本发明属于电力系统控制领域，更具体地，涉及一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法及系统。
背景技术：
：：近年来，随着我国特高压直流输电技术取得重大突破，多条特高压直流输电工程相继建成投运，直流落点越来越密集，多馈入直流的受端电网电压支撑能力受到了严峻挑战。为了解决以上问题，工程界提出了一种将特高压直流逆变站分层接入受端交流电网的结构，可使系统从整体上具有较大的多馈入短路比和电压支撑能力。由于分层接入方式下拓扑结构的特殊性，其逆变站不同层的换流器之间有着复杂的耦合特性，包括由串联的直流电流路径造成的直流耦合和由母线间联络线上功率交换造成的交流耦合。常规的特高压直流分层接入系统逆变侧通常采用的阀组控制包括定熄弧角控制、定电压控制，和作为换相失败辅助响应的换相失败预防控制(commutationfailureprevention，cfprev)。当其中一层换流母线附近发生交流故障时，由于距离故障的电气距离不同，故障层与非故障层阀组的cfprev响应不一致，通常故障层响应较快，而非故障层响应较慢。但以上耦合关系的存在，使得非故障层换流器的工作状态会受到故障层换流器的影响，关断角迅速下跌而cfprev尚未及时输出对触发角进行调控，最终有可能导致非故障层换流器的换相失败。传统的换相失败预防控制已不能满足分层接入系统的运行需求，因此如何在分层接入系统中进行协调控制，在故障层换流器受到扰动时，防止非故障层换流器发生换相失败具有实际的工程价值。目前关于特高压分层接入系统中预防控制的研究都基于基波电压和基波电流，尚未关注到谐波在分层系统中传播对非故障层换相带来的威胁。谭阳琛等提出在故障层换相失败预防控制启动时，同步启动非故障层的换相失败预防控制来实现分层接入下的协调控制。然而这种策略只是将故障层与非故障层的控制简单同步，控制的输出过程中对于非故障层中换流器工作状态的变化也难以有跟随性响应。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决在需要对特高压分层接入系统进行换相失败预防控制过程中，非故障层距离故障点电气距离较远，电压跌落程度较小，cfprev启动时刻较晚，无法及时有效地防止换相失败的发生技术问题。为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法，所应用的直流分层接入系统中整流换流站通过换流变压器接入整流侧，逆变侧换流站以分层接入的方式接入逆变侧，其中直接与正负直流极线相连的高端换流器接入500kv交流母线，称之为500kv层，直接与中性点相连的低端换流器接入1000kv交流母线，称之为1000kv层，每层均装设有换相失败预防控制cfprev，该方法包括以下步骤：s1.实时采集本层逆变侧换流母线三相电压信号与换相电流信号；s2.对三相电压信号进行fft变换分别得到2次谐波幅值和3次谐波幅值，判断最大谐波幅值是否超过了稳态谐波幅值阈值，若是，则使能谐波补偿控制，根据最大谐波幅值计算出针对谐波变化的触发角提前量，否则，不使能谐波补偿控制，针对谐波变化的触发角提前量为零；s3.判断换相电流信号是否超过了稳态电流幅值阈值，若是，则使能电流补偿控制，根据电流增量计算出针对电流上升的触发角提前量，否则，不使能电流补偿控制，针对电流变化的触发角提前量为零；s4.判断换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段，若是，进入步骤s5，否则，进入步骤s1；s5.判断本层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s1，否则，进入步骤s6；s6.判断另一层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s7，否则，进入步骤s1；s7.将针对谐波变化的触发角提前量与针对电流变化的触发角提前量相加，送至触发角指令环节，对本层(即为非故障层)进行触发角提前控制。本发明提出的基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法是指在分层接入方式下暂态过程中对逆变侧换流器的触发角控制，是在常规的阀组控制中的关断角指令值计算与cfprev的基础上加入的基于谐波检测与电流检测的触发角提前控制。直流分层接入下的换相失败预防优化控制方法包括两部分：针对谐波变化的触发角补偿控制与针对电流变化的触发角补偿控制；其中，针对谐波变化的触发角补偿控制，将逆变侧换流母线的三相电压进行fft变换得到各相2次谐波幅值和3次谐波幅值，取最大值harmax与稳态谐波幅值阈值harstable比较，若超过harstable则将使能标志位hsignal置1，将最大谐波幅值harmax乘以谐波系数kharmonic得到针对谐波变化的触发角提前量δαhar，并对δαhar限幅在15°；针对电流变化的触发角补偿控制，将直流电流id与稳态电流阈值id_st比较，若超过id_sta则将使能标志位isignal置1，将直流电流id与稳态电流做差得到电流增高量δid，乘以电流系数得到针对电流变化的触发角提前量并对限幅在15°；最终将以上两部分控制的输出δαhar和相加，并限幅在20°以内，作为该换相失败预防优化控制策略的输出δαhi。优选地，换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段是指非故障层逆变侧换流器受到故障扰动后关断角开始下降，低于稳态值但高于最小关断角数值的阶段，取值范围为[5°，20°]。优选地，cfprev是否已启动输出是指将cfprev的输出δαcfprev与一极小值0.001比较，当高于该数值时，认为cfprev已启动输出，否则，认为cfprev未启动输出。第二方面，本发明提供了一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制系统，包括：信号采集单元，用于实时采集本层逆变侧换流母线三相电压信号与换相电流信号；谐波检测与补偿单元，用于对三相电压信号进行fft变换分别得到2次谐波幅值和3次谐波幅值，根据2次谐波幅值和3次谐波幅值计算针对谐波变化的触发角补偿量；电流检测与补偿单元，根据换相电流信号增高量计算针对电流变化的触发角补偿量；换流器关断角检测单元，检测换流器关断角以判断换流器工作状态，确保触发角补偿仅在故障发生后非故障层关断角下降过程中输出；cfprev检测单元，检测系统中各层cfprev启动状态，确保非故障层的触发角补偿仅在故障发生后故障层cfprev已启动而非故障层cfprev未启动时输出。优选地，非故障层逆变侧换流器受到故障扰动后关断角开始下降，低于稳态值但高于最小关断角数值，取值范围为[5°，20°]的换流器关断角处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段。优选地，cfprev的输出δαcfprev与一极小值0.001比较，当高于该数值时，认为cfprev已启动输出，否则，认为cfprev未启动输出。第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明中的基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法分为谐波检测与补偿控制与电流检测与补偿控制两个方面。由于分层接入系统中层间复杂的交直流耦合关系，交流故障发生后故障层电流升高并产生大量谐波，为非故障层发生换相失败的主要原因。该方法可以在故障发展阶段检测到电流升高，谐波含量增大的变化，并迅速将非故障层的触发角提前，为换相留出充足的裕度，弥补了非故障层由于电压跌落轻微，cfprev无法及时启动而容易发生化换相失败的不足。附图说明图1为本发明实施例提供的一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的逆变侧分层接入受端的直流输电系统拓扑结构图；图3为本发明实施例提供的基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法的控制框图；图4(a)为本发明实施例提供的采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法的前后的非故障层关断角γ随时间变化的对比曲线图；图4(b)为本发明实施例提供的采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法前后的触发角指令αorder随时间变化的曲线图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1所示，一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法，该方法包括以下步骤：s1.实时采集本层逆变侧换流母线三相电压信号与换相电流信号；s2.对三相电压信号进行fft变换分别得到2次谐波幅值和3次谐波幅值，判断最大谐波幅值是否超过了稳态谐波幅值阈值，若是，则使能谐波补偿控制，根据最大谐波幅值计算出针对谐波变化的触发角提前量，否则，不使能谐波补偿控制，针对谐波变化的触发角提前量为零；s3.判断换相电流信号是否超过了稳态电流幅值阈值，若是，则使能电流补偿控制，根据电流增量计算出针对电流上升的触发角提前量，否则，不使能电流补偿控制，针对电流变化的触发角提前量为零；s4.判断换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段，若是，进入步骤s5，否则，进入步骤s1；s5.判断本层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s1，否则，进入步骤s6；s6.判断另一层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s7，否则，进入步骤s1；s7.将针对谐波变化的触发角提前量与针对电流变化的触发角提前量相加，送至触发角指令环节，对本层(即为非故障层)进行触发角提前控制。该方法针对的直流分层接入系统需同时满足以下条件：1)整流侧与直流换流站通过换流变压器相连；2)逆变侧换流站以分层接入的方式接入逆变侧，其中直接与正负直流极线相连的高端换流器接入500kv交流母线，称之为500kv层，直接与中性点相连的低端换流器接入1000kv交流母线，称之为1000kv层；3)逆变侧换流器均装设有换相失败预防控制cfprev。如图2所示，逆变侧分层接入受端的直流输电系统包括：整流侧、直流输电线路和逆变侧。整流侧包括：整流侧交流系统、交流滤波器、整流侧换流站(包含四个12脉波换流器，分别为正极高端换流器、正极低端换流器、负极高端换流器、正极低端换流器)。其中，交流滤波器直接和整流侧交流系统母线连接，整流侧交流系统通过整流侧换流站与直流输电线路连接。直流传输线路包括：线路等效电阻rd，以及直流滤波器。其中，直流线路直接与整流侧和逆变侧换流站相连。逆变侧包括：逆变侧交流系统1、2；逆变侧换流站(包含四个12脉波换流器，分别为正极高端换流器、正极低端换流器、负极高端换流器、正极低端换流器)、交流滤波器。其中，逆变侧交流系统1、2通过联络变压器与联络线等值电抗相连。s1.实时采集逆变侧换流母线三相电压信号与换相电流信号。分层接入系统中，非故障层在交直流耦合作用下受到故障层扰动发生换相失败的主要原因是电流升高与谐波含量增加引起的换相电压波形畸变，因此对这两个参数进行检测。s2.对换相电压信号进行fft变换分别得到2次谐波幅值和3次谐波幅值，判断最大谐波幅值是否超过了稳态谐波幅值阈值，若是，则使能谐波补偿控制，根据最大谐波幅值计算出针对谐波变化的触发角提前量，否则，不使能谐波补偿控制，针对谐波变化的触发角提前量为零。而在交流系统故障时，由于电压不再是三相对称平衡正压、直流电流上升引起换流变饱和、电力电子元件异常运行等原因都会导致低频次非特征谐波的产生，而且以2，3次谐波幅值为最高，因此只计算出三相电压的2次谐波幅值3次谐波幅值。在交流故障发生半个周期后，谐波含量会上升到很高的数值，而触发角补偿量不能随谐波幅值一直上升，否则无功消耗过多反而不利于换相，因此对该环节计算出的触发角补偿量限幅在15°以内。s3.判断电流值是否超过了稳态电流幅值阈值，若是，则使能电流补偿控制，根据电流增量计算出针对电流上升的触发角提前量，否则，不使能电流补偿控制，针对电流变化的触发角提前量为零。由于故障层与非故障层的串联电流路径，故障发生后故障层电流升高会直接导致非故障层换相裕度需求增大，因此根据电流上升量对非故障层触发角进行一个补偿以增大非故障层的换相裕度。在交流故障发生半个周期后，电流会上升到较高的数值，而触发角补偿量不能过大，因此对该环节计算出的触发角补偿量限幅在15°以内。s4.判断换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段，若是，进入步骤s5，否则，进入步骤s1；所述换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段是指非故障层逆变侧换流器受到故障扰动后关断角开始下降，低于稳态值但高于最小关断角数值的阶段。若非故障层已经发生了换相失败，该基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法对触发角的补偿只会消耗更多无功，不利于系统恢复，因此应停止触发角补偿。类似的，如果非故障层的关断角已恢复上升至大于等于稳态值，则说明换流器已度过换相失败危险期，也应停止触发角补偿。关断角取值范围为[5°，20°]s5.判断本层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s1，否则，进入步骤s6；基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制是在故障发生后非故障层换相状态恶化而cfprev尚未启动的空档期对触发角进行提前控制，以弥补cfprev启动不及时的缺点。因此当检测到本层的cfprev已经启动后，基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制应停止输出，防止触发角提前控制叠加导致触发角提前过量带来的负面影响。s6.判断另一层cfprev是否启动输出，若是，进入步骤s7，否则，进入步骤s1；基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制是针对交流故障引起的非故障层换相失败，因此应避免其在小干扰引起电流变化和谐波变化时勿动。故该换相失败控制应检测各层换流器cfprev的启动情况，若另一层启动而本层尚未启动，则说明另一层为故障层，发生了交流故障，而本层为非故障层，满足基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制条件，进行触发角提前量的输出。s7.将针对谐波变化的触发角提前量与针对电流变化的触发角提前量相加，输送至触发角指令环节，对非故障层进行触发角提前控制；基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制的触发角提前量指令输出与阀组控制计算得到的触发角指令叠加，得到最终的触发角指令。如图3所示，基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法，触发角提前量δαhi的生成过程包括了谐波检测与补偿环节与谐波检测与补偿环节。针对谐波变化的触发角补偿控制，将逆变侧换流母线的三相电压进行fft变换得到各相2次谐波幅值和3次谐波幅值，取最大值harmax与稳态谐波幅值阈值harstable比较，若超过harstable则将使能标志位hsignal置1，将最大谐波幅值harmax乘以谐波系数kharmonic得到针对谐波变化的触发角提前量δαhar，并对δαhar限幅在15°；针对电流变化的触发角补偿控制，将直流电流id与稳态电流阈值id_st比较，若超过id_sta则将使能标志位isignal置1，将直流电流id与稳态电流做差得到电流增高量δid，乘以电流系数得到针对电流变化的触发角提前量并对限幅在15°；最终将以上两部分控制的输出δαhar和相加，并限幅在20°以内，作为该换相失败控制策略的输出δαhi。在触发角提前量δαhi输出前，还应将关断角与最小关断角γmin与稳态关断角γsta作比较，判断换流器是否处于关断角下跌且尚未发生换相失败的阶段，对应的γmes取值范围为[5°，20°]。将另一层的cfprev的输出δαcfprev1与一极小值0.001比较，当高于该数值时，认为另一层的cfprev已启动输出；同时，将本层的cfprev的输出δαcfprev与一极小值0.001比较，当低于该数值时，认为本层的cfprev尚未启动输出，处于交流故障后故障层cfprev已启动而非故障层cfprev未启动的空档期。将基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制输出的δαhi，本层cfprev的输出δαcfprev与阀组控制计算得到的触发角指令α相加得到最终的触发角指令值αorder，其中在同一时刻，δαhi与δαcfprev应至少有一个为零。一种基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制系统，所述系统包括：信号采集单元，用于实时采集本层逆变侧换流母线三相电压信号与换相电流信号；谐波检测与补偿单元，用于对三相电压信号进行fft变换分别得到2次谐波幅值和3次谐波幅值，根据2次谐波幅值和3次谐波幅值计算针对谐波变化的触发角补偿量；电流检测与补偿单元，根据换相电流信号增高量计算针对电流变化的触发角补偿量；换流器关断角检测单元，检测换流器关断角以判断换流器工作状态，确保触发角补偿仅在故障发生后非故障层关断角下降过程中输出；cfprev检测单元，检测系统中各层cfprev启动状态，确保非故障层的触发角补偿仅在故障发生后故障层cfprev已启动而非故障层cfprev未启动时输出。图4(a)为采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法前后非故障层的关断角曲线图，4(b)为采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法前后非故障层的触发角指令曲线图。可以看出，在采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法后，1s发生交流故障后，触发角指令快速做出反应，将触发角提前，为非故障层提供充足的换相裕度，关断角在故障后轻微下跌并稳定在15°左右，并很快恢复上升，没有发生换相失败。未采用基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法时，非故障层的换相失败响应十分缓慢，直到关断角下降至零，发生换相失败，触发角都未有明显下降，从而验证了提出的基于谐波分析的直流分层接入下换相失败控制方法的有效性。需要说明的是，具体的控制效果与分层接入系统的交流耦合强度相关，直流分层接入系统的交流耦合程度越低，控制效果越好。以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
：的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。当前第1页12当前第1页12