基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断与模拟方法.pdf

本发明公开一种基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断与模拟方法，换相失败判断方法为：建立含有直流输电的交直流电力系统机电暂态仿真模型；计算交流系统中某一点发生交流三相/单相短路故障；比较分析故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值的变化情况以判断直流系统是否发生换相失败；对于交流系统中的各点进行换相判断，计算确定交流故障区域。模拟方法为：根据直流换相失败判断结果，采用人为修改直流功率模拟直流系统换相失败。本发明采用了电力系统占主导应用地位的机电暂态仿真程序，适应性和实用性较强，且简单实用而偏保守，在对交直流相互影响计算分析方面，本发明的仿真方法和结果是有效可行的，能有效满足工程应用所需。

权利要求书一种基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立含有直流输电的交直流电力系统机电暂态仿真模型，包括潮流计算模型和稳定计算模型；
S2.利用步骤S1形成的机电暂态仿真模型，计算交流系统中某一点发生交流三相/单相短路故障，获取故障前高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值                                                与故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值；
S3.利用步骤S2的机电暂态仿真结果，采用实际运行经验和电磁暂态仿真结果作为判断换相失败发生条件的基础，通过比较分析故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值变化情况来判断直流系统是否发生换相失败：
S301.若仿真计算的是交流三相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的90％以下，即/ < 0.9，则判断该点发生交流系统的三相短路故障将引起相应直流发生换相失败；
S302.若仿真计算的是交流单相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的92％以下，即/ < 0.92，则判断该点发生交流系统的单相短路故障将引起相应的直流发生换相失败；
S303.若仿真计算的是交流三相短路故障或单相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的70％以下，即/ < 0.7，则判断该点发生交流系统的短路故障将引起相应的直流发生换相失败，且直流功率将会降低至零；
S4.对于交流系统中的各点，重复步骤S3，通过扫描计算确定在给定故障类型下引起高压直流系统换相失败的交流故障区域。
根据权利要求1所述的基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断方法，其特征在于,所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11.建立含有直流输电的交直流电力系统的潮流计算模型；要求交直流系统模型应包含电网中110kV及以上电压等级电网，电力负荷挂在220kV及110kV主变的中、低压侧，无功补偿装置需单独模拟，不与负荷进行合并；
S12.建立含有直流输电的交直流电力系统的暂态稳定计算模型；要求同步发电机采用Eq”、Ed”变化模型，且考虑自动励磁调节装置、调速器和PSS作用；直流系统参数设置需要考虑直流控制系统作用；负荷模型采用由恒定阻抗、恒定电流、恒定功率并计及频率特性因子的综合负荷模型。
一种基于机电暂态的直流输电系统换相失败模拟方法，其特征在于,
根据基于机电暂态仿真的直流输电系统换相失败判断结果，若交流系统中某一点发生交流三相/单相短路故障后直流系统换相失败，则在暂态仿真计算中采用人为修改直流功率模拟直流系统换相失败，包括以下步骤：
S31.在交流系统三相/单相故障发生时T（故障发生）将直流功率定值人为设置为0，持续5周波；
S32.在三相/单相短路故障消失T（故障消失）开始恢复直流功率，在5周波后直流系统功率定值恢复到额定功率。

说明书基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断与模拟方法
技术领域
本发明属于电力系统直流输电技术领域，特别涉及一种基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断与模拟方法。
背景技术
直流输电系统换相失败是以晶闸管为换流元件的直流系统常见的现象。晶闸管阀的一个特性是其由正向导通转关断的过程中，在正向导通阶段内部储存的游离子必须在阀能够建立正向电压阻断能力之前予以去除/复合。因此，直流系统的换流器需要一定的最小反向电压——时间区域，即晶闸管阀在反向电压作用下持续一段时间以实现去游离/游离子复合。从能量概念来分析，晶闸管阀由正向导通转关断，对游离子进行去游离这个过程，实际上是由外部提供能量改变晶闸管阀状态的过程。对于某一特定的晶闸管阀，去游离所需的能量是一个定值，该能量是以晶闸管阀承受的反向电压——去游离持续时间这个区域的面积来表示。当交流系统发生三相或单相短路故障，会导致换流母线电压跌落，自然换相点不变，电压下降引起的换相能量（电压对时间的积分面积）不足，进而引起换相失败。
目前，我国已有越来越多的直流输电工程投入电网运行，南方电网已形成了“八交五直”的交直流混合输电系统，成为世界上最大的多馈入交直流混合系统。在交直流混合系统中，直流系统换相失败是直流系统最常见的故障之一。连续的换相失败不仅严重威胁直流系统本身的安全稳定运行，而且有可能造成交流系统继电保护的不正确动作，甚至引起一系列控制保护装置的动作，造成严重后果。因此，有效判断与模拟电网中不同地点发生的三相短路和单相接地短路故障是否会导致直流输电逆变器发生换相失败、以及故障清除后直流输电功率恢复特性对稳定性分析结果具有重要影响，尤其是对直流多落点电网，某些故障可能会引起多个直流输电逆变器同时发生换相失败，如果不能正确地通过仿真计算来判断与模拟换相失败和故障恢复特性，则交直流相互影响分析的结果可能与实际电力系统的性能有较大的出入。
电磁暂态仿真方法考虑了直流系统及其控制保护系统电磁暂态特性、输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁过程以及系列元件的非线性特性，可以较准确模拟交流系统故障后直流系统换相失败全过程。但由于受仿真模型和算法的限制，电磁暂态仿真求解速度非常慢，无法进行大规模扫描仿真计算，且所能描述的电力系统规模也相对较小，往往需要进行系统等值，进而在一定程度上丢失了交流系统的一些固有特性。同时，当前电力系统的运行、调度、规划部门乃至研究、试验部门广泛采用机电暂态仿真程序进行交直流电力系统仿真，而且未来较长的一段时间仍然会在交直流电力系统的分析计算中占据着主导地位。但随着交直流电力系统的快速发展，机电暂态程序在实际应用中的一些不足之处逐渐突显，包括：
（1）机电暂态仿真程序的直流模型中，不包含模拟直流系统换流阀组及其触发系统，无法模拟换流阀的电压和电流，无法详细模拟逆变侧的换相失败过程，只能根据逆变器熄弧角的大小粗略地判断是否发生换相失败。
（2）机电暂态仿真程序的直流模型是以换流母线三相交流电压对称为前提条件的，当在交流系统不对称故障期间，换流站交流母线的电压不再对称，准稳态模型在此期间仿真结果是不严格精确的。
（3）机电暂态仿真程序的直流模型只考虑系统基波特性，对直流系统的谐波特性没有模拟，也没有考虑换流站的各种损耗，无功计算值可能会引起较大的误差。
上述不足，导致机电暂态仿真对直流系统换相失败的模拟偏乐观，主要表现在交流系统发生三相（单相）短路故障期间，机电暂态仿真结果的直流功率较实际运行值略大，而且当短路故障消失后，机电暂态仿真结果的直流功率恢复速度也相对较实际运行值快。考虑到电力系统计算分析是否稳定应当采用相对保守的计算方法，因此需要研究针对机电暂态仿真的能够保守分析的直流输电系统换相失败判断与模拟方法。
发明内容
本发明的目的是为克服机电暂态仿真对直流系统换相失败的模拟状态偏乐观的不足与缺点，提出一种基于机电暂态的直流输电系统换相失败判断与模拟方法。该法考虑了直流输电系统换相失败和直流功率恢复特性，简单实用且偏保守的机电暂态仿真判断方法。
本发明的目的由以下技术措施实现：
一种基于机电暂态仿真的直流输电系统换相失败判断方法，包括以下步骤：
S1.建立含有直流输电的交直流电力系统机电暂态仿真模型，包括潮流计算模型和稳定计算模型；
S2.利用步骤S1形成的机电暂态仿真模型，计算交流系统中某一点发生交流三相/单相短路故障，获取故障前高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值                                                与故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值；
S3.利用步骤S2的机电暂态仿真结果，采用实际运行经验和电磁暂态仿真结果作为判断换相失败发生条件的基础，通过比较分析故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值变化情况来判断直流系统是否发生换相失败：
S301.若仿真计算的是交流三相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的90％以下，即/ < 0.9，则判断该点发生交流系统的三相短路故障将引起相应直流发生换相失败；
S302.若仿真计算的是交流单相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的92％以下，即/ < 0.92，则判断该点发生交流系统的单相短路故障将引起相应的直流发生换相失败；
S303.若仿真计算的是交流三相短路故障或单相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的70％以下，即/ < 0.7，则判断该点发生交流系统的短路故障将引起相应的直流发生换相失败，且直流功率将会降低至零；
S4.对于交流系统中的各点，重复步骤S3，通过扫描计算确定在给定故障类型下引起高压直流系统换相失败的交流故障区域。
所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11.建立含有直流输电的交直流电力系统的潮流计算模型；要求交直流系统模型应包含电网中110kV及以上电压等级电网，电力负荷挂在220kV及110kV主变的中、低压侧，无功补偿装置需单独模拟，不与负荷进行合并；
S12.建立含有直流输电的交直流电力系统的暂态稳定计算模型；要求同步发电机采用Eq”、Ed”变化模型，且考虑自动励磁调节装置、调速器和PSS作用；直流系统参数设置需要考虑直流控制系统作用；负荷模型采用由恒定阻抗、恒定电流、恒定功率并计及频率特性因子的综合负荷模型。
建立含有直流输电的交直流电力系统机电暂态仿真模型，包括以下步骤：
1. 建立含有直流输电的交直流电力系统的潮流计算网络模型。要求交直流系统网络模型应包含电网中110kV及以上电压等级电网，电力负荷挂在220kV及110kV主变的中、低压侧，无功补偿装置需单独模拟，不与负荷进行合并。
2. 建立含有直流输电的交直流电力系统的暂态稳定计算网络模型。要求同步发电机采用Eq”、Ed”变化模型，且考虑自动励磁调节装置、调速器和PSS作用。直流系统参数设置需要考虑直流控制系统作用。负荷模型采用由恒定阻抗、恒定电流、恒定功率并计及频率特性因子的综合负荷模型。
本发明还提出一种于机电暂态的直流输电系统换相失败模拟方法，包括以下步骤：
根据基于机电暂态仿真的直流输电系统换相失败判断结果，若交流系统中某一点发生交流三相/单相短路故障后直流系统换相失败，则在暂态仿真计算中采用人为修改直流功率模拟直流系统换相失败，包括以下步骤：
S31.在交流系统三相/单相故障发生时T故障发生将直流功率定值人为设置为0，持续5周波；
S32.在三相/单相短路故障消失时T故障消失开始恢复直流功率，在5周波后直流系统功率定值恢复到额定功率。
本发明具有如下优点：
针对现有主流机电暂态仿真程序对直流换相失败模拟不准确的问题，采用实际运行经验和电磁暂态仿真结果作为判断换相失败发生条件的基础，即如果交流三相/单相短路故障使换流母线三相/单相电压跌落到正常运行电压值92％（90%）及以下，直流输电系统大多会发生换相失败。同时，针对机电暂态仿真程序在交流系统故障时对直流系统故障期间动态特性和故障后恢复特性的模拟相对乐观的问题，拟采用修改直流功率定值的方法对仿真结果进行改进。本发明的直流换相失败判断和模拟方法，采用了电力系统主流的机电暂态仿真程序，适应性和实用性较强，且简单实用而偏保守，在对交直流相互影响计算分析方面，本发明的仿真方法和结果是有效可行的，能有效满足工程应用所需。
附图说明
图1是直流系统换相失败判断图（交流系统三相短路故障图）。
图2是本发明提出的直流系统换相失败模拟方法示意图。
图3是基于机电暂态仿真的直流输电系统换相失败判断与模拟方法效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和计算仿真实例对本发明进一步说明。
图1是针对交流系统三相短路故障后，根据换流站母线电压判断直流系统是否换相失败判断示意图。本图中展示了三种不同的逆变侧换流母线电压响应曲线及其对应的直流系统运行状态。本发明提出的基于机电暂态仿真的直流输电系统换相失败判断方法，通过对机电暂态仿真的故障瞬间高压直流逆变侧换流母线三相电压有效值进行比较：（1）若仿真计算的是交流三相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的90％以下，即/ > 0.9，则判断该点发生交流系统的三相短路故障后直流不会发生换相失败。即当交流系统发生三相短路，故障期间换流站母线如图1中曲线1所示变化，则直流不会换相失败；（2）若仿真计算的是交流三相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的90％以下，即/ < 0.9，则判断该点发生交流系统的三相短路故障将引起相应直流发生换相失败。即当交流系统发生三相短路，故障期间换流站母线如图1中曲线2所示变化，则直流会发生换相失败；（3）若仿真计算的是交流三相短路故障或单相短路故障，且故障瞬间直流逆变侧换流母线三相电压跌落到故障前电压值的70％以下，即/ < 0.7，则判断该点发生交流系统的短路故障将引起相应的直流发生换相失败，且直流功率将会降低至零。即当交流系统发生三相短路，故障期间换流站母线如图1中曲线3所示变化，则直流发生换相失败，且直流功率将会降低至零。
图2是直流系统换相失败模拟方法示意图，图中红色线即为仿真计算中设置的发生换相失败的直流系统功率定值。即在暂态仿真计算中采用人为修改直流功率模拟直流系统换相失败，当交流系统三相（单相）故障发生时T（故障发生）将直流功率定值人为设置为0，持续5周波（0.1秒）；在三相（单相）短路故障消失时T（故障消失）开始恢复直流功率，在5周波（0.1秒）后直流系统功率定值恢复到额定功率。
图3是采用图2直流系统换相失败模拟方法进行仿真的结果，图中分别给出了采用EMTDC电磁暂态仿真——曲线1、BPA机电暂态仿真——曲线2以及采用本发明的方法后的BPA机电暂态仿真的直流功率响应曲线——曲线3，其中。从图中可以看到，采用BPA机电暂态仿真——曲线2，交流系统三相短路故障期间直流功率值较电磁暂态仿真结果值高；而采用直流系统换相失败模拟方法的直流功率响应曲线——曲线3，交流系统三相短路故障期间直流功率值较电磁暂态仿真结果值——曲线1更低，故障消失后直流功率恢复速度更慢。在考虑电磁暂态仿真结果——曲线1更可信的前提下，从对系统稳定性影响角度而言，采用本发明的仿真方法的计算结果较实际运行值和电磁暂态仿真值更保守，采用本发明进行电力系统安全稳定计算分析，特别是进行交直流相互影响计算分析的计算结果是更合理更保守。
因此，本发明的基于机电暂态仿真的直流换相失败判断和模拟方法，能采用电力系统主流的机电暂态仿真程序进行计算分析，适应性和实用性较强，且简单实用而偏保守。在对交直流相互影响计算分析方面，本发明的仿真方法是有效可行的工程化计算分析手段。