阅读说明：本技术 一种高压直流输电混合换流器的控制方法 (Control method of high-voltage direct-current transmission hybrid converter ) 是由 曾嵘 许超群 张翔宇 余占清 赵彪 陈政宇 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高压直流输电混合换流器的控制方法,包括：分析采用所述混合换流器的系统的物理特征,对所述物理特征进行评价,判断所述混合换流器处于下面哪一种状态：换相失败、换相失败概率高、换相失败概率不高,如果所述混合换流器处于换相失败的状态,关断所述混合换流器的被换相桥臂,从而强制换相；如果所述混合换流器处于换相失败概率高的状态,提前使所述混合换流器的被换相桥臂保持关断,从而强制换相；如果所述混合换流器处于换相失败概率不高的状态,维持所述混合换流器的运行。本发明提高了所述高压直流输电混合换流器的抵御换相失败能力,减少了换相失败故障发生次数。(The invention provides a control method of a high-voltage direct-current transmission hybrid converter, which comprises the following steps: analyzing the physical characteristics of the system adopting the hybrid converter, evaluating the physical characteristics, and judging which of the following states the hybrid converter is in: if the hybrid converter is in a phase commutation failure state, switching off a phase commutated bridge arm of the hybrid converter so as to forcibly commutate; if the hybrid converter is in a state with high probability of commutation failure, keeping a commutated bridge arm of the hybrid converter to be turned off in advance, and thus forcibly commutating the phase; and if the hybrid converter is in a state with low probability of commutation failure, maintaining the operation of the hybrid converter. The invention improves the capability of resisting commutation failure of the high-voltage direct-current transmission hybrid converter and reduces the frequency of commutation failure faults.)

一种高压直流输电混合换流器的控制方法

技术领域

本发明属于直流输电领域，特别涉及一种高压直流输电混合换流器的控制方法。

背景技术

现有的高压直流输电技术(HVDC，High-Voltage Direct Current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。而换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。换相失败将会导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致电网崩溃。

传统高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流单元作为基本单元，其中每个桥臂均由晶闸管阀串组成，但由于晶闸管阀串无法主动控制电流关断，使得传统高压直流输电换流器具有较大的换流电流和无功支撑，存在换相失败的风险，可靠性有待提高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种为抵御换相失败的高压直流输电混合换流器的控制方法。

本发明提供的一种高压直流输电混合换流器的控制方法，包括步骤：

分析采用所述高压直流输电混合换流器的系统的物理特征，对所述物理特征进行评价，判断所述高压直流输电混合换流器处于下面哪一种状态：换相失败、换相失败概率高、换相失败概率不高，

如果所述高压直流输电混合换流器处于换相失败的状态，关断所述高压直流输电混合换流器的被换相桥臂，从而强制换相；

如果所述高压直流输电混合换流器处于换相失败概率高的状态，提前使所述高压直流输电混合换流器的被换相桥臂保持关断，从而强制换相。

如果所述高压直流输电混合换流器处于换相失败概率不高的状态，维持所述高压直流输电混合换流器的运行。

进一步，

所述物理特征包括：

所述系统的逆变侧三相交流电压和三相交流电流，

所述系统的直流侧直流电流和直流电压，

所述高压直流输电混合换流器的桥臂电流、桥臂电压和关断角。

进一步，

如果所述高压直流输电混合换流器的任一桥臂电流或桥臂电压经历了下降为0，但在一个周波内，所述桥臂电流或桥臂电压又重新建立并上升至额定值，或

所述桥臂电流或桥臂电压在一个周波内经历了下降而后重新上升至所述额定值，或

所述桥臂电流或桥臂电压的变化率在一个周波内存在一个依次为小于0，等于0，大于0的过程，

判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败的状态。

进一步，

如果所述系统判断所述关断角在换相过程中小于所述混合换流器的固有关断角，则判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败的状态。

进一步，

如果所述桥臂电压经历一个由负转为正，但正向桥臂电压尚未建立到额定值前就跌落至0的过程，则判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败的状态。

进一步，

当所述三相交流电压或三相交流电流最低跌落幅度不低于40％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率高的状态；

当所述三相交流电压或三相交流电流最高跌落幅度为低于40％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率不高的状态。

进一步，

还包括步骤A：

当所述三相交流电压或三相交流电流的换相面积不大于所述系统换相成功时的所述三相交流电压或三相交流电流的最小换相面积的70％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率高的状态；

当所述三相交流电压或三相交流电流的换相面积大于所述系统换相成功时的所述三相交流电压或三相交流电流的最小换相面积的70％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率不高的状态。

进一步，

在所述步骤A之前，对于所述三相交流电压和三相交流电流，进行连续多次采样，再对采样所得到的数据进行sin-cos分解检测，由此计算所述三相交流电压和交流电流的换相面积。

进一步，

对于所述直流电压和直流电压进行谐波分解，提取谐波特征进行分析，然后对所得到的各次谐波进行换相面积计算，

当所述各次谐波换相面积系数之和不低于10％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率高的状态；

当所述各次谐波换相面积系数之和低于10％时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率不高的状态。

进一步，

所述桥臂电流高于最大可关断电流时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率高的状态；

所述桥臂电流不高于所述最大可关断电流时，判定所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率不高的状态。

进一步，

如果所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败的状态，由所述高压直流输电混合换流器的换流器阀级控制单元发送关断信号至所述高压直流输电混合换流器的被换相桥臂的可关断管阀串的可关断管。

进一步，

如果所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率高的状态，由高压直流输电混合换流器的换流器阀级控制单元发送关断信号至所述高压直流输电混合换流器的被换相桥臂的可关断管阀串的可关断管；

如果所述高压直流输电混合换流器处于所述换相失败概率不高的状态，保持所述高压直流输电混合换流器运行模式不变。

本发明的高压直流输电混合换流器的控制方法，是针对现有的高压直流输电换流器存在且发生的换相失败的故障问题，采用新型的高压直流输电混合换流器，利用快速换相失败检测和识别的换流器控制方法，本发明提高换流器的抵御换相失败能力，从而减少换相失败故障发生次数。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了采用本发明的控制方法的高压直流输电混合换流器结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的高压直流输电混合换流器的控制方法的控制逻辑图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

图1所示为采用本发明的控制方法的高压直流输电混合换流器结构。由图1可知，所述高压直流输电混合换流器共有6个完全相同的桥臂：Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn；P点和N点分别为直流电压连接点，P为正极，N为负极，A、B和C点为所述高压直流输电混合换流器与三相交流电的连接点。

其中，

每个桥臂均由晶闸管阀串和可关断管阀串组成，每个晶闸管阀串由k个晶闸管(S₁～S_k)串联组成，k为大于等于1的整数，每个可关断管阀串由m个可关断管(Q₁……Q_m)串联组成，m为大于等于1的整数；每个所述晶闸管阀串中，前一个晶闸管的阳极与后一个晶闸管的阴极相连实现串联；所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点为T；所述晶闸管为单向晶闸管，所述可关断管阀串可包含具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT改进型可关断器件中的一种或多种(串联)，也可为不具有反向阻断能力的IGCT或GTO或IGBT可关断器件与二极管串联组合，还可由不具有反向阻断能力的IEGT(增强型门极晶体管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(电力场效应晶体管)等与二极管串联组合。

在所述桥臂的三个第一桥臂Ap、Bp和Cp中，晶闸管阀串第一端的晶闸管S₁的阴极连接至直流电压正极P，晶闸管阀串第二端的晶闸管S_k的阳极连接至所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T；

在所述桥臂的三个第二桥臂An、Bn和Cn中，晶闸管阀串第一端的晶闸管S₁中的晶闸管的阴极连接至所述三相交流电连接点A、B和C，晶闸管阀串第二端的晶闸管S_k的阳极连接至所述晶闸管阀串和可关断管阀串的连接点T。

由于在高压直流输电混合换流器正常运行时，可能有不确定的扰动产生，所述扰动将可能导致高压直流输电混合换流器的物理特征畸变，最终导致换相失败。针对所述换相失败的问题，本发明提出用于上述高压直流输电混合换流器的、抵御换相失败的控制方法。本发明的控制方法主要是通过快速的换相失败预测、检测和换相失败识别以及相应控制，以最终实现抵御换相失败的目的。

参考图2，具体而言，本发明的高压直流输电混合换流器的控制方法包括步骤：

1)随着扰动的发生，分析采用所述高压直流输电混合换流器的系统的相关的物理特征或电学特征，即通过系统检测逆变侧三相交流电压和三相交流电流、直流侧直流电流和直流电压、所述高压直流输电混合换流器的各桥臂电流和桥臂电压等电学量的幅值及其变化率，通过将其与正常运行时的相应电学量进行特征提取和对比，并根据波形特征进行综合评价或者说考量：如高压直流输电混合换流器的换相的过程为原始桥臂的电流向换相桥臂转移，若某一桥臂的电流或电压经历了下降为0，但在一个周波内，所述电流或电压又重新建立并上升至额定值，或某一桥臂的电流或电压经历了在一个周波内下降而后马上重新上升至额定值的过程，也即桥臂电流或桥臂电压的变化率在一个周波内存在一个依次为<0，＝0，>0的过程，则可以判定此时换相失败已经发生。桥臂电压若经历一个由负转为正，但正向桥臂电压尚未建立到额定值前就跌落至0的过程，则可以判定此时换相失败已经发生。或在所述混合换流器运行的全过程中，由控制系统中的关断角控制环节进行判断，若此次换相的关断角小于所述混合换流器的固有关断角，则可确认此时发生换相失败。

本发明根据目前已有的数据统计，判定当所述三相交流电压或三相交流电流最低跌落幅度为40％以上时，换相失败概率达到70％以上，因此本发明取当三相交流电压或三相交流电流最低跌落幅度为不低于40％，即换相失败发生概率不低于70％时，为换相失败概率高的情况；而当三相交流电压或三相交流电流的最高跌落幅度为40％以下时，换相失败概率不足70％，此时为换相失败概率低或者说不高的情况。

此外，对于所述三相交流电压和三相交流电流，可进行连续多次的采样，再对采样数据进行sin-cos分解检测，由此计算此时刻三相交流电压和三相交流电流的换相面积，然后将所述换相面积与系统换相成功的最小换相面积相比较，以判定发生换相失败的概率：若三相交流电压(或三相交流电流)的换相面积不大于系统换相成功的三相交流电压(或三相交流电流)的最小换相面积的70％时，为换相失败发生概率高的情况；若三相交流电压(或三相交流电流)的换相面积大于系统换相成功的三相交流电压(或三相交流电流)的最小换相面积的70％时，为换相失败概率低或者说不高的情况。

对于所述直流电压和直流电流，先进行谐波分解，提取谐波特征加以分析，然后对各次谐波进行换相面积计算，根据各次谐波换相面积系数，评估此时发生换相失败的概率：若各次谐波换相面积系数之和大于10％，此时为换相失败概率高的情况；若各次谐波换相面积系数之和小于10％，此时为换相失败概率低或者说不高的情况。

还可利用高压直流输电混合换流器的各桥臂中配置的电流传感器CT和电压传感器PT等检测出的桥臂电流的值及其变化率判断发生换相失败的概率，当检测出的桥臂电流在桥臂电流高于最大可关断电流时，即发生了换相失败发生概率高的情况。所述最大可关断电流由桥臂的可关断管的重复最大可关断电流及与其配合的缓冲支路决定。比如，桥臂的可关断管若采用ABB公司提供的压接式IGBT(型号5SNA 3000K452300)，其最大关断电流为3000A，则在实际应用中，为保证一定裕度，则桥臂的最大可关断电流可设计为小于3000A，如2000A。

2)若换相失败发生，则由高压直流输电混合换流器的换流器阀级控制单元发送关断信号至高压直流输电混合换流器的被换相桥臂的可关断管阀串的可关断管后结束控制；

3)根据所述步骤1评价的换相失败的概率，对高压直流输电混合换流器的各桥臂的可关断管阀串的可关断管进行控制。若所述高压直流输电混合换流器处于换相失败发生概率高的状态，则提前由高压直流输电混合换流器的换流器阀级控制单元发送关断信号至高压直流输电混合换流器的被换相桥臂的可关断管阀串的可关断管，以切换运行和控制模式；若所述高压直流输电混合换流器处于换相失败发生概率不高的状态，则保持其运行模式不变。其中，当前述检测出的桥臂电流高于所述最大可关断电流时，由所述换流器阀级控制单元发送关断信号至可关断管阀串的可关断管，以进行关断，使得换相电流从被换相桥臂向换相桥臂强制换相。

需要说明的是，所述换相失败发生概率由具体换流器的参数、系统抵御能力和换相失败危害参数确定。所述换流器的参数包括换流器额定运行的电压和电流等级、功率等级，滤波器的参数、换流变压器的参数等；系统抵御能力由系统短路比(SCR)决定，系统短路比越大，也即系统抵御能力越强，也即换相失败发生概率越低；单次换相失败的危害往往不大，而当此条高压直流输电系统接入多馈入的脆弱电网时，容易由单条线路的单次换相失败引发连锁换相失败，从而导致电网解列，危害尤其严重；而引发连锁换相失败的可能性由多馈入交互作用因子(MIIF)表征。多馈入交互作用因子越大，也即多条直流线路之间耦合关系越强，也即连锁换相失败发生概率越大。

本发明提出的抵御换相失败的高压直流输电混合换流器的控制方法，通过配置电流传感器CT和电压传感器PT等，进行逆变侧三相交流电压和三相交流电流、直流侧直流电流和直流电压、桥臂电流、桥臂电压等量的幅值及其变化率分析，根据波形特征综合考虑，从而实现快速的换相失败预测、检测和换相失败识别并进行相应控制。通过调整混合换流器中的可关断管的控制策略，使被换相桥臂的可关断管在其关断电流能力内时进行关断，从而使得换相电流从被换相桥臂向换相桥臂强制换相。以此，减少换相失败故障发生次数，提高混合换流器的抵御换相失败能力，从而最终进一步提升直流电网的可靠性，减少故障率，增加传输容量，提升对国民经济的促进作用。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。