可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环及算法制造技术

技术编号:26040201 阅读:78 留言:0更新日期:2020-10-23 21:19
本发明专利技术公开了一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环及算法,算法包括首先进行故障检测:在锁相环的测量系统中,根据高压直流输电系统的换流母线前三次的相位增量差、频率跟踪器的输出变化率和输入的换相电压幅值,以及换流母线当前a、b和c相电压的周期检测结果,检测是否发生对称故障;然后根据检测结果选定锁相方式;在发生对称故障的情况下计算相位跳变补偿值,并将对称故障下的相位跳变补偿值输入到锁相环的锁相控制系统中;最后按照选定的锁相方式对高压直流换相电压的相位进行同步。本发明专利技术解决了高压直流的换流母线发生对称故障时的相位同步问题。

【技术实现步骤摘要】
可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环及算法
本专利技术涉及高压直流输电
,特别涉及一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环及算法。
技术介绍
同步触发控制是整个直流输电控制系统的基础,通过改变换流阀触发脉冲的产生时刻或相位,实现对整个直流输电系统的调节,一般依赖于锁相环(PLL)对换相电压的相位进行同步。目前,我国高压直流输电工程中的控制保护系统都是基于高性能的控制平台,例如ABB公司的MACH2,SIEMENS公司的SIMADYN-D、SIMATIC-TDC。两家公司控制保护系统采用的锁相环有所不同。ABB-PLL本质上是一个静止坐标系锁相环,为了准确追踪交流测母线电压相位,通常将锁相环的带宽设置的很小。SIEMENS-PLL则是通过一个MXF128数字滤波器实现对基波电压的提取,利用反正切计算得到交流电压相角,最后利用PI控制器进行调节,使锁相环输出的角度值始终跟踪电网的实际相位,同时,附加的频率跟踪器动态调整采样周期。实际上,当高压直流输电系统的换流母线发生故障时,换流母线的电压的幅值和相位都会发生跳变。ABB-PLL受限于其小带宽的锁相环调节器设置,在故障发生时刻及其后的0.1s内通常无法准确地跟踪换流母线电压的相位情况,使得触发控制系统无法及时地根据触发角指令产生触发脉冲,高压直流输电系统可能会因此而发生后续换相失败,且故障后的系统恢复性能受到影响。大多数情况下(特别是在故障工况下),实际电网中的频率都是恒定不变的,而SIEMENS-PLL所附加的频率跟踪器在故障工况下依然会检测到频率的偏移情况,这使得锁相环恢复零误差锁相的过程更为复杂。因此,需要提供一种可以保持较大带宽和在故障下及时恒定电网频率使得频率与相位解耦的高压直流锁相环。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,该算法可以解决高压直流的换流母线发生对称故障时的相位同步问题。本专利技术的第二目的在于提供一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环,该锁相环可以实现与对称故障下电压相位的快速同步。本专利技术的第一目的通过下述技术方案实现:一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,步骤如下:S1、故障检测:在锁相环的测量系统中,根据高压直流输电系统的换流母线前三次的相位增量差、频率跟踪器的输出变化率和输入的换相电压幅值,以及换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc的周期检测结果,检测是否发生对称故障;S2、选定锁相方式:若判定为对称故障,则将锁相环运行在第二锁相方式;若判定为额定工况或者非对称故障,则将锁相环运行在第一锁相方式;S3、在发生对称故障的情况下计算相位跳变补偿值,并将对称故障下的相位跳变补偿值输入到锁相环的锁相控制系统中;S4、按照步骤S2中选定的锁相方式对高压直流换相电压的相位进行同步。优选的,步骤S1的故障检测过程具体如下:S11、对于当前时刻及其前三个时刻,将这些时刻对应的相位增量输出按照时间序列依次进行比较,当相位增量差连续3次大于第一阈值,则生成第一控制信号;将频率跟踪器的输出变化率与第二阈值进行比较,在输出变化率大于阈值的情况下生成第二控制信号;获取换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc,并将这些电压分量在αβ坐标系下的电压幅值与第三阈值比较,当αβ坐标系下的电压幅值大于第三阈值时,生成第三控制信号;S12、综合第一、二和第三控制信号,生成故障控制信号;S13、将换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc分别与各自对应的前一周期的电压值进行比较,小于或等于则表示换流母线正常工作,处于额定工况;大于则表示响应检测,其中,最先响应检测的相即为故障相,若三个相同时响应,则为对称故障,若只有最先响应的相响应,则为非对称故障。更进一步的,第一阈值为0.3°,第二阈值为15000,第三阈值为0.9p.u.。优选的,步骤S3中相位跳变补偿值的计算过程如下:S31、将换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc转换至αβ坐标系下;S32、基于GDSC对αβ坐标系下的电压分量进行滤波,获取GDSC的输出,基于该输出与其前一周期的输出,生成对应的比值向量S33、利用比值向量计算相位跳变量对应的向量S34、将上述向量经过直流GDSC0滤波后,取其对应的相角即求得最终的相位跳变补偿值θcomp。更进一步的,GDSC输入与输出的关系表示为:式中,k表示第k次采样;为旋转因子,其中,e是自然常数,m是正整数,取值由GDSC的DSC滤波器决定;N为一个周期的采样次数;表示输入的电压:式中,H(k)为单位阶跃函数;为相位跳变前的输入信号;为相位跳变后的信号;为相位跳变前的初相位;即为对称故障引起的相位跳变量;Ts为采样周期;ω为电网角频率;Vpre(k)为跳变前电压信号的幅值;为跳变前相角的指数表示;Vpost(k)为跳变后电压信号的幅值;为跳变后相角的指数表示;最终,GDSC输入与输出的关系式为:式中,γ(k)=[1+floor(32k/N)]/32,floor表示向下取整,那么△γ(k)=1/32;步骤S32生成的比值向量为:更进一步的,直流GDSC0输入与输出的关系表示为:优选的,在步骤S4中,在额定工况或者非对称故障工况下,按照选定的第一锁相方式对高压直流换相电压的相位进行同步,过程如下:S411、将上述的换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc,以采样周期Ts为采样基准,进行插补采样处理;利用一个固定储存位置来储存采样周期Ts的累加时间进度值t0=kTs;S412、将上述t0与运行时间t进行比较,运行时间t为运行步长tstep的累加时间,当t≥t0时,输出同步信号sync=1,作为使能信号,同时输出线性插值的百分数frac=(t-t0)/tstep;S413、考虑到采样周期Ts不一定为运行步长的整数倍,需要对采样信号进行自定义插值处理:Out′i=Outi-(Outi-Outi-1)×frac=Outi×frac+Outi-1×(1-frac)其中,Out′i表示最终的插值处理所得的信号结果;Outi表示最近一次的获取的电压信号;Outi-1表示上一次获取的电压信号;插值采样后的获取的三相电压信号为:其中,k为正整数,与一个周期内的采样次数对应;Vm表示电压幅值;ω表示电网角频率;为电压初相位;S414、将上述插补采样后的三相电压信号转换到αβ坐标系下,然后进行Clarke变换:Clarke变换后获得的电压信号为:S415、利用FIR数字滤波器从上述电压信号中提取出αβ坐标系下的基频正序电压分量:本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,步骤如下:/nS1、故障检测:在锁相环的测量系统中,根据高压直流输电系统的换流母线前三次的相位增量差、频率跟踪器的输出变化率和输入的换相电压幅值,以及换流母线当前a相电压v

【技术特征摘要】
1.一种可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,步骤如下:
S1、故障检测:在锁相环的测量系统中,根据高压直流输电系统的换流母线前三次的相位增量差、频率跟踪器的输出变化率和输入的换相电压幅值,以及换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc的周期检测结果,检测是否发生对称故障;
S2、选定锁相方式:若判定为对称故障,则将锁相环运行在第二锁相方式;若判定为额定工况或者非对称故障,则将锁相环运行在第一锁相方式;
S3、在发生对称故障的情况下计算相位跳变补偿值,并将对称故障下的相位跳变补偿值输入到锁相环的锁相控制系统中;
S4、按照步骤S2中选定的锁相方式对高压直流换相电压的相位进行同步。


2.根据权利要求1所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,步骤S1的故障检测过程具体如下:
S11、对于当前时刻及其前三个时刻,将这些时刻对应的相位增量输出按照时间序列依次进行比较,当相位增量差连续3次大于第一阈值,则生成第一控制信号;
将频率跟踪器的输出变化率与第二阈值进行比较,在输出变化率大于阈值的情况下生成第二控制信号;
获取换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc,并将这些电压分量在αβ坐标系下的电压幅值与第三阈值比较,当αβ坐标系下的电压幅值大于第三阈值时,生成第三控制信号;
S12、综合第一、二和第三控制信号,生成故障控制信号;
S13、将换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc分别与各自对应的前一周期的电压值进行比较,小于或等于则表示换流母线正常工作,处于额定工况;
大于则表示响应检测,其中,最先响应检测的相即为故障相,若三个相同时响应,则为对称故障,若只有最先响应的相响应,则为非对称故障。


3.根据权利要求2所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,第一阈值为0.3°,第二阈值为15000,第三阈值为0.9p.u.。


4.根据权利要求1所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,步骤S3中相位跳变补偿值的计算过程如下:
S31、将换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc转换至αβ坐标系下;
S32、基于GDSC对αβ坐标系下的电压分量进行滤波,获取GDSC的输出,基于该输出与其前一周期的输出,生成对应的比值向量
S33、利用比值向量计算相位跳变量对应的向量
S34、将上述向量经过直流GDSC0滤波后,取其对应的相角即求得最终的相位跳变补偿值θcomp。


5.根据权利要求4所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,GDSC输入与输出的关系表示为:



式中,k表示第k次采样;为旋转因子,其中,e是自然常数,m是正整数,取值由GDSC的DSC滤波器决定;N为一个周期的采样次数;

表示输入的电压:



式中,H(k)为单位阶跃函数;为相位跳变前的输入信号;为相位跳变后的信号;为相位跳变前的初相位;即为对称故障引起的相位跳变量;Ts为采样周期;ω为电网角频率;Vpre(k)为跳变前电压信号的幅值;为跳变前相角的指数表示;Vpost(k)为跳变后电压信号的幅值;为跳变后相角的指数表示;
最终,GDSC输入与输出的关系式为:



式中,γ(k)=[1+floor(32k/N)]/32,floor表示向下取整,那么△γ(k)=1/32;
步骤S32生成的比值向量为:





6.根据权利要求5所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,直流GDSC0输入与输出的关系表示为:





7.根据权利要求1所述的可快速同步对称故障下电压相位的高压直流锁相环算法,其特征在于,在步骤S4中,在额定工况或者非对称故障工况下,按照选定的第一锁相方式对高压直流换相电压的相位进行同步,过程如下:
S411、将上述的换流母线当前a相电压va、b相电压vb和c相电压vc,以采样周期Ts为采样基准,进行插补采样处理;
利用一个固定储存位置来储存采样周期Ts的累加时间进度值t0=kTs;
S412、将上述t0与运行时间t进行比较,运行时间t为运行步长tstep的累加时间,当t≥t0时,输出同步信号sync=1,作为使能信号,同时输出线性插值的百分数frac=(t-t0)/tstep;
S413、考虑到采样周期Ts不一定为运行步长的整数倍,需要对采样信号进行自定义插值处理:
Out′i=Outi-(Outi-Outi-1)×frac
=Outi×frac+Outi-1×(1-frac)
其中,Out′i表示最终的插值处理所得的信号结果;Outi表示最近一次的获取的电压信号;Outi-1表示上一次获取的电压信号;
插值采样后的获取的三相电压信号为:



其中,k为正整数,与一个周期内的采样次数对应;Vm表示电压幅值;ω表示电网角频率;为电压初相位;
S414、将上述插补采样后的三相电压信号转换到αβ坐标系下,然后进行Cl...

【专利技术属性】
技术研发人员:周保荣吴秋媚汪娟娟叶运铭杨健文兆新
申请(专利权)人:华南理工大学南方电网科学研究院有限责任公司
类型:发明
国别省市:广东;44

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