CN104242331B - 一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，包括电流触发角输出模块、重启动控制模块和选择模块；电流触发角输出模块和重启动控制模块分别输出电流触发角和重启动触发角，电流触发角和重启动触发角通过选择模块得到触发角指令值。本发明克服原有直流输电控制***的缺点，弥补其仿真能力的不足，适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，较为准确的反映特高压直流工程的控制特性，解决了原有机电暂态直流模型控制的仿真准确性问题。

Description

一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***

技术领域

本发明涉及一种控制***，具体涉及一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***。

背景技术

特高压直流工程连续投运，交直流***相互影响作用显著。特高压直流的暂态特性主要由其控制***所决定，因此对特高压直流控制***的准确模拟是机电暂态计算中直流建模的关键。国内使用的原有机电暂态直流仿真模型主要为机电暂态仿真软件PSD-BPA与PSASP中的直流模型，它们的主要缺点是：

(1)总体控制策略简略，不具备现代直流输电工程的若干关键模块；

(2)主要模块的实现方法与特高压实际工程差别大。

总的来说，由于特性差距较大，原有的直流控制***是不适用于特高压直流工程的仿真计算的，建立能够准确反映特高压直流控制特性的控制***十分必要。

发明内容

为克服原有直流输电控制***的缺点，弥补其仿真能力的不足，本发明提供一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，较为准确的反映特高压直流工程的控制特性，解决了原有机电暂态直流模型控制的仿真准确性问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，所述***包括电流触发角输出模块、重启动控制模块和选择模块；所述电流触发角输出模块和重启动控制模块分别输出电流触发角和重启动触发角，所述电流触发角和重启动触发角通过选择模块得到触发角指令值。

所述电流触发角输出模块包括主控制模块、低压限流控制模块和电流控制模块；所述主控制模块输出电流指令值I_o，I_o通过低压限流控制模块得到电流指令限幅值I_olim，I_olim经过电流控制模块输出电流触发角α_i。

所述主控制模块中，通过第五选择器确定***运行于恒定功率控制模式或恒定电流控制 模式；所述第五选择器输出电流指令运行值I_op，再经过电流指令补偿控制，即将I_op与直流电流I_d的偏差进行积分后作为补偿量，与I_op相加得到最终的电流指令值I_o，有：

$I_o=I_{\mathrm{op}}+\underset{0}{\overset{0.1I_n}{\∫}}(I_{\mathrm{op}}-I_d)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，I_n直流电流额定值；

电流指令运行值I_op的确定分为以下两种情况：

(1)当第五选择器的开关量Mode＝1时，***运行于恒定功率控制模式，直流电压U_d先经过带有下限幅的一阶滤波器，该一阶滤波器的滤波时间常数为T₀，下限幅为U_dmin，经过一阶滤波器输出滤波后的直流电压U_dfilt，电流指令运行值I_op为：

$I_{\mathrm{op}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dfilt}}}---\left(2\right)$

其中，P_ref为所设定的直流功率参考值；

(2)当第五选择器的开关量Mode＝0时，***运行于恒定电流控制模式，电流指令运行值I_op为：

I_op＝I_ref (3)

式中：I_ref为所设定的电流指令参考值。

所述低压限流控制模块中，直流电压U_d先经过一阶滤波器以滤除高频抖动，该一阶滤波器的滤波时间常数T可调，若U_d为上升趋势，T取滤波时间上升常数T_up，若U_d为下降趋势，T取滤波时间下降常数T_dn；再根据该一阶滤波器输出的直流电压U_df，依据插值法计算电流指令限幅值I_olim，有：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{olim}}=I_o& U_{\mathrm{df}}\≥U_{\mathrm{dhigh}}\\ I_{\mathrm{olim}}=I_{o\min }+\frac{I_o-I_{o\min }}{U_{\mathrm{dhigh}}-U_{\mathrm{dlow}}}(U_{\mathrm{df}}-U_{\mathrm{dlow}})& U_{\mathrm{dhigh}}>U_{\mathrm{df}}>U_{\mathrm{dlow}}\\ I_{\mathrm{olim}}=I_{o\min }& U_{\mathrm{df}}\≤U_{\mathrm{dlow}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，I_o为电流指令值输出模块输出的电流指令值，I_omin为所设定的最小电流指令值， U_dhigh为低压限流控制模块的启动电压，U_dlow为低压限流控制模块的退出电压。

所述电流控制模块输出电流触发角α_i具体包括以下步骤：

步骤a：计算直流电流I_d与电流指令限幅值I_olim之间的电流偏差并放大，得到放大的电流偏差I_diff，区分整流侧与逆变侧，通过第六选择器选择电流裕度，使两侧保持0.1pu的电流裕度，I_diff表示为：

其中，Gain为放大倍数；

步骤b：I_diff经过比例支路，得到α_i的比例分量α_i_P，具体有：

其中，K_pi为比例增益，为电流触发角α_i上一步计算值，为对比例增益K_pI进行修正的修正因子；

I_diff同时经过积分支路，得到α_i的积分分量α_i_I，具体有：

${\mathrm{\α}}_i\_I=\frac{1}{T_{\mathrm{ii}}}\underset{{\mathrm{\α}}_{i\min }}{\overset{{\mathrm{\α}}_{i\max }}{\∫}}{I}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}---\left(7\right)$

其中，T_ii积分时间常数，α_imax为电流触发角上限值，α_imin为电流触发角下限值；

α_i_P与α_i_I相加后经再次限幅，得到电流触发角α_i，有：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I>{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I& {\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I<{\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }\end{array}\right.---\left(8\right).$

电流触发角上限值α_imax通过电压控制模块、换相失败预测控制模块、熄弧角控制模块共同确定，并通过第一选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，所述换相失败预测控制模块输出换相裕度角Δα，通过熄弧角控制模块输出经修正后的最大触发角α′_max，该α′_max即为电流触发角上限值α_imax；

在逆变侧，α′_max输入给所述电压控制模块，电压控制模块输出的电压触发角α_v即为电流 触发角上限值α_imax。

电压控制模块输出电压触发角α_v，具体包括以下步骤：

步骤a：区分整流侧与逆变侧，通过第七选择器、第八选择器和第九选择器计算直流电压U_d与直流电压参考值U_dref之间的电流偏差U_diff，有：

其中，ΔU_dr和ΔU_di分别为整流侧与逆变侧电压指令裕度，R为直流线路的电阻；

步骤b：随后进入比例积分控制与限幅，输出电压触发角α_v，具体有：

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}& K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}>{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\\ K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}& K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，K_pv为比例增益，T_iv为积分时间常数，α′_max为熄弧角预测模块输出的修正后的最大触发角。

所述熄弧角控制模块输出最大触发角α_max，α_max表示为：

其中，γ_ref为熄弧角参考值，d_x为换相电抗，U_di0为理想空载直流电压；

经过伏安特性曲线斜率的动态修正，修正后的最大触发角α′_max：

其中，k为修正增益。

所述换相失败预测控制模块通过第十二选择器输出换相裕度角Δα，有：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;\&alpha;}=0& U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}\&le;1-K_{\mathrm{cf}}\\ \mathrm{\&Delta;\&alpha;}=\arccos (1-G_{\mathrm{cf}}\&times;(U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}))& U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}>1-K_{\mathrm{cf}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，U_ac0为初始稳态交流母线正序电压，U_ac为实际交流母线正序电压，K_cf为换相失败电压阈值，G_cf为换相失败电压增益；

正常运行时，Δα＝0；故障发生时，若电压跌落幅度超过设定的换相失败电压阈值K_cf，按(12)计算换相裕度角Δα。

电流触发角下限值α_imin通过电压控制模块、整流侧最小触发角控制模块、电压恢复控制模块和第三选择器共同确定，并通过第二选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min，其与电压触发角α_v、整流侧最小常数角取最大值，该最大值即为电流触发角下限值α_imin；

在逆变侧，电压恢复控制模块输出电压加速标志，该电压加速标志输入给第三选择器，电压加速标志启动时，电流触发角下限值α_imin等于电压触发角α_v，否则等于逆变侧最小常数角。

整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min具体包括以下情况：

(1)正常运行时，实际交流母线正序电压U_ac高于预设的交流母线正序电压第一级阈值K₁与第二级阈值K₂，且K₁<K₂，通过第十选择器确定α_min＝0；

(2)故障发生时，U_ac低于第一级阈值K₁，则通过第十选择器确定α_min＝C_dl，其中C_dl为第一级最小触发角；

(3)若U_ac继续降低至小于第二级阈值K₂，则通过第十一选择器确定α_min＝D_l，其中D_l为第二级最小触发角；

(4)若故障清除后U_ac恢复至高于第一级阈值K₁，则将α_min从C_dl以固定速率D_ecr逐渐下降至零。

直流电压若低于0.6pu且超过低电压延时T₁，则电压恢复控制模块启动，电压恢复控制模块输出电压加速标志URC_ON，使URC_ON置1，表明将强制逆变侧电流触发角为电压控制模块输出的电压触发角α_v，以提升直流电压的恢复速度；

若直流电压恢复至0.7pu以上，则电压恢复控制模块退出，逆变侧的电流触发角选择逆变侧最小常数角。

所述整流侧最小常数角取5°，所述逆变侧最小常数角取110°。

所述重启动控制模块输出的重启动触发角α_re与电流触发角α_i通过选择模块得到触发角指令值α_ord，所述选择模块为第四选择器。

所述重启动控制模块输出重启动触发角α_re具体包括以下步骤：

步骤a：根据判据判断***是否因直流线路的短路故障进入重启动状态，若条件满足，进入步骤b的重启动控制；判据如下：

I_dr-I_di＞K_res (14)

其中，I_dr为整流侧直流电流，I_di为逆变侧直流电流，K_res为整流侧和逆变侧之间的电流差阈值；

步骤b：重启动控制具体过程如下：

1)将重启动触发角α_re置位于164°，重启次数计数器累加；

2)若重启次数计数器次数超过3次，则发出闭锁信号；若不超过3次，α_re保持164°状态持续0.15s后将α_re置位于60°再保持35ms；

3)根据判据再次判断***状态，若仍满足判据，则重复重启动控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，较为准确的反映特高压直流工程的控制特性，解决了原有机电暂态直流模型控制的仿真准确性问题。

2、本发明提供的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，为特高压直流***的工程设计，以及含有特高压直流的交直流电网的规划、运行提供了仿真手段与技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例中适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***框图；

图2是本发明实施例中主控制模块逻辑框图；

图3是本发明实施例中低压限流控制模块逻辑框图；

图4是本发明实施例中电流控制模块逻辑框图；

图5是本发明实施例中电压控制模块逻辑框图；

图6是本发明实施例中熄弧角控制模块逻辑框图；

图7是本发明实施例中换相失败预测控制模块逻辑框图；

图8是本发明实施例中整流侧最小触发角控制模块逻辑框图；

图9是本发明实施例中电压恢复控制模块逻辑框图；

图10是本发明实施例中哈密-郑州±800kV直流输电***接线图；

图11是本发明实施例中整流侧直流电压暂态仿真曲线与实际曲线对比示意图；

图12是本发明实施例中整流侧直流电流暂态仿真曲线与实际曲线对比示意图；

图13是本发明实施例中整流侧触发角暂态仿真曲线与实际曲线对比示意图；

图14是本发明实施例中逆变侧直流电压暂态仿真曲线和实际曲线对比示意图；

图15是本发明实施例中逆变侧直流电流暂态仿真曲线和实际曲线对比示意图；

图16是本发明实施例中逆变侧触发角暂态暂态仿真曲线和实际曲线对比示意图；

图17是本发明实施例中直流线路上直流电压暂态仿真曲线和***调试曲线对比示意图；

图18是本发明实施例中直流线路上直流电流暂态仿真曲线和***调试曲线对比示意图；

图19是本发明实施例中直流线路上直流触发角暂态仿真曲线和***调试曲线对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，所述***包括电流触发角输出模块、重启动控制模块和选择模块；所述电流触发角输出模块和重启动控制模块分别输出电流触发角和重启动触发角，所述电流触发角和重启动触发角通过选择模块得到触发角指令值。

所述电流触发角输出模块包括主控制模块、低压限流控制模块和电流控制模块；所述主控制模块输出电流指令值I_o，I_o通过低压限流控制模块得到电流指令限幅值I_olim，I_olim经过电流控制模块输出电流触发角α_i。

如图2，所述主控制模块实现从功率定值到电流指令值的转换，包含功率/电流控制模式选择、直流电压滤波、电流指令计算、电流指令补偿等功能。主控制模块是对实际工程的双极功率控制、极功率控制部分的整合与简化，只保留计算电流指令的主线。通过第五选择器确定***运行于恒定功率控制模式或恒定电流控制模式；所述第五选择器输出电流指令运行值I_op，再经过电流指令补偿控制，即将I_op与直流电流I_d的偏差进行积分后作为补偿量，与I_op相加得到最终的电流指令值I_o，有：

$I_o=I_{\mathrm{op}}+\underset{0}{\overset{0.1I_n}{\&Integral;}}(I_{\mathrm{op}}-I_d)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中，I_n直流电流额定值；

设置电流指令补偿的主要目的是增强电流的控制能力，同时设定补偿的最大值0.1I_n(500A)，以避免过补偿。

电流指令运行值I_op的确定分为以下两种情况：

(1)当第五选择器的开关量Mode＝1时，***运行于恒定功率控制模式，直流电压U_d先经过带有下限幅的一阶滤波器，该一阶滤波器的滤波时间常数为T₀，下限幅为U_dmin，经过一阶滤波器输出滤波后的直流电压U_dfilt，电流指令运行值I_op为：

$I_{\mathrm{op}}=\frac{P_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dfilt}}}---\left(2\right)$

其中，P_ref为所设定的直流功率参考值；

(2)当第五选择器的开关量Mode＝0时，***运行于恒定电流控制模式，电流指令运行值I_op为：

I_op＝I_ref (3)

式中：I_ref为所设定的电流指令参考值。

如图3，低压限流控制模块的主要作用是当发生故障直流电压降低时，同时降低电流指令值，以减小阀组应力，加快直流的恢复速度。

直流电压U_d先经过一阶滤波器以滤除高频抖动，该一阶滤波器的滤波时间常数T可调，若U_d为上升趋势，T取滤波时间上升常数T_up，若U_d为下降趋势，T取滤波时间下降常数T_dn；再根据该一阶滤波器输出的直流电压U_df，依据插值法计算电流指令限幅值I_olim，有：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{olim}}=I_o& U_{\mathrm{df}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{dhigh}}\\ I_{\mathrm{olim}}=I_{o\min }+\frac{I_o-I_{o\min }}{U_{\mathrm{dhigh}}-U_{\mathrm{dlow}}}(U_{\mathrm{df}}-U_{\mathrm{dlow}})& U_{\mathrm{dhigh}}>U_{\mathrm{df}}>U_{\mathrm{dlow}}\\ I_{\mathrm{olim}}=I_{o\min }& U_{\mathrm{df}}\&le;U_{\mathrm{dlow}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，I_o为电流指令值输出模块输出的电流指令值，I_omin为所设定的最小电流指令值，U_dhigh为低压限流控制模块的启动电压，U_dlow为低压限流控制模块的退出电压。

如图4，电流控制模块输出电流触发角α_i具体包括以下步骤：

步骤a：计算直流电流I_d与电流指令限幅值I_olim之间的电流偏差并放大，得到放大的电流偏差I_diff，区分整流侧与逆变侧，通过第六选择器选择电流裕度，使两侧保持0.1pu的电流裕度，I_diff表示为：

其中，Gain为放大倍数；

步骤b：I_diff经过比例支路，得到α_i的比例分量α_i_P，具体有：

其中，K_pi为比例增益，为电流触发角α_i上一步计算值，为对比例增益K_pI进行修正的修正因子；特高压工程中采用的角度α_pco为阀控***的计算角度，这里针对机电暂态的特点，对实际工程控制进行了近似的等效，采用近似角度

I_diff同时经过积分支路，得到α_i的积分分量α_i_I，具体有：

${\mathrm{\&alpha;}}_i\_I=\frac{1}{T_{\mathrm{ii}}}\underset{{\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }}{\overset{{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }}{\&Integral;}}{I}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}---\left(7\right)$

其中，T_ii积分时间常数，α_imax为电流触发角上限值，α_imin为电流触发角下限值；

α_i_P与α_i_I相加后经再次限幅(限幅值仍为α_imax与α_imin)，得到电流触发角α_i，有：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I>{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I& {\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I<{\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }\end{array}\right.---\left(8\right).$

电流触发角上限值α_imax通过电压控制模块、换相失败预测控制模块、熄弧角控制模块共同确定，并通过第一选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，所述换相失败预测控制模块输出换相裕度角Δα，通过熄弧角控制模块输出经修正后的最大触发角α′_max，该α′_max即为电流触发角上限值α_imax；

在逆变侧，α′_max输入给所述电压控制模块，电压控制模块输出的电压触发角α_v即为电流触发角上限值α_imax。

如图5，电压控制模块输出电压触发角α_v，具体包括以下步骤：

步骤a：区分整流侧与逆变侧，通过第七选择器、第八选择器和第九选择器计算直流电压U_d与直流电压参考值U_dref之间的电流偏差U_diff，有：

其中，ΔU_dr和ΔU_di分别为整流侧与逆变侧电压指令裕度，R为直流线路的电阻；

步骤b：随后进入比例积分控制与限幅，输出电压触发角α_v，具体有：

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}& K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}>{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\\ K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}& K_{\mathrm{pv}}\&times;U_{\mathrm{diff}}+\frac{1}{T_{\mathrm{iv}}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{\mathrm{diff}}\mathrm{dt}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，K_pv为比例增益，T_iv为积分时间常数，α′_max为熄弧角预测模块输出的修正后的最大触发角。

电压控制模块的设置分为全压与降压两种情况。全压运行时，在整流侧的电压参考基本值800kV，还须给出较大的电压裕度ΔU_dr＝80kV；在逆变侧的电压参考基本值800-I_d×R，I_d与R的乘积表示了线路的计算压降，仍须给出电压裕度ΔU_i＝7.25kV。降压运行时，以70％降压为例，整流侧电压参考基本值560kV，电压裕度ΔU_r＝56kV；逆变侧电压参考基本值800-I_d×R，无需电压裕度。设置电压裕度的目的是使电压控制环节全压情况仅起到限制直流过电压的作用。

如图6，所述熄弧角控制模块输出最大触发角α_max，α_max表示为：

其中，γ_ref为熄弧角参考值，d_x为换相电抗，U_di0为理想空载直流电压；

正常运行时Δα＝0，其计算方法参见换相失败预测模块。逆变侧换流器按照所计算的α_max运行时，认为能够保持熄弧角等于参考值。控制框图如图6所示。经过伏安特性曲线斜率的动态修正，修正后的最大触发角α′_max：

其中，k为修正增益。直流电流动态变化时，熄弧角控制的伏安曲线由修正前的负斜率转化为正斜率，提升直流运行的稳定性。工程控制中在(11)的基础上还要减去一个与阀控测量角相关的分量α_sub，在本模型中进行了简化，将不予考虑。

换相失败预测控制模块实现在逆变侧交流故障时判断换相失败的发生，减小其风险。它仅在逆变侧换流母线电压降落时启动，计算换相裕度角Δα，作用于熄弧角控制模块使α_max相应减小Δα，实现缩短换相失败时间、减小换相失败风险的功能，控制框图如图7所示。实际工程控制中依据换流母线相电压瞬时值进行计算，本模型对实际控制进行了等效，采用U_ac进行计算。所述换相失败预测控制模块通过第十二选择器输出换相裕度角Δα，有：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;\&alpha;}=0& U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}\&le;1-K_{\mathrm{cf}}\\ \mathrm{\&Delta;\&alpha;}=\arccos (1-G_{\mathrm{cf}}\&times;(U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}))& U_{\mathrm{ac}0}-U_{\mathrm{ac}}>1-K_{\mathrm{cf}}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，U_ac0为初始稳态交流母线正序电压，U_ac为实际交流母线正序电压，K_cf为换相失败电压阈值，G_cf为换相失败电压增益；

正常运行时，Δα＝0；故障发生时，若电压跌落幅度超过设定的换相失败电压阈值K_cf，按(12)计算换相裕度角Δα；若故障清除后电压恢复至正常值，则经过时间常数为T_dncf一阶滤波器，表示Δα按照一定速率下降至零。由于进行了等效，参数K_cf，G_cf需要通过试验方法，与实际控制曲线对比确定。

电流触发角下限值α_imin通过电压控制模块、整流侧最小触发角控制模块、电压恢复控制模块和第三选择器共同确定，并通过第二选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min，其与电压触发角α_v、整流侧最小常数角取最大值，该最大值即为电流触发角下限值α_imin；

在逆变侧，电压恢复控制模块输出电压加速标志，该电压加速标志输入给第三选择器，电压加速标志启动时，电流触发角下限值α_imin等于电压触发角α_v，否则等于逆变侧最小常数角。

整流侧最小触发角控制模块实现在整流侧交流故障时限制换流器的触发角最小值。它仅在整流侧换流母线电压降落时启动，将整流侧电流控制环节的触发角强制置位于其输出角度 α_min，控制框图如图8所示。实际工程控制中依据换流母线相电压瞬时值进行计算，本模型将实际控制进行了等效，采用U_ac进行计算。整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min具体包括以下情况：

(1)正常运行时，实际交流母线正序电压U_ac高于预设的交流母线正序电压第一级阈值K₁与第二级阈值K₂，且K₁<K₂，通过第十选择器确定α_min＝0；

(2)故障发生时，U_ac低于第一级阈值K₁，则通过第十选择器确定α_min＝C_dl，其中C_dl为第一级最小触发角；

(3)若U_ac继续降低至小于第二级阈值K₂，则通过第十一选择器确定α_min＝D_l，其中D_l为第二级最小触发角；

(4)若故障清除后U_ac恢复至高于第一级阈值K₁，则将α_min从C_dl以固定速率D_ecr逐渐下降至零。由于进行了等效，故K₁和K₂需要通过试验方法，与实际控制曲线对比确定。

电压恢复控制模块实现暂态过程中的电压加速恢复，控制框图如图9所示。直流电压若低于0.6pu且超过低电压延时T₁，则电压恢复控制模块启动，电压恢复控制模块输出电压加速标志URC_ON，使URC_ON置1，表明将强制逆变侧电流触发角为电压控制模块输出的电压触发角α_v，以提升直流电压的恢复速度；

若直流电压恢复至0.7pu以上，则电压恢复控制模块退出，逆变侧的电流触发角选择逆变侧最小常数角。考虑机电暂态仿真故障设定的特点，本模型忽略了实际控制中电压恢复控制的最长有效时间的功能。

所述整流侧最小常数角取5°，所述逆变侧最小常数角取110°。

所述重启动控制模块输出的重启动触发角α_re与电流触发角α_i通过选择模块得到触发角指令值α_ord，所述选择模块为第四选择器。

所述重启动控制模块输出重启动触发角α_re具体包括以下步骤：

步骤a：根据判据判断***是否因直流线路的短路故障进入重启动状态，若条件满足，进入步骤b的重启动控制；判据如下：

I_dr-I_di＞K_res (14)

其中，I_dr为整流侧直流电流，I_di为逆变侧直流电流，K_res为整流侧和逆变侧之间的电流 差阈值；

步骤b：重启动控制具体过程如下：

1)将重启动触发角α_re置位于164°，重启次数计数器累加；

2)若重启次数计数器次数超过3次，则发出闭锁信号；若不超过3次，α_re保持164°状态持续0.15s后将α_re置位于60°再保持35ms；

3)根据判据再次判断***状态，若仍满足判据，则重复重启动控制。

本发明对实际工程的控制逻辑进行了等效，即依据两侧直流电流差值判断***状态，而工程控制中仅检测本侧直流电流，依据电流的变化速率大小判断故障，因此参数K_res需根据实际曲线来确定。

本发明提供的特高压直流控制***用于电力***机电暂态仿真计算，主要特点为能够反映实际工程的控制特性，仿真准确性高。这一特点需要与实际工程控制曲线进行对比以证明，在较大规模电网中，受限于仿真速度，无法验证本发明的这一特点，因此以下通过一个简单实施例，说明本发明的主要特性。

以哈密—郑州±800kV直流输电***为例，***主接线如图10所示。直流***单极双12脉动换流器接线，采用大地回线运行方式，交流***采用理想电压源串联***等值阻抗的电路表示。哈郑直流***稳态潮流如表1：

表1

直流输送功率	直流电压	直流电流	α角(整流侧)	γ角(逆变侧)
					4000MW	800kV	5kA	15°	17°

分别将实际工程控制器与本发明提供的控制***模型接入该***进行仿真，比较三类***扰动——整流侧换流母线三相短路、逆变侧换流母线三相短路、直流侧线路短路下两种仿真结果如下。

1、整流侧瞬时三相短路

仿真曲线对比如图11所示。本发明提供的控制模型仿真曲线与实际控制曲线吻合良好。整流侧故障发生后，直流电流减小至零，直流电压降低，低压限流控制将电流指令值限制于最小值，整流侧电流控制为提升电流，输出触发角将减小至最小值5°；随后，整流侧最小触发角控制启动，将整流侧触发角置位于30°(C_dl＝D_l＝30°)，并一直保持至故障结束，交流电 压恢复正常后，将控制触发角以一定速率线性下降，直至延时时间到，将控制权交还整流侧电流控制。在故障期间，由于直流电流小，逆变侧将由熄弧角控制进入电流控制状态并保持到直流电流恢复正常水平。

2、逆变侧瞬时三相短路

仿真曲线如图12所示。本发明提供的控制模型仿真曲线与实际控制曲线吻合良好。逆变侧发生故障后，直流电流增大，直流电压降低，低压限流控制将电流指令值限制于最小值，整流侧电流控制将增大触发角以控制电流；逆变侧换相失败预测环节启动，其输出角度作用于熄弧角控制使逆变侧触发角瞬间减小，并一直持续至故障结束，交流电压恢复后，控制触发角以一定速率恢复至正常值。

3、直流侧线路瞬时短路

仿真曲线如图13所示。本发明提供的控制模型仿真曲线与实际控制曲线吻合良好。直流线路短路后，整流侧直流电流增大，逆变侧直流电流减小，直流电压下降至零，检测到两侧电流差值后，重启动控制立即启动，将重启动触发角移相至164°，经过0.15s的去游离时间，将触发角置于60°，此时故障已清除，直流电流、电压均恢复正常水平，直流重启成功。

由该例可以看到，本发明提供的直流控制***模型，从根本上解决了原有模型仿真准确性不足，无法反映实际工程特性的缺陷，从而为交直流互联电网的仿真计算提供了仿真手段与技术支撑。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述***包括电流触发角输出模块、重启动控制模块和选择模块；所述电流触发角输出模块和重启动控制模块分别输出电流触发角和重启动触发角，所述电流触发角和重启动触发角通过选择模块得到触发角指令值；

所述电流触发角输出模块包括主控制模块、低压限流控制模块和电流控制模块；所述主控制模块输出电流指令值I_o，I_o通过低压限流控制模块得到电流指令限幅值I_olim，I_olim经过电流控制模块输出电流触发角α_i；

所述主控制模块中，通过第五选择器确定***运行于恒定功率控制模式或恒定电流控制模式；所述第五选择器输出电流指令运行值I_op，再经过电流指令补偿控制，即将I_op与直流电流I_d的偏差进行积分后作为补偿量，与I_op相加得到最终的电流指令值I_o，有：

$I_o=I_{op}+\underset{0}{\overset{0.1I_n}{\&Integral;}}(I_{op}-I_d)dt---\left(1\right)$

其中，I_n直流电流额定值；

电流指令运行值I_op的确定分为以下两种情况：

(1)当第五选择器的开关量Mode＝1时，***运行于恒定功率控制模式，直流电压U_d先经过带有下限幅的一阶滤波器，该一阶滤波器的滤波时间常数为T₀，下限幅为U_dmin，经过一阶滤波器输出滤波后的直流电压U_dfilt，电流指令运行值I_op为：

$I_{op}=\frac{P_{ref}}{U_{dfilt}}---\left(2\right)$

其中，P_ref为所设定的直流功率参考值；

(2)当第五选择器的开关量Mode＝0时，***运行于恒定电流控制模式，电流指令运行值I_op为：

I_op＝I_ref (3)

式中：I_ref为所设定的电流指令参考值。

2.根据权利要求1所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述低压限流控制模块中，直流电压U_d先经过一阶滤波器以滤除高频抖动，该一阶滤波器的滤波时间常数T可调，若U_d为上升趋势，T取滤波时间上升常数T_up，若U_d为下降趋势，T取滤波时间下降常数T_dn；再根据该一阶滤波器输出的直流电压U_df，依据插值法计算电流指令限幅值I_olim，有：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_{o\lim }=I_o& U_{df}\&GreaterEqual;U_{dhigh}\\ I_{o\lim }=I_{o\min }+\frac{I_o-I_{o\min }}{U_{dhigh}-U_{dlow}}(U_{df}-U_{dlow})& U_{dhigh}>U_{df}>U_{dlow}\\ I_{o\lim }=I_{o\min }& U_{df}\&le;U_{dlow}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，I_o为电流指令值输出模块输出的电流指令值，I_omin为所设定的最小电流指令值，U_dhigh为低压限流控制模块的启动电压，U_dlow为低压限流控制模块的退出电压。

3.根据权利要求1所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述电流控制模块输出电流触发角α_i具体包括以下步骤：

步骤a：计算直流电流I_d与电流指令限幅值I_olim之间的电流偏差并放大，得到放大的电流偏差I_diff，区分整流侧与逆变侧，通过第六选择器选择电流裕度，使两侧保持0.1pu的电流裕度，I_diff表示为：

其中，Gain为放大倍数；

步骤b：I_diff经过比例支路，得到α_i的比例分量α_i_P，具体有：

其中，K_pi为比例增益，为电流触发角α_i上一步计算值，为对比例增益K_pI进行修正的修正因子；

I_diff同时经过积分支路，得到α_i的积分分量α_i_I，具体有：

${\mathrm{\&alpha;}}_i\_I=\frac{1}{T_{ii}}\underset{{\mathrm{\&alpha;}}_{imin}}{\overset{{\mathrm{\&alpha;}}_{imax}}{\&Integral;}}{I}_{diff}dt---\left(7\right)$

其中，T_ii积分时间常数，α_imax为电流触发角上限值，α_imin为电流触发角下限值；

α_i_P与α_i_I相加后经再次限幅，得到电流触发角α_i，有：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I>{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I& {\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }& {\mathrm{\&alpha;}}_i\_P+{\mathrm{\&alpha;}}_i\_I<{\mathrm{\&alpha;}}_{i\min }\end{array}\right.---\left(8\right).$

4.根据权利要求3所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：电流触发角上限值α_imax通过电压控制模块、换相失败预测控制模块、熄弧角控制模块共同确定，并通过第一选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，所述换相失败预测控制模块输出换相裕度角Δα，通过熄弧角控制模块输出经修正后的最大触发角α′_max，该α′_max即为电流触发角上限值α_imax；

在逆变侧，α′_max输入给所述电压控制模块，电压控制模块输出的电压触发角α_v即为电流触发角上限值α_imax。

5.根据权利要求4所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：电压控制模块输出电压触发角α_v，具体包括以下步骤：

步骤a：区分整流侧与逆变侧，通过第七选择器、第八选择器和第九选择器计算直流电压U_d与直流电压参考值U_dref之间的电流偏差U_diff，有：

其中，ΔU_dr和ΔU_di分别为整流侧与逆变侧电压指令裕度，R为直流线路的电阻；

步骤b：随后进入比例积分控制与限幅，输出电压触发角α_v，具体有：

${\mathrm{\&alpha;}}_v=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}& K_{pv}\&times;U_{diff}+\frac{1}{T_{iv}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{diff}dt>{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\\ K_{pv}\&times;U_{diff}+\frac{1}{T_{iv}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{diff}dt& K_{pv}\&times;U_{diff}+\frac{1}{T_{iv}}\stackrel{{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}}{\&Integral;}{U}_{diff}dt\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\max }^{\&prime;}\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，K_pv为比例增益，T_iv为积分时间常数，α′_max为熄弧角预测模块输出的修正后的最大触发角。

6.根据权利要求4所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述熄弧角控制模块输出最大触发角α_max，α_max表示为：

其中，γ_ref为熄弧角参考值，d_x为换相电抗，U_di0为理想空载直流电压；

经过伏安特性曲线斜率的动态修正，修正后的最大触发角α′_max：

其中，k为修正增益。

7.根据权利要求4所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述换相失败预测控制模块通过第十二选择器输出换相裕度角Δα，有：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&alpha;}=0& U_{ac0}-U_{ac}\&le;1-K_{cf}\\ \mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&alpha;}=arccos(1-G_{cf}\&times;(U_{ac0}-U_{ac}\left)\right)& U_{ac0}-U_{ac}>1-K_{cf}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，U_ac0为初始稳态交流母线正序电压，U_ac为实际交流母线正序电压，K_cf为换相失败电压阈值，G_cf为换相失败电压增益；

正常运行时，Δα＝0；故障发生时，若电压跌落幅度超过设定的换相失败电压阈值K_cf，按(13)计算换相裕度角Δα。

8.根据权利要求3所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：电流触发角下限值α_imin通过电压控制模块、整流侧最小触发角控制模块、电压恢复控制模块和第三选择器共同确定，并通过第二选择器选择位于整流侧或逆变侧；

在整流侧，整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min，其与电压触发角α_v、整流侧最小常数角取最大值，该最大值即为电流触发角下限值α_imin；

在逆变侧，电压恢复控制模块输出电压加速标志，该电压加速标志输入给第三选择器，电压加速标志启动时，电流触发角下限值α_imin等于电压触发角α_v，否则等于逆变侧最小常数角。

9.根据权利要求8所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：整流侧最小触发角控制模块输出最小触发角α_min具体包括以下情况：

(1)正常运行时，实际交流母线正序电压U_ac高于预设的交流母线正序电压第一级阈值K₁与第二级阈值K₂，且K₁<K₂，通过第十选择器确定α_min＝0；

(2)故障发生时，U_ac低于第一级阈值K₁，则通过第十选择器确定α_min＝C_dl，其中C_dl为第一级最小触发角；

(3)若U_ac继续降低至小于第二级阈值K₂，则通过第十一选择器确定α_min＝D_l，其中D_l为第二级最小触发角；

(4)若故障清除后U_ac恢复至高于第一级阈值K₁，则将α_min从C_dl以固定速率D_ecr逐渐下降至零。

10.根据权利要求8所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：直流电压若低于0.6pu且超过低电压延时T₁，则电压恢复控制模块启动，电压恢复控制模块输出电压加速标志URC_ON，使URC_ON置1，表明将强制逆变侧电流触发角为电压控制模块输出的电压触发角α_v，以提升直流电压的恢复速度；

若直流电压恢复至0.7pu以上，则电压恢复控制模块退出，逆变侧的电流触发角选择逆变侧最小常数角。

11.根据权利要求8所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述整流侧最小常数角取5°，所述逆变侧最小常数角取110°。

12.根据权利要求1所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述重启动控制模块输出的重启动触发角α_re与电流触发角α_i通过选择模块得到触发角指令值α_ord，所述选择模块为第四选择器。

13.根据权利要求12所述的适用于机电暂态仿真的特高压直流控制***，其特征在于：所述重启动控制模块输出重启动触发角α_re具体包括以下步骤：

步骤a：根据判据判断***是否因直流线路的短路故障进入重启动状态，若条件满足，进入步骤b的重启动控制；判据如下：

I_dr-I_di＞K_res (14)

其中，I_dr为整流侧直流电流，I_di为逆变侧直流电流，K_res为整流侧和逆变侧之间的电流差阈值；

步骤b：重启动控制具体过程如下：

1)将重启动触发角α_re置位于164°，重启次数计数器累加；

2)若重启次数计数器次数超过3次，则发出闭锁信号；若不超过3次，α_re保持164°状态持续0.15s后将α_re置位于60°再保持35ms；

3)根据判据再次判断***状态，若仍满足判据，则重复重启动控制。