一种直流系统定关断角控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统稳定分析与控制，特别涉及一种直流系统定关断角控制方法及系统。

背景技术：

1、当前直流系统一般采用的控制策略是实测型的关断角控制，以上周期内各阀的实测最小关断角为输入，与关断角参考值进行比较后经pi控制器输出超前角调整值，从而减小触发角实现提前触发，达到增大换相裕度、抑制后续换相失败的目的。

2、但实测型关断角控制的输入显然滞后于直流系统实时的暂态响应过程。当关断角快速变化时，上周期的实测关断角难以准确反映直流系统的实时运行状态，对换相裕度调节的准确性和有效性存疑。通过对关断角进行预测是改进传统实测型定关断角控制的主要方法，该类方法准确有效实施的前提，是在阀触发前确定完成后续换相过程所需补偿的关断角裕度，显然这一前提导致控制方法存在以下两方面的局限性：

3、(1)现有控制策略大多是基于当前电压状态的换相失败评估方法，若在阀触发之前换相电压畸变程度较小，则可能难以判断出换相失败，即使后续能够确定出所需的换相裕度，但在换相开始之后再减小触发角对该次换相过程而言已没有实际意义；

4、(2)若换相开始之前谐波含量较大、电压畸变程度较高，在阀触发前能够评估和预判即将到来的换相失败，但关断角调整值仅根据当前的电压和电流状态确定，未考虑换相开始之后电压和电流变化对换相裕度的影响，这削弱了关断角的控制精度，甚至可能由于补偿不足无法有效抑制换相失败。

5、因此，如何提供一种新的直流系统定关断角控制技术，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种直流系统定关断角控制方法及系统，以解决现有技术中的上述技术问题。

2、为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

3、根据本发明实施例的第一方面，提供了一种直流系统定关断角控制方法。

4、在一个实施例中，所述直流系统定关断角控制方法，包括：

5、获取直流系统预定n个周期采样窗口的交流电压暂态响应，并根据所述交流电压暂态响应，预测后续周期采样窗口的换相电压；

6、基于预测的后续周期采样窗口的换相电压，确定当前周期采样窗口换相开始之前的换相电压；并将该换相电压与实际电压相比，得到电压差值；

7、根据所述电压差值对预测得到的换相电压进行校正，并根据校正后的换相电压，确定换相电压的关断角；

8、将所述关断角与直流系统逆变侧原有关断角相比，取最小关断角值进行定关断角控制。

9、在一个实施例中，所述预定n个周期采样窗口为所述直流系统故障后前连续两个周期采样窗口。

10、在一个实施例中，所述直流系统的交流电压暂态响应方程包括：

11、f(t)＝a(t)+x(t)＝escos(ωdt)+ete-τtcos(ωdt+φd)

12、x(t)＝ete-τtcos(ωdt+φd)

13、式中，f(t)为直流系统故障后时域暂态电压全响应，所述全响应为稳态响应和瞬态响应之和；a(t)、x(t)分别表示稳态响应和暂态响应；es为稳态电压幅值；ωd为角频率；t表示时间；φd为相角；et为时域电压幅值；e为自然常数；τ为阻尼比。

14、在一个实施例中，直流系统故障后从第(k-1)周期到第(k+1)周期内交流电压暂态响应的傅里叶级数形式为：

15、

16、

17、式中，表示直流系统故障后分解到第n次谐波后第(k-1)周期到第(k+1)周期内电压波形的傅里叶级数形式；t表示单位周期，t＝2π/ωd；表示直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的采样数据的时域形式；表示数学指数；j表示虚数单位；n表示第n次谐波；ωd表示系统角频率；t表示时间；dt表示对时间的积分微元；积分下限(k-2)t表示第(k-2)个周期的结束时刻，积分上限(k+1)t表示第(k+1)个周期的结束时刻；表示采样数据的稳态响应；表示采样数据的暂态响应；fi(t)表示第i个周期的采样数据；i表示第i个周期。

18、在一个实施例中，根据所述交流电压暂态响应，预测后续周期采样窗口的换相电压包括：根据所述交流电压暂态响应，通过曲线拟合方法预测后续周期采样窗口的换相电压。

19、在一个实施例中，根据所述交流电压暂态响应，通过曲线拟合方法预测后续周期采样窗口的换相电压包括：根据直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的采集数据，通过非线性最小二乘拟合函数，确定拟合系数；基于所述拟合系数，对直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的交流电压暂态响应方程式进行简化，得到基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式；根据所述基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式，预测后续周期采样窗口的换相电压；

20、其中，基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式为：

21、

22、式中，akn、bkn、ckn和dkn是从第(k-1)周期到第(k+1)周期的n次谐波电压频域形式的拟合系数，通过非线性最小二乘求解；e-2πτk、j分别表示采样数据分解到第n次谐波的傅里叶级数形式、数学指数、虚数单位；

23、其中，拟合系数可根据从第(k-1)周期到第k周期n次谐波电压频域形式采用非线性最小二乘拟合求解：

24、

25、

26、

27、

28、式中，real表示取实部；imag表示取虚部；lsq表示非线性最小二乘拟合；表示第i个周期的电压波形；

29、其中，后续周期采样窗口的换相电压方程式为：

30、

31、式中，fk+1(t)表示第k+1个周期的时域暂态电压；表示预测得到的第k+1周期内第1次谐波电压的幅值；和表示第(k+1)周期内第j次谐波电压的幅值和相角；k表示周期；n表示分解到n次谐波；ωd表示角频率；t表示时间。

32、在一个实施例中，根据所述电压差值对预测得到的换相电压进行校正的方程式为：

33、

34、

35、式中，δun表示第n次谐波的电压校正量；δe表示电压幅值偏差；δφ表示电压相角偏差；和分别表示第(k+1)周期内前一半时间的第n次谐波电压的实际幅值和相角；u′n(ti)、un(ti)表示校正前后的第n次谐波电压；和分别表示第(k+1)周期内第n次谐波电压的拟合得到的幅值和相角；表示求偏导数，un表示第n次谐波电压大小；un0(t)表示第(k+1)周期内前一半时间的实际第n次谐波电压；ti表示第i个采样时刻；ωd表示角频率；t表示时间。

36、在一个实施例中，根据校正后的换相电压，确定换相电压的关断角包括：根据校正后的换相电压，计算校正后的换相电压过零点偏移角度；并根据预先建立的换相所需的电压时间-面积等式约束，估算校正后换相电压的换相角；基于所述过零点偏移角度和所述换相角，计算关断角预测值；

37、其中，换相电压过零点偏移角度的计算公式为：

38、

39、式中，f′k+1(t)表示预测得到的第k+1周期电压响应，预测得到的第k+1周期基波电压幅值，表示预测得到的第k+1周期n次谐波电压幅值，n表示谐波总次数，第k+1周期n次谐波电压相角，表示过零点偏移角度，π表示180°所对应的弧度；

40、其中，电压时间-面积等式约束公式为：

41、

42、id(α+μ′)＝id(α+0.2π)

43、式中，lc表示直流系统逆变侧换相电感；id(α)表示触发时刻的直流电流；id(α+μ′)表示换相结束时刻的直流电流；μ′表示校正后换相电压换相角；α校正后换相电压触发角；id(α+0.2π)表示触发角往后0.2π弧度的直流电流；表示预测得到的第k+1周期内第1次谐波电压的幅值；表示预测得到的第k+1周期第n次谐波电压的幅值；n表示谐波总次数；第k+1周期n次谐波电压相角；ωt表示电压相角；

44、其中，关断角预测值计算公式为：

45、

46、式中，γ′为校正后换相电压的关断角预测值；为校正后换相电压过零点偏移角度；α为校正后换相电压触发角；μ′为校正后换相电压换相角；π表示180°所对应的弧度。

47、根据本发明实施例的第二方面，提供了一种直流系统定关断角控制系统。

48、在一个实施例中，所述直流系统定关断角控制系统包括：

49、电压采集模块，用于获取直流系统预定n个周期采样窗口的交流电压暂态响应，并根据所述交流电压暂态响应，预测后续周期采样窗口的换相电压；

50、电压比较模块，用于基于预测的后续周期采样窗口的换相电压，确定当前周期采样窗口换相开始之前的换相电压；并将该换相电压与实际电压相比，得到电压差值；

51、电压校正模块，用于根据所述电压差值对预测得到的换相电压进行校正，并根据校正后的换相电压，确定换相电压的关断角；

52、定关断角控制模块，用于将所述关断角与直流系统逆变侧原有关断角相比，取最小关断角值进行定关断角控制。

53、在一个实施例中，所述预定n个周期采样窗口为所述直流系统故障后前连续两个周期采样窗口。

54、在一个实施例中，所述直流系统的交流电压暂态响应方程包括：

55、f(t)＝a(t)+x(t)＝escos(ωdt)+ete-τtcos(ωdt+φd)

56、x(t)＝ete-τtcos(ωdt+φd)

57、式中，f(t)为直流系统故障后时域暂态电压全响应，所述全响应为稳态响应和瞬态响应之和；a(t)、x(t)分别表示稳态响应和暂态响应；es为稳态电压幅值；ωd为角频率；t表示时间；φd为相角；et为时域电压幅值；e为自然常数；τ为阻尼比。

58、在一个实施例中，直流系统故障后从第(k-1)周期到第(k+1)周期内交流电压暂态响应的傅里叶级数形式为：

59、

60、

61、式中，表示直流系统故障后分解到第n次谐波后第(k-1)周期到第(k+1)周期内电压波形的傅里叶级数形式；t表示单位周期，t＝2π/ωd；表示直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的采样数据的时域形式；表示数学指数；j表示虚数单位；n表示第n次谐波；ωd表示系统角频率；t表示时间；dt表示对时间的积分微元；积分下限(k-2)t表示第(k-2)个周期的结束时刻，积分上限(k+1)t表示第(k+1)个周期的结束时刻；表示采样数据的稳态响应；表示采样数据的暂态响应；fi(t)表示第i个周期的采样数据；i表示第i个周期。

62、在一个实施例中，所述电压采集模块在根据所述交流电压暂态响应，预测后续周期采样窗口的换相电压时，根据所述交流电压暂态响应，通过曲线拟合方法预测后续周期采样窗口的换相电压。

63、在一个实施例中，所述电压采集模块在根据所述交流电压暂态响应，通过曲线拟合方法预测后续周期采样窗口的换相电压时，根据直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的采集数据，通过非线性最小二乘拟合函数，确定拟合系数；基于所述拟合系数，对直流系统故障后前连续两个周期采样窗口的交流电压暂态响应方程式进行简化，得到基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式；根据所述基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式，预测后续周期采样窗口的换相电压；

64、其中，基于拟合系数的交流电压暂态响应方程式为：

65、

66、式中，akn、bkn、ckn和dkn是从第(k-1)周期到第(k+1)周期的n次谐波电压频域形式的拟合系数，通过非线性最小二乘求解；e-2πτk、j分别表示采样数据分解到第n次谐波的傅里叶级数形式、数学指数、虚数单位；

67、其中，拟合系数可根据从第(k-1)周期到第k周期n次谐波电压频域形式采用非线性最小二乘拟合求解：

68、

69、

70、

71、

72、式中，real表示取实部；imag表示取虚部；lsq表示非线性最小二乘拟合；表示第i个周期的电压波形；

73、其中，后续周期采样窗口的换相电压方程式为：

74、

75、式中，fk+1(t)表示第k+1个周期的时域暂态电压；表示预测得到的第k+1周期内第1次谐波电压的幅值；和表示第(k+1)周期内第j次谐波电压的幅值和相角；k表示周期；n表示分解到n次谐波；ωd表示角频率；t表示时间。

76、在一个实施例中，根据所述电压差值对预测得到的换相电压进行校正的方程式为：

77、

78、

79、式中，δun表示第n次谐波的电压校正量；δe表示电压幅值偏差；δφ表示电压相角偏差；和分别表示第(k+1)周期内前一半时间的第n次谐波电压的实际幅值和相角；u′n(ti)、un(ti)表示校正前后的第n次谐波电压；和分别表示第(k+1)周期内第n次谐波电压的拟合得到的幅值和相角；表示求偏导数，un表示第n次谐波电压大小；un0(t)表示第(k+1)周期内前一半时间的实际第n次谐波电压；ti表示第i个采样时刻；ωd表示角频率；t表示时间。

80、在一个实施例中，所述电压校正模块在根据校正后的换相电压，确定换相电压的关断角时，根据校正后的换相电压，计算校正后的换相电压过零点偏移角度；并根据预先建立的换相所需的电压时间-面积等式约束，估算校正后换相电压的换相角；基于所述过零点偏移角度和所述换相角，计算关断角预测值；

81、其中，换相电压过零点偏移角度的计算公式为：

82、

83、式中，f′k+1(t)表示预测得到的第k+1周期电压响应，预测得到的第k+1周期基波电压幅值，表示预测得到的第k+1周期n次谐波电压幅值，n表示谐波总次数，第k+1周期n次谐波电压相角，表示过零点偏移角度，π表示180°所对应的弧度；

84、其中，电压时间-面积等式约束公式为：

85、

86、id(α+μ′)＝id(α+0.2π)

87、式中，lc表示直流系统逆变侧换相电感；id(α)表示触发时刻的直流电流；id(α+μ′)表示换相结束时刻的直流电流；μ′表示校正后换相电压换相角；α校正后换相电压触发角；id(α+0.2π)表示触发角往后0.2π弧度的直流电流；表示预测得到的第k+1周期内第1次谐波电压的幅值；表示预测得到的第k+1周期第n次谐波电压的幅值；n表示谐波总次数；第k+1周期n次谐波电压相角；ωt表示电压相角；

88、其中，关断角预测值计算公式为：

89、

90、式中，γ′为校正后换相电压的关断角预测值；为校正后换相电压过零点偏移角度；α为校正后换相电压触发角；μ′为校正后换相电压换相角；π表示180°所对应的弧度。

91、根据本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机设备。

92、在一个实施例中，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

93、根据本发明实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质。

94、在一个实施例中，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

95、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

96、本发明提升了对换相失败的抑制效果

97、本发明基于前两个周期内所测得交流电压的暂态响应，通过曲线拟合方法近似预测当前周期中的换相电压；然后，根据当前周期中换相开始之前预测电压与实际电压之间的差异校正初始预测电压，并考虑换相过程中换相电压与直流电流的变化预测该换相过程的关断角；最后，将关断角预测值引入逆变侧原有定关断角控制策略中，与原有控制输入即实测的上周期最小关断角进行对比，选取其中较小值作为改进控制的最终输入，从而实现了基于关断角预测值对换相裕度进行调节，减小后续换相失败的风险，提升了对换相失败的抑制效果。

98、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。