改善直流輸電系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)性能的熄弧角控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種電力系統(tǒng)控制運(yùn)行保護(hù)技術(shù)，特別涉及一種改善直流輸電系 統(tǒng)換相失敗恢復(fù)性能的熄弧角控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可引發(fā)直流換流器換相失敗（熄弧角小于7° )，導(dǎo)致功率傳 輸中斷。通常直流系統(tǒng)輸送的有功功率和消耗的無功功率都很大，因此改善交流故障后直 流系統(tǒng)的恢復(fù)性能對維系交直流大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，而優(yōu)化控制系統(tǒng)是 經(jīng)濟(jì)可行的辦法。
[0003] 仿真研究和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在傳統(tǒng)的比例積分閉環(huán)控制框架下，當(dāng)直流系統(tǒng)從換 相失敗中恢復(fù)時(shí)可能出現(xiàn)一些問題：（1)換相失敗持續(xù)時(shí)間較長，加劇送受端系統(tǒng)的功角 穩(wěn)定問題；（2)交流故障清除后，本來已恢復(fù)換相的換流器再次發(fā)生換相失敗，中斷有功傳 輸并引起交流電壓波動(dòng)，嚴(yán)重阻礙直流的恢復(fù)；（3)由于直流電流和熄弧角的超調(diào)，直流換 流器在恢復(fù)期間可出現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)無功需求，增大受端電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。通過調(diào)整直 流控制策略或控制參數(shù)能夠在一定程度上緩解以上問題。目前大多數(shù)控制優(yōu)化方案都是針 對直流電流設(shè)計(jì)的，如引入低壓限流控制環(huán)節(jié)，其主要弊端在于，在避免后續(xù)換相失敗或降 低直流無功消耗的同時(shí)將延緩有功功率的恢復(fù)?？紤]到直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)整流器控制電流， 逆變器控制熄弧角，且換相失敗發(fā)生在逆變器一側(cè)，因此可嘗試對熄弧角控制的電路結(jié)構(gòu) 提出優(yōu)化改進(jìn)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種改善直流輸電系統(tǒng) 換相失敗恢復(fù)性能的熄弧角控制電路，該熄弧角控制電路有效減少了直流換相失敗持續(xù)時(shí) 間、避免恢復(fù)期間換流器再次換相失敗、加速直流有功功率恢復(fù)和抑制直流無功消耗。
[0005] 本實(shí)用新型的目的可以通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種改善直流輸電系統(tǒng)換相失敗 恢復(fù)性能的熄弧角控制電路，包括：依次連接的非線性調(diào)制單元、比例積分單元和脈沖觸發(fā) 單元；
[0006] 非線性調(diào)制單元對輸入的第一熄弧角偏差信號Y@進(jìn)行調(diào)制，并輸出第二熄弧角 偏差彳目號丫^^;
[0007] 比例積分單元接收第二熄弧角偏差信號y，將自身的輸入量標(biāo)記為第三熄弧 角偏差信號y_3，并計(jì)算延遲角控制量0Y，所述延遲角控制量0 7的計(jì)算公式如下：
[0008]
[0009] 其中，s為拉式算子，K為比例常數(shù)，為積分常數(shù)。常數(shù)31減去延遲角控制量 0Y得到觸發(fā)角控制量a ;
[0010] 脈沖觸發(fā)單元接收觸發(fā)角控制量a，并通過所述觸發(fā)角控制量a控制直流換流 器晶閘管的通斷。
[0011] 作為優(yōu)選，本實(shí)用新型的改善直流輸電系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)性能的熄弧角控制電路 還包括：取小單元、電流低通濾波單元、電流比較器、電壓低通濾波單元、電壓比較器、邏輯 與門、依次連接的微分器、脈沖生成單元和雙通道選擇器；
[0012] 取小單元的輸出端連接非線性調(diào)制單元的一個(gè)輸入端，電流低通濾波單元、電流 比較器和邏輯與門的一個(gè)輸入端依次連接，電壓低通濾波單元、電壓比較器和邏輯與門的 另一個(gè)輸入端依次連接；邏輯與門的輸出端與非線性調(diào)制單元的另一個(gè)輸入端連接；
[0013] 取小單元接收、存儲和比較20ms內(nèi)的熄弧角測量值g_s并得到熄弧角采樣值的最 小值，由熄弧角整定值減去熄弧角采樣值的最小值，得到第一熄弧角偏差信號Y_，并 把第一熄弧角偏差信號T_輸送至非線性調(diào)制單元。
[0014] 電流低通濾波單元處理直流電流測量值，并輸出濾波電流I，采用如下式子計(jì) 算所述濾波電流I:
[0015]
，
[0016] 其中，為電流積分常數(shù)，s為拉氏算子；
[0017] 電流比較器接收濾波電流I，并判斷接收濾波電流I是否大于電流設(shè)定值IMt，若 大于，則輸出邏輯信號1，否則，輸出邏輯信號〇 ;
[0018] 電壓低通濾波單元處理交流電壓測量值V_s，并輸出濾波電壓V，采用如下式子計(jì) 算所述濾波電壓V:
[0019]
[0020] 其中，Tv為電壓積分常數(shù)，s為拉氏算子；
[0021] 電壓比較器接收濾波電壓V，并將其與電壓設(shè)定值VsJS行比較，若濾波電壓大于 電壓設(shè)定值，則輸出邏輯信號1，否則輸出邏輯信號〇 ;
[0022] 邏輯與門接收電壓比較器和電流比較器輸出的邏輯信號，并進(jìn)行"與"處理，輸出 第一邏輯信號S1至非線性調(diào)制單元，所述第一邏輯信號S1取值為0或1。
[0023] 微分器對電壓低通濾波單元輸出的濾波電壓V進(jìn)行微分計(jì)算，得到濾波電壓微分 值；
[0024] 脈沖生成單元接收并判斷濾波電壓微分值是否大于脈沖設(shè)定值D;若大于，則輸 出的第二邏輯信號S2 = 1，持續(xù)時(shí)間為整定值T;否則，始終輸出第二邏輯信號S2 = 0 ;
[0025] 雙通道選擇器接收脈沖生成單元輸出的第二邏輯信號S2,并輸出熄弧角偏差增量 信號Ay _。若第二邏輯信號S2 = 0,則熄弧角偏差增量信號Ay_= 〇 ;若第二邏輯信 號S2 = 1，則熄弧角偏差增量信號AY_=X2,其中，X2為設(shè)定的值；輸出的熄弧角偏差 增量信號A丫_與非線性調(diào)制單元輸出的第二熄弧角偏差信號y_2相加，得到第三熄弧 角偏差信號y_3，并把第三熄弧角偏差信號y_3輸出至比例積分單元。
[0026] 作為優(yōu)選，所述非線性調(diào)制單元，其輸出的第二熄弧角偏差y_2是輸入的第一熄 弧角偏差y的分段線性函數(shù)，函數(shù)特征為具有由七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)組成的折線段；
[0027] 所述七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為N'，N，M，0,A，B和B'，通過不同方式用直線將各點(diǎn)連接起來即 構(gòu)成所需函數(shù)。所述七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：
[0028] 0為坐標(biāo)原點(diǎn)；第一關(guān)鍵點(diǎn)N'點(diǎn)滿足：XN，<XM且YN，= -90 ;第二關(guān)鍵點(diǎn)N滿足： XN〈XN，且YN, = -90;第三關(guān)鍵點(diǎn)M滿足：XM=YM〈0;第五關(guān)鍵點(diǎn)A滿足：XA=YA>0;第六關(guān)鍵 點(diǎn)B點(diǎn)滿足：XB>X^YB= 90 ;第七關(guān)鍵點(diǎn)B'點(diǎn)滿足：XB，>X^YB，= 90。其中：XN，和YN，分 別為第一關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；\和Yn分別為第二關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；XM和Ym 分別為第三關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；XJPYa分別為第五關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；XjP YB分別為第六關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；XB，和YB，分別為第七關(guān)鍵點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
[0029] 當(dāng)邏輯與門單元輸出的S1 = 0時(shí)，分段函數(shù)為由點(diǎn)N-M-O-A-B' -B依次連接組成 的折線段；當(dāng)SI= 1時(shí)，分段函數(shù)為由點(diǎn)N-N' -M-O-A-B' -B依次連接組成的折線段。
[0030] 所述取小單元接收某時(shí)刻的熄弧角采樣值，并將該采樣值與該時(shí)刻之前20ms內(nèi) 的其他所有采樣值一起組成一個(gè)集合，輸出該集合內(nèi)的最小值。
[0031] 本實(shí)用新型的目的也可以通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種改善高壓直流輸電系統(tǒng)換 相失敗恢復(fù)性能的熄弧角控制電路，包括：
[0032] 1)取小單元，用于接收、存儲和比較熄弧角采樣值，并取最小值進(jìn)行輸出。由預(yù)先 設(shè)定的yraf減去該單元的輸出值，得到熄弧角誤差值y
[0033] 2)非線性調(diào)制單元，用以對輸入的y _進(jìn)行調(diào)制；根據(jù)邏輯與門AND的輸出S1確 定具體的調(diào)制方式；輸出yOT2，并與雙通道選擇器的輸出△ 相加，作為比例積分單元 的輸入。
[0034] 3)比例積分單元，用以根據(jù)輸入求解并輸出控制量0Y，計(jì)算公式如下：
[0035]
[0036] 其中，s為拉式算子，K為比例常數(shù)，為積分常數(shù)。常數(shù)31減去輸出0 Y形成觸 發(fā)角控制量a。
[0037] 4)脈沖觸發(fā)單元，接收觸發(fā)角控制量a，并據(jù)此控制直流換流器中晶閘管的通 斷。
[0038] 5)低通濾波單元，用以處理直流電流測量值Id_s和交流電壓測量值V_s，輸出I 和V，采用加下忒子講桿濾湞i+笪，
[0039]
[0040] 其中，OUT和N分別表不輸出和輸入，Tx為積分常數(shù)，s為拉氏算子。
[0041] 6)比較器，將輸入的I(或V)與設(shè)定值IMt (或Vset)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出 邏輯信號〇或1。
[0042] 7)邏輯與門AND，接收6)中兩個(gè)比較器的輸出并進(jìn)行"與"處理，輸出邏輯信號S1 至非線性調(diào)制單元。
[0043] 8)微分器，對濾波后的交流電壓V作微分處理，微分結(jié)果輸出至脈沖生成單元。
[0044] 9)脈沖生成單元，比較8)輸出數(shù)值是否大于設(shè)定值D;若大于，則輸出S2 = 1，并 維持時(shí)間T，否則S2 = 0。
[0045] 10)雙通道選擇器，根據(jù)脈沖生成單元的輸出S2選擇輸出數(shù)值XI和X2;若S2 = 〇,則輸出A7" OT=XI，否則AyX2。
[0046] 所述取小單元，接收某時(shí)刻的熄弧角采樣值，并將該采樣值與該時(shí)刻之前20ms內(nèi) 的其他所有采樣值一起組成一個(gè)集合，輸出該集合內(nèi)的最小值。
[0047]所述元件非線性調(diào)制單元，其輸出量Y_2是輸入量Y的自適應(yīng)分段線性函數(shù)， 假定輸入量為橫軸X，輸出量為縱軸Y，所述自適應(yīng)分段線性函數(shù)具有以下兩種特點(diǎn)：
[0048] 第一種：函數(shù)具有^11，0^，8,8'七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過不同方式用直線將各點(diǎn)連 接起來即構(gòu)成所需函數(shù)。七個(gè)點(diǎn)的特征包括：〇為坐標(biāo)原點(diǎn)；A點(diǎn)滿足：XA=YA>0 ;B點(diǎn)滿足： YB= 90 ;B'點(diǎn)滿足：XB, >父8且YB, = 90 ;M點(diǎn)滿足：XM=YM〈0 ;N'點(diǎn)滿足：XN, <XM且YN, = -90;N點(diǎn)滿足：XN〈XN，且YN, = -90。
[0049] 第二種：當(dāng)邏輯與門單元輸出的SI=0時(shí)，分段函數(shù)為由點(diǎn)N-M-O-A-B'-B依次 連接組成的折線段；當(dāng)S1=0時(shí)，分段函數(shù)為由點(diǎn)N-N'-M-0-A-B'-B依次連接組成的折線 段。
[0050] 本實(shí)用新型的原理：本實(shí)用新型具有非線性的閉環(huán)控制和前饋控制，包括取小單 元、非線性調(diào)制單元、比例積分單元、脈沖觸發(fā)單元、低通濾波、比較器、邏輯與門、微分器、 脈沖生成單元以及雙通道選擇器；其中前七個(gè)元件隸屬閉環(huán)控制回路，低通濾波及后三個(gè) 元件隸屬于前饋控制回路。
[0051] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下的優(yōu)點(diǎn)與有益效果：本實(shí)用新型的物理概 念清晰，電路結(jié)構(gòu)簡潔，只需在傳統(tǒng)的熄弧角控制電路中新增部分元件即能實(shí)現(xiàn)；采用本實(shí) 用新型改造原有的熄弧角控