提升换相失败抵御能力的换流器辅助换相电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种提升换相失败抵御能力的换流器辅助换相电路及控制方法，属于电力系统稳定分析与控制领域。

背景技术

随着跨区直流系统规模的扩大和新能源占比的提高，电网形态结构持续发生深刻变化，全网一体化特征更加显著，普通的交流“N-1”故障易在多个电网中快速传导及快速“放大”，局部单一故障极易演变为系统性连锁故障。在此背景下换相失败、多直流同时换相失败及连续换相失败等问题对电网安全稳定运行的影响进一步加深，且目前没有根本解决措施。

针对交流系统故障引起的直流输电换相失败问题，学者们做了大量研究，主要集中在优化控制策略、利用无功补偿装置稳定交流系统电压等方法上，都取得了不错的效果且在技术上相对成熟。然而，目前还没有从换流器拓扑出发，研究降低换相失败风险的措施。

发明内容

本发明提供了一种提升换相失败抵御能力的换流器辅助换相电路及控制方法，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

换流器辅助换相电路，包括并联的正向充电电路和负向充电电路；

正向充电电路包括第一电容、第一充电开关和第一输出开关，第一电容的负极接地，第一电容的正极与第一充电开关和第一输出开关的一端连接，第一充电开关和第一输出开关的另一端连接直流受端换流母线；

负向充电电路包括第二电容、第二充电开关和第二输出开关，第二电容的正极接地，第二电容的负极与第二充电开关和第二输出开关的一端连接，第二充电开关和第二输出开关的另一端连接直流受端换流母线；

若交流系统故障，第一输出开关导通，第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，或者第二输出开关导通，第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑。

第一充电开关、第一输出开关、第二充电开关和第二输出开关均为IGBT；

第一充电开关的E极连接第一电容的正极，C极连接直流受端换流母线；

第一输出开关的C极连接第一电容的正极，E极连接直流受端换流母线；

第二充电开关的E极连接第二电容的负极，C极连接直流受端换流母线；

第二输出开关的C极连接第二电容的负极，E极连接直流受端换流母线。

若辅助换相电路初次启动或者交流系统故障切除，第一充电开关导通，第一电容充电，或者第二充电开关导通，第二电容充电。

换流器辅助换相电路的控制方法，包括，

若交流系统故障，控制第一输出开关导通，使第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，或者控制第二输出开关导通，使第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑。

还包括，

若辅助换相电路初次启动或者交流系统故障切除，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，或者控制第二充电开关导通，使第二电容充电。

若辅助换相电路初次启动，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，或者控制第二充电开关导通，使第二电容充电，包括：

若辅助换相电路初次启动、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、第一电容电压小于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断；

若辅助换相电路初次启动、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、第二电容电压大于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断。

若交流系统故障切除，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，或者控制第二充电开关导通，使第二电容充电，包括：

若交流系统故障切除、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、额定运行下交流相电压小于实时交流相电压、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断；

若交流系统故障切除、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、额定运行下交流相电压大于实时交流相电压、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断。

若交流系统故障，控制第一输出开关导通，使第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，或者控制第二输出开关导通，使第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑，包括：

若交流系统故障、且所述辅助换相电路所连相的交流相电压处于正向电压换相期间，控制第一输出开关导通，使第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑；

若交流系统故障、且所述辅助换相电路所连相的交流相电压处于负向电压换相期间，控制第二输出开关导通，使第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑。

本发明所达到的有益效果：本发明在换流器现有拓扑的基础上增加正向充电电路和负向充电电路，在交流系统故障期间，通过第一电容或第二电容放电，提高故障期间的交流母线相电压，在一定程度上提升了直流系统的换相能力，降低换相失败风险。

附图说明

图1为辅助换相电路的电路图；

图2为辅助换相电路运用的电路图；

图3为不同工作状态下的电流流通路径图；

图4为初次启动的充电流程图；

图5为故障期间控制流程图；

图6为故障恢复阶段的充电流程图；

图7（1）为有功功率比对图；

图7（2）为直流电压比对图；

图7（3）为直流电流比对图；

图7（4）为整流侧触发角比对图；

图7（5）为熄弧角Y-Y比对图；

图7（6）为熄弧角Δ-Y比对图；

图8为晶闸管的全桥逆变器拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，换流器辅助换相电路，包括并联的正向充电电路和负向充电电路。正向充电电路包括第一电容、第一充电开关和第一输出开关，第一电容的负极接地，第一电容的正极与第一充电开关和第一输出开关的一端连接，第一充电开关和第一输出开关的另一端连接直流受端换流母线。负向充电电路包括第二电容、第二充电开关和第二输出开关，第二电容的正极接地，第二电容的负极与第二充电开关和第二输出开关的一端连接，第二充电开关和第二输出开关的另一端连接直流受端换流母线。

若辅助换相电路初次启动或者交流系统故障切除，第一充电开关导通，第一电容充电，或者第二充电开关导通，第二电容充电。

若交流系统故障，第一输出开关导通，第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，或者第二输出开关导通，第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑。

第一充电开关、第一输出开关、第二充电开关和第二输出开关均为IGBT，其中，第一充电开关的E极连接第一电容的正极，C极连接直流受端换流母线；第一输出开关的C极连接第一电容的正极，E极连接直流受端换流母线；第二充电开关的E极连接第二电容的负极，C极连接直流受端换流母线；第二输出开关的C极连接第二电容的负极，E极连接直流受端换流母线。

所有IGBT的G极均外接控制器，通过向G极的发送驱动信号，控制IGBT的通断。

如图2所示，在直流受端换流母线并联上述电路，每相连接一个辅助换相电路。通过增加正向充电电路和负向充电电路，在交流系统故障期间，通过第一电容或第二电容放电，提高故障期间的交流母线相电压，在一定程度上提升了直流系统的换相能力，降低换相失败风险。

上述换流器辅助换相电路的控制方法，包括以下步骤：

1）若辅助换相电路初次启动，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，或者控制第二充电开关导通，使第二电容充电。

具体包括：

11）若辅助换相电路初次启动、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、第一电容电压小于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断。

12）若辅助换相电路初次启动、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、第二电容电压大于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断。

在初次启动阶段，实时监控电容电压，若达到初始设定值，则电容充电过程完成，若未达到初始设定值，则启动图4的充电逻辑。

先判断交流相电压的正负值，若电压为正，则选择正向充电电路充电，如图3（a）；若电压为负，则选择负向充电电路，如图3（b）。在控制IGBT导通之前对电容电压和交流相电压进行比较，并且对所连相的交流相电压变换率的正负值进行判断。

若辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、第一电容电压小于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断，结束对第一电容的充电。

若辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、第二电容电压大于交流相电压瞬时值、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断

当电容均达到给定值后，电容充电完成，当交流系统无故障期间，所有IGBT均关断，具体见图3（c）。

2）若交流系统故障，控制第一输出开关导通，使第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，或者控制第二输出开关导通，使第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑。

具体包括：

21）若交流系统故障、且所述辅助换相电路所连相的交流相电压处于正向电压换相期间，控制第一输出开关导通，使第一电容向换流变压器二次侧提供正向电压及无功支撑，增大上桥臂（换流器中换流桥的一相的上桥臂）换相面积。

22）若交流系统故障、且所述辅助换相电路所连相的交流相电压处于负向电压换相期间，控制第二输出开关导通，使第二电容向换流变压器二次侧提供反向电压及无功支撑，增大下桥臂（换流器中换流桥的一相的上桥臂）换相面积。

以交流故障发生在A相为例，

一旦检测到A相发生故障，相电压幅值小于正常运行的90%时，则启动图5所示的控制。如图8根据换流器中换流阀VT3的触发信号，导通第一输出开关，对正在换相的换流阀VT1提供更大的换相面积，实现辅助换相，线电压过零点后关断。根据换流器中换流阀VT6（同上）的触发信号，导通第二输出开关，对正在换相的换流阀VT4提供更大的换相面积，线电压过零点后关断。

3）若交流系统故障切除（即恢复阶段），控制第一充电开关导通，使第一电容充电，或者控制第二充电开关导通，使第二电容充电。

具体包括：

31）若交流系统故障切除、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、额定运行下交流相电压小于实时交流相电压、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断。

32）若交流系统故障切除、所述辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、额定运行下交流相电压大于实时交流相电压、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断。

故障切除后的恢复阶段需要避免因电容充电而导致的交流电压跌落，利用过电压阶段的交流电压对电容进行充电，由此减少过电压对系统的影响，有利于系统恢复稳定运行。

在恢复阶段，实时监控电容电压，若达到初始设定值，则电容充电过程完成。若未达到初始设定值，则启动图6的充电逻辑。

先判断交流相电压的正负值，若电压为正，则选择正向充电电路充电，如图3（a）；若电压为负，则选择负向充电电路，如图3（b）。在控制IGBT导通之前对额定运行下交流相电压和实时交流相电压进行比较，并且对du/dt的正负值进行判断。

若辅助换相电路所连相的交流相电压为正、第一电容电压小于给定值A1、额定运行下交流相电压小于实时交流相电压、且交流相电压变换率大于零，控制第一充电开关导通，使第一电容充电，直到交流相电压变换率大于零的条件不满足或者第一电容电压不小于给定值A1，控制第一充电开关导通关断。

若辅助换相电路所连相的交流相电压为负、第二电容电压小于给定值A2、额定运行下交流相电压大于实时交流相电压、且交流相电压变换率小于零，控制第二充电开关导通，使第二电容充电，直到交流相电压变换率小于零的条件不满足或者第二电容电压不小于给定值A2，控制第二充电开关导通关断。

为了验证本发明，以A相发生持续0.1s的单相短路故障为例，将传统LCC直流系统和含本发明的系统进行比较。

为进行单相故障系统参数动态特性对比，在两种拓扑逆变侧交流母线处设置单相接地故障，接地电阻50ohm，故障时刻为3s，故障持续时长为100ms，系统各自有功功率、直流电压、直流电流、整流侧触发角和两极分别的熄弧角的动态特性变化曲线如图7（1）~（6）所示。其中，用熄弧角γ表征系统是否发生换相失败，当γ值小于7.2°时，系统发生换相失败。

从仿真中可以看出，当同样的故障发生在逆变器交流系统侧时，图7（1）（3）（4）中含本发明的系统相比传统LCC直流系统在有功功率（直流有功功率）、直流电流、整流侧触发角上下波动幅值明显减小，有功功率跌落最低点从0.028p.u.提升至0.43p.u.，有功功率上升最高点从1.53p.u.降低至1.34p.u.，直流电流跌落最低点从0.073p.u.提升至0.56p.u.，直流电流上升最高点从2.01p.u.降至1.56p.u.。图7（2）中相较于传统LCC直流系统含本发明的系统直流电压跌落幅值明显减小，从0.17 p.u.提升至0.66 p.u.。从图7（5）、（6）熄弧角仿真曲线中可以看出，两极换相失败的次数从1次降低至0次，本发明能增加换相裕度，减小熄弧角的跌落，在一定程度上提升系统换相失败免疫能力。

通过上述对比，验证了本发明对系统换相的作用，证明了控制方法的有效性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。