一种高压直流输电触发角切换控制方法及控制装置

技术领域

本申请涉及高压直流输电领域，具体涉及交流或直流存在宽频分量时高压直流输电触发角切换控制方法及控制装置。

背景技术

在大规模新能源接入系统中，多样化电力电子装置与电机之间存在强耦合，新能源基地与直流输电系统、弱同步电网交互影响，易发生次/超同步振荡现象，可能引发高压直流输电直流侧的振荡。

当高压直流输电直流侧存在振荡时，直流电流控制器可能进一步放大直流电流振荡，导致直流电压、功率在很大范围内波动，严重影响设备和电网安全运行。

发明内容

为了解决前述问题，本发明提供一种高压直流输电触发角切换控制方法，所述方法包括：检测高压直流输电的换流器的交流侧或直流侧的电压或电流的宽频分量；判断所述宽频分量的幅值是否超过第一启动阈值；当所述宽频分量的幅值超过所述第一启动阈值时，所述换流器切换为定触发角控制。

根据一些实施例，其中，所述方法还包括当所述宽频分量的幅值低于第二启动阈值，所述换流器由所述定触发角控制切换为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制；所述第二启动阈值小于所述第一启动阈值。

根据一些实施例，其中，所述方法还包括当检测直流电流偏差大于第一电流阈值，或者直流电压偏差大于第一电压阈值，或者关断角小于第一关断角时，或者经过第一时间定值延时，所述换流器由所述定触发角控制切换为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制。

根据一些实施例，其中，所述第一启动阈值的取值范围为额定交流电压的0pu～0.1pu之间，所述第二启动阈值的取值范围为额定交流电压的0pu～0.1pu之间。

根据一些实施例，其中，所述第一电流阈值的取值范围为额定直流电流的-0.2pu～0.2pu之间，所述第一电压阈值的取值范围为额定直流电压的-0.1pu～0.1pu之间，所述第一关断角的取值范围为13°～17°，所述第一时间定值的取值范围为0.01～100s之间。

根据一些实施例，其中，所述换流器包括整流器和逆变器，所述换流器的交流侧或直流侧的电压或电流包括以下的任一种或几种：

整流器的交流母线电压；

整流器流入换流变压器的交流电流；

整流器的直流电压；

整流器的直流电流；

逆变器的交流母线电压；

逆变器流入换流变压器的交流电流；

逆变器的直流电压；

逆变器的直流电流。

根据一些实施例，其中，所述宽频分量通过对所述电压或所述电流进行傅里叶变换得到。

根据一些实施例，其中，所述傅里叶变换包括离散傅里叶变换、快速傅里叶变换。

根据一些实施例，其中，所述判断所述宽频分量的幅值是否超过所述第一启动阈值的步骤为判断所述宽频分量在频段设计范围的分量的幅值是否超过所述第一启动阈值，所述频带设计范围包括一个频率点、多个频率点中的至少一种；所述频带设计范围在0.1～10000Hz之间取值。

根据一些实施例，其中，所述频带设计范围包括高压直流输电的直流侧谐振频率和交流侧谐振频率。

根据一些实施例，其中，所述第一启动阈值针对每个频率点、多个频率点分别进行设置。

根据一些实施例，其中，所述第一启动阈值针对多个频率点统一进行设置，所述判断所述宽频分量的幅值是否超过所述第一启动阈值的步骤包括判断所述频段设计范围内的所有分量的幅值最大值是否超过所述第一启动阈值。

根据一些实施例，其中，所述定关断角控制包括最大触发角控制，所述最大触发角为根据以下公式确定的最大触发延迟角：

其中，γ

根据一些实施例，其中，所述定触发角控制为触发角设定为固定值。

根据一些实施例，其中，所述定触发角的参考值为所述在频段设计范围内的分量的幅值超过所述第一启动阈值前的触发角经低通滤波器后的值，或者超过所述第一启动阈值前第二时间定值间的平均值，或者超过所述第一启动阈值前第三时间定值的值；或者所述定触发角的参考值为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制输出的触发角经低通滤波器后的值，或者所述第二时间定值间的所述触发角的平均值，或者所述第三时间定值前所述触发角的值；所述低通滤波器的时间常数在0.01s～10s之间取值，所述第二时间定值的取值范围为0.01～100s之间，所述第三时间定值的取值范围为0.01～100s之间。

此外，本发明提供一种高压直流输电触发角切换控制装置，所述装置包括：检测单元，检测高压直流输电的换流器的交流侧或直流侧的电压或电流的宽频分量；控制单元，判断所述宽频分量的幅值是否超过启动阈值；当所述宽频分量的幅值超过第一启动阈值时，所述换流器切换为定触发角控制。

根据一些实施例，其中所述判断所述宽频分量的幅值是否超过所述第一启动阈值包括判断所述宽频分量在设计频段范围的分量的幅值是否超过所述第一启动阈值，所述频带设计范围包括一个频率点、多个频率点中的至少一种；所述频带设计范围在0.1～10000Hz之间取值。

根据一些实施例，其中，所述宽频分量通过对所述电压或电流进行傅里叶变换得到。

根据一些实施例，其中，所述傅里叶变换包括离散傅里叶变换、快速傅里叶变换。

本申请实施例提供的技术方案，在高压直流输电发生振荡时，通过切换触发角控制方法，使整流器或逆变器的调节器退出控制，防止振荡被进一步放大。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的高压直流输电示意图。

图2是本申请实施例的一种高压直流输电触发角切换控制方法流程示意图。

图3是由直流电流控制切换为定触发角控制的控制框图。

图4是由直流电压控制切换为定触发角控制的控制框图。

图5是由最大触发角控制切换为定触发角控制的控制框图。

图6是本申请实施例提供的一种高压直流输电触发角切换控制装置功能框图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例提供的高压直流输电结构示意图。

高压直流输电系统主回路包括整流站100、逆变站200、第一直流线路150、第二直流线路160、整流站接地极线路114、整流站接地极115和逆变站接地极线路214、逆变站接地极215。

整流站100包括第一直流极110、第二直流极120、第一交流滤波器组118、第一交流系统140及换流变压器进线开关、金属回线转换开关113、大地回线转换开关190、双极中性区隔离刀闸174、175、184和185。

第一直流极110包括第一阀组/换流器111、第一换流变压器116、第一直流极中性母线开关119、第一直流滤波器93、第一平波电抗器91、第一直流滤波器隔离刀闸171、第一极母线隔离刀闸172和第一金属回线隔离刀闸173。

第一阀组/换流器111为电网换相换流器。电网换相换流器包括但不限于六脉动桥式电路、十二脉动桥式电路的至少一种。所述脉动桥式电路包括但不限于不可关断的半控型功率半导体器件，一般为晶闸管器件。

第二直流极120包括第二阀组/换流器121、第二换流变压器126、第二直流极中性母线开关129、第二直流滤波器94、第二平波电抗器92、第二直流滤波器隔离刀闸181、第二极母线隔离刀闸182和第二金属回线隔离刀闸183。

第二阀组/换流器121为电网换相换流器。

整流站100中的第一阀组/换流器111及第二阀组/换流器121，在本发明中也称为整流器。

逆变站200包括第三直流极210、第四直流极220、第二交流滤波器组218、第二交流系统240及换流变压器进线开关、接地极线路隔离刀闸213、金属回线隔离刀闸290、双极中性区隔离刀闸274、275、284和285。

第三直流极210包括第三阀组/换流器211、第三换流变压器216、第三直流极中性母线开关219、第三直流滤波器97、第三平波电抗器95、第三直流滤波器隔离刀闸271、第三极母线隔离刀闸272和第三金属回线隔离刀闸273。第一高端阀组111和第一低端阀组112为串联连接。

第三阀组/换流器211为电网换相换流器。

第四直流极220包括第四阀组/换流器221、第四换流变压器226、第四直流极中性母线开关229、第四直流滤波器98、第四平波电抗器96、第四直流滤波器隔离刀闸281、第四极母线隔离刀闸282和第四金属回线隔离刀闸283。

第四阀组/换流器221为电网换相换流器。

逆变站200中的第三阀组/换流器211及第四阀组/换流器221，在本发明中也称为逆变器。

上述提到的各种开关，包括但不限于机械开关、刀闸、直流断路器的至少一种。

整流站100通过接地极线路114与接地极115连接。逆变站200通过接地极线路214与接地极215连接。功率正送时，整流站100的第一交流系统140通过其第一阀组/换流器111将交流电转化为直流电，通过直流线路150、160输送到逆变站200，逆变站200通过其第三换流器211将直流电转化为交流电送到逆变站200的第二交流系统240，从而实现直流功率正送。整流站的换流器一般运行在电流控制，逆变站的换流器一般运行在电压控制或最大触发角控制(AMAX)。

整流站100和逆变站200采集的模拟量信号为：换流器直流侧的高压母线电流IDH、低压母线电流IDNC，极母线电流IDL，极中性母线电流IDNE，直流滤波器首端电流IZT1，接地极电流IDEL，极母线电压UDL和极中性母线电压UDN，以及第一交流系统140和第二交流系统240的交流母线电压UAC、流入换流变压器的交流电流IAC。

图2是本申请实施例的一种高压直流输电触发角切换控制方法流程示意图。

在S110中，检测高压直流输电整流器或逆变器的交流侧或直流侧的电压或电流的宽频分量。

检测整流站100的第一阀组/换流器111或第二阀组/换流器121的交流母线电压UAC、流入换流变压器的交流电流IAC、直流电压UD(UD＝UDL-UDN)或直流电流ID(ID＝IDNC或ID＝IDH)中的宽频分量。

检测逆变站200的第三阀组/换流器211或第四阀组/换流器221的交流母线电压UAC、流入换流变压器的交流电流IAC、直流电压UD(UD＝UDL-UDN)或直流电流ID(ID＝IDNC或ID＝IDH)中的宽频分量。

上述宽频分量通过对上述电压或电流进行傅里叶变换得到，傅里叶变换包括但不限于离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)。

假设三相交流母线电压含有宽频分量，只考虑整数次频率的宽频分量，则可以表示为：

式中，u

将上述交流母线电压进行傅里叶变换得到不同频率下的宽频分量，可进一步通过αβ坐标变换得到正序宽频分量和负序宽频分量。

在S120中，判断所述宽频分量在频带设计范围内的分量的幅值是否超过第一启动阈值。

上述宽频分量可只判别正序宽频分量或只判别负序宽频分量，第一启动阈值可分别设置。

频带设计范围包括一个频率点(如15Hz)、多个频率点(如15Hz、22Hz和26Hz)中的至少一种；所述频带设计范围在0.1～10000Hz之间取值。

频带设计范围包括高压直流输电的直流侧谐振频率和交流侧谐振频率。直流侧谐振频率包括因控制器调节和主回路参数共同耦合引发的振荡频率；交流侧谐振频率包括因交流系统中发电机或新能源发电与高压直流输电耦合引发的次同步振荡频率、超同步振荡频率。

第一启动阈值针对每个频率点、多个频率点分别进行设置，此时，需要判断频段设计范围内每个频率点的分量的幅值是否超过该对应频率点的第一启动阈值。第一启动阈值的取值范围为额定交流电压的0pu～0.1pu之间。

第一启动阈值也可以统一设置，即不针对多个频率点单独进行设置。此时，需要判断频段设计范围内的所有分量的幅值最大值是否超过该统一设置的第一启动阈值。

以正序分量为例，考虑j，k，l三个频带点，宽频分量的幅值超过第一启动阈值的判据如下：

式中，U

在S130中，当所述在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值时，高压直流输电的换流器由直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制切换为定触发角控制。

当第一阀组/换流器111在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值时，第一阀组/换流器111由直流电流控制切换为定触发角控制。当第二阀组/换流器121在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值时，第二阀组/换流器121由直流电流控制切换为定触发角控制。当第三阀组/换流器211在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值时，第三阀组/换流器211由直流电压控制或最大触发角控制切换为定触发角控制。当第四阀组/换流器221在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值时，第四阀组/换流器221由直流电压控制或最大触发角控制切换为定触发角控制。

上述定关断角控制包括最大触发角控制，其中最大触发角为根据以下公式确定的最大触发延迟角：

其中，γ

上述定触发角的参考值为上述在频段设计范围内的分量的幅值超过第一启动阈值前的触发角经低通滤波器(经低通滤波后可滤除触发角的振荡部分)后的值，或者超过启动阈值前第二时间定值间的平均值，或者超过启动阈值前第三时间定值的值；或者上述定触发角的参考值为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制输出的触发角经低通滤波器后的值，或者第二时间定值间的上述触发角的平均值，或者第三时间定值前上述触发角的值；上述低通滤波器的时间常数在0.01s～10s之间取值，上述第二时间定值的取值范围为0.01～100s之间，上述第三时间定值的取值范围为0.01～100s之间。

通过切换为定触发角控制，高压直流输电系统的直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制的环节被去除或削弱，，系统传递函数发生改变，高压直流输电系统的阻抗特性发生改变，可抑制已经产生的宽频振荡。

在S140中，当所述在频段设计范围内的分量的幅值低于第二启动阈值，高压直流输电的换流器由定触发角控制切换为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制；所述第二启动阈值小于第一启动阈值。

此外，当换流器工作在下述工况：当检测直流电流偏差大于第一电流阈值，或者直流电压偏差大于第一电压阈值，或者关断角小于第一关断角时，或者经过第一时间定值延时，高压直流输电的换流器由定触发角控制切换为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制；所述第二启动阈值小于第一启动阈值。上述第二启动阈值的取值范围为额定交流电压的0pu～0.1pu之间，上述第一电流阈值的取值范围为额定直流电流的-0.2pu～0.2pu之间，上述第一电压阈值的取值范围为额定直流电压的-0.1pu～0.1pu之间，上述第一关断角的取值范围为13°～17°，上述第一时间定值的取值范围为0.01～100s之间。

图3示出了由直流电流控制切换为定触发角控制的控制框图。图4示出了由直流电压控制切换为定触发角控制的控制框图。图5示出了由最大触发角控制切换为定触发角控制的控制框图。

图3-图5中，上述定触发角的参考值为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制输出的触发角经低通滤波器后的值。当宽频分量大于第一启动阈值时，选择直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制输出的触发角经低通滤波器后的值；当宽频分量小于第一启动阈值时，则输出为直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制输出的触发角，图中α

图6是本申请提供的一种高压直流输电触发角切换控制装置功能框图，该控制装置用于切换高压直流输电触发角控制策略。根据图6，高压直流输电触发角切换控制装置11包括检测单元12和控制单元13。

其中，检测单元12，用于检测高压直流输电的换流器的交流侧或直流侧的电压或电流的宽频分量。

控制单元13，用于判断所述宽频分量的幅值是否超过第一启动阈值；当所述宽频分量的幅值超过第一启动阈值时，换流器由直流电流控制、直流电压控制或定关断角控制切换为定触发角控制。

在一些实施例中，判断所述宽频分量的幅值是否超过所述第一启动阈值，包括判断所述宽频分量在设计频段范围的分量的幅值是否超过所述第一启动阈值，频带设计范围包括一个频率点、多个频率点中的至少一种；频带设计范围在0.1～10000Hz之间取值。

在一些实施例中，宽频分量通过对所述电压或电流进行傅里叶变换得到。例如：离散傅里叶变换、快速傅里叶变换。

第一启动阈值的设置以及换流器的切换控制，与在前描述的相同，在此不再赘述。本申请实施例提供的技术方案，在检测到存在宽频振荡时，通过切换换流器的触发角控制方法，改变高压直流输电系统的阻抗特性，抑制因直流调节器调节作用及主回路耦合引起的宽频振荡，防止高压直流输电设备过应力，为电力系统安全运行提供保障。

以上实施例仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请保护范围之内。