电流上升特性为系统留出更多的换相裕度，减小故障切除扰动对换相失败的影响。

表1不同工况下本发明对换相失败抑制效果

设置接地电感lg为0.05h-1.2h，步长为0.05h，分别在0.5s、0.55s时发生逆变侧交流母线三相/单相接地故障，故障持续0.4s，遍历仿真结果如表1所示。可以看到，在不同故障时刻不同故障程度下，施加本发明的预防控制，可以有效的抑制高压直流输电系统换相失败，减小换相失败对系统的影响。

根据以上仿真结果可知，本实施例提供的基于直流变换率的换相失败预防控制是抑制高压直流系统故障后换相失败的有效控制手段。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。