直流输电系统换相失败检测方法.pdf

本发明涉及一种直流输电系统换相失败检测方法，对于一个换流站：计算系统提供的换流器熄弧角γ，将系统提供的换流器熄弧角γ与换流器自身需要的熄弧角最小值γmin进行比较，判断判据γ>γmin是否满足；计算交流线电压提供的最大电压时间面积Sv与换相过程中换流器需要的换相面积S；判断判据Sv>S是否满足；上述判据只要有一个满足，就判断系统发生换相失败。本发明的方法中同时采用熄弧角与换相面积进行判断，从两个方面同时直观并完整的反映多馈入直流输电系统换相过程，不论是电压跌落还是电压畸变都能够准确检测，从而检测换相失败发生趋势，为换流器的保护策略提供依据，同时为无功补偿等换相失败预防措施提供参考依据。

1.  一种直流输电系统换相失败检测方法，其特征在于，对于一个换流站：
计算系统提供的换流器熄弧角γ，将系统提供的换流器熄弧角γ与换流器自身需要的熄弧角最小值γ_min进行比较，判断判据γ>γ_min是否满足；
计算交流线电压提供的最大电压时间面积S_v与换相过程中换流器需要的换相面积S；判断判据S_v>S是否满足；
上述判据只要有一个满足，就判断系统发生换相失败。

2.  根据权利要求1所述的直流输电系统换相失败检测方法，其特征在于，判据S_v>S为：
Sv=∫π-βπ-γminuv(ωt)dωt>|S|=2Lr|Id|,]]>u_v为逆变器交流侧实时电压。

3.  根据权利要求1所述的直流输电系统换相失败检测方法，其特征在于，判据γ的计算公式为：
cosβ=cosγ-2XiIdEi.]]>

4.  根据权利要求1或2或3所述的直流输电系统换相失败检测方法，其特征在于，满足所述判据γ>γ_min时，输出信号“0”，根据信号“0”出现次数和持续时间辨识换相失败的类型：当“0”信号只出现了一次且持续设定时间时，该站发生一次换相失败；当“0”信号出现了多次，则为多次换相失败；如果一次“0”信号的持续时间大于一段时间时则为连续多次换相失败。

直流输电系统换相失败检测方法
技术领域
本发明涉及一种直流输电系统换相失败检测方法，特别适用于多馈入系统。
背景技术
晶闸管作为一种技术成熟的半控型电力电子器件，由于其具有容量大、耐压高的特点，目前大部分高压直流输电系统以晶闸管为基本换流单元。但是由于晶闸管换流器采用电网换相技术以及晶闸管自身特性，换相失败对于高压直流输电系统来说是一个无法彻底消除的故障。
由于我国能源分布不均衡、经济发展水平差异大的特点，高压直流输电对于我国的现代化建设有着非常重要的意义。近几年，在我国已经有多条高压直流输电线路并网投入运行，而且伴随着经济发展与能源结构转型的趋势，未来直流输电线路会日益增多。因此将会出现多条直流输电线路同时落点于同一个地区的现象，在该区域形成多馈入直流输电系统，这种现象目前已经在我国华南、华东地区出现。与单馈入直流输电系统不同，在多馈入直流输电系统中当一条线路发生换相失败后，除造成自身落点处电网波动外，还有可能引起相邻换流站发生换相失败，从而对整个地区电力系统的安全稳定带来严重威胁。
目前，在多馈入直流输电系统的针对换相失败的研究主要集中在发生原因、判断方法和影响因素等。而对于多馈入直流输电系统中换相失败的实时跟踪评估与预警方法并没有涉及，无法在换相失败发生后为换流器的保护动作提供参考依据，同时无法为换相失败预防措施提供相应的运行参考。
而且，现有技术中对换相失败的判断主要依据系统提供的熄弧角与换流器自身需要的熄弧角大小关系。这种判断方法对因电压跌落产生的换相失败比较 敏感。但对于谐波畸变产生的换相失败，可能无法判断。而谐波畸变在多馈入系统中是较多的。例如如图1所示的多馈入直流输电系统，包括三个换流站，图中Z₁₂、Z₂₃和Z₁₃分别为三条直流输电系统之间的耦合阻抗。图2所述为多馈入直流输电系统继发性换相失败发生原理示意图。多馈入系统中，当一条直流输电线路逆变器发生换相失败时，会导致其交流侧电压波动和谐波不稳定。通过逆变站之间耦合阻抗的作用使相邻逆变站交流侧也发生电压波动和波形畸变，从而影响到相邻逆变站的换流过程，进而引起继发性换相失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流输电系统换相失败检测方法，用以解决现有技术中电压畸变引起的换相失败难以检测的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种直流输电系统换相失败检测方法，对于一个换流站：
计算系统提供的换流器熄弧角γ，将系统提供的换流器熄弧角γ与换流器自身需要的熄弧角最小值γ_min进行比较，判断判据γ>γ_min是否满足；
计算交流线电压提供的最大电压时间面积S_v与换相过程中换流器需要的换相面积S；判断判据S_v>S是否满足；
上述判据只要有一个满足，就判断系统发生换相失败。
判据S_v>S为：
Sv=∫π-βπ-γminuv(ωt)dωt>|S|=2Lr|Id|,]]>u_v为逆变器交流侧实时电压。
判据γ的计算公式为：
cosγ=cosβ+2XiIdEi.]]>
满足所述判据γ>γ_min时，输出信号“0”，根据信号“0”出现次数和持续时 间辨识换相失败的类型：当“0”信号只出现了一次且持续设定时间时，该站发生一次换相失败；当“0”信号出现了多次，则为多次换相失败；如果一次“0”信号的持续时间大于一段时间时则为连续多次换相失败。
本发明的方法中同时采用熄弧角与换相面积进行判断，从两个方面同时直观并完整的反映多馈入直流输电系统换相过程，不论是电压跌落还是电压畸变都能够准确检测，从而检测换相失败发生趋势，为换流器的保护策略提供依据，同时为无功补偿等换相失败预防措施提供参考依据。
附图说明
图1是多馈入直流输电系统示意图；
图2是多馈入直流输电系统继发性换相失败发生原理示意图；
图3是基于熄弧角计算的换相失败判断示意图；
图4是基于换相面积评估换相失败判断示意图；
图5是多馈入直流输电系统中换相失败实时评估方法实现过程示意图；
图6是多馈入直流输电系统中直流电流仿真波形；
图7是多馈入直流输电系统中基于熄弧角换相失败实时评估输出结果；
图8是多馈入直流输电系统中基于换相面积方法的换相失败实时评估输出结果。
具体实施方式
首先对本发明的创造过程进行分析。
根据现有技术可知，逆变器换流过程中熄弧角存在以下关系：
cosγ=cosβ+2XiIdEi---(1)]]>
式中，β为逆变器触发超前角；γ为逆变器的熄弧角，X_i为交流系统每一相的换相电抗，I_d为直流电流，E_i为逆变器交流侧线电压有效值。其中换相电抗是换流变压器固有参数。
在逆变器运行过程中，换相失败的本质原因是换相过程中系统提供的熄弧角γ小于换流器自身需要的熄弧角最小值γ_min。
从公式(1)看出触发超前角、换相电抗、直流电流和交流线电压有效值四个因素都有可能导致换相失败的发生。
实际运行中，换相失败发生的主要因素是交流系统故障，而直流电流和触发超前角导致换相失败的概率非常低。
公式(1)中所示的方法是能够检测到交流电压有效值跌落故障导致的换相失败，当交流电压由于谐波等因素导致波形畸变时，换相过程也可能无法顺利进行。
在换相过程中，如果整流侧采用定电流控制策略，或者认为直流系统的平波电抗器很大，那么可以认为I_d为恒定值。在换相过程逆变器交流侧电压存在以下关系：
uab(t)=Lrdi3dt-Lrd(Id-i3)dt=2Lrdi3dt---(2)]]>
对上式两侧同时进行时间[t₁,t₂]上积分，在换相过程中，换相开始晶闸管上的电流为零，换相结束后，电流变成I_d，在上式中u_ab在[t₁,t₂]上积分的结果是波形和时间轴围成的面积，用S来表示这一部分面积的大小，将上式变换为：
2LrId=∫t1t2uab(t)dt=S---(3)]]>
从公式(3)中可以看出，换相过程中需要交流系统提供的换相面积是一定的。需要计算每一条直流线路逆变站交流侧电压时间面积。交流系统能提供的最大电压时间面积计算表达式如下：
Sv=∫π-βπ-γminuv(ωt)dωt---(4)]]>
其中，S_v为交流系统能提供的最大交流电压时间面积，β为逆变器触发超 前角，γ_min为换流器自身最小熄弧角，u_v为交流电压。
如公式(3)所述，根据系统实时参数计算出运行过程所需要的换相面积，表达式如下：
S＝2L_r|I_d|  (5)
其中，S为逆变器换相过程需要的换相面积，L_r为交流系统每一相的换相电感，I_d为直流电流；同时将每条直流线路S_v计算值与换相面积S计算值进行对比输出。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。以多馈入系统为例，如图5所示。通过系统固有参数和运行中实时测量参数，将熄弧角计算结果和换流器最小熄弧角进行比较，并输出换相失败实时评估结果；将交流电压时间面积计算结果和换相面积计算值进行比较，并输出换相失败实时评估结果；最后将输出结果反馈到控制器。
图3所述为基于熄弧角计算的换相失败实时评估方法原理示意图。在逆变器运行过程中，换相失败的本质原因是换相过程中系统提供的熄弧角小于换流器自身需要的熄弧角最小值γ_min。逆变器换流过程中熄弧角γ存在以下关系：
cosγ=cosβ+2XiIdEi---(1)]]>
式中，β为逆变器触发超前角；γ为逆变器的熄弧角，X_i为交流系统每一相的换相电抗，I_d为直流电流，E_i为逆变器交流侧线电压有效值。其中换相电抗是换流变压器固有参数，在系统运行时为常数。
图4所述为基于换相面积评估换相失败原理示意图。在换相过程中，如果整流侧采用的是定电流控制，或者认为直流系统的平波电抗器很大，那么可以认为I_d为恒定值。在换相过程中要保证换相过程正常进行的交流电压时间面积应该满足以下条件：
Sv=∫π-βπ-γminuv(ωt)dωt>|S|=2Lr|Id|---(2)]]>
上式中，S_v为交流线电压提供的最大电压时间面积，S为换相过程中换流器需要的换相面积。
根据系统测量系统得到的实时参数，按照公式(1)计算出当前换相过程中系统给换流器提供的熄弧角γ。将当前系统能提供的熄弧角γ计算值和换流器自身要求的最小熄弧角γ_min进行比较，当γ>γ_min时换相过程能顺利进行，评估系统输出“1”，当γ<γ_min时换相过程无法顺利进行，评估系统输出“0”，因此根据输出的高低电平信号就可以评估当前的换相过程是否顺利进行。根据“0”信号出现次数和持续时间可以辨识换相失败的类型。根据换相过程实时评估系统的输出结果可以反馈给控制系统。
根据图3，当γ>γ_min时，评估结果为“1”；当γ<γ_min时，评估结果为“0”。根据“0”信号出现次数和持续时间可以辨识换相失败的类型。如：当“0”信号只出现了一次且持续时间为时，该站发生一次换相失败；当“0”信号出现了多次，则为多次换相失败；如果一次“0”信号的持续时间大于时则为连续多次换相失败。
不同的换相失败对应不同的控制保护策略，根据换相过程实时评估系统的输出结果可以反馈给控制系统。
根据S_v和S的大小关系判断换相失败是否发生。如果Sv>S时，换相过程顺利进行；当S_v<S时，在[π-β,π-γ_min]内换相过程无法顺利完成，换相时间增加最终导致γ＝β-μ＜γ_min，逆变器发生换相失败。
将S_v和S之差作为换相失败预防措施的参考条件，如当小于20％，换相失败可能发生的概率就会增加，控制器发出预警信息或者采取换相失败预防措施。
根据当前参数计算出需要的换相面积S，再根据交流电压波形计算出能提供的最大电压时间面积S_v，同时将每条直流线路S_v计算值与换相面积S计算值进行对比输出。
如果S_v>S时，换相过程顺利进行；当S_v<S时，在[π-β,π-γ_min]内换相过程无法顺利完成，逆变器发生换相失败。通过比较可以看出，不仅可以看出换相过程是否正常进行，同时可以看出交流电压时间面积的变化趋势，为预防措施提供预警。
图5所述为多馈入直流输电系统中换相失败实时评估方法实现过程示意图。两套评估方法中只要有一组输出结果显示换相失败，就可以判断系统发生换相失败。通过两套系统可以更加准确和完整的对换相失败进行评估。
通过熄弧角评估方法能够反映交流电压幅值跌落而导致的换相失败，能直观的辨识出换相失败发生的类型，如一次换相失败、多次换相失败、连续多次换相失败；通过换相面积评估系统，还可以检测到波形畸变等故障引起的换相失败，通过换相面积的变化趋势为换相失败预防措施提供参考依据。
总结来说，上述实施方式具有以下优点：
1)采用实时参数，能够实时反映出多馈入直流输电系统换相过程的瞬态特性；
2)通过两套系统相互结合，从两个方面可以更完整和准确的评估换相失败故障；
3)熄弧角监测方法实现过程简单，能直观的辨识出换相失败类型，评估结果能够反映交流电压幅值跌落而导致的换相失败；
4)能够为换相失败发生后换流器保护动作提供参考依据；
5)换相面积方法能够同时检测到交流电压跌落和波形畸变导致的换相失败，并通过还换相面积的变化趋势为换相失败预防措施提供依据；
6)能够判断换相过程是否顺利进行；确定换相失败类型的定位，一次、 多次、连续等。
下面为仿真验证过程。
图6所述为多馈入直流输电系统中三条直流输电线路的直流电流波形。系统1发生交流侧电压跌落故障后，系统1逆变器发生换相失败，然后经逆变器控制器调节进入低电流运行状态，故障切除后恢复正常。
系统2由于受系统1的影响交流侧电压发生波动和畸变，发生继发性换相失败。
系统3由于和系统1、2之间的耦合关系不是很强，系统3的交流侧电压受到的影响较小，并没有发生换相失败。
图7所述为多馈入直流输电系统中三条直流输电线路逆变器基于熄弧角换相失败实时评估输出结果。
当系统1因为发生交流侧电压跌落故障后逆变器发生换相失败，换相失败持续时间为两个换相周期(120°电角度)即发生了两次连续换相失败，经控制器调节进入低电流运行状态，换相过程顺利进行。
系统2由于受系统1影响逆变器发生换相失败，换相失败在1.0s后在两个换相周期发生了两次连续换相失败，在1.15s后发生了一次换相失败。
系统3交流侧受到的影响较小，并没有导致换相失败。
图8所述为多馈入直流输电系统中三条直流输电线路逆变器基于换相面积方法的换相失败实时评估输出结果。
当系统1因为发生交流侧电压跌落故障后交流电压时间面积小于换流器需要的换相面积，逆变器发生换相失败，随后经控制器调节逆变器进入低电流运行状态，使得需要的换相面积减小，以保证提供的交流电压时间面积满足公式(3)，使换相过程顺利进行；
系统2由于受系统1影响逆变器发生换相失败，在1.0s和1.15s两个时刻左右，交流电压时间面积小于系统所需要的换相面积，后经过控制器调节逆 变器进入低电流运行状态，交流电压时间面积满足公式(3)以保证换相过程顺利进行。
系统3的交流电压时间面积受到的影响较小，虽然交流电压时间面积波动但是仍大于换流器需要的换相面积，并没有导致换相失败。
仿真验证了本发明的实用性与使用方法，本发明提出的适用于多馈入直流输电换相失败实时评估方法采用熄弧角与换相面积为基础的实时评估系统，从两个方面同时直观的分析换相过程和辨识换相失败，为逆变器的控制保护策略及换相失败预防措施提供参考依据。
以上给出了本发明的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。