CN103543357B - 一种换流阀换相失败的预判方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换流阀换相失败的预判方法，包括以下步骤：计算逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值；计算逆变侧换流阀的触发角上限；预判是否发生换相失败。本发明提供一种换流阀换相失败的预判方法，可以准确判断出由逆变侧交流***故障或直流***过载等常见原因导致的换相失败，为预防换相失败提供信息。判断迅速，故障发生后约1ms即可得到换相失败判断信息，有助于迅速采取措施预防换相失败。判断准确，根据理论推导得到的触发角上限计算方法，该方法可以准确判断出换相失败的发生。

Description

一种换流阀换相失败的预判方法

技术领域

本发明涉及一种预判方法，具体涉及一种换流阀换相失败的预判方法。

背景技术

电力电子技术经过了20世纪70～80年代的晶闸管阀时期，使直流输电得到了大发展，并在大电网互联方面展现了更多优势，传统的纯交流电网已发展成为交直流混合电网；采用晶闸管作为换相元件的常规电网换相高压直流输电（Line-Commutated-ConverterHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC）以其大容量远距离输电、有功功率快速可控等特点在世界范围内得到了快速的发展。

换流站的换相失败（CommutationFailure，CF）和直流线路故障是直流***较为常见的故障形式。当电网发生故障或三相严重不对称时，会导致交流母线电压下降，线电压过零点可能提前，LCC-HVDC阀臂的换流重叠角将增大，关断角将减小，有可能导致换相失败。换相失败的发生严重限制了直流***传输功率，使得传输功率从正常值突然下降到很小的值甚至是零，为整个交直交***带来巨大的扰动。

导致换相失败的原因主要是逆变侧发生接地或相间短路故障、交流母线电压降低、直流电流突然上升等，另外,晶闸管故障和触发***异常也可能导致换相失败。

在国外，同一公司的直流输电技术装置的控制保护平台基本都是采用一种共性平台的方式，针对不同类型的直流工程要求而使用相应的控制保护模块，而其控制保护平台的体系与结构基本保持不变。ABB，SIEMENS等作为国际上少数可以完整对直流输电控制保护***设计制造的公司，国内目前采用的控制保护***也主要采用以上两个公司的方案，而国内对HVDC***故障时的控制保护策略研究的相对薄弱；并且ABB提出的换相失败预判方法只能判断出交流侧故障的发生，不能判断出此次故障能否导致换相失败。为预防换相失败首先需要对换相失败进行预判，因此换相失败的预判方法成为预防换相失败的首要研究对象。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种换流阀换相失败的预判方法，可以准确判断出由逆变侧交流***故障或直流***过载等常见原因导致的换相失败，为预防换相失败提供信息。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种换流阀换相失败的预判方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值；

步骤2：计算逆变侧换流阀的触发角上限；

步骤3：预判是否发生换相失败。

所述步骤1中，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：测量逆变侧交流电流线电压幅值U_L和工作条件下的直流电流瞬时值I_d；

步骤1-2：逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值分别用和表示，分别表示为：

$U_L^{*}=U_L/U_{\mathrm{LN}}---\left(1\right)$

$I_d^{*}=I_d/I_{\mathrm{dN}}---\left(2\right)$

其中，U_LN为额定线电压幅值，I_dN为额定直流电流值。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：计算额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积；

步骤2-2：计算当前工作条件下换相所需的换相面积；

步骤2-3：计算逆变侧换流阀的触发角上限。

所述步骤2-1中，按通用编号顺序，u_ba为换流阀1向换流阀3换相的换流电压，其在额定工作条件下的表达式为：

u_ba(t)＝U_LNsin(ωt)（3）

其中，u_ba(t)为t时刻，在额定工作条件下，换流阀1向换流阀3换相的换流电压；U_LN为额定换相电压幅值；ω为换流电压u_ba的角频率；

设逆变侧的额定触发角为α_N，逆变侧的额定关断角为γ_N；换相开始时刻，换流电压u_ba的相位为α_N，换相结束时刻，换流电压u_ba的相位为π-γ_N；

于是，额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积表示为：

$A_N=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_N}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_N}{U}_{\mathrm{LN}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{d\ωt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_N}{U}_{\mathrm{LN}}[\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N]---\left(4\right)$

其中，A_N为额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积。

所述步骤2-2中，当前工作条件下换相所需的换相面积表示为：

$\frac{A_f}{A_N}=\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}---\left(5\right)$

其中，A_f为当前工作条件下换相所需的换相面积；I_d为当前工作条件下的直流电流；I_dN为额定工作条件下的直流电流；

结合（4）和（5），可得：

$A_f=\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}\·\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_{\mathrm{LN}}(\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N)---\left(6\right)$

所述步骤2-3中，由于当前工作条件下，换相电压会发生波动，逆变侧换流阀的触发角达到触发角上限α_limit时，关断角为γ₀，则换相电压发生波动后，换相电压幅值由U_LN变为U_L，换相所需的换相面积为：

$A_f^{\text{'}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_0}{U}_L\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{d\ωt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_L(\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}+\cos {\mathrm{\γ}}_0)---\left(7\right)$

其中，A′_f为换相电压发生波动后，当前工作条件下换相所需的换相面积；

结合（6）和（7），可得：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}=\arccos [\frac{U_{\mathrm{LN}}}{U_L}\·\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}(\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N)-\cos {\mathrm{\γ}}_0]---\left(8\right)$

所述步骤3中，通过比较换流阀的控制保护***输出的触发角与逆变侧换流阀的触发角上限，即可预判是否发生换相失败；控制保护***输出的触发角用α表示，判断过程具体为：

A)若α＜α_limit，则可判断出换流阀未发生换相失败；

B)若α＞α_limit，导致换流阀的关断角γ小于换流阀的最小关断角γ₀，进而导致换流阀发生换相失败。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.判断迅速，故障发生后约1ms即可得到换相失败判断信息，有助于迅速采取措施预防换相失败。

2.判断准确，根据理论推导得到的触发角上限计算方法，该方法可以准确判断出换相失败的发生。

3.可以准确判断出由逆变侧交流***故障或直流***过载等常见原因导致的换相失败，为预防换相失败提供信息。

附图说明

图1是换流阀换相失败的预判方法流程图；

图2是两相换相等值电路示意图；

图3是换相电压u_ba波形及换流阀1向换流阀3换相过程示意图；

图4是当t＝2.0s发生故障时，触发角指令与触发角上限α_limit波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明提供一种换流阀换相失败的预判方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值；

步骤2：计算逆变侧换流阀的触发角上限；

步骤3：预判是否发生换相失败。

所述步骤1中，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：测量逆变侧交流电流线电压幅值U_L和工作条件下的直流电流瞬时值I_d；

步骤1-2：逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值分别用和表示，分别表示为：

$U_L^{*}=U_L/U_{\mathrm{LN}}---\left(1\right)$

$I_d^{*}=I_d/I_{\mathrm{dN}}---\left(2\right)$

其中，U_LN为额定线电压幅值，I_dN为额定直流电流值。

如图2，为两相换相等值电路图。设t₁为换相开始时刻，t₂为换相结束时刻，那么在t∈[t₁,t₂]时，由换流电感上的电压关系和换相开始前后换流阀上的电流关系，有其中：L_r为换流电感，I_d为直流电流，u′_ba(t)为AB两相之间线电压，A为换相面积。

定义换相电压对时间的积分为换相电压时间面积(以下简称换相面积，记为A)，说明了完成换相过程所需的换相面积A为一固定值，且换相面积A与直流电流成正比关系。换相面积A的大小决定了换相过程的快慢，也决定了换相角μ的大小。

所述步骤2中，触发角增大时，关断角会随之减小；当触发角增大至关断角等于最小关断角γ₀时，如果继续增大触发角，则必将导致关断角小于最小关断角γ₀，进而导致换相失败。因此，使关断角等于最小关断角γ₀的触发角即为不会导致换相失败的最大触发角，这里称为触发角上限（记为α_limit）。具体包括以下步骤：

步骤2-1：计算额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积；

步骤2-2：计算当前工作条件下换相所需的换相面积；

步骤2-3：计算逆变侧换流阀的触发角上限。

所述步骤2-1中，以逆变侧换相电压u_ba的波形和换流阀1向换流阀3换相的换相过程来说明额定工作条件下换相面积A_N的计算方法。假设换相电压u_ba波形为标准正弦波形，且角频率不发生变化，逆变侧换相电压u_ba波形如图3所示，按通用编号顺序，u_ba为换流阀1向换流阀3换相的换流电压，其在额定工作条件下的表达式为：

u_ba(t)＝U_LNsin(ωt)（3）

其中，u_ba(t)为t时刻，在额定工作条件下，换流阀1向换流阀3换相的换流电压；U_LN为额定换相电压幅值；ω为换流电压u_ba的角频率；

设逆变侧的额定触发角为α_N，逆变侧的额定关断角为γ_N；换相开始时刻，换流电压u_ba的相位为α_N，换相结束时刻，换流电压u_ba的相位为π-γ_N；

于是，额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积表示为：

$A_N=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_N}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_N}{U}_{\mathrm{LN}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{d\ωt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_N}{U}_{\mathrm{LN}}[\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N]---\left(4\right)$

其中，A_N为额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积。

所述步骤2-2中，当前工作条件下换相所需的换相面积表示为：

$\frac{A_f}{A_N}=\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}---\left(5\right)$

其中，A_f为当前工作条件下换相所需的换相面积；I_d为当前工作条件下的直流电流；I_dN为额定工作条件下的直流电流；

结合（4）和（5），可得：

$A_f=\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}\·\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_{\mathrm{LN}}(\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N)---\left(6\right)$

所述步骤2-3中，由于当前工作条件下，换相电压会发生波动，逆变侧换流阀的触发角达到触发角上限α_limit时，关断角为γ₀，则换相电压发生波动后，换相电压幅值由U_LN变为U_L，换相所需的换相面积为：

$A_f^{\text{'}}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_0}{U}_L\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{d\ωt}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_L(\cos {\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}+\cos {\mathrm{\γ}}_0)---\left(7\right)$

其中，A′_f为换相电压发生波动后，当前工作条件下换相所需的换相面积；

结合（6）和（7），可得：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{limit}}=\arccos [\frac{U_{\mathrm{LN}}}{U_L}\·\frac{I_d}{I_{\mathrm{dN}}}(\cos {\mathrm{\α}}_N+\cos {\mathrm{\γ}}_N)-\cos {\mathrm{\γ}}_0]---\left(8\right)$

所述步骤3中，通过比较换流阀的控制保护***输出的触发角与逆变侧换流阀的触发角上限，即可预判是否发生换相失败；控制保护***输出的触发角用α表示，判断过程具体为：

A)若α＜α_limit，则可判断出换流阀未发生换相失败；

B)若α＞α_limit，导致换流阀的关断角γ小于换流阀的最小关断角γ₀，进而导致换流阀发生换相失败。

图4为2.0s发生交流侧故障时，触发角上限和控制保护***触发角指令波形。故障发生后约1ms即可判断出换相失败的发生，得到预判结果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种换流阀换相失败的预判方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值；

步骤2：计算逆变侧换流阀的触发角上限；

步骤3：预判是否发生换相失败；

所述步骤1中，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1‐1：测量逆变侧交流电流线电压幅值U_L和工作条件下的直流电流瞬时值I_d；

步骤1‐2：逆变侧交流电流电压幅值标幺值和直流电流标幺值分别用和表示，分别表示为：

$U_L^{*}=U_L/U_{LN}---\left(1\right)$

$I_d^{*}=I_d/I_{dN}---\left(2\right)$

其中，U_LN为额定线电压幅值，I_dN为额定直流电流值；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2‐1：计算额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积；

步骤2‐2：计算当前工作条件下换相所需的换相面积；

步骤2‐3：计算逆变侧换流阀的触发角上限；

所述步骤2‐1中，按通用编号顺序，u_ba为换流阀1向换流阀3换相的换流电压，其在额定工作条件下的表达式为：

u_ba(t)＝U_LNsin(ωt)(3)

其中，u_ba(t)为t时刻，在额定工作条件下，换流阀1向换流阀3换相的换流电压；U_LN为额定换相电压幅值；ω为换流电压u_ba的角频率；

设逆变侧的额定触发角为α_N，逆变侧的额定关断角为γ_N；换相开始时刻，换流电压u_ba的相位为α_N，换相结束时刻，换流电压u_ba的相位为π-γ_N；

于是，额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积表示为：

$A_N=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_N}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_N}{U}_{LN}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)d\mathrm{\ω}t=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_{LN}\[{\mathrm{cos\α}}_N+{\mathrm{cos\γ}}_N\]---\left(4\right)$

其中，A_N为额定工作条件下的换流阀换相所需的换相面积。

2.根据权利要求1所述的换流阀换相失败的预判方法，其特征在于：所述步骤2‐2中，当前工作条件下换相所需的换相面积表示为：

$A_f=\frac{I_d}{I_{dN}}{A}_N---\left(5\right)$

其中，A_f为当前工作条件下换相所需的换相面积；I_d为当前工作条件下的直流电流；I_dN为额定工作条件下的直流电流；

结合(4)和(5)，可得：

$A_f=\frac{I_d}{I_{dN}}\·\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_{LN}({\mathrm{cos\α}}_N+{\mathrm{cos\γ}}_N)---\left(6\right).$

3.根据权利要求2所述的换流阀换相失败的预判方法，其特征在于：所述步骤2‐3中，由于当前工作条件下，换相电压会发生波动，逆变侧换流阀的触发角达到触发角上限α_limit时，关断角为γ₀，则换相电压发生波动后，换相电压幅值由U_LN变为U_L，换相所需的换相面积为：

$A_f^{\′}=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_{\lim it}}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_0}{U}_{L}sin\left(\mathrm{\ω}t\right)d\mathrm{\ω}t=\frac{1}{\mathrm{\ω}}{U}_L({\mathrm{cos\α}}_{\lim it}+{\mathrm{cos\γ}}_0)---\left(7\right)$

其中，A′_f为换相电压发生波动后，当前工作条件下换相所需的换相面积；

结合(6)和(7)，可得：

${\mathrm{\α}}_{\lim it}=arccos\[\frac{U_{LN}}{U_L}\·\frac{I_d}{I_{dN}}({\mathrm{cos\α}}_N+{\mathrm{cos\γ}}_N)-{\mathrm{cos\γ}}_0\]---\left(8\right).$

4.根据权利要求1所述的换流阀换相失败的预判方法，其特征在于：所述步骤3中，通过比较换流阀的控制保护***输出的触发角与逆变侧换流阀的触发角上限，即可预判是否发生换相失败；控制保护***输出的触发角用α表示，判断过程具体为：

A)若α＜α_limit，则可判断出换流阀未发生换相失败；

B)若α＞α_limit，导致换流阀的关断角γ小于换流阀的最小关断角γ₀，进而导致换流阀发生换相失败。