專利名稱：一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器及控制方法。
背景技術(shù)：
換相失敗是逆變器常見的故障，也是整個直流輸電系統(tǒng)設(shè)計需要重點考慮的問題之一。以往的研究已經(jīng)指出多種引起換相失敗的系統(tǒng)擾動因素。由于直流輸電系統(tǒng)是一非線性系統(tǒng)，多因素之間存在復(fù)雜耦合關(guān)系，因此剖析換相失敗需要綜合考慮所在系統(tǒng)的多種因素。根據(jù)實際工程運行情況，一般認(rèn)為交流系統(tǒng)故障是引起逆變站換相失敗的主要原因，交流故障將可能引發(fā)交流電壓幅值的突降、直流電流突增或換相電壓相位偏移，進(jìn)而影 響直流系統(tǒng)的換相過程，致使發(fā)生換相失敗。 目前，實際直流工程在逆變站所連交流系統(tǒng)故障切除后，未發(fā)現(xiàn)有發(fā)生換相失敗的現(xiàn)象出現(xiàn)。但是，現(xiàn)今主流的電磁暫態(tài)仿真軟件(如PSCAD/EMTDC、EMTP、MATLAB/SIMULINK)在現(xiàn)有控制方法下，均會在交流系統(tǒng)故障切除后，伴隨一定概率的再次換相失敗，交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障并切除過程中，PSCAD/EMTDC的仿真波形與實際直流工程錄波分別如

圖1(a)和圖1(b)所示，其中，Udc; nres、Idcunes和Ynres分別表示逆變站檢測到的直流電壓、直流電流和關(guān)斷角的測量值。從圖1(a)和圖1(b)的對比中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障切除后，PSCAD/EMTDC的仿真結(jié)果會出現(xiàn)再次換相失敗，而實際錄波中沒有發(fā)生類似現(xiàn)象；再次換相失敗使得直流系統(tǒng)的恢復(fù)速率明顯減緩。換相失敗會引起直流系統(tǒng)短時間內(nèi)失去功率傳輸能力，直流線路傳輸功率越大，對所連送受兩端的交流系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動越大，甚至引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)。對于目前較為熱門的大規(guī)模交直流電磁暫態(tài)仿真而言，仿真中出現(xiàn)的上述換相失敗將嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)恢復(fù)的快速性和平穩(wěn)性，極可能顛覆系統(tǒng)穩(wěn)定性結(jié)論，得到不正確的仿真結(jié)果。因而，使得原本對實際工程規(guī)劃建設(shè)具有指導(dǎo)和檢驗意義的數(shù)字仿真失去其可信度，對實際工作造成巨大影響。經(jīng)分析可知，實際直流工程的控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，而在仿真軟件中一般均只采用簡化的控制系統(tǒng)，上述故障切除后再次發(fā)生換相失敗現(xiàn)象很大程度上是由控制器簡化導(dǎo)致部分特性缺失所致。因此，需要對現(xiàn)有直流系統(tǒng)的控制方法作進(jìn)一步改進(jìn)，避免上述現(xiàn)象發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器及控制方法，通過在已有的控制方法下添加改進(jìn)低壓限流控制技術(shù)以及基于交流電壓諧波檢測的觸發(fā)越前角前饋補(bǔ)償技術(shù)，有效抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器，包括諧波檢測單元，用于對直流輸電系統(tǒng)受端電網(wǎng)的三相交流電壓進(jìn)行諧波檢測，得到三相諧波信號；前饋補(bǔ)償控制單元，用于對三相諧波信號進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，得到觸發(fā)越前角增量并生成附加控制信號；選擇器，用于根據(jù)附加控制信號從兩種預(yù)設(shè)的關(guān)斷角整定值中選擇其中一種作為關(guān)斷角額定值；關(guān)斷角控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的最小關(guān)斷角信號，使關(guān)斷角額定值減去最小關(guān)斷角信號得到關(guān)斷角誤差信號，并對關(guān)斷角誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角β r;電壓控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號，使預(yù)設(shè)的直流電壓整定值減去直流電壓信號得到直流電壓誤差信號，并對直流電壓誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角;·
低壓限流控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號，對直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制，輸出直流電流限制值；電流控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電流信號，使直流電流限制值減去直流電流信號得到直流電流誤差信號，并對直流電流誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角β i;最大值選擇器,用于從觸發(fā)越前角βρ觸發(fā)越前角Pu和觸發(fā)越前角1中選取最大值作為逆變器的觸發(fā)越前角β inv;減法器，用于使預(yù)設(shè)的角常量減去觸發(fā)越前角β inv和觸發(fā)越前角增量得到逆變器的觸發(fā)角；觸發(fā)單元，用于根據(jù)觸發(fā)角構(gòu)造出觸發(fā)脈沖信號以控制逆變器中各功率開關(guān)管的通斷。所述的前饋補(bǔ)償控制單元由絕對值計算器、最大值采樣保持器、比較器、比例限幅控制器、選擇器、一階慣性環(huán)節(jié)、下降速率限制器和兩個最大值選擇器Zl Z2組成；其中絕對值計算器的輸入端接收三相諧波信號，絕對值計算器的輸出端與最大值選擇器Zl的輸入端相連，最大值選擇器Zl的輸出端與最大值采樣保持器的輸入端相連，最大值采樣保持器的輸出端與比例限幅控制器的輸入端和比較器的正相輸入端相連，比較器的反相輸入端接收給定的諧波整定值，比例限幅控制器的輸出端與選擇器的第一輸入端相連，選擇器的第二輸入端接收給定的初值常量，比較器的輸出端與選擇器的控制端相連并輸出附加控制信號，選擇器的輸出端與一階慣性環(huán)節(jié)的輸入端和最大值選擇器Z2的第一輸入端相連，一階慣性環(huán)節(jié)的輸出端與最大值選擇器Z2的第二輸入端相連,最大值選擇器Z2的輸出端與下降速率限制器的輸入端相連，下降速率限制器的輸出端輸出觸發(fā)越前角增量。所述的低壓限流控制單元由低通濾波器、低壓限流模塊、積分限幅控制器、延時器、與門、減法器、最小值選擇器和兩個比較器BI B2組成；其中低通濾波器的輸入端接收直流電壓信號，低通濾波器的輸出端與低壓限流模塊的輸入端相連，低壓限流模塊的輸出端與最小值選擇器的第一輸入端、積分限幅控制器的重啟輸入端、減法器的被減數(shù)端、t匕較器BI的反相輸入端、延時器的輸入端和比較器B2的反相輸入端相連，減法器的減數(shù)端與積分限幅控制器的輸出端、比較器B2的正相輸入端和最小值選擇器的第二輸入端相連，減法器的輸出端與積分限幅控制器的積分輸入端相連，延時器的輸出端與比較器BI的正相輸入端相連，比較器BI的輸出端與與門的第一輸入端相連，比較器B2的輸出端與與門的第二輸入端相連，與門的輸出端與積分限幅控制器的使能端相連，最小值選擇器的第三輸入端接收給定的直流電流額定值，最小值選擇器的輸出端輸出直流電流限制值。一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，包括如下步驟(I)采集直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號、直流電流信號和最小關(guān)斷角信號；對所述的直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制，得到直流電流限制值；(2)對直流輸電系統(tǒng)受端電網(wǎng)的三相交流電壓進(jìn)行諧波檢測，得到三相諧波信號；對所述的三相諧波信號進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，得到觸發(fā)越前角增量并生成附加控制信號；(3)根據(jù)附加控制信號選取對應(yīng)的關(guān)斷角整定值，使關(guān)斷角整定值與所述的最小關(guān)斷角信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角β r;使給定的直流電壓整定值與所述的直流電壓信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角β u;使所述的直流電流限制值與所述的直流電
流信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角Pi ;并取以上三個觸發(fā)越前角中的最大值作為逆變器的觸發(fā)越前角β inv;(4)使給定的角常量減去觸發(fā)越前角β inv和所述的觸發(fā)越前角增量得到逆變器的觸發(fā)角；進(jìn)而根據(jù)所述的觸發(fā)角構(gòu)造出觸發(fā)控制信號以控制逆變器中各功率開關(guān)管的通斷。所述的步驟(I)中，對直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制的過程如下首先，對直流電壓信號依次進(jìn)行低通濾波及低壓限流處理后輸出直流電流靜態(tài)整定值；然后，使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值作差后經(jīng)積分限幅控制處理輸出直流電流動態(tài)整定值，并將該直流電流動態(tài)整定值作為下一控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值；最后，對于給定的直流電流額定值、直流電流靜態(tài)整定值和直流電流動態(tài)整定值，取其中最小值作為直流電流限制值。使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值作差后經(jīng)積分限幅控制處理的過程為使直流電流靜態(tài)整定值減去當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值，得到直流電流誤差值；根據(jù)直流電流靜態(tài)整定值和當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值構(gòu)造使能信號；當(dāng)使能信號為高電平時，使直流電流靜態(tài)整定值經(jīng)限幅處理后直接輸出作為直流電流動態(tài)整定值；當(dāng)使能信號為低電平時，對直流電流誤差值進(jìn)行積分并經(jīng)限幅處理后輸出作為直流電流動態(tài)整定值。構(gòu)造使能信號的方法為使直流電流靜態(tài)整定值與其經(jīng)延時后的輸出進(jìn)行比較，得到第一比較信號；使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值進(jìn)行比較，得到第二比較信號；使兩個比較信號進(jìn)行與邏輯運算，得到使能信號。對直流電壓信號依次進(jìn)行低通濾波及低壓限流處理的方法如下首先，根據(jù)以下公式對直流電壓信號進(jìn)行低通濾波；
V(S)=-!-"(.V)其中，U(S)為直流電壓信號的s域表示，V(S)為直流電壓信號經(jīng)低通濾波后輸出電壓信號的s域表示，ω。為特征頻率，ζ為阻尼比；然后，根據(jù)以下公式對直流電壓信號經(jīng)低通濾波后輸出的電壓信號進(jìn)行低壓限流處理，得到直流電流靜態(tài)整定值；
權(quán)利要求
1.一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器，其特征在于，包括 諧波檢測單元，用于對直流輸電系統(tǒng)受端電網(wǎng)的三相交流電壓進(jìn)行諧波檢測，得到三相諧波信號； 前饋補(bǔ)償控制單元，用于對三相諧波信號進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，得到觸發(fā)越前角增量并生成附加控制信號； 選擇器，用于根據(jù)附加控制信號從兩種預(yù)設(shè)的關(guān)斷角整定值中選擇其中一種作為關(guān)斷角額定值； 關(guān)斷角控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的最小關(guān)斷角信號，使關(guān)斷角額定值減去最小關(guān)斷角信號得到關(guān)斷角誤差信號，并對關(guān)斷角誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角I; 電壓控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號，使預(yù)設(shè)的直流電壓整定值減去直流電壓信號得到直流電壓誤差信號，并對直流電壓誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角; 低壓限流控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號，對直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制，輸出直流電流限制值； 電流控制單元，用于獲取直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電流信號，使直流電流限制值減去直流電流信號得到直流電流誤差信號，并對直流電流誤差信號進(jìn)行PI控制輸出觸發(fā)越前角β i; 最大值選擇器，用于從觸發(fā)越前角βρ觸發(fā)越前角Pu和觸發(fā)越前角β 中選取最大值作為逆變器的觸發(fā)越前角β inv ； 減法器，用于使預(yù)設(shè)的角常量減去觸發(fā)越前角β inv和觸發(fā)越前角增量得到逆變器的觸發(fā)角； 觸發(fā)單元，用于根據(jù)觸發(fā)角構(gòu)造出觸發(fā)脈沖信號以控制逆變器中各功率開關(guān)管的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器，其特征在于所述的前饋補(bǔ)償控制單元由絕對值計算器、最大值采樣保持器、比較器、比例限幅控制器、選擇器、一階慣性環(huán)節(jié)、下降速率限制器和兩個最大值選擇器Zl Z2組成；其中絕對值計算器的輸入端接收三相諧波信號，絕對值計算器的輸出端與最大值選擇器Zl的輸入端相連，最大值選擇器Zl的輸出端與最大值采樣保持器的輸入端相連，最大值采樣保持器的輸出端與比例限幅控制器的輸入端和比較器的正相輸入端相連，比較器的反相輸入端接收給定的諧波整定值，比例限幅控制器的輸出端與選擇器的第一輸入端相連，選擇器的第二輸入端接收給定的初值常量，比較器的輸出端與選擇器的控制端相連并輸出附加控制信號，選擇器的輸出端與一階慣性環(huán)節(jié)的輸入端和最大值選擇器Z2的第一輸入端相連，一階慣性環(huán)節(jié)的輸出端與最大值選擇器Z2的第二輸入端相連,最大值選擇器Z2的輸出端與下降速率限制器的輸入端相連，下降速率限制器的輸出端輸出觸發(fā)越前角增量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器，其特征在于所述的低壓限流控制單元由低通濾波器、低壓限流模塊、積分限幅控制器、延時器、與門、減法器、最小值選擇器和兩個比較器BI B2組成；其中低通濾波器的輸入端接收直流電壓信號，低通濾波器的輸出端與低壓限流模塊的輸入端相連，低壓限流模塊的輸出端與最小值選擇器的第一輸入端、積分限幅控制器的重啟輸入端、減法器的被減數(shù)端、比較器BI的反相輸入端、延時器的輸入端和比較器B2的反相輸入端相連，減法器的減數(shù)端與積分限幅控制器的輸出端、比較器B2的正相輸入端和最小值選擇器的第二輸入端相連，減法器的輸出端與積分限幅控制器的積分輸入端相連，延時器的輸出端與比較器BI的正相輸入端相連，比較器BI的輸出端與與門的第一輸入端相連，比較器B2的輸出端與與門的第二輸入端相連，與門的輸出端與積分限幅控制器的使能端相連，最小值選擇器的第三輸入端接收給定的直流電流額定值，最小值選擇器的輸出端輸出直流電流限制值。
4.一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，包括如下步驟 (1)采集直流輸電系統(tǒng)中逆變器的直流電壓信號、直流電流信號和最小關(guān)斷角信號；對所述的直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制，得到直流電流限制值； (2)對直流輸電系統(tǒng)受端電網(wǎng)的三相交流電壓進(jìn)行諧波檢測，得到三相諧波信號；對所述的三相諧波信號進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制，得到觸發(fā)越前角增量并生成附加控制信號； (3)根據(jù)附加控制信號選取對應(yīng)的關(guān)斷角整定值，使關(guān)斷角整定值與所述的最小關(guān)斷角信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角;使給定的直流電壓整定值與所述的直流電壓信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角β u ;使所述的直流電流限制值與所述的直流電流信號作差后經(jīng)PI控制得到觸發(fā)越前角Pi ;并取以上三個觸發(fā)越前角中的最大值作為逆變器的觸發(fā)越前角β inv ； (4)使給定的角常量減去觸發(fā)越前角Pinv和所述的觸發(fā)越前角增量得到逆變器的觸發(fā)角；進(jìn)而根據(jù)所述的觸發(fā)角構(gòu)造出觸發(fā)控制信號以控制逆變器中各功率開關(guān)管的通斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于所述的步驟(I)中，對直流電壓信號進(jìn)行低壓限流控制的過程如下 首先，對直流電壓信號依次進(jìn)行低通濾波及低壓限流處理后輸出直流電流靜態(tài)整定值；然后，使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值作差后經(jīng)積分限幅控制處理輸出直流電流動態(tài)整定值，并將該直流電流動態(tài)整定值作為下一控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值；最后，對于給定的直流電流額定值、直流電流靜態(tài)整定值和直流電流動態(tài)整定值，取其中最小值作為直流電流限制值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值作差后經(jīng)積分限幅控制處理的過程為使直流電流靜態(tài)整定值減去當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值，得到直流電流誤差值；根據(jù)直流電流靜態(tài)整定值和當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值構(gòu)造使能信號；當(dāng)使能信號為高電平時，使直流電流靜態(tài)整定值經(jīng)限幅處理后直接輸出作為直流電流動態(tài)整定值；當(dāng)使能信號為低電平時，對直流電流誤差值進(jìn)行積分并經(jīng)限幅處理后輸出作為直流電流動態(tài)整定值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于構(gòu)造使能信號的方法為使直流電流靜態(tài)整定值與其經(jīng)延時后的輸出進(jìn)行比較，得到第一比較信號；使直流電流靜態(tài)整定值與當(dāng)前控制時刻的直流電流動態(tài)反饋值進(jìn)行比較，得到第二比較信號；使兩個比較信號進(jìn)行與邏輯運算，得到使能信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于對直流電壓信號依次進(jìn)行低通濾波及低壓限流處理的方法如下首先，根據(jù)以下公式對直流電壓信號進(jìn)行低通濾波；
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于所述的步驟(2)中，對三相諧波信號進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制的過程如下 首先，對三相諧波信號依次進(jìn)行絕對值化及最大值選擇處理，得到最大諧波信號；對最大諧波信號進(jìn)行最大值采樣保持，得到具有平滑直流特性的諧波信號； 然后，使得到的諧波信號與給定的諧波整定值進(jìn)行比較得到附加控制信號，并對該諧波信號進(jìn)行比例限幅控制處理得到觸發(fā)越前角提前量初值；根據(jù)附加控制信號從觸發(fā)越前角提前量初值和給定的初值常量中選取其一作為觸發(fā)越前角提前量； 最后，使觸發(fā)越前角提前量與其經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)處理后的輸出作最大值選擇處理，得到觸發(fā)越前角提前量信號；進(jìn)而對觸發(fā)越前角提前量信號的下降速率進(jìn)行限制，得到觸發(fā)越前角增量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其特征在于根據(jù)以下公式對最大諧波信號進(jìn)行最大值采樣保持
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制器，包括諧波檢測單元、前饋補(bǔ)償控制單元、選擇器、關(guān)斷角控制單元、電壓控制單元、低壓限流控制單元、電流控制單元、最大值選擇器、減法器和觸發(fā)單元；采用本發(fā)明控制器對直流輸電系統(tǒng)中的逆變器進(jìn)行控制能夠有效抑制交流故障切除后系統(tǒng)換相失敗的情況。本發(fā)明還公開了一種抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)換相失敗的控制方法，其通過在已有的控制方法下添加改進(jìn)低壓限流控制技術(shù)以及基于交流電壓諧波檢測的觸發(fā)越前角前饋補(bǔ)償技術(shù)，有效抑制交流故障切除后直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，有助于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
文檔編號H02J3/36GK102931673SQ20121042265
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者徐政, 許烽, 董桓峰, 翁華, 黃弘揚 申請人:浙江大學(xué)