基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法

1.本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是涉及一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法。


背景技术：

2.换相失败是高压直流输电系统中最常见的故障之一。首次换相失败后的故障恢复后期控制交互不当易引发后续换相失败，对交流系统造成多次冲击，甚至会引发直流闭锁导致功率传输中断，由局部故障演变为连锁故障，严重威胁交直流混联大电网的安全稳定运行。
3.目前国内外专家学者主要针对后续换相失败机理及抑制策略开展了研究。现有技术指出逆变侧交流故障类型、锁相环、单相跳闸及谐波会影响首次换相失败后的故障恢复过程，增大后续换相失败风险。现有技术分别利用仿真波形和换相时间面积理论分析得出故障恢复后期实际关断角不可控下降是引发后续换相失败的根本原因。部分学者提出采用全控型器件改造换流站或增添额外的无功补偿设备，但有效抑制后续换相失败的同时增加了控制系统的复杂度及投资成本。现有技术通过实时检测故障相电压动态调整电流偏差控制器的关断角增量最大值和运行特性曲线，对抑制后续换相失败起到了一定的效果，但未考虑过零点偏移角的影响，不对称故障下的抑制效果有待提高。现有技术在考虑过零点偏移角的基础上对控制切换后的关断角进行更为精确的动态补偿，而控制切换后关断角快速下降，pi控制器难以短时间内有效动作调节超前触发角，后续换相失败抑制成功率较低。现有技术基于交流故障严重程度自适应调整电流偏差控制特性曲线斜率，降低了后续换相失败的发生概率，但未考虑抑制成功后的直流系统传输功率变化，运行经济性较差。上述电流偏差控制改进策略仅单一调节其控制参数，对后续换相失败的抑制效果有限，且采用的正余弦检测法难以快速准确获得不对称故障下的换流母线电压幅值，影响后续换相失败的抑制效果。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法,本发明能够有效降低不同故障程度下后续换相失败的发生概率，改善交直流系统的故障运行特性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
7.s1：对换流母线电压幅值进行快速检测，并基于检测结果判别逆变侧交流系统发生的故障类型；
8.s2：当故障类型为对称故障时，根据二阶函数分析符合变斜率电流偏差控制特性曲线的选取原则，以调整关断角裕度和最大值的变斜率动态电流偏差，并获得自适应变斜率电流偏差控制中对应的电流偏差δid与关断角增量δγ1的关系，得到关断角增量δγ
1；
9.s3：当故障类型为不对称故障时，获取故障后的三相电压幅值u
fa
、u
fb
、u
fc
、线电压幅值u
fab
、u
fac
、u
fbc
和故障后的线电压幅值的过零点前移角和故障后的线电压幅值的过零点前移角并根据余弦定理确定不对称故障下的线电压过零点前移角最大值并根据所述线电压过零点前移角得到在不对称故障时获取新的关断角增量，所述新的关断角增量是由第一公式计算得到的，所述第一公式为：
[0010][0011]
s4：根据所述新的关断角增量调整偏差电流。
[0012]
优选地，对所述换流母线电压幅值进行快速检测包括：
[0013]
获取逆变侧交流系统三相电压瞬时值u
ai
、u
bi
与u
ci
；所述逆变侧交流系统三相电压瞬时值是由第二公式计算得到的，所述第二公式为：
[0014][0015]
其中，u
ai
、u
bi
与u
ci
分别为三相电压中各相的有效值；φa、φb与φc分别为三相电压的各项初始相位；ω为交流系统角频率；
[0016]
利用第三公式计算ua，所述第三公式为：
[0017][0018]
其中，ua(t)是通过实时采样获取得到的；
[0019]
采用第四公式对ua(t)进行积分；所述第四公式为：
[0020][0021]
其中，t为采样时间；δt为采样步长；
[0022]
采用第五公式对sin(ωt+φ
a-ωδt)进行改写；所述第五公式为：
[0023][0024]
令将所述第二公式代入所述第一公式得到第六公式；所述第六公式为：
[0025]
[0026]
其中，k为预设的系数；
[0027]
基于所述第二公式和所述第六公式，采用第七公式计算所述第七公式为：
[0028][0029]
联立所述第三公式和所述第七公式得到第八公式；所述第八公式为：
[0030][0031]
将所述第八公式开平方后得到第九公式；所述第九公式为：
[0032][0033]
其中，k1、k2和k3分别为第一变量、第二变量和第三变量；
[0034]
利用第十公式计算k1、k2和k3；所述第十公式为：
[0035][0036]
根据所述第十公式实现交流系统故障运行状态下换流母线三相电压幅值的实时快速检测。
[0037]
优选地，所述零序分量法包括：
[0038]
获取零序电压幅值u
0m
，零序电压阈值u
0set
，若u
0m
《u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生对称性故障，若u
0m
≥u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生不对称故障。
[0039]
优选地，包括：
[0040]
根据第十一公式确定所述自适应变斜率电流偏差控制中对应的电流偏差δid与关断角增量δγ1的关系；所述第十一公式为：
[0041][0042]
其中，m、n分别为确定变斜率电流偏差控制的第一自变量参数和第二自变量参数。
[0043]
优选地，步骤s4具体包括：
[0044]
采用第十二公式确定和所述第十二公式为：
[0045][0046]
采用第十三公式确定af、bg、ac、gh、bc、cf、fg和cg；所述第十三公式为：
[0047][0048]
其中，u
fa
、u
fb
、u
fc
分别为故障后的a、b、c相电压；u
fab
、u
fac
、u
fbc
分别为a相与b相、a相与c相、b相与c相故障后的线电压；af、bg、ac、gh、bc、cf、fg和cg分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量、第五中间变量、第六中间变量、第七中间变量和第八中间变量；
[0049]
将所述第十三公式代入所述第十二公式得到第十四公式；所述第十四公式为：
[0050][0051]
其中，φ
ab
、φ
ac
、φ
bc
分别为a相与b相、a相与c相、b相与c相故障后线电压的过零点偏移角。
[0052]
基于所述第十三公式，采用第十四公式确定不对称故障下的线电压过零点前移角最大值所述第十四公式为：
[0053][0054]
根据第十四公式和第一公式确定所述新的关断角增量。
[0055]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0056]
本发明提供了一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法，基于瞬时电压快速准确获得不同类型交流故障下的换流母线电压幅值，根据电压跌落量自适应提高关断角增量灵敏度和最大值，提升故障恢复期间的实际关断角，本发明通过变斜率动态电流偏差控制能够有效降低不同故障程度下后续换相失败的发生概率，改善交直流系统的故障运行特性。
附图说明
[0057]
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明提供的实施例中的电流偏差控制流程图；
[0059]
图2为本发明提供的实施例中的cigre标准模型控制系统图；
[0060]
图3为本发明提供的实施例中的电流偏差控制特性曲线图；
[0061]
图4为本发明提供的实施例中的变斜率动态电流偏差控制函数特性图；
[0062]
图5为本发明提供的实施例中的不同故障类型下电流偏差控制输出的关断角增量图；
[0063]
图6为本发明提供的实施例中的不对称故障下的交流电压相量图；
[0064]
图7为本发明提供的实施例中的变斜率动态电流偏差控制启动逻辑图；
[0065]
图8为本发明提供的实施例中的变斜率动态电流偏差控制图；
[0066]
图9为本发明提供的实施例中的cigre标准模型图。
具体实施方式
[0067]
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、完整地描述，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。
[0068]
本发明的目的是提供一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法，通过变斜率动态电流偏差控制能够有效降低不同故障程度下后续换相失败的发生概率，改善交直流系统的故障运行特性。
[0069]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0070]
如图1所示，本发明提供了一种基于变斜率动态电流偏差控制的后续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：对换流母线电压幅值进行快速检测；
[0072]
s2：利用零序分量法判别逆变侧交流系统发生的故障类型；
[0073]
s3：当故障类型为对称故障时，根据二阶函数y＝ax2+bx，分析符合变斜率电流偏差控制特性曲线的选取原则，调整关断角裕度和最大值的变斜率动态电流偏差，获得自适应变斜率电流偏差控制中对应的电流偏差δid与关断角增量δγ1的关系，得到关断角增量δγ1；
[0074]
s4：当故障类型为不对称故障时，获取故障后的三相电压幅值u
fa
、u
fb
、u
fc
，线电压幅值u
fab
、u
fac
、u
fbc
和故障后的线电压幅值的过零点前移角和故障后的线电压幅值的过零点前移角根据余弦定理可求得不对称故障下的线电压过零点前移角最大值进而可得到在不对称故障时，新的关断角增量
[0075]
本实施例具体解释了换相失败：
[0076]
换相失败是指换相过程结束时，预定关断的换流阀在未恢复阻断能力时重新导通而向应关断的阀倒换相。晶闸管的关断角γ小于最小关断角γ
min
是导致换相失败的根本原因。
[0077]
当系统对称运行时，γ可计算为：
[0078]
式中：β为超前触发角；xc为等值换相电感；id为直流电流；u
l
为换流母线电压。
[0079]
当逆变侧交流系统发生不对称故障时，电压过零点会偏移电角度式(16)可改写为：
[0080]
进一步的，对所述换流母线电压幅值进行快速检测包括：
[0081]
获取逆变侧交流系统三相电压瞬时值u
ai
、u
bi
与u
ci
可表示为：
[0082][0083]
式中：u
ai
、u
bi
与u
ci
分别为三相电压有效值；与分别为三相电压的初始相位；ω为交流系统角频率；
[0084]
ua可计算为：
[0085][0086]
ua(t)可通过实时采样获取，对ua(t)进行积分可得：
[0087][0088]
式中：t为采样时间；δt为采样步长，可改写为：
[0089]
sin(ωt+φ
a-ωδt)＝sin(ωt+φa)cos(ωδt)-[0090]
sin(ωδt)cos(ωt+φa)]，
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0091]
令将式(2)代入式(1)可得，
[0092][0093]
根据式(2)和式(6)，可由下式计算：
[0094][0095]
联立式(3)和式(7)可得：
[0096][0097]
将式(8)开平方后可得：
[0098][0099]
其中，k1、k2和k3分别为第一变量、第二变量和第三变量；
[0100]
式中：k1、k2和k3的具体计算公式为
[0101][0102]
k可通过对ua(t)积分得到；ω和δt为常数。因此，基于瞬时电压，通过式(9)可实现交流系统故障运行状态下换流母线三相电压幅值的实时快速检测。
[0103]
进一步的，所述零序分量法包括：
[0104]
获取零序电压幅值u
0m
，零序电压阈值u
0set
，若u
0m
《u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生对称性故障，若u
0m
≥u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生不对称故障。
[0105]
为不影响直流系统在其它工况下的运行特性，所提策略只应在逆变侧交流系统故障引发首次换相失败后的故障恢复阶段起作用，运行于其它工况时仍保持原电流偏差控制，变斜率动态电流偏差控制的启动逻辑与控制原理图如图6和图7所示。图6中：u
lset
为换流母线电压阈值，q为切换信号，ts为信号保持时间。图7中：i
di
为逆变侧直流电流实测值，i
refr
为整流侧直流电流指令值，u0为零序电压，u
0m
为零序电压幅值，u
0set
为零序电压阈值。当检测到u
l
＜u
lset
时输出高电平；考虑换相失败引起的功率波动通常可持续200ms，当检测到γ≤γmin时输出高电平并保持200ms。因此当逆变侧交流系统故障引发换相失败时切换信号p＝2，变斜率动态电流偏差控制投入。
[0106]
首先利用零序分量法判别逆变侧交流系统发生的故障类型，当测得u
0m
《u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生对称性故障，将δid和δu代入式(4)计算得到δγ1作为自适应变斜率电流偏差控制输出的δγ；当测得u
0m
≥u
0set
时，判定逆变侧交流系统发生不对称故障，首先通过基于瞬时电压的交流电压幅值检测方法实时检测故障后的换流母线电压幅值，然后通过式(8)得出线电压的过零点前移角并取三者中的最大值，之后将其值与zδγ1相加作为自适应变斜率电流偏差控制输出的δγ。
[0107]
进一步的，包括：
[0108]
所述自适应变斜率电流偏差控制中对应的电流偏差δid与关断角增量δγ1的关系为：
[0109]
其中，m、n分别为确定变斜率电流偏差控制的第一自变量参数和第二自变量参数。
[0110]
cigre标准模型控制系统如图1所示。稳态时整流侧和逆变侧分别运行于定电流控制与定关断角控制。图中，i
dr
和i
or
分别为整流侧直流电流实测值和指令值；αr和αi分别为整流侧和逆变侧的触发角指令值；u
di
和i
di
分别为逆变侧直流电压和电流；βi和βγ分别为逆变侧定电流和定关断角控制的超前触发角指令；γ和γ0分别为关断角实测值和额定值。
[0111]
电流偏差控制能够实现逆变侧控制方式切换时的平滑过渡，其特性曲线如图2所示。图中δγ
max
为关断角最大增量，δi
max
为电流偏差最大值，输入量为实际直流电流与整流侧直流电流指令的偏差值δid，输出量为关断角增量δγ，对应的数学关系式如式(18)。
[0112][0113]
式中：k＝δγ/δid,为特性曲线斜率。
[0114]
一定范围内增大k或δγ
max
能够增大实际关断角裕度，降低换相失败的发生概率，但γ过大时直流系统无功损耗较大，若逆变侧交流系统无功不足会导致换流母线电压进一步下降，加剧后续换相失败风险。单一调节k或δγ
max
对后续换相失败的抑制效果有限，因此可考虑综合调整两种参数实现对δγ的动态调节，提高直流系统抑制后续换相失败的能力。
[0115]
传统电流偏差控制中的δγ对δid的灵敏度较低，当故障恢复后期逆变侧由定电流控制切换为定关断角控制后，关断角持续下降的同时电流偏差快速降低，电流偏差控制不能输出合适的关断角增量以增大实际关断角裕度，极易发生后续换相失败[12]。当δid较小时，应提高δγ的调节速度，快速增大实际关断角以抑制后续换相失败；当δid较大时，应使δγ维持在较高水平，保证电流偏差较大时为系统提供充足的关断角裕度。
[0116]
二阶函数y＝ax2+bx(a、b均为常数且不为0)理论上分析符合变斜率电流偏差控制特性曲线的选取原则，因此提出一种根据换流母线电压跌落量δu自适应调节关断角增量灵敏度和最大值的变斜率动态电流偏差控制方法，函数特性如图3所示。图中：曲线1为系统正常运行下的变斜率动态电流偏差控制特性曲线，当逆变侧交流系统故障引发换相失败时，所提控制方法根据换流母线电压跌落程度调整δi
max
和δγ
max
，即曲线2、3。
[0117]
设置系统正常运行时变斜率动态电流偏差控制中的δγ
max
＝0.2793rad、δi
max
＝0.1p.u.，与cigre hvdc标准测试模型保持一致。令m＝pδu，n＝qδu，p、q为比例系数且均为大于0的常数。将(0,0)、(0.1-m,0.2793+n)、(0.2-2m,0)代入二阶函数模型可得自适应变斜率电流偏差控制中对应的电流偏差δid与关断角增量δγ1的关系如下式
[0118][0119]
令δu＝1时的δ
imax
＝0，因此取p＝0.1。为避免δi
max
过小而恶化系统运行状态，对δu进行限幅，0≤δu≤0.8[19]。过度增大δγ
max
会使逆变器的无功消耗大幅提高，不利于系统的经济运行，且比例系数q无法解析整定，因此以后续换相失败抑制效果和故障清除后的系统恢复速度为约束，采用穷举法对q∈(0,1)进行仿真，最终取q＝0.3。
[0120]
经大量仿真发现，上述方法在不对称故障下难以有效抑制后续换相失败。一方面，由式(17)可知，不对称故障下过零点前移角的存在会导致实际关断角更小，进而削弱变斜率动态电流偏差控制的效果。另一方面，如图4所示(在cigre hvdc标准测试系统中分别设置经lf＝0.3h的单相和三相接地故障)，不对称故障下的δγ在故障前期较高且波动较大，较难稳定输出较大的δγ以提供充足的关断角裕度。
[0121]
假设不对称故障下的三相电压均有不同程度跌落(δua≠δub≠δuc)，且正常运行时满足三相电压幅值相等(ua＝ub＝uc)，逆变侧交流电压向量图如图5所示。
[0122]
进一步的，所述s4具体包括：
[0123]
根据余弦定理可求得为：
[0124][0125]
式中，
[0126]
将式(13)代入式(12)可得：
[0127]
其中，u
fa
、u
fb
、u
fc
分别为故障后的a、b、c相电压；u
fab
、u
fac
、u
fbc
分别为a相与b相、a相与c相、b相与c相故障后的线电压；af、bg、ac、gh、bc、cf、fg和cg分别为第一中间变量、第二中间变量、第三中间变量、第四中间变量、第五中间变量、第六中间变量、第七中间变量和第八中间变量；
[0128]
φ
ab
、φ
ac
、φ
bc
分别为a相与b相、a相与c相、b相与c相故障后线电压的过零点偏移角。
[0129]
不对称故障下的线电压过零点前移角最大值可表示为：
[0130][0131]
而后求得：
[0132]
本实施例公开了仿真验证过程和结果：
[0133]
为验证所提变斜率动态电流偏差控制方法对后续换相失败的抑制效果，基于pscad仿真软件中的cigre标准模型搭建含所提策略的测试系统(仿真模型主电路及参数见图8)进行仿真验证。测试系统中取γ
min
＝7.2
°
，u
lset
＝0.95p.u.，u
0set
＝0.25p.u.[21]。为保证不对称故障下后续换相失败的抑制效果及故障清除后系统的恢复速度，综合实验对比取z＝1.4
[0134]
对比采用原系统控制方法与本实施例方法对逆变侧交流系统不同故障下交直流系统运行特性进行仿真验证。
[0135]
在逆变侧换流母线处分别设置经接地电感lf＝0.35h的三相接地故障和单相接地故障，故障开始时刻为2s，故障持续时间为0.5s，两种控制方法下的系统运行特性如图9；
[0136]
由图9可知，采用原系统方法时直流系统均发生后续换相失败，而采用本实施例方法时直流系统仅发生单次换相失败，故障期间有功功率和换流母线电压能够较快稳定，在提高故障稳态期间直流传输功率的同时不会降低换流母线电压，为逆变侧交流系统提供了更高的稳定裕度。
[0137]
基于瞬时电压的交流电压幅值检测方法与现有技术中采用的正余弦分量检测法相比更为快速准确，所提电流偏差改进方法输出的关断角补偿量更为合理，不会降低直流系统的故障运行能力。为验证所提策略的有效性，在逆变侧换流母线处分别设置2s时发生持续0.5s的单相和三相接地故障(lf＝0.35h)。
[0138]
两种控制策略均能有效抑制后续换相失败，故障清除后的系统恢复速度基本一致，但本实施例所提策略下的故障稳态期间直流传输功率和换流母线电压更有利于提高系统的故障运行能力。
[0139]
为进一步验证不同故障条件下变斜率动态电流偏差控制对后续换相失败的抑制
效果，在逆变侧换流母线处设置持续0.5s的感性接地故障(0.1h～1.1h)，故障发生时刻为2.000s～2.009s(覆盖半个周期0.01s)，仿真统计原系统、现有技术方法和本实施例方法下的换相失败次数。
[0140]
依据实验仿真结果可知单相接地故障下两种方法均能有效抑制后续换相失败，但本实施例方法不会使系统由未换相失败发展为单次换相失败。三相接地故障下两种方法的后续换相失败抑制率分别为87.3％和95.5％，即使个别工况下失效也不会使系统运行状态进一步恶化而出现两次以上换相失败，但本实施例策略的后续换相失败抑制成功率更高，有效改善了系统的故障运行特性。
[0141]
本发明的有益效果如下：
[0142]
本发明采用变斜率曲线作为电流偏差控制运行特性曲线，基于瞬时电压实时检测换流母线电压幅值，根据换流母线电压跌落量动态调整关断角增量灵敏度和最大值，通过快速增大实际关断角裕度以有效抑制不同故障类型下的后续换相失败
[0143]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0144]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。