基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法
阅读说明：本技术 基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法 (High-voltage direct-current continuous commutation failure suppression method based on virtual capacitor ) 是由 刘文轩 穆文凯 肖智宏 闫培丽 韩柳 吴聪颖 冯腾 高东学 李程昊 王涛 顾雪平 于 2020-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法,包括以下步骤：S1：检测逆变侧直流电压,通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；S2：在高压直流输电控制系统中增设虚拟电容器,计算虚拟电容感应产生的电流附加量；S3：增设滤波环节,求取滤波环节的时间常数,对虚拟电容感应产生的电流附加量进行滤波优化；S4：获取直流控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；S5：利用模型仿真并验证虚拟电容在高压直流输电系统中抑制续换相失败的有效性。该抑制方法有效的抑制低压限流控制输出电流指令的大幅波动,降低了直流系统发生连续换相失败的概率,提高了系统的安全可靠性。(The invention discloses a high-voltage direct-current continuous commutation failure suppression method based on a virtual capacitor, which comprises the following steps of: s1: detecting the direct current voltage of the inversion side, and acquiring a per unit value of the direct current voltage of the inversion side through a measuring unit; s2: adding a virtual capacitor in the high-voltage direct-current power transmission control system, and calculating the current additional quantity induced by the virtual capacitor; s3: a filtering link is added, the time constant of the filtering link is obtained, and filtering optimization is carried out on the current additional quantity generated by the virtual capacitor induction; s4: acquiring new input voltage of a low-voltage current-limiting control link in a direct-current control system; s5: and simulating and verifying the effectiveness of the virtual capacitor in inhibiting the commutation failure in the high-voltage direct-current power transmission system by using the model. The suppression method effectively suppresses the large fluctuation of the low-voltage current-limiting control output current instruction, reduces the probability of continuous commutation failure of the direct current system, and improves the safety and reliability of the system.)
技术领域
本发明涉及高压直流输电控制技术领域，尤其涉及基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法。
背景技术
高压直流输电控制系统换相失败是逆变器常见的故障，当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称为换相失败，作为直流输电系统中重要的控制策略，低压限流器能够在直流电压跌落时发出降低直流电流指令，从而在故障稳态后将直流电流维持在较低的数值，有利于减小逆变站在故障期间的无功消耗和换流母线电压的恢复，也有利于促进换相过程，抑制直流输电换相失败。
目前通过虚拟电阻限流控制来抑制连续换相失败的方式，易受系统小干扰和直流电流谐波的影响，造成系统不稳定，故障恢复时间较长，通过虚拟电感对直流电流的变化情况及时有效反馈的方式，无论电流的增大或减小都会降低低压限流控制输出的电流指令值，来抑制连续换相失败，对故障响应具有一定的盲目性，会恶化抑制效果，导致高压直流连续换相失败抑制效果不佳。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出采用虚拟电容的方式，改善故障后低压限流控制输出电流指令的大幅剧烈波动情况，大大减小连续换相失败的发生几率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
S1：检测逆变侧直流电压，通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；
S2：在高压直流输电控制系统中增设虚拟电容器，计算虚拟电容感应产生的电流附加量；
S3：增设滤波环节，求取滤波环节的时间常数，对虚拟电容感应产生的电流附加量进行滤波优化；
S4：获取直流控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；
S5：利用模型仿真并验证虚拟电容在高压直流输电控制系统内抑制连续换相失败的有效性。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S2中，虚拟电容电流附加量的计算步骤如下：
S2.1：确定控制系统中虚拟电容参数值；
S2.2：计算虚拟电容感应产生的电流附加量。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述虚拟电容的电流附加量的计算公式为：其中，△id为虚拟电容的电流附加量，Cv为虚拟电容参数值，为逆变侧的直流电压的标幺值，t为时间变量。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S4中，低压限流控制环节的输入电压的计算步骤如下：
S4.1：检测直流控制系统的补偿电阻；
S4.2：检测逆变侧的直流电流，通过测量单元获取逆变侧直流电流的标幺值；
S4.3：计算低压限流控制环节新的输入电压。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述低压限流控制环节的输入电压的计算公式为： Ud*＝Ud_inv*+Rv(id_inv*-△id)，其中，Rv为逆变侧的补偿电阻，为逆变侧的直流电流的标幺值，Ud*为直流控制系统中低压限流控制环节新的输入电压。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S5中，仿真模型为CIGRE直流标准模型。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S5中，针对所搭建的CIGRE直流标准模型，设计了四种直流控制方案以对比在交流系统发生不同程度系统故障状态下交直流系统的响应特性：
(1)：采用CIGRE直流标准测试模型原有控制策略；
(2)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电阻控制方法；
(3)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电感控制方法；
(4)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电容控制方法。
基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法，包括检测模块、计算模块和仿真验证模块，
所述检测模块用于检测高压直流输电控制系统逆变侧的直流电压、直流电流和逆变站的关断角数值；
所述计算模块用于计算高压直流输电控制系统中虚拟电容的电流附加量和在加入虚拟电容环节后低压限流控制环节新的的输入电压的数值；
所述仿真验证模块用于采用仿真模型分析，并验证虚拟电容对抑制连续换相失败的可靠性和优越性。
本发明提供了基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法。具备以下有益效果：
该抑制方法采用虚拟电容的方式，可以在高压直流输电控制系统故障期间及恢复阶段，抑制低压限流控制输入电压的发生剧烈波动，进而有效的抑制低压限流控制输出电流指令的大幅波动，降低了直流系统发生换相失败的概率，提高了系统的运行安全性。
附图说明
图1为CIGRE直流标准测试模型逆变侧控制环节结构框图
图2为本发明提出的基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法的示意图；
图3为本发明中不同虚拟电容参数对比效果示意图；
图4为本发明中单相接地故障接地电感Lf＝1H时系统的响应特性的示意图；
图5为本发明中单相接地故障接地电感Lf＝0.45H时系统的响应特性的示意图；
图6为本发明中三相接地故障接地电感Lf＝0.4H时系统的响应特性的示意图；
图7是本发明CIGRE直流标准模型原理图。
具体实施方式
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。
CIGRE直流标准测试模型中逆变侧的控制电路如图1所示。图中中间部分控制电路为定电流控制环节；下边部分的控制电路则为定关断角控制环节。低压限流控制(VDCOL)作为控制电路重要一环，在直流电压减小时及时降低直流电流指令值，可加快换相进程，减小换相失败几率。
Ud_inv、Id_inv为取自CIGRE HVDC系统逆变站的直流出口处电压、电流的实测值；γinv为关断角的实测值；γref为关断角的参考值；αz_ord、αn_ord分别为整流站、逆变站的触发角指令值。
基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
S1：检测逆变侧直流电压，通过测量单元获取逆变侧直流电压标幺值；
S2：在高压直流输电控制系统中增设虚拟电容器，计算虚拟电容感应产生的电流附加量；
S3：增设滤波环节，求取滤波环节的时间常数，对虚拟电容感应产生的电流附加量进行滤波优化；
S4：获取直流控制系统中低压限流控制环节新的输入电压；
S5：利用模型仿真并验证虚拟电容在高压直流输电控制系统内抑制连续换相失败的有效性。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S2中，虚拟电容电流附加量的计算步骤如下：
S2.1：确定控制系统中虚拟电容参数值；
S2.2：计算虚拟电容感应产生的电流附加量。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述虚拟电容的电流附加量的计算公式为：其中，△id为虚拟电容的电流附加量，Cv为虚拟电容参数值，为逆变侧的直流电压的标幺值，t为时间变量。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤S4中，低压限流控制环节的输入电压的计算步骤如下：
S4.1：检测直流控制系统的补偿电阻；
S4.2：检测逆变侧的直流电流，通过测量单元获取逆变侧直流电流的标幺值；
S4.3：计算低压限流控制环节新的输入电压。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述低压限流控制环节的输入电压的计算公式为： Ud*＝Ud_inv*+Rv(id_inv*-△id)，其中，Rv为逆变侧的补偿电阻，为逆变侧的直流电流的标幺值，Ud*为直流控制系统中低压限流控制环节新的输入电压。
该抑制方法采用虚拟电容的方式，可以在高压直流输电控制系统故障期间及恢复阶段，抑制低压限流控制输入电压的发生剧烈波动，进而有效的抑制低压限流控制输出电流指令的大幅波动，降低了直流系统发生换相失败的概率，提高了系统的运行安全性。
当虚拟电容Cv的参数取偏小时，由上述公式可知，虚拟电容产生的电流附加量△id不大，对低压限流控制输入电压的波动抑制作用较小，输出电流指令的波动同样无法得到明显抑制，虚拟电容控制无法有效发挥对直流系统连续换相失败的抑制作用；而当Cv取值过大时，其对直流电压变化响应过激，即虚拟电容产生的电流附加量△id过大，直流电流指令无法随电压跌落而及时减小，因此延缓了换相进程，电网换相高压直流输电系统将面临巨大的换相失败风险，因此虚拟电容参数Cv的合理取值是十分必要的；
本专利采用控制变量法，选取不同的虚拟电容参数值，在CIGRE 直流标准测试模型中，加入虚拟电容控制，在3.0s时，受端换流母线发生经0.45H电感的A相接地故障，关断角对比结果如图3所示；虚拟电容参数Cv取值过大或过小都将无法充分发挥其抑制连续换相失败作用，系统面临再次换相失败的风险；
由于换流器响应的非线性，Cv的精确值无法通过理论推导得出，且不同故障工况对应的Cv值会略有差异，因此本文结合大量故障工况下的仿真结果(峰值、波形振荡情况)以及连续换相失败的抑制效果，近似取Cv＝5pu。
步骤S5中，仿真模型为CIGRE直流标准模型，CIGRE直流标准模型如图7所示；
步骤S5中，针对所搭建的CIGRE直流标准模型，设计了四种直流控制方案以对比在交流系统发生不同程度系统故障状态下交直流系统的相应特性：
(1)：采用CIGRE直流标准测试模型原有控制策略；
(2)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电阻控制方法；
(3)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电感控制方法；
(4)：在方案(1)的基础上，加入虚拟电容控制方法。
工况1：在受端换流母线处设置A相接地故障，接地电感Lf＝1H，故障时刻设在3.0s，时长为0.5s，直流输电系统在四种控制方案下直流线路的部分电气量响应曲线如图4所示；
由图4可见，此时Lf值较大，表征实际的电网换相高压直流输电系统中故障点与换流母线电气距离远，采用CIGRE原控制策略的方案 (1)未发生换相失败，分别加入了虚拟电阻、虚拟电感、虚拟电容的控制方案也同样没有发生换相失败。
工况2：在3.0s时受端换流母线A相发生经Lf＝0.45H电感接地故障，时长为0.5s。直流输电系统在各控制方案下部分电气量的动态响应曲线如图5所示；
该工况下Lf较小，故障程度严重。当采用方案(1)时，直流系统连续发生三次换相失败，同理，方案(3)发生了两次连续换相失败。
工况3：受端换流母线于3.0s时发生三相感性接地故障，接地电感值Lf＝0.4H，时长为0.5s，在该工况下，直流输电系统在各控制方案下部分电气量的响应曲线如图6所示，方案(3)虽然未发生连续换相失败，但是关断角第二次跌落至1.75°，安全裕度低，仍面临较大的换相失败风险；
经对比可知，方案(2)、(4)在此故障情况下的响应情况类似于工况2：在恢复时间上，方案(4)仍快于方案(2)；方案(2)中低压限流控制输出电流指令的动态曲线上仍有一定程度的波动干扰。综上分析，虚拟电容控制在抑制效果、恢复特性上具有一定的优越性。
基于虚拟电容的高压直流连续换相失败抑制方法，包括检测模块、计算模块和仿真验证模块，其特征在于：
所述检测模块用于检测高压直流输电控制系统逆变侧的直流电压、直流电流和逆变站的关断角数值；
所述计算模块用于计算高压直流输电控制系统中虚拟电容的电流附加量和在加入虚拟电容环节后低压限流控制环节新的的输入电压的数值；
所述仿真验证模块用于采用仿真模型分析，并验证虚拟电容对抑制连续换相失败的可靠性和优越性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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