CN104237745A - 多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，包括以下步骤，S100：确定多馈入高压直流输电***的故障类型；S200：在步骤S100确定的故障类型下时，计算故障水平；S300：在由步骤S200计算得出的故障水平下远端换流母线电压波形数据，对故障后一个周期的波形进行傅里叶分析，并计算电压幅值减小的百分比；S400：计算步骤S300得出的故障水平下的电压和谐波失真参考量VHDR；S500：仿真求出异常换相失败可能性为0.5的故障水平，经过步骤S300和S400，求得此时VHDR值；S600：判断异常换相失败的可能性。

Description

多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法

技术领域

本发明涉及一种多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法。

背景技术

在换流器中，退出导通的换流阀在反向电压作用的一段时间内如未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变为正向时，被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。由于整流器换流阀在电流关断后较长时间内处于反向电压下，所以仅当触发电路发生故障时，整流器才会发生换相失败。直流***大部分换相失败都是发生在逆变侧，换相失败是逆变侧最常见的故障类型之一。因此对换相失败的研究也主要集中在直流***与逆变侧交流***之间的影响。在多馈入高压直流输电***中，受端交流***发生故障可能会引发多回直流***同时或相继发生换相失败，严重时会导致直流***闭锁，直流传输功率中断，最终威胁到整个***的安全稳定运行。

换相失败的本质是换流阀的熄弧角γ小于临界熄弧角γ_min。传统判别换相失败的方法是最小电压降落法，通过比较换相电压的降落与发生换相失败所需的最小电压降落之间的大小来判断换流阀是否发生换相失败。但是这种方法忽略了波形畸变对换相失败的影响，以至于对换相失败结果的判断会有较大偏差。

不同与常规换向失败情况，多馈入直流输电***会出现异常换相失败现象，而衡量异常换相失败程度仅通过总谐波失真THD不能完整地表征，目前缺乏一种准确表征异常换相失败严重程度(即异常换相失败可能性)的方法。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种综合波形畸变和电压幅值降低两种因素，能准确地反应换相失败情况，表征异常换相失败严重程度的多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，包括以下步骤，

S100：确定多馈入高压直流输电***的故障类型；其中，多馈入高压直流输电***的故障类型包括单相接地和三相短路等故障；

S200：在确定步骤S100中多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，

计算相应故障水平FL_i(i＝1,2......n)：

${\mathrm{FL}}_i=\frac{U^2}{Z_{\mathrm{fault}}\·P_{\mathrm{dc}}}---\left(1\right)$

上式中，Z_fault＝ω·L_fault，U是换流母线额定电压，Z_fault是接地阻抗，L_fault是等效接地电感值；P_dc是直流***传输额定功率，i表示大于1的整数；

S300：由步骤S200计算得出故障水平FL_i(i＝1,2......n)，利用辅助设备采集在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下的远端换流母线电压波形数据，并对故障后一个周期的波形进行傅里叶分析，以及计算电压幅值减小的百分比；

其中，傅里叶分析得到谐波含量，则得到谐波失真参考量HDR，

$\mathrm{HDR}=\mathrm{DC}+\sqrt{{\left(H_2\right)}^2+{\left(H_3\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，DC为直流分量，H₂为二次谐波含量，H₃为三次谐波含量，由于二次谐波和三次谐波含量远高于其他次谐波，可以用二者表征总谐波失真THD；

电压幅值减小的百分比设为ΔV，

$\mathrm{\ΔV}=\frac{V_0-V_f}{V_0}\×100\%---\left(3\right)$

其中，V₀为正常运行时换流母线电压幅值，V_f为故障后一周期内换流母线电压幅值；

S400：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，计算故障水平FL_i(i＝1,2......n)所对应的电压和谐波失真参考量，其中电压和谐波失真参考量用VHDR_i(i＝1,2......n)表示：

VHDR_i＝ΔV+HDR     (4)

S500：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，通过PSCAD仿真得出异常换相失败可能性为0.5时的故障水平FL；再经过步骤S300和步骤S400计算得出异常换相失败可能性为0.5时的电压和谐波失真参考量VHDR₀；

S600：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，判断异常换相失败可能性；

所述步骤S600中的判断异常换相失败可能性的标准为：

当VHDR_i＝VHDR₀时，异常换相失败可能性为0.50；即当VHDR_i的值超过VHDR₀时，发生异常换相失败比较大；当VHDR_i的值低于VHDR₀时，发生异常换相失败可能性较小；

其中，当异常换相失败的概率值等于1时，在其对应的故障水平下必定引发换相失败；当异常换相失败的概率值小于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_i(i＝1,2......n)下引发异常换相失败的可能较小；当异常换相失败的概率值大于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_j下引发异常换相失败的可能性较大，其中j＝1,2，....n，j为大于1的整数。

所述异常换相失败为：在多馈入直流输电***在同时或相继换相失败的情况下，随着本地故障水平(FL)增加，远端换相失败可能性曲线先增加后减少，然后再增加，出现异常现象；

其中，本地换相失败可能性是指换流站1发生换相失败的可能性，远端换相失败可能性是指换流站2发生换相失败的可能性；本地故障水平是指发生故障的换流母线的故障程度。

所述异常换相失败可能性大小的表示方法为，对于每个故障水平(FL₁、FL₂.....FL_n)在一个周波中等间隔取100个点，通过PSCAD软件计算发生异常换相失败的点与总点数的比值作为在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下发生异常换相失败的概率，即为异常换相失败可能性。

本发明的有益效果：

针对多馈入高压直流输电***中异常换相失败现象，求解出衡量异常换相失败程度的电压和谐波失真参考量，从本质上反应多馈入直流***异常换相失败现象，为多馈入***换相失败研究提供参考；并且综合波形畸变和电压幅值降低两种因素，能准确地反应换相失败情况。

附图说明

图1为电压幅值降低引发换相失败示意图；

图2为电压过零点位移导致换相失败示意图；

图3为电压波形畸变导致换相失败示意图；

图4为多馈入直流输电模型示意图；

图5为多馈入***异常换相失败现象示意图；

图6(a)为在故障水平0.13下A、B、C三相故障电压波形图；

图6(b)为在故障水平0.25下A、B、C三相故障电压波形图；

图6(c)为在故障水平0.5下A、B、C三相故障电压波形图；

图7(a)为在故障水平0.13下B相电压谐波含量分布图；

图7(b)为在故障水平0.25下B相电压谐波含量分布图；

图7(c)为在故障水平0.5下B相电压谐波含量分布图；

图8为本发明的流程图；

图9为换相失败可能性与VHDR的关系示意图。

具体实施方式

一种多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，包括以下步骤，

S100：确定多馈入高压直流输电***的故障类型；其中，多馈入高压直流输电***的故障类型包括单相接地和三相短路等故障；

S200：在确定步骤S100中多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，

计算相应故障水平FL_i(i＝1,2......n)：

${\mathrm{FL}}_i=\frac{U^2}{Z_{\mathrm{fault}}\·P_{\mathrm{dc}}}---\left(1\right)$

上式中，Z_fault＝ω·L_fault，U是换流母线额定电压，Z_fault是接地阻抗，L_fault是等效接地电感值；P_dc是直流***传输额定功率，i表示大于1的整数；

S300：由步骤S200计算得出故障水平FL_i(i＝1,2......n)，利用辅助设备采集在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下的远端换流母线电压波形数据，并对故障后一个周期的波形进行傅里叶分析，以及计算电压幅值减小的百分比；

其中，傅里叶分析得到谐波含量，则得到谐波失真参考量HDR，

$\mathrm{HDR}=\mathrm{DC}+\sqrt{{\left(H_2\right)}^2+{\left(H_3\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，DC为直流分量，H₂为二次谐波含量，H₃为三次谐波含量，由于二次谐波和三次谐波含量远高于其他次谐波，可以用二者表征总谐波失真THD；

电压幅值减小的百分比设为ΔV，

$\mathrm{\ΔV}=\frac{V_0-V_f}{V_0}\×100\%---\left(3\right)$

其中，V₀为正常运行时换流母线电压幅值，V_f为故障后一周期内换流母线电压幅值；

S400：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，计算故障水平FL_i(i＝1,2......n)所对应的电压和谐波失真参考量，其中电压和谐波失真参考量用VHDR_i(i＝1,2......n)表示：

VHDR_i＝ΔV+HDR     (4)

S500：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，通过PSCAD仿真得出异常换相失败可能性为0.5时的故障水平FL；再经过步骤S300和步骤S400计算得出异常换相失败可能性为0.5时的电压和谐波失真参考量VHDR₀；

S600：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，判断异常换相失败可能性；

所述步骤S600中的判断异常换相失败可能性的标准为：

当VHDR_i＝VHDR₀时，异常换相失败可能性为0.50；即当VHDR_i的值超过VHDR₀时，发生异常换相失败比较大；当VHDR_i的值低于VHDR₀时，发生异常换相失败可能性较小；

其中，当异常换相失败的概率值等于1时，在其对应的故障水平下必定引发换相失败；当异常换相失败的概率值小于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_i(i＝1,2......n)下引发异常换相失败的可能较小；当异常换相失败的概率值大于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_j下引发异常换相失败的可能性较大，其中j＝1,2，....n，j为大于1的整数。

所述异常换相失败为：在多馈入直流输电***在同时或相继换相失败的情况下，随着本地故障水平(FL)增加，远端换相失败可能性曲线先增加后减少，然后再增加，出现异常现象；

其中，本地换相失败可能性是指换流站1发生换相失败的可能性，远端换相失败可能性是指换流站2发生换相失败的可能性；本地故障水平是指发生故障的换流母线的故障程度。

所述异常换相失败可能性大小的表示方法为，对于每个故障水平(FL₁、FL₂.....FL_n)在一个周波中等间隔取100个点，通过PSCAD软件计算发生异常换相失败的点与总点数的比值作为在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下发生异常换相失败的概率，即为异常换相失败可能性。

1换相失败原理

在换流阀换相过程中，换流母线电压波形起关键作用，平稳的电压波形使得换相正常进行，故障时发生变化的波形可能会导致换相失败的发生。从理论上分析换相失败时一般考虑两方面原因：一是电压幅值降低，二是电压过零点位移。而电压过零点位移对换相失败的影响是很小的，所以不对称故障下换相失败的机理主要取决于电压幅值的降低。实际上，还有一种更为复杂的原因导致换相失败发生，就是电压波形畸变。这种原因很难从定量的角度来分析，因为电压波形畸变的同时可能还会伴随过零点位移，而且畸变并不是按特定的规则发生。

1.1电压幅值降低

换相过程可用电压-时间的换相齿面积来表示，如图1所示，正常运行时，逆变侧触发角为α，换相角为μ，熄弧角γ，并有α+μ+γ＝π。换相面积为S₁，故障时(这里以三相故障为例)换流母线电压幅值降低。在换相齿面积一定(S₁＝S₂)、晶闸管触发时刻不变的情况下，换相时间延长，如图1示，换相角μ增大为μ′，熄弧角γ减小为γ′。

当换相电压低于某临界值时，γ<γ₀，引发换相失败，设临界压降为ΔU，则有，

$\mathrm{\&Delta;U}=1-\frac{I_d^{\&prime;}}{I_d}\frac{(I_d/I_{\mathrm{dFL}})\&CenterDot;X_{\mathrm{cpu}}}{(I_d/I_{\mathrm{dFL}})\&CenterDot;X_{\mathrm{cpu}}+\cos {\mathrm{\&gamma;}}_0-\cos \mathrm{\&gamma;}}---\left(5\right)$

其中，

I_d—故障前直流电流；

I′_d—故障后直流电流；

I_dFL—额定直流电流；

X_cpu—换流变压器阻抗标幺值；

γ—最小熄弧角整定值；

γ₀—换相失败临界熄弧角(一般取7°-10°)。

1.2电压过零点位移

当发生不对称故障时，电压幅值有所降低，同时换相电压过零点提前，由于换相齿面积S恒定，同样导致换流阀熄弧角γ减少，发生换相失败，如图2所示，

临界压降为：

$\mathrm{\&Delta;U}=1-\frac{I_d^{\&prime;}}{I_d}\frac{(I_d/I_{\mathrm{dFL}})\&CenterDot;X_{\mathrm{cpu}}}{(I_d/I_{\mathrm{dFL}})\&CenterDot;X_{\mathrm{cpu}}+\cos {\mathrm{\&gamma;}}_0-\cos \mathrm{\&gamma;}}---\left(6\right)$

与(5)式相比，(6)式分母中多了一个位移角度使得***换相失败临界压降减小，在一定程度上增加了换相失败可能性。鉴于正常情况下***都是满载运行，此时I_d/I_dFL＝1.0。

式(5)和式(6)可以简化为：

$\mathrm{\&Delta;U}=1-\frac{I_d^{\&prime;}}{I_d}\frac{X_{\mathrm{cpu}}}{X_{\mathrm{cpu}}+\cos {\mathrm{\&gamma;}}_0-\cos \mathrm{\&gamma;}}---\left(7\right)$

1.3电压波形畸变

当故障发生时，换流母线电压不再是平稳的正弦波，而会发生一定程度的畸变。这种畸变包括了电压幅值降低和电压过零点位移。过零点位移并不是导致换相失败的主因，许多故障在电压波形畸变、幅值降低的同时，过零点后移，从理论上讲可以减小换相失败发生的可能性，但实际上对阻止换相失败的发生并无很大贡献。图3给出了换流母线电压的畸变波形，

从图3可以看到故障后电压波形发生畸变，电压幅值降低，过零点发生位移。由于电压波形畸变是无规则的，公式(5)和(6)不再适用，需要从谐波的角度进行判断。

实施例

图4所示多馈入模型简略图，两条直流***均为PSCAD中CIGRE标准模型，直流传输功率P_dc为1000MW，直流电压为500kV；受端交流***电压等级为230kV。y1、y2是两个逆变站，Z_f1和Z_f2是逆变站换流母线侧滤波器阻抗，Z_s1和Z_s2分别是两交流***等效阻抗，Z_tie是两交流***间耦合阻抗。直流***1换流母线发生接地故障，换流站y1发生换相失败，当故障水平超过一定值时，会导致换流站y2也发生换相失败。换流站y2是否会发生换相失败不仅与直流***1换流母线出故障类型有关，还与其所连交流***强度有关。

在如图4所述的多馈入模型下，取三种典型故障水平0.13、0.25、0.5下逆变侧换流母线故障电压波形：

图6中粗点划线为正常运行时远端换流器A、B、C三相电压波形，细点划线为本地故障时远端换流母线三相电压波形。从图6(a)可以看出，轻微故障下，本地故障水平为0.13时，故障电压波形幅值降低并且发生畸变(B相最为明显)，从图5可以知道此时的换相失败可能性约为0.8。当本地故障水平升高至0.25时，故障电压波形与正常运行波形基本一致，此时换相失败可能性为0.4左右，发生换相失败的可能性比较小。严重故障下，本地故障水平为0.5时，电压波形发生明显畸变，且B相幅值严重降低，此时远端换相失败的可能性为1.0。可以知道轻微故障和严重故障都会导致电压波形发生畸变，并且引发远端换流器换相失败。

分别取三种典型故障水平下远端换流母线B相电压波形数据，对故障后一个周期的波形进行傅里叶分析得到谐波含量分布如图7所示。得到电压直流分量和二、三次谐波含量如表1所示。

表1三种故障水平下直流分量和二、三次谐波含量

由图7可知故障后一周期内B相电压峰值分别为170.4kV、166.7kV、和150.7kV，总谐波失真分别为20.86％、10.66％和28.44％，显然随着故障水平的增加，电压幅值逐渐减少，谐波含量出现异常变化，尤其是表现在低次谐波以及直流分量上。由表1可知，轻微故障(FL＝0.13)时，直流分量占基波含量的3.373％，而0.25故障水平下仅为0.15％，同时二次谐波和三次谐波的总含量前者也远多于后者。较大的直流分量和谐波含量阻碍换流阀的正常换相，会导致换相失败的发生。严重故障(FL＝0.5)时，虽然直流分量较小，但谐波含量很大，同时电压幅值严重下降，此时换相失败可能性为1。

增加三种故障水平，分别是0、0.3、0.4。分析所有故障水平下电压幅值、总谐波失真、直流分量和谐波含量、电压幅值减小的百分比和换相失败可能性，结果如表2和表3所示。

表2各故障水平下电压幅值和总谐波失真

表3各故障水平下直流分量和二、三次谐波含量及ΔV

从表2可以直观地看出异常换相失败现象与故障后电压总谐波失真基本成正相关，但仅通过THD不能完整地表征此现象，还需要考虑到电压幅值的降低。

异常换相失败的严重程度与电压和谐波失真参考量VHDR是成正相关的，即VHDR的值越大，异常换相失败就越严重，此处换相失败可能性即为发生异常换相失败的可能性，也即异常换相失败的严重程度；可能性越大，严重程度就越大。

每种故障水平下VHDR的数值如表3所示。

由表3最后两列数据得出VHDR随换相失败可能性变化的曲线图9所示，可看出：VHDR的值越大，换相失败的可能性越大；当VHDR＝19.82％时，换相失败可能性为0.50；当VHDR的值超过19.82％(约为20％)时，发生换向失败的可能性比较大；当VHDR的值低于20％时，换相失败可能性较小。

由表3和图9可以看到VHDR与换相失败可能性的变化是一致的，并且因其综合了波形畸变和电压幅值降低两种因素，更能准确地反应换相失败情况，可以表征异常换相失败的严重程度，即异常换相失败的可能性。

Claims (5)

1.一种多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，其特征在于，包括以下步骤，

S100：确定多馈入高压直流输电***的故障类型；其中，多馈入高压直流输电***的故障类型包括单相接地和三相短路等故障；

S200：在确定步骤S100中多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，

计算相应故障水平FL_i(i＝1,2......n)：

${\mathrm{FL}}_i=\frac{U^2}{Z_{\mathrm{fault}}\&CenterDot;P_{\mathrm{dc}}}$

上式中，Z_fault＝ω·L_fault，U是换流母线额定电压，Z_fault是接地阻抗，L_fault是等效接地电感值；P_dc是直流***传输额定功率，i表示大于1的整数；

S300：由步骤S200计算得出故障水平FL_i(i＝1,2......n)，利用辅助设备采集在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下的远端换流母线电压波形数据，并对故障后一个周期的波形进行傅里叶分析到谐波失真参考量HDR，以及计算电压幅值减小的百分比ΔV；

S400：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，计算故障水平FL_i(i＝1,2......n)所对应的电压和谐波失真参考量，其中电压和谐波失真参考量用VHDR_i(i＝1,2......n)表示：

VHDR_i＝ΔV+HDR

S500：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，通过PSCAD仿真得出异常换相失败可能性为0.5时的故障水平FL；再经过步骤S300和步骤S400计算得出异常换相失败可能性为0.5时的电压和谐波失真参考量VHDR₀；

S600：在步骤S100确定的多馈入高压直流输电***故障类型的情况下，判断异常换相失败可能性。

2.如权利1所述的多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，其特征在于，所述步骤S300中傅里叶分析得到的谐波失真参考量HDR为，

$\mathrm{HDR}=\mathrm{DC}+\sqrt{{\left(H_2\right)}^2+{\left(H_3\right)}^2}$

其中，DC为直流分量，H₂为二次谐波含量，H₃为三次谐波含量，由于二次谐波和三次谐波含量远高于其他次谐波，可以用二者表征总谐波失真THD；

电压幅值减小的百分比ΔV为：

$\mathrm{\&Delta;V}=\frac{V_0-V_f}{V_0}\&times;100\%$

其中，V₀为正常运行时换流母线电压幅值，V_f为故障后一周期内换流母线电压幅值。

3.如权利1所述的多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，其特征在于，所述步骤S600中的判断异常换相失败可能性的标准为：

当VHDR_i＝VHDR₀时，异常换相失败可能性为0.50；即当VHDR_i的值超过VHDR₀时，发生异常换相失败比较大；当VHDR_i的值低于VHDR₀时，发生异常换相失败可能性较小；

其中，当异常换相失败的概率值等于1时，在其对应的故障水平下必定引发换相失败；当异常换相失败的概率值小于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_i(i＝1,2......n)下引发异常换相失败的可能较小；当异常换相失败的概率值大于0.5时，定义与其对应的故障水平FL_j下引发异常换相失败的可能性较大，其中j＝1,2，….n，j为大于1的整数。

4.如权利1所述的多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，其特征在于，所述异常换相失败为：在多馈入直流输电***在同时或相继换相失败的情况下，随着本地故障水平(FL)增加，远端换相失败可能性曲线先增加后减少，然后再增加，出现异常现象；

其中，本地换相失败可能性是指换流站1发生换相失败的可能性，远端换相失败可能性是指换流站2发生换相失败的可能性；本地故障水平是指发生故障的换流母线的故障程度。

5.如权利1所述的多馈入高压直流输电***异常换相失败判定方法，其特征在于，所述异常换相失败可能性大小的表示方法为，对于每个故障水平(FL₁、FL₂.....FL_n)在一个周波中等间隔取100个点，通过PSCAD软件计算发生异常换相失败的点与总点数的比值作为在故障水平FL_i(i＝1,2......n)下发生异常换相失败的概率，即为异常换相失败可能性。