一种电网换相换流器交直流侧谐波计算方法

技术领域

本发明涉及变流器谐波耦合技术领域，具体涉及一种电网换相换流器交直流侧谐波计算方法。

背景技术

电网换相换流器(line commutated converter，LCC)具有应用成熟、造价相对低廉等特点。近年来，其在高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域获得了越来越多的关注。但是，换流器器件由于具有非线性的特点，将会在交直流系统中产生谐波量，这些谐波甚至会影响系统的稳定性。因此，对LCC交直流侧的谐波变换规律进行分析，对研究LCC-HVDC的谐波不稳定性具有十分重要的意义。

目前，国内外对于LCC的建模主要包括准稳态模型、开关函数模型、实物开关模型以及三脉波模型等。其中开关函数模型因其物理概念清晰，能较好的反映换流器两侧谐波传递的关系，而受到广泛关注，但其也有精度不足的缺点。因此，如何提高LCC开关函数精度以研究其谐波传递规律仍需进一步的研究。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种电网换相换流器交直流侧谐波计算方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种电网换相换流器交直流侧谐波计算方法，包括以下步骤：

S1、采用动态向量法将连续时域信号波形划分为多阶动态向量；

S2、根据电网换相换流器交直流两侧电压电流的相互关系构建电网换相换流器改进统一开关函数；

S3、根据步骤S1中多阶动态向量和步骤S2中改进统一开关函数计算改进统一开关函数动态相量矩阵，并结合动态相量与谐波的对应关系计算各次谐波的幅值和相位信息。

该方案的有益效果是：本发明通过改进统一的电压电流开关函数，然后基于动态相量使用矩阵运算，提出了LCC谐波变换定量分析计算方法，该方法不仅能计算谐波的幅值，也能计算谐波的相位，同时还简化了计算过程并提高了计算精度，为LCC的谐波不稳定分析提供了参考。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

设定连续时域信号波形为x(t)，将时域信号波形等分为若干个长度为T的等分区间，在任一区间t∈(τ-T,τ]将其展开成傅里叶级数表示为：

其中，X

将傅里叶系数X

该进一步方案的有益效果是：可将时域信号在频域展开，方便实现更精确的谐波计算。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

根据电网换相换流器的数学模型，得到电网换相换流器电压电流开关函数的相互关系为：

其中，S

对YY接线的6脉动电网换相换流器，构建一周期内的改进统一开关函数表示为：

其中，S

该进一步方案的有益效果是：统一开关函数可减少一半的开关函数计算量。

进一步地，所述步骤S2中对YD接线的6脉动电网换相换流器，构建一周期内的改进统一开关函数表示为：

其中，S

该进一步方案的有益效果是：统一开关函数可减少一半的开关函数计算量。

进一步地，所述步骤S2中对12脉动电网换相换流器，构建网侧电流和直流侧电压关系为：

其中，i

该进一步方案的有益效果是：可减少计算量。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

根据步骤S1中多阶动态向量和步骤S2中改进统一开关函数计算改进统一开关函数动态相量矩阵；

设定直流侧存在直流源和谐波源的关系，计算φ相交流电流动态相量矩阵；

设定三相交流基波电压和交流三相谐波电压源的关系，计算直流侧电压动态相量矩阵；

根据动态相量与谐波的对应关系计算各次谐波的幅值和相位信息。

该进一步方案的有益效果是：可减少计算量。

进一步地，所述步骤S3中改进统一开关函数动态相量矩阵S

其中，φ＝a、b、c为各相，S

进一步地，所述步骤S3中φ相交流电流动态相量矩阵I

其中，I

进一步地，所述步骤S3中直流侧电压动态相量矩阵U

其中，U

该进一步方案的有益效果是：将时域信号展开成频域量，频域量采用矩阵运算，方便谐波间的耦合计算。

进一步地，所述步骤S3中计算各次谐波的幅值和相位信息的计算公式表示为：

其中，U

该进一步方案的有益效果是：可将动态相量和谐波幅值、相位信息直接对应。

附图说明

图1为本发明电网换相换流器交直流侧谐波计算方法流程示意图；

图2为本发明实施例中电网换相换流器拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例中直流侧注入1％3次谐波电流后交流侧a相谐波电流对比图；

图4为本发明实施例中交流侧注入1％不对称10次谐波电压后直流侧谐波电压对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种电网换相换流器交直流侧谐波计算方法，包括以下步骤S1至S3：

S1、采用动态向量法将连续时域信号波形划分为多阶动态向量；

在本实施例中，步骤S1具体包括：

设定连续时域信号波形为x(t)，将时域信号波形等分为若干个长度为T的等分区间，在任一区间t∈(τ-T,τ]将其展开成傅里叶级数表示为：

其中，X

将傅里叶系数X

n阶动态相量〈x〉

动态相量具有如下性质：假设有三个时域信号p(t)、u(t)、i(t)，满足p(t)＝u(t)·i(t)，则有：

S2、根据电网换相换流器交直流两侧电压电流的相互关系构建电网换相换流器改进统一开关函数；

在本实施例中，步骤S2具体包括：

根据电网换相换流器的数学模型，得到电网换相换流器交直流两侧电压电流的相互关系。在换相过程中，以a、b两相的电压开关函数为例，设定为交流电压传递至直流侧的等效电压所占的比例，表示为：

其中，S

当LCC换流变母线BUS电压参考相位为：

对YY接线的6脉动电网换相换流器，以a相为例，构建一周期内的改进统一开关函数表示为：

其中，S

对YD接线的6脉动电网换相换流器，以a相为例，构建一周期内的改进统一开关函数表示为：

其中，S

对12脉动电网换相换流器，相当于2组不同接线换流变的6脉动换流器在交流侧并联，在直流侧串联，构建网侧电流和直流侧电压关系为：

其中，i

S3、根据步骤S1中多阶动态向量和步骤S2中改进统一开关函数计算改进统一开关函数动态相量矩阵，并结合动态相量与谐波的对应关系计算各次谐波的幅值和相位信息。

在本实施例中，步骤S3具体包括：

根据步骤S1中多阶动态向量和步骤S2中改进统一开关函数计算改进统一开关函数动态相量矩阵S

以考虑31次范围以内所有谐波为例。对于不同接线换流变LCC，将YY或YD接线的6脉动电网换相换流器的改进统一开关函数代入n阶动态相量〈x〉

其中，矩阵内元素为求得的已知复数，φ＝a、b、c为各相，S

将上式中的元素赋值到传递矩阵

设定直流侧存在直流源I

其中，I

从而确定直流电流动态相量矩阵I

将直流电流动态相量矩阵I

得到φ相交流电流动态相量矩阵I

其中，矩阵内元素为求得的已知复数，I

设定三相交流基波电压u

其中，U

从而确定交流侧φ相电压动态相量矩阵U

将交流侧φ相电压动态相量矩阵U

得到直流侧电压动态相量矩阵U

其中，矩阵内元素为求得的已知复数，U

根据动态相量与谐波的对应关系计算各次谐波的幅值和相位信息，表示为：

其中，U

下面本发明以两端LCC-HVDC系统为例进行仿真，如图2所示，为LCC拓扑结构示意图，其中u

本次仿真测试是对加入谐波后的谐波含量的幅值和相位进行比较，以证实以上所分析的谐波变换规律的正确性。另外，为了证明本发明方法提升了精度，在与仿真对比数据中加入了传统开关函数计算方法的计算结果。两种方法分别为：

1)方法1：本发明所提方法；

2)方法2：传统开关函数计算方法。

通过图3(a)，交流侧电流中100Hz与200Hz谐波含量的对比，以及图3(b)，交流侧电流中100Hz与200Hz谐波相位的对比，可以证明，直流到交流侧谐波变化关系分析结果的正确性。通过图4(a)，直流侧电压450Hz、550Hz谐波电压含量的对比，以及图4(b)，直流侧电压450Hz、550Hz谐波电压相位的对比，可以证明，交流到直流侧谐波变化关系分析结果的正确性。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施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。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。