高压直流输电换流器换相参数的检测方法和系统与流程

本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是涉及一种高压直流输电换流器换相参数的检测方法和系统。

背景技术：

高压直流输电具有输送容量大、距离远、造价低等优点，近年来在得到广泛的应用，换流器是直流输电系统中的核心设备，高压直流控制系统对换流器的控制作用是通过触发相位控制来实现的。早期(第一代)的换流器采用“等触发角触发相位控制(也称为按相触发相位控制或分相触发相位控制)”，该触发控制中每个阀各有一套相位控制电路，通过与换相交流电压波形进行直接比较来确定各个阀的触发时间，在三相电压对称的情况下各触发角相等，但在三相电压不对称时会使各阀触发脉冲间隔不相等，导致换流器产生非特征谐波，并可能出现谐波不稳定现象。由于等触发角触发相位控制电路存在上述问题，现有(第二代)高压直流工程中都采用等间隔触发相位控制来产生触发命令。该触发控制中每个换流器只装一套触发相位控制电路，根据锁相环获得的换相电压正序分量来独立地产生等间隔的触发脉冲信号序列。由于数字电路技术的采用，等间隔触发控制在正常工况下可以得到精度较高的等间隔脉冲(达到0.02°)，但在故障工况下其触发控制精度却很差。当三相电压不对称持续时间较长时，非特征谐波含量显著增加，且由于各阀触发角不相等，易引起关断角最小的阀发生换相失败，换流器发生换相失败的可能性显著增加。因此准确检测换流器换相相关参数，如换相电压过零点、换相角或有效触发角等，对提高高压直流输电系统的性能具有重要的作用，而现有的技术中，难以准确地对换流器换相参数进行检测。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种高压直流输电换流器换相参数的检测方法和系统，以准确地对换流器换相参数进行检测。

一种高压直流输电换流器换相参数的检测方法，包括：

将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行转换，获得换流变压器网侧交流电压基波正序分量相位；

根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位，计算换流变压器网侧电压的基波正序分量和基波负序分量；

根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量和基波负序分量计算交流电压的三次正序分量和三次负序分量；其中，所述三次正序分量包括幅值和相位，所述三次负序分量包括幅值和相位；

根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、换相角和有效触发角。

一种高压直流输电换流器换相参数的检测系统，包括：

基波正序分量相位获取模块，用于将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行转换，获得换流变压器网侧电压基波正序分量相位；

电压基波分量计算模块，用于根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位，计算换流变压器网侧电压基波正序分量和基波负序分量；

电压三次正负序分量获取模块，用于根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量和基波负序分量计算交流电压的三次正序分量和三次负序分量；其中，所述三次正序分量包括幅值和相位，所述三次负序分量包括幅值和相位；

换相电压过零点获取模块，用于根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、有效触发角和换相角。

上述高压直流输电换流器换相参数的检测方法和系统，将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行转换，获得交流系统的电压基波正序分量相位；根据所述电压基波正序分量相位，计算交流系统的电压基波正序分量和电压基波负序分量；根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量和基波负序分量计算交流电压的三次正序分量和三次负序分量；根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、有效触发角和换相角。利用本发明提供的技术，能够准确地测量换流器换相参数，可以应用于高压直流输电系统进行控制运行，提高系统性能。

附图说明

图1为高压直流输电系统结构图；

图2为高压直流输电换流器换相参数的检测方法流程图；

图3为采用的电压基波正序分量同步锁相方法示意图；

图4为采用的电压基波分量双旋转坐标系空间位置示意图；

图5为三相对称与不对称工况下换流器触发时刻图；

图6是一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统的直流系统模型结构示意图；

图7为正常工况下直流电压的仿真值和计算值的波形示意图；

图8为A相接地故障时CIGRE直流输电标准测试系统直流电压波形整流侧阀电压与同步相位示意图；

图9是高压直流输电换流器换相参数的检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明的高压直流输电换流器换相参数的检测方法和系统的实施例。

参考图1，图1为高压直流输电系统结构图，在该输电系统中，一交流系统通过换流变压器进行变压，然后通过换流器，并通过直流输电线路进行传输，然后经过换流器处理，再由换流变压器进行变压后，输入到另一交流系统。

参考图2所示，图2为高压直流输电换流器换相参数的检测方法流程图，包括：

S10：将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行转换，获得换流变压器网侧交流电压基波正序分量相位；

具体地，可以将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行Clark变换得到αβ分量，将αβ分量分别变换到dq⁺与dq^-坐标系下分别得到dq⁺、dq^-分量，利用旋转坐标中的dq⁺、dq^-分量进行运算解耦，解耦得到将作为PI控制器的输入量经过积分得到正序电压的同步相位。

换流器通过换流变压器连接到交流系统的电网，换相电压是换流变压器与换流器连接点的电压，即换流变压器阀侧电压，该电压难以准确测量，换流变压器与交流系统连接处的电压为换流变压器网侧电压，该电压能够准确测量。

作为一个实施例，所述步骤S10具体可以包括如下过程：

S101：对换流站换流变压器网侧电压进行测量，获得交流电压a、b、c三相电压，对交流电压a、b、c三相电压进行Clark变换得到静止坐标系中的αβ分量；

设测量得到的换流站换流变压器网侧三相电压含有基波正负序分量，三相电压可表示如下：

其中：V⁺为基波正序电压幅值，V^-为基波负序电压幅值，φ⁺,φ^-分别为基波正序、负序电压的相位。

将三相电压进行Clark变换，得到静止坐标系中的αβ分量。

在公式(1)中使用序分量的方式表示a、b、c三相电压，同理可以将αβ使用正负序的αβ分量表示：

其中：

由公式(3)、(4)可以求出αβ两个分量。

S102：使用锁相环输出的同步相位θ将αβ分量变换到旋转坐标系下，分别得到dq⁺分量、dq^-分量；

参考图3，图3为采用的电压基波正序分量同步锁相方法示意图；使用锁相环输出的同步相位θ将静止坐标系中的αβ分量变换到正序、负序旋转坐标中，运算如下：

将公式(2)、(3)、(4)分别代入公式(5)、(6)，得到：

其中，ωt为a、b、c坐标中电压的变化相位，θ为锁相环输出的同步相位。当锁相环锁定电压相位时，vq+≈0，由公式(7)可以得到ωt+φ⁺≈θ。

S103：利用旋转坐标中的dq⁺分量、dq^-分量进行解耦，去除电压基波负序分量；

具体地，当锁相环锁定电压相位时，ωt+φ⁺≈θ，此时公式(7)、(8)可以简化为：

为解耦引入辅助变量：

对公式(9)(10)进行分解，得到：

设为解耦单元的输出，对其经过低通滤波，得到如图3中所示，基本等于公式(12)各自对应的直流量。根据公式(12)，以及将公式(11)中的辅助量与进行结合，通过运算消除式(12)中的二次谐波量，可以得到解耦单元的输出：

上述使用的低通滤波器为：可以取其中，ω0为锁相环的固有角频率。

S104：解耦得到将作为PI控制器的输入量进行积分，得到交流系统的电压基波正序分量相位；

在一个实施例中，当锁相环未能够锁定基波正序电压相位时，公式(13)中的可以近似为当同步相位与正序电压相位相差较小时，则令可以计算输入PI控制器的相位差为

上述实施例中，使用PI控制器作为低通滤波器，传递函数为：

交流系统的电压振荡器的固有振荡频率为ωo＝2π·50，传递函数为：

如图1中所示的锁相环的基本结构，锁相环的输出同步相位θo(s)与输入相位θi(s)的传递函数为：

而输出同步相位θo(s)与相位差E(s)之间的传递函数为：

S20：根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位，计算换流变压器网侧电压的基波正序分量和基波负序分量；

在一个实施例中，所述步骤S20可以包括如下过程：

(1)在锁相环锁定电压正序分量相位时，获取电压正序分量幅值和电压负序分量幅值；

当锁相环锁定电压基波正序相位时，有：

可以确定电压基波正序、电压基波负序的幅值分别为：

(2)以电压基波正序分量相位作为参考点，计算电压基波负序分量的相位相位；

在上述实施例中，通过锁定电压基波正序分量的相位，电压基波正序分量的相位为零。当相位锁定时，根据公式(16)，电压基波负序分量以电压基波正序分量相位作为参考点，可以由确定相位。

(3)根据所述电压基波正序分量的初始相位和电压基波负序分量的初始相位以及所述电压正序分量幅值和负序电压幅值分别确定电压基波正序分量和负序分量。

参考图4，图4为采用的电压基波正序分量双旋转坐标系空间位置示意图，如图中dq⁺、dq^-坐标系的空间位置，dq⁺、dq^-坐标系旋转方向相反，旋转速度相等。在θ＝0时，两坐标系相等。根据公式(16)，正序dq⁺坐标系中的电压矢量方向与d⁺轴重合，负序dq^-坐标系中电压矢量与d⁺轴的夹角为φ⁺-φ^-，在以电压基波正序分量相位作为参考相位时，电压基波负序分量的相位为：

通过确定的正负号，判断相位所在的象限，具体如下：

由上述公式，可以得到电压基波正序分量、基波负序分量。

S30：根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量和基波负序分量计算交流电压的的三次正序分量和三次负序分量；其中，所述三次正序分量包括三次正序幅值和三次正序相位，所述三次负序分量包括三次负序幅值和三次负序相位；

S301：在换流站交流侧发生不对称故障后，根据交流系统中含有的基波、三次谐波计算换流变压器阀侧三相电压；

a、将三相电压分别变换为dq⁺与dq^-坐标系下的电压量；

具体地，设换流站交流侧发生不对称故障后，系统中含有基波和三次谐波，此时三相电压可以表示为：

b、对所述电压量进行变换，得到三次谐波dq轴正负序分量；

具体地，将电压分别变换到以θ3角速度旋转的坐标系中，可以得到电压量为：

c、对所述直流分量进行解耦运算获取三次谐波的dq轴正负序分量；

具体地，上面两式中，旋转坐标的角速度为在中分别含有0次、2次、4次、6次谐波，其中0次为目标谐波；根据公式(22)、公式(23)可以得到：

在前述获取基波正负序电压的过程中，可以得到：

通过在公式(25)中引入六个辅助量：

根据公式(25)，提取公式中的直流量，经过低通滤波器后，可以得到的电压三次分量正负序的dq轴直流分量，分别设为：

假设经过解耦运算后的电压三次谐波正负序dq轴分量分别为：并且满足：

则根据公式(27)的解耦运算可以获取电压三次谐波分量的dq正负序分量。

d、将所述电压正负序dq轴分量通过低通滤波器，计算电压三次谐波dq轴下正负序分量的直流成分，进而得到三次谐波电压的正序分量和负序分量；

具体地，将公式(27)的计算结果，通过低通滤波器LPF，即可获得三次谐波dq轴下正负序分量直流成分，计算电压三次谐波的正序分量和负序分量。在此处采用的低通滤波器LPF与前述电压基波正负序求取过程中的低通滤波器LPF一致。

S302：根据电压三次谐波正序dq坐标的旋转角速度计算三次谐波的正序分量和负序分量的相位；

三次正序dq坐标的旋转角速度为三次负序dq坐标的旋转角速度为

根据公式(22)、(23)，经过滤波器输出的dq分量分别为：

式中，是在以t＝0s作为参考点时的电压相位。此处参考相位为电压基波正序分量，因此则分别是当前电压三次谐波正序分量和负序分量的相位。

对于dq坐标轴下正序、负序的定义，如附图4所示，电压三次谐波正序分量相位、负序分量相位的获取方法如下：

S40：根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、有效触发角和换相角；

作为一个实施例，所述步骤S40可以包括如下步骤：

S401：根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点；

(1)在只考虑基波和三次谐波分量情况下，根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的阀的换相电压；

例如，在只考虑基波和三次谐波分量情况下，交流系统的换流器阀1、阀3、阀5上的换相电压分别为vac,vba,vcb，表示如下：

(2)根据所述换相电压确定最终阀的换相电压实际过零点；

三相平衡时，如以上三个阀的电压过零点分别为：

当电压不对称时，在同步相位分别等于实际的电压过零点φ′1,2,3时，相应的换相电压等于零，设此时过零点偏移量为：

△1＝φ′1-φ1,△2＝φ′2-φ2,△3＝φ′3-φ3 (32)

根据公式(31)、(32)可得：

其中i＝1,2,3，在△i＝0处，根据公式(33得到一元二次方程，解得△i：

最终确定阀的换相电压实际过零点相位为：

φ′i＝φi+△i (35)

在三相对称工况下φ′i＝φi，可以使用φ′i替代φi能够保证开关函数模型同时适用于正常与不对称故障工况，无需对电压过零点偏移进行修正。

以上实施例中，所述高压直流输电换流器换相参数的检测方法，能够检测到换流器的实际换相电压过零点。

S402：根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、有效触发角和换相角根据所述换相电压基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量，获取适用于正常与不对称工况下的换相角；

(1)利用电压基波正负序分量计算线电压滞后同步参考相位的角度；

计算换相角时将只考虑基波正序、负序电压，根据公式(31)的换相电压得到：

其中，δi为只考虑基波正负序电压时，线电压滞后同步参考相位的角度；i＝1,2,3，v1,2,3＝vac,ba,cb，Vi为换相电压幅值，且：

(2)在忽略直流电流谐波的情况下，根据换相电压计算适用于正常与不对称工况下的换相角；

不对称故障工况下由于负序电压的存在，使得换相角的计算式有所改变。因此，忽略直流电流谐波的情况，可以得到适用于正常与不对称工况下的换相角计算式为：

其中，αx为某相上阀的有效触发角。

S403：根据所述换相角和控制器输出的触发角计算不对称工况下的实际换相角大小；

(1)计算过零点偏移的角度，确定各相的有效触发角；

参考图5所示，图5为三相对称与不对称工况下换流器换流阀触发时刻图，三相电压对称时，按照图5(a)的时刻顺序触发换流阀。在三相不对称时，正序锁相环能够提供稳定的同步参考相位θ，阀实际开始承受正向电压的时刻由φ1,2,3变为φ′1,2,3，如图5(b)虚线所示，在等间隔触发方式下，阀的实际有效触发角发生变化。

根据公式(34)中计算过零点偏移的角度为△i＝φ′i-φi，则各相的有效触发角αx为：

其中，α为控制器输出的触发角。

(2)根据各相的有效触发角计算出不对称工况下的实际换相角大小，得到有效触发角；

如上述，根据各相的有效触发角及公式(38)可得不对称工况下的实际换相角大小，得到有效触发角。

上述实施例的方案，准确检测高压直流输电换流器换相电压过零点、有效触发角及换相角；可以应用于高压直流输电系统和特高压直流输电系统进行控制运行，有广泛的应用前景。

针对于本发明的高压直流输电换流器换相参数的检测方法，为了更加清晰其技术效果，下面结合具体应用示例进一步阐述。

本应用示例中，利用PSCAD/EMTDC中的CIGRE高压直流输电标准测试系统，参考图6所示，图6是一个示例中的CIGRE直流输电标准测试系统的直流系统模型结构示意图。

正常运行时，直流系统的控制模式为整流站定电流控制，逆变站定关断角控制；整流侧交流系统发生不对称故障时，直流系统的控制模式为整流站为最小触发角控制，逆变站为定电流控制。

分别在正常运行工况和不对称工况下分别进行仿真验证。

在正常工况下，交流电压中只含有基波正序电压，每个阀间隔30°依次序触发。参考图7，图7为正常工况下直流电压的仿真值和计算值的波形示意图；两者波形大小、脉动、变化趋势、持续导通时间基本吻合。

从表1可以看出，在正常工况下，利用本发明的技术方案，所检测的高压直流输电换流器换相电压过零点、有效触发角及换相角，能够准确测得实际的角度。

表1正常运行工况下电压过零点和换相角

参考图8，图8为A相接地故障时CIGRE直流输电标准测试系统直流电压波形整流侧阀电压与同步相位示意图；不对称故障工况由整流站交流母线A相通过电阻R＝40Ω接地来模拟，A相电压降为0.64p.u.。当交流系统发生不对称故障时，虽然触发脉冲发生器依旧按照等间隔的次序产生触发信号，但由于阀的电压过零点发生偏移，使得阀的有效触发角发生变化，实际上系统不再是等间隔触发方式。

根据本发明技术方案检测的实际换相角、电压过零点和触发角与相应仿真值如表2所示，

表2A相接地故障时的换相角、电压过零点与有效触发角

可见在不对称工况下，利用本发明的技术方案，所检测的高压直流输电换流器换相电压过零点、有效触发角及换相角，能够准确测得实际的角度。

参考图9，图9是高压直流输电换流器换相参数的检测系统的结构示意图，包括：

基波正序分量相位获取模块10，用于将换流站测量获得的换流变压器网侧a、b、c三相电压进行转换，获得交流系统的电压基波正序分量相位；

基波电压计算模块20，用于根据所述电压基波正序分量相位，计算换流变压器网侧电压的基波正序分量和基波负序分量；

三次正负序分量获取模块30，用于根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量和基波负序分量计算交流电压的三次正序分量和三次负序分量；其中，所述三次正序分量包括三次正序幅值和三次正序相位，所述三次负序分量包括三次负序幅值和三次负序相位；

换相参数获取模块40，用于根据所述换流变压器网侧电压基波正序分量相位、基波正序分量、基波负序分量、三次正序分量和三次负序分量确定换流器的实际换相电压过零点、有效触发角和换相角。

本发明的高压直流输电换流器换相参数的检测系统与本发明的高压直流输电换流器换相参数的检测方法一一对应，在上述高压直流输电换流器换相参数的检测方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于高压直流输电换流器换相参数的检测系统的实施例中，特此声明。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。