换流器的直流回路谐波阻抗计算方法、装置和计算机设备

技术领域

本发明涉及换流器设计技术领域，具体涉及一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质。

背景技术

换流器，尤其是基于晶闸管半导体开关的换流器在诸多需要直流电能的领域被广泛应用。换流器在直流侧产生直流电的同时也会产生谐波。其中，直流谐波会产生许多危害。为抑制谐波对系统和设备影响，在换流器系统设计时需要计算直流回路谐波阻抗。

目前主要采用电磁暂态等仿真软件来扫描得到直流回路谐波阻抗，然后根据直流回路谐波阻抗对系统进行调整，调整之后再采用电磁暂态等仿真软件来扫描得到调整后的直流回路谐波阻抗，通过多次反复调整得到最终的一次设备参数和直流回路谐波阻抗结果，以实现对直流回路谐波的抑制，确保系统和设备安全运行。该方法需要反复进行调整计算，效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，以克服现有技术中的直流回路谐波阻抗需要反复进行调整计算，效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法，包括以下步骤：

获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型；其中，所述直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示所述直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系；

根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗。

第二方面，本发明实施例提供了一种换流器的直流回路谐波阻抗计算装置，包括：

参数及模型获取模块，用于获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型；其中，所述直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示所述直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系；

直流回路谐波阻抗计算模块，用于根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法。

本发明实施例中的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，然后根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗；其中直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系。该直流回路谐波阻抗计算方法，只需要将状态空间参数输入直流回路谐波阻抗模型即可计算出直流回路谐波阻抗，操作简单易行，且准确率高。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的十二脉动换流器的原理图；

图3为本发明一个实施例提供的十二脉动换流器的控制系统框架图；

图4为本发明另一个实施例提供的十二脉动换流器的控制系统框架图；

图5为本发明一个实施例中提供的十二脉动换流器直流回路阻抗的计算流程示意图；

图6为本发明一个实施例提供的十二脉动换流器的直流回路谐波阻抗频谱图；

图7为本发明一个实施例提供的换流器的直流回路谐波阻抗计算装置结构示意图；

图8为本发明一个实施例提供的计算机设备结构示意图。

具体实施方式

下面将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。

为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，进行具体地描述。

本方法运用于的终端中，终端可以是个人计算机、笔记本电脑等。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法，以该方法应用于终端为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S102，获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型；其中，直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系；

其中，换流器的状态空间参数包括换流器的直流输出电压、换流器的直流输出电流、换流器的触发角控制值、换流器的交流输出电压、电流参考值等，以及根据这些参数进行变换处理得到的参数。

直流回路谐波阻抗模型是预先构建的，在构建的过程中是基于换流器系统的控制原理来确定直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数之间的解析关系，其中这种解析关系即为直流回路谐波阻抗模型。

步骤S104，根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗。

本发明实施例中的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法，获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，然后根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗；其中直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系。该直流回路谐波阻抗计算方法，只需要将状态空间参数输入直流回路谐波阻抗模型即可计算出直流回路谐波阻抗，操作简单易行，且准确率高。

在一个实施例中，换流器为十二脉动换流器。

具体地，十二脉动换流器是一个具有12个晶闸管半导体开关，通过12个开关的交替开通，从而在直流侧产生一个电周期具有12个脉动的直流电压。十二脉动换流器直流电压和交流电流质量好，所含的谐波成分少。另外，可以简化滤波装置，节省换流站造价。

在一个实施例中，直流回路谐波阻抗模型的建立步骤，包括：

获取交流阻抗压降解析值；根据换流器系统的控制原理和交流阻抗压降解析值建立换流器的交流阻抗压降系统控制架构图；

根据交流阻抗压降系统控制架构图建立换流器系统的状态空间方程；根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路谐波阻抗的关系，建立直流回路谐波阻抗模型。

在本实施例中，构建的过程中首先获取交流阻抗压降解析值，基于交流阻抗压降解析值和换流器系统的控制原理建立换流器的交流阻抗压降系统控制架构图，然后根据换流器的交流阻抗压降系统控制架构图建立换流器系统的状态空间方程，其中换流器系统的状态空间方程可以来表示各系统的状态参数(例如电压、电流、电阻等)的关系，然后根据这些关系以及直流回路阻抗的计算原理来推到出直流回路谐波阻抗的数学表达式(即直流回路谐波阻抗模型)；根据直流回路谐波阻抗的数学表达式可以清楚地知晓直流回路谐波阻抗与换流器系统各个系统参数之间解析关系，即直流回路谐波阻抗与换流器系统各个系统参数之间存在的变化规律，则根据系统参数可以计算出直流回路谐波阻抗值，也可以根据直流回路谐波阻抗值的需求来调整各系统参数。

在一个实施例中，直流回路谐波阻抗模型的表达式为：

在一个实施例中，状态空间方程的表达式为：

I

在一个实施例中，根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路谐波阻抗的关系的步骤中，包括：采用以下表达式来计算直流回路谐波阻抗：

为了更具体地解释本申请的技术方案，下面将对本申请的方法在十二脉动换流器中实现完整过程进行详细的讲解。

首先，现有的十二脉动换流器的原理图如图2所示。十二脉动换流器一般包括以下组成部分：交流侧电压源Vac、交流侧电感Lac、交流侧电阻Rac、接地点G、换流变网侧电压Vp、换流变压器T1和T2(为简化计算，其原边和副边的电压变比为1:1)、以及换流器(即V1和V2)，直流侧电感L1、电阻R1，其中，换流器部分包括12个晶闸管半导体开关。

十二脉动换流器正常工作时，换流器每隔120°电角度依次顺序开通12个开关，循环往复，将交流侧的电压Vac依次不断导通到直流侧，在直流侧产生一个电周期具有12个脉动的直流电压，实现交流到直流的转换。

直流侧的电感L1为直流的平波电感，用于滤除直流的高次谐波，R1为直流的等效负载。直流电流为I

请参阅图2，附图中I

本发明的12脉动换流器建模方法如下：

参照图2，12脉动换流器直流电压V

其中X

其中ΔV

由于式(3)为三相微分方程，为便于计算，对其采用向量法计算，相关向量的向量图附图3所示。其中附图3对应的向量方程如下：

根据12脉动换流器工作原理，可得交直流侧相关变量关系式如下

其中μ为换流器换相角、φ

另外，阻抗Zac相关表达式如下

由式(2)到式(6)可得：ΔV

其中K1和K2为由式(2)到式(6)计算出来的常系数，即获取交流阻抗压降解析值。

由(2)和式(7)可得：

由附图3及式(8)可知12脉动换流器的交流阻抗压降系统控制架构图，如附图4所示。根据附图2和附图4，令X1和I

其中V

根据式(9)，令X1和I

另外，12脉动换流器系统直流回路表达式如下

则可得12脉动换流器直流回路阻抗的解析计算表达式为

其中s为拉普拉斯算子，I表示表示二阶单位矩阵。

综上所述，如图5所示，本发明的阻抗设计流程如下：首先输入系统参数，求解ΔVp获得系数K1和K2(即交流阻抗压降解析值)；然后搭建换流器系统整体控制框架图，形成系统状态空间方程，设置空间状态参数，求得换流器直流回路阻抗值；再判断该阻抗指是否符合要求，如果是输出直流阻抗；如果否则重新设置状态空间参数。

本发明实施例中的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法在计算12脉动直流回路谐波阻抗时，可以精确计算出电压源内阻抗上的压降，从而获得Y-Y换流变和Y-D换流变的原边电压的解析计算表达式，基于该表达式可直接画出12脉动换流器整体的系统控制架构框图，通过控制架构框图可以清晰地梳理系统各变量之间的逻辑联系关系，并搭建可反映系统整体动态特性的状态空间方程，设置好状态空间的系统参数，通过解析计算，即可得到直流回路阻抗在s域的解析计算表达式，将s域变换到频域，即可得到直流回路阻抗值的频谱图，若所得的阻抗频谱存在谐振点不满足实际需求时，需要对系统的直流回路阻抗进行调整，此时并不需要重新建模等复杂过程，只需根据需要适当调整某些系统参数再进行阻抗计算，即可得到一系列新的直流回路阻抗频谱，从中选出满足要求的频谱即可完成系统直流回路阻抗的计算和设计。

效果实施例：

请参考附图2，当交流电压Vac线电压有效值为10kV，频率为50Hz，Lac为0.4mH，Ls为1mH，直流负载电感L为0.2H，电阻R为12Ω，直流电流2000A，Kp为0.001，Ki为0.4。采用本发明的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法中的直流回路谐波阻抗模型，然后计算可得到12脉动换流器的直流回路谐波阻抗，其结果如图所示6。如图所示6，该12脉动换流器的直流回路阻抗在低频约20Hz左右有一个阻抗低值点，系统需避免该频率附近的谐波电压。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

上述本发明公开的实施例中详细描述了一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法，对于本发明公开的上述方法可采用多种形式的设备实现，因此本发明还公开了对应上述方法的换流器的直流回路谐波阻抗计算装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图7，为本发明实施例公开的一种换流器的直流回路谐波阻抗计算装置，主要包括：

参数及模型获取模块702，用于获取换流器的状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型；其中，直流回路谐波阻抗模型基于换流器系统的控制原理预先构建的，表示直流回路谐波阻抗与换流器的状态空间参数的解析关系；

直流回路谐波阻抗计算模块704，用于根据状态空间参数和直流回路谐波阻抗模型，计算直流回路谐波阻抗。

在一个实施例中，还包括：

解析值获取模块，用于获取交流阻抗压降解析值；

系统控制架构图建立模块，用于根据换流器系统的控制原理和交流阻抗压降解析值建立换流器的交流阻抗压降系统控制架构图；

状态空间方程建立模块，用于根据交流阻抗压降系统控制架构图建立换流器系统的状态空间方程；

直流回路谐波阻抗模型建立模块，用于根据状态空间方程来确定状态空间参数与直流回路谐波阻抗的关系，建立直流回路谐波阻抗模型。

在一个实施例中，所述直流回路谐波阻抗模型的表达式为：

在一个实施例中，状态空间方程的表达式为：所述状态空间方程的表达式为：

其中，

I

在一个实施例中，所述直流回路谐波阻抗的表达式为：

在一个实施例中，换流器为十二脉动换流器。

关于换流器的直流回路谐波阻抗计算装置的具体限定可以参见上文中对于换流器的直流回路谐波阻抗计算方法的限定，在此不再赘述。上述换流器的直流回路谐波阻抗计算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储电阻等效模型、等效子模型的数据，以及存储执行计算时得到的等效电阻、工作电阻以及接触电阻。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种换流器的直流回路谐波阻抗计算方法。

本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明实施例中提供的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法中的任一方法步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例中提供的换流器的直流回路谐波阻抗计算方法中的任一方法步骤。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。