CN103762581A - 一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,该方法包括以下步骤:I、逆变站根据网侧三相交流电压瞬时值确定电压幅值下降速度;II、运用正余弦分量检测法和零序电压法判别网侧电压的变化;III、运用关断角逻辑法确定关断角增加值和关断角返回时间常数,通过关断角控制器减小触发角;IV、整流站在换相失败故障恢复过程中投入瞬时电流控制。该方法可以有效防止直流输电***发生周期性换相失败,避免发生直流闭锁事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种输配电技术领域的方法,具体涉及一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法。
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-Converter High VoltageDirect Current,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。
换相失败是采用半控元件晶闸管组成的换流器处于逆变工作状态的一种常见的瞬时故障过程,逆变站近区发生交流***故障,直流***发生瞬时换相失败难以避免。目前同塔架设的林枫直流输电工程中,采用的电压跌落法检测换相失败的启动时间较慢不能有效避免直流换相失败,另外由于整流站直流控制中瞬时电流控制导致换相是恢复过程中直流过冲,易引发周期性换相失败,换相失败造成直流闭锁的风险明显提高。
因此,为了提高同塔架设直流输电工程运行的可靠性,需要提供一种新的同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,防止直流输电***发生周期性换相失败,避免发生直流闭锁事故。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明提供一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,该方法可以有效防止直流输电***发生周期性换相失败,避免发生直流闭锁事故。
为了实现上述发明目的,本发明采取如下技术方案:
一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其改进之处在于:所述方法包括以下步骤:
I、逆变站根据网侧三相交流电压瞬时值确定电压幅值下降速度;
II、运用正余弦分量检测法和零序电压法判别网侧电压的变化;
III、运用关断角逻辑法确定关断角增加值和关断角返回时间常数,通过关断角控制器减小触发角;
IV、整流站在换相失败故障恢复过程中投入瞬时电流控制。
进一步的,所述步骤I包括以下步骤:
S101、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值确定相电压幅值;
S102、稳态时交流电压为正弦波,通过移相90度确定对应时刻交流电压所对应的余弦值,根据三角函数关系确定交流电压的幅值Ua、Ub、Uc;
S103、比较当前时刻所述交流电压的幅值,获得交流电压幅值中的最小值Umin;
S104、将当前时刻与上一时刻的所述电压幅值中的最小值作差,差值乘以与计算周期的时间系数,取反,获得电压幅值下降速度。
进一步的,所述步骤II包括以下步骤:
S201、根据网侧单相交流电压的相电压瞬时值分解为正余弦分量
v=|v|cos(θ+ψ)=acosθ+bsinθ (1)
式中,θ为旋转参考坐标,且ω=dθ/dt,ω为正弦电压的角频率,ψ为相角,a和b分别为cosθ和sinθ的幅值;
根据上式(1)确定|v|如下式(2)和(3);
ψ=tan-1(b/a) (3)
根据上式(2)和(3)确定a和b如下式(4)和(5):
a=vcosθ-v'sinθ (4)
b=vsinθ+v'cosθ (5)
式中,v表示正余弦分量;v'表示正余弦分量v对t的求导,v'=-asinθ+bcosθ;
S202、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值ua、ub、uc确定零序电压u0:
u0=ua+ub+uc (6)
S203、当交流***发生故障时,电压瞬时跌落,根据所述正余弦分量绝对值|v|和故障前所述正余弦分量的差及所述零序电压的绝对值|u0|作为故障判据。
进一步的,所述步骤III包括以下步骤:
S301、将连续三个时刻的电压幅值偏差中的最大值与100%作比较,若偏差大于100%,确认交流电压跌落,启动增大关断角;
S302、根据正余弦分量获得换流母线电压绝对值|v|与故障前所述正余弦分量的差和换流母线零序电压|U0|最大值大于设定值,则启动增大关断角。
S303、根据电压下降的幅度确定需要增加的关断角,由电压下降的表么值△U*25获得所需增加的角度;
S304、调节关断角逻辑的启动和返回时间常数;
S305、所需增加的所述角度输入关断角控制器,通过减小发角实现增加逆变站关断角,避免发生换相失败。
进一步的,所述步骤IV中,当直流电压降低时运用低压限流法限值直流电流指令,用于在交流网扰动后,提高交流***电压稳定性,实现直流***在交直流故障后快速可控的恢复,避免连续的换相失败引起的阀应力。
进一步的,所述步骤IV包括以下步骤:
S401、为加快直流输电***换相失败后的恢复速度,整流站在直流控制中增加瞬时电流控制,当低压限流的输电大于限流阈值,则判定故障结束,增加电流参考值,所述电流参考值的增加值为0.1+0.038/Iref;
S402、为防止逆变站在换相失败恢复期间,直流电流过冲,发送周期性换失败,当检测到直流线路电流上升至故障前的故障阈值时,退出瞬时电流控制;
S403、经所述瞬时电流控制确定新的电流指令,通过整流站电流调节器,实现对直流电流的闭环控制。
进一步的,所述步骤S304中,调节所述关断角逻辑启动和返回时间常数,防止所述关断角逻辑在逆变站电压下降后,由于启动时间缓慢发生换相失败,返回时间过快造成周期性换相失败,增加所述关断角逻辑启动速度快而返回相对缓慢,避免周期性换相失败。
与现有技术相比,本发明的优异效果在于:
1、本发明的方法在直流极控程序中优化瞬时电流控制功能和低压限流环节参数及在增加关断角逻辑中引入正余弦分量和零序电压判据并优化相应参数,方法简单易行,无需增加设备,具有良好的可靠性和经济性。
2、本发明的方法与可应用与其它直流控制和保护兼容,且不会对***及设备安全运行产生影响,具有良好的适用性。
3、本发明的方法不仅可以提高了防止直流输电***发生周期性换相失败,而且对直流输电***预防首次换相失败也有很好的效果,本方法仅在逆变站换流母线电压发生扰动时投入,对正常运行时的控制保护逻辑没有影响,本发明的安全性更高,实用性更强。
4、本发明的方法在逆变侧交流线路故障、邻近变压器充电等导致换流母线电压扰动的情况下,可以有效预防发生连续换相失败,避免直流输电***闭锁,提高直流输电***的可靠性。
附图说明
图1为交流电压跌落引起换相失败预测流程图;
图2为电压下降速度判别流程图;
图3为正余弦分量检测法流程图;
图4为增加关断角流程图;
图5为瞬时电流控制流程图;
图6为增加正余弦分量和零序电压判据并优化后参数后增大关断角逻辑示意图;
图7为低压限流环节的静态特性曲线图;
图8为逆变站附近变压器充电换流母线电压畸变时故障检测逻辑优化前后仿真波形图;
图9为优化瞬时电流控制前后直流***的仿真对比波形图;
图10为增加正余弦分量检测和零序电压判据前后直流***的仿真对比波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供一种直流输电***周期性换相失败的防御方法,该方法使用电压跌落法来防御直流输电***周期性换相失败,且本发明的方法中使用正余弦分量及零序分量检查法、瞬时电流限制等优化电压跌落法,提高其效果。
本发明的方法具体包括以下步骤:
步骤一、逆变站根据网侧三相交流电压瞬时值确定电压幅值下降速度;
步骤二、逆变站基于正余弦分量检测法和零序电压法判别网侧电压的变化;
步骤三、逆变站运用关断角逻辑法确定关断角增加值,确定关断角返回时间常数,触发关断角控制器;
步骤四、整流站在换相失败故障恢复过程中投入瞬时电流控制。
步骤一中,逆变站根据网侧三相交流电压瞬时值确定电压幅值下降速度;如图2所示,图2为电压下降速度判别流程图;确定电压幅值下降速度包括以下步骤:
S101、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值确定相电压幅值;
S102、稳态时交流电压为正弦波,通过移相90度确定对应时刻交流电压所对应的余弦值,根据三角函数关系确定交流电压的幅值Ua、Ub、Uc;
S103、比较当前时刻相电压幅值,获得交流电压幅值中的最小值Umin;
S104、将当前时刻的电压幅值中的最小值与上一时刻的电压幅值中的最小值作差,并乘以与计算周期有关的时间系数,对获得的数据取反,获得电压幅值下降速度。
步骤一中基于正余弦分量用于检查单相故障,启动速度较快,利用电压幅值下降速度既可用检查单相故障也可以检测三相故障,二则互为补充。
步骤二中,逆变站基于正余弦分量检测法和零序电压判别网侧电压的变化;如图3所示,图3为正余弦分量检测法流程图;具体包括以下步骤:
S201、根据网侧单相交流电压的相电压瞬时值分解为正余弦分量;
v=|v|cos(θ+ψ)=acosθ+bsinθ (1)
式中,θ为旋转参考坐标,且ω=dθ/dt,ω为正弦电压的角频率,ψ为相角,a和b分别为cosθ和sinθ的幅值;
根据上式(1)确定|v|如下式(2)和(3);
ψ=tan-1(b/a) (3)
为获得a和b,将上式(1)中v对t求导,并将v′定义为:
v'=(dv/dt)/ω=-asinθ+bcosθ (4)
将上式(1)和(4)消去v和θ,确定a和b如下式(5)和(6):
a=vcosθ-v'sinθ (5)
b=vsinθ+v'cosθ (6)
S202、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值确定零序电压u0:
u0=ua+ub+uc (7)
S203、当交流***发生故障时,电压瞬时跌落,根据所述正余弦分量绝对值|v|和故障前所述正余弦分量的差,与所述零序电压的绝对值|u0|作为故障判据。
步骤三中,逆变站运用关断角逻辑法确定关断角增加值,确定关断角返回时间常数,触发关断角控制器;如图4所示,图4为增加关断角流程图;步骤三中具体包括以下步骤:
S301、将连续三个时刻的电压幅值偏差中的最大值与100%作比较,若偏差大于100%,确认交流电压跌落,启动增大关断角;
S302、正余弦分量计算出换流母线电压绝对值|v|与故障前该量的差和换流母线零序电压|U0|的最大值大于设定值,则启动增大关断角。
S303、根据电压下降的幅度确定需要增加的关断角,由电压下降的表么值△U*25度得到需要增加的角度。
S304、在逻辑中设置在增加关断角逻辑中设置启动时间迅速快(1ms左右),而返回时间相对缓慢(300ms),因为逆变站交流电压下降后几个毫秒内直流可能发生换相失败,如果增加关断角逻辑启动速度过慢,则不能启动预防换相失败的作用,另外考虑到增加关断角逻辑返回过快,容易引起后续发生周期性换相失败,因此需要该逻辑返回时较为缓慢。
S305、将需要增加的关断角输入到关断角控制器,通过调整触发角实现增加逆变站运行的关断角,避免发生换相失败;否则,在逆变站交流故障期间,由于换流阀关断角过小,容易发生换相失败。
步骤四中,整流站在换相失败故障恢复过程中投入瞬时电流控制;如图5所示,图5为瞬时电流控制流程图;瞬时电流控制包括以下步骤:
S401、为了加快直流输电***换相失败后的恢复速度,整流站在直流控制中增加了瞬时电流控制功能,即当低压限流VDCOL的输电大于限流阈值(本实施例为55%),则判定故障结束,开始增加电流参考值,增加值为0.1+0.038/Iref;Iref为电流参考值。
S402、为了防止逆变站在换相失败恢复期间,由于直流电流过冲,导致发生后续周期性换失败,当检测到直流线路电流上升至故障前的故障阈值(本实施例为80%)时,退出瞬时电流控制;
S403、经过瞬时电流控制环节得到新的电流指令,通过整流站电流调节器,实现对直流电流的闭环控制。
上述限流阈值和故障阈值根据具体工况给定,不同直流输电***的阈值设定可不同。
电压跌落法优化
电压跌落法作为预防换相失败的措施,其原理如下:换相电压与阀换相直接关联,如果换相电压降低,阀由于受到反向压降不够大,且反向压降时间短,则阀不能完全中和游离的载子,而无法关断,造成换相失败。换相电压与换流变网侧交流电压成正比,控保***检测当前时刻换流变网侧交流电压的瞬时值,计算当前时刻交流电压的幅值,如果在连续的几个检测时刻内交流电压幅值下降比较多,从而判定此时交流电压发生跌落,应该增大关断角参考值,减小触发角,提前发送触发脉冲,预防阀换相失败。
直流电流过大,会导致换相重叠角增大,关断角减小,换相裕度则不足,容易发生换相失败。控保***检测直流电流,如果在连续的几个检测时刻内直流电流增大比较多,可以判定此时直流电流突增,应该增大关断角参考值,减小触发角,提前发送触发脉冲,预防阀换相失败。
根据预防换相失败原理可知,控保***通过计算交流电压幅值作出是否增大关断角参考值的判断。如图1所示,控保***采样换流变网侧三相交流电压,根据相电压瞬时值计算相电压幅值。稳态时交流电压为正弦波,通过移相90度,则可求得该时刻交流电压所对应的余弦值,根据三角函数关系,求出交流电压的幅值Ua,Ub,Uc。比较当前时刻相电压幅值,求取最小值Umin。将当前时刻与上一时刻的的电压幅值作差,并乘以与计算周期有关的时间系数,然后取反。相邻时刻电压幅值作差取反,反应电压幅值下降速度。取连续三个时刻的电压幅值偏差中的最大值与100%作比较,如果偏差大于100%,确认交流电压跌落,关断角参考值增大6度,触发角将减小,提供阀更大的换相裕度。
直流电流的突增,使阀换相重叠角迅速增大,需要及时增大关断角参考值,减小触发角,预防换相失败。控保***取连续三个时刻的直流电流的最大值与直流电流稳态值作差,如果差值占稳态值的2倍,则确认直流电流突增,关断角参考值增大6度,触发角将减小,提供阀更大的换相裕度。为防止在解锁过程中,直流电流增大,造成预防换相失败误动,使用一阶惯性环节对当前直流电流作平滑处理作为直流电流稳态值,并限制其最小值为10%。
直流逆变站附近变压器充电,充电产生的励磁涌流一般会导致换流母线电压发生畸变,产生零序分量,本发明提出在增加关断角逻辑中增加正余弦分量检测和零序电压判据,同时将原逻辑中的关断角增加值由6度增大至12度,增加关断角返回时间常数。如上方法优化后增大关断角模块在换流母线电压畸变1ms内启动,抵御换相失败能力明显提高。
低压限流环节优化电压跌落法
低压限流(Voltage Dependent Current Limit,VDCL)环节的任务是在直流电压降低时对直流电流指令进行限制,主要用于:1)交流网扰动后,提高交流***电压稳定性;2)帮助直流***在交直流故障后快速可控的恢复;3)避免连续的换相失败引起的阀应力。
低压限流环节的电压和电流定值可以调整,而且两个站的斜坡函数或时间常数能独立调整,以便控制限制电流时的速率以及返回时的速率。两个换流站的低压限流环节之间,电流指令限制特性相互配合,保持电流裕度。
低压限流静态特性为:如果出于某种原因直流电压降至直流电压高点值UD HIGH以下电流指令的最大限幅值开始下降。如图7所示,当直流电压UD小于直流电压高点值UD HIGH时VDCL功能开始限制直流电流指令,直流电流指令将随着直流电压的下降而下降,当直流电流UD降低至直流电压低点值UD LOW时,直流电流指令将被限制在VDCL的最小值IOLIM。VDCL是作用于电流指令的最后一个功能。VDCL的输出是电流控制放大器CCA的执行电流指令。
低压限流环节是在直流电压降低时对直流电流指令进行限制,可以在交流网扰动后,提高交流***电压稳定性;通过调整电压上升时间常数UD_TC_UP,控制直流电流的恢复速度,而此参数一般通过***研究确定,通常对于强交流***一般希望UD_TC_UP设置较小,直流***快速恢复,减小功率缺额的时间。对于弱交流***UD_TC_UP参数需要与交流***配合。帮助直流***在交直流故障后快速可控的恢复。
瞬时电流控制优化电压跌落法
同塔双回直流输电***换相失败故障恢复过程中,整流站瞬时电流控制功能增加10%+3.8%/Iref,使直流电流参考值增大,加快直流电流的恢复过程,瞬时电流控制功能的启动判据为VDCL的输出大于55%,则认为故障结束,增加电流参考值,瞬时电流控制逻辑图见图5。增加该环节的目的是加快交直流故障下直流输电***的恢复时间。
实施例
以林峰直流输电***为例,在电磁暂态仿真程序EMTDC上建立了林枫直流输电研究模型,其中控制保护采用了与实际工程一致的详细模型,在仿真模型上对某日练塘站进行2号特高压主变500kV侧充电试验时引起林枫直流发生周期性换相失败进行了再现,通过与现场波形图比对,仿真波形与现场基本一致。在此基础上,在仿真模型中修改了极控程序包括,优化极控***中的瞬时电流控制功能,在增加关断角逻辑中增加正余弦检测和零序电压判据并优化相应参数。采取上述极控优化措施后,可以有效预防林枫直流在枫泾换流站发生周期性换相失败。
在关断角逻辑中增加正余弦分量检测和零序电压判据可以有效提高故障判别速度大大增加预防换相失败的几率。优化前后的仿真波形如图8所示,从图8(a)中的波形可以看出,优化前从换流母线电压畸变到故障检测启动约需要14ms,而从图8(b)中的波形可以看出,采用正余弦分量和零序电压检测法后,从电压畸变后故障检测逻辑启动在1ms内启动,抵御换相失败能力明显提高。
由于林枫直流控制***存在瞬时电流控制功能,对直流***换相失败恢复过程产生不利影响。考虑整流站实际电流达到故障前电流80%时退出瞬时电流控制功能。
在仿真模型中调整林枫直流双极直流功率至1740MW,模拟练塘站特高压主变充电。
极控优化后,换相失败恢复期间直流电流指令由3200A降至2480A,直流***只发生了两次换相失败,***扰动明显小于优化前的情况,见图9的仿真对比波形。仿真结果和分析证明,瞬时电流控制功能是导致现场发生连续换相失败的原因之一,取消此功能有利于直流***故障后的恢复。
直流逆变站附近变压器充电,充电产生的励磁涌流一般会导致换流母线电压发生畸变,产生零序分量,本发明的方法中,在增加关断角逻辑中增加正余弦分量和零序电压判据,同时将原逻辑中的关断角增加值由6度增大至12度,增加关断角返回时间常数由100ms增加为300ms,获得优化换相失败预测后的仿真波形,如图10所示,由于换相失败快速启动,增大了关断角,有效避免了换相失败,因此直流电压和电流的变化幅度较小。
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 (7)
1.一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
I、逆变站根据网侧三相交流电压瞬时值确定电压幅值下降速度;
II、运用正余弦分量检测法和零序电压法判别网侧电压的变化;
III、运用关断角逻辑法确定关断角增加值和关断角返回时间常数,通过关断角控制器减小触发角;
IV、整流站在换相失败故障恢复过程中投入瞬时电流控制。
2.如权利要求1所述的一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述步骤I包括以下步骤:
S101、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值确定相电压幅值;
S102、稳态时交流电压为正弦波,通过移相90度确定对应时刻交流电压所对应的余弦值,根据三角函数关系确定交流电压的幅值Ua、Ub、Uc;
S103、比较当前时刻所述交流电压的幅值,获得交流电压幅值中的最小值Umin;
S104、将当前时刻与上一时刻的所述电压幅值中的最小值作差,差值乘以与计算周期的时间系数,取反,获得电压幅值下降速度。
3.如权利要求1所述的一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述步骤II包括以下步骤:
S201、根据网侧单相交流电压的相电压瞬时值分解为正余弦分量
v=|v|cos(θ+ψ)=acosθ+bsinθ (1)
式中,θ为旋转参考坐标;ω为正弦电压的角频率,ω=dθ/dt,ψ为相角,a、b分别为cosθ和sinθ的幅值;
根据上式(1)确定|v|如下式(2)和(3);
ψ=tan-1(b/a) (3)
根据上式(2)和(3)确定a和b如下式(4)和(5):
a=vcosθ-v'sinθ (4)
b=vsinθ+v'cosθ (5)
式中,v表示正余弦分量;v'=-asinθ+bcosθ;
S202、根据网侧三相交流电压的相电压瞬时值ua、ub、uc确定零序电压u0:
u0=ua+ub+uc (6)
S203、当交流***发生故障时,电压瞬时跌落,根据所述正余弦分量绝对值v和故障前所述正余弦分量的差及所述零序电压的绝对值|u0|作为故障判据。
4.如权利要求1所述的一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述步骤III包括以下步骤:
S301、将连续三个时刻的电压幅值偏差中的最大值与100%作比较,若偏差大于100%,确认交流电压跌落,启动增大关断角;
S302、根据正余弦分量获得换流母线电压绝对值|v|与故障前所述正余弦分量的差和换流母线零序电压|U0|最大值大于设定值,则启动增大关断角。
S303、根据电压下降的幅度确定需要增加的关断角,由电压下降的表么值△U*25获得所需增加的角度;
S304、调节关断角逻辑的启动和返回时间常数;
S305、所需增加的所述角度输入关断角控制器,通过减小发角实现增加逆变站关断角,避免发生换相失败。
5.如权利要求1所述的一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述步骤IV中,当直流电压降低时运用低压限流法限值直流电流指令,用于在交流网扰动后,提高交流***电压稳定性,实现直流***在交直流故障后快速可控的恢复,避免连续的换相失败引起的阀应力。
6.如权利要求1所述的一种直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:其特征在于:所述步骤IV包括以下步骤:
S401、为加快直流输电***换相失败后的恢复速度,整流站在直流控制中增加瞬时电流控制,当低压限流的输电大于限流阈值,则判定故障结束,增加电流参考值,所述电流参考值的增加值为0.1+0.038/Iref;
S402、为防止逆变站在换相失败恢复期间,直流电流过冲,发送周期性换失败,当检测到直流线路电流上升至故障前的故障阈值时,退出瞬时电流控制;
S403、经所述瞬时电流控制确定新的电流指令,通过整流站电流调节器,实现对直流电流的闭环控制。
7.如权利要求3所述的一种同塔双回直流输电***周期性换相失败的防御方法,其特征在于:所述步骤S304中,调节所述关断角逻辑启动和返回时间常数,防止所述关断角逻辑在逆变站电压下降后,由于启动时间缓慢发生换相失败,返回时间过快造成后续周期性换相失败,增加所述关断角逻辑启动速度快而返回相对缓慢,避免周期性换相失败。
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