CN105024393A - 一种直流输电***换相面积计算方法及换相失败检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流输电***换相面积计算方法及换相失败检测方法，包括以下步骤：(1)检测***运行中的时间参数u_v、β和I_d；(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限π-β,π-γ_min，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角(***固有参数)；(3)对u_v进行锁相并得其相位随时间变化的波形；(4)通过u_v锁相结果和逆变器触发超前角β得到积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲；(5)根据使能脉冲对线电压进行采样；(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积通过将计算得到的最大换相面积与逆变器所需要的换相面积进行对比，能够反映逆变器换相过程的***动态特性。

Description

一种直流输电***换相面积计算方法及换相失败检测方法

技术领域

本发明属于高压直流输电领域，具体涉及一种直流输电***换相面积计算方法及换相失败检测方法。

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***以晶闸管为基本换流单元。在基于晶闸管器件的高压直流输电***中，逆变站的换流过程需要交流***提供足够的换相电压。因此，逆变器对于交流***的波动和故障非常敏感，除过电压跌落、交流故障等因素会导致换相失败外，谐波导致的交流电压波形畸变也导致换相失败发生。因此，换相失败对于高压直流输电***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***，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***不同，在多馈入直流输电***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***的安全稳定带来严重威胁。因此，需要对换相失败进行辨识并提供预防措施。

目前，在换相失败的辨识中，采用换相面积作为换相失败的判据是一种常用的判别方法。现有技术中没有实施性强的最大换相面积确定方法，无法反映换相过程的***动态特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流输电***换相面积计算方法及换相失败检测方法，用以解决现有技术中的无法反映换相过程的***动态特性的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种直流输电***换相面积计算方法，包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数,即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β；

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角(***固有参数)；

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

(4)根据交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲；

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样；

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积 $S_v={\∫}_{\mathrm{\π}-\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_{min}}{u}_v\left(\mathrm{\ω}t\right)d\mathrm{\ω}t.$

所述逆变侧交流线电压为***运行中实时测量波形。

一种直流输电***换相失败检测方法，包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数,即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β以及直流电流I_d；

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角(***固有参数)；

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

(4)根据交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲；

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样；

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积 $S_v={\∫}_{\mathrm{\π}-\mathrm{\β}}^{\mathrm{\π}-{\mathrm{\γ}}_{min}}{u}_v\left(\mathrm{\ω}t\right)d\mathrm{\ω}t;$

(7)根据实时参数I_d计算出逆变器需要的换相面积S，其中，S＝2L_r|I_d|，其中，L_r为换相电感(***固有参数)；

(8)根据实时参数计算出逆变器需要的换相面积S并与交流***提供的最大换相面积Sv进行比较；当Sv>S时，换相过程顺利进行；当Sv<S时，逆变器发生换相失败。

所述逆变侧交流线电压为实时测量波形，S_V为交流电压每个工频周期内提供的最大换相面积。

所述逆变器需要的换相面积为：S＝2L_r|I_d|，为逆变器换相过程中需要的实时换相面积。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)采用***运行实时参数，能够反应出换相过程的瞬态特性；

(2)以最大换相面积为研究对象，计算过程简单易于实现；

(3)计算结果为每个周期内的电压时间面积，可以定位每个换相周期的情况；

(4)可以实时监测到交流电压的变化情况，对交流故障可以做出快速反应；

(5)计算结果和逆变器换相面积的对比，可以直观的作为换相失败发生判据。

附图说明

图1是高压直流输电***逆变器换相过程中线电压的关系图；

图2是本发明直流输电***换相失败检测方法实施例的流程图；

图3是交流线电压锁相环输出结果图；

图4是交流线电压积分区间使能脉冲和清零脉冲示意图；

图5逆变侧交流线电压采样结果示意图；

图6积分器输出的交流电压时间面积示意图；

图7高压直流输电***交流电压时间面积和需要的换相面积示意图。

具体实施方式

首先对本发明创造的过程进行分析。

基于晶闸管换流器的高压直流输电***，逆变站的换流过程中需要交流侧提供足够的换相电压。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。因此，实际运行中，换相失败发生的主要因素是交流***故障。

逆变器的换相过程和交流侧线电压的关系如图1所示。换相过程中，桥臂上的换相电流和交流侧线电压之间的关系如下：

$u_v\left(t\right)=L_r\frac{{\mathrm{di}}_3}{dt}-L_r\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}---\left(1\right)$

i₃+i₁＝I_d    (2)

其中，u_v为交流侧线电压，i₁和i₃分别为桥臂1和桥臂3上的电流，I_d为直流电流，L_r为换相电感值，是***固有参数。

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***的平波电抗器很大，那么可以认为I_d为恒定值或者变化非常小。在换相过程逆变器交流侧电压存在以下关系：

$u_v\left(t\right)=2L_r\frac{{\mathrm{di}}_3}{dt}---\left(3\right)$

如图1所示，换相过程中，在t₁时刻，桥臂3上的电流为零；在t₂时刻，桥臂3上的电流为直流电流I_d。对上式两侧同时进行时间[t₁,t₂]上积分：

${\&Integral;}_{t_1}^{t_2}{u}_v\left(t\right)dt=2L_r{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}\frac{{\mathrm{di}}_3}{dt}dt=2L_r{I}_d---\left(4\right)$

在上式中，左式为交流电压在时间轴上的积分结果，看作是电压波形和时间轴围成的面积。

因此，换相过程中，逆变器需要的换相面积如下所示：

S＝2L_r|I_d|    (5)

从公式(4)中可以看出，***每一次换相过程所要求的换相面积和当前的电流值有关，而交流电压时间面积则与交流电压波形、逆变器触发超前角、换相重叠角都相关。

因此，在换相过程中，交流***能提供的最大换相面积如下所示：

$S_v={\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&beta;}}^{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&gamma;}}_{min}}{u}_v\left(\mathrm{\&omega;}t\right)d\mathrm{\&omega;}t---\left(6\right)$

其中，S_v为交流线电压提供的最大换相面积，β为逆变器触发超前角，γmin为逆变自身要求的最小熄弧角，u_v为逆变器交流线电压。

上式中，只有u_v和β为变量，是***运行的实时参数。因此S_v的求解过程中简单，同时可以保证计算结果的正确性。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

直流输电***换相面积计算方法实施例

本发明的直流输电***换相面积计算方法包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数，即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β。

建立高压直流输电***的仿真分析模型，并通过该***模型测量得到***运行过程中的相关参数。

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角(***固有参数)。

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

如图3所述，从***测量***得到u_v的实时波形，并将波形输入到锁相环中，得到相位的输出锯齿波，将线电压的相位锁定。锯齿和线电压波形对应，从0到360度之间变化的周期波形。

(4)根据交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲。

如图4所示，根据积分区间与相位输出锯齿波，在脉冲发生器中产生一个周期脉冲，脉冲上升沿对应每个线电压每个周期π-β相角位置，下降沿对应π-γ_min相角位置，成为使能脉冲。

最大换相面积应该是每个周期内的计算值，因此需要有清零脉冲来保证积分结果，将线电压相位锯齿波输入到脉冲发生器中，生成一个上升沿为线电压每个周期π角度位置的周期窄脉冲，成为清零脉冲。

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样。

如图5所示，将使能脉冲和电压波形同时输入到乘法器中，使能脉冲幅值为“1”，乘法器输出结果中交流线电压u_v被离散。输出结果形成的u_v1是线电压每个周期内在[π-β,π-γ_min]之间的波形的采样结果。

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积S_v。

将离散的线电压u_v1和清零脉冲输入到积分器中，经过积分环节，输出的结果为u_v在每个周期内在[π-β,π-γ_min]之间的积分值。每个周期内从π-β相角开始积分值逐渐增加，到π-γ_min后不再增加，进而得到公式(6)：中所述的交流***每个周期能提供的最大换相面积值S_v。再经过π位置处清零脉冲的作用，保证每个周期内交流***提供的最大换相面积S_v的正确性。

换相失败检测方法实施例：

如图2所示，本发明的直流输电***换相失败检测方法包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数，即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β以及直流电流I_d。

建立高压直流输电***的仿真分析模型，并通过该***模型测量得到***运行过程中的相关参数。

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角(***固有参数)。

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

如图3所述，从***测量***得到u_v的实时波形，并将波形输入到锁相环中，得到相位的输出锯齿波，将线电压的相位锁定。锯齿和线电压波形对应，从0到360度之间变化的周期波形。

(4)生成使能脉冲和积分清零脉冲

根据交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲。

如图4所示，根据积分区间与相位输出锯齿波，在脉冲发生器中产生一个周期脉冲，脉冲上升沿对应每个线电压每个周期π-β相角位置，下降沿对应π-γ_min相角位置，成为使能脉冲。

最大换相面积应该是每个周期内的计算值，因此需要有清零脉冲来保证积分结果，将线电压相位锯齿波输入到脉冲发生器中，生成一个上升沿为线电压每个周期π角度位置的周期窄脉冲，成为清零脉冲。

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样。

如图5所示，将使能脉冲和电压波形同时输入到乘法器中，使能脉冲幅值为“1”，乘法器输出结果中交流线电压u_v被离散。输出结果形成的u_v1是线电压每个周期内在[π-β,π-γ_min]之间的部分波形的采样结果。

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积S_v。

如图6所述，将离散的线电压u_v1和清零脉冲输入到积分器中，经过积分环节，输出的结果为u_v在每个周期内在[π-β,π-γ_min]之间的积分值。每个周期内从π-β相角开始积分值逐渐增加，到π-γ_min后不再增加，进而得到公式(6)：中所述的交流***每个周期能提供的最大换相面积值S_v。再经过π位置处清零脉冲的作用，保证每个周期内交流***提供的最大换相面积S_v的正确性。

(7)根据实时参数I_d计算出逆变器需要的换相面积S，其中，S＝2L_r|I_d|，其中，L_r为换相电感(***固有参数)。

(8)根据实时参数计算出逆变器需要的换相面积S并与交流***提供的最大换相面积S_v进行比较。

如图7所示，将积分器输出的结果S_v与逆变器需要的换相面积S进行比较输出，就可以作为换相失败的实时监测结果。

正常运行情况中，交流***提供的最大换相面积S_v>S；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小于γ_min，逆变器发生换相失败。

因此，交流侧发生电压波动和谐波不稳定故障时，S_v会实时反映出来，根据S_v和S两者之间变化关系，在换相失败发生前向控制***发出预警信息为预防措施提供参考。

Claims (3)

1.一种直流输电***换相面积计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数,即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β；

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角；

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

(4)根据交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲；

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样；

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积

2.根据权利要求1所述的直流输电***换相面积计算方法，其特征在于：所述逆变侧交流线电压为实时测量所得到的波形，S_V为交流电压每个工频周期内实时提供的最大换相面积。

3.一种直流输电***换相失败检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)检测***实时运行参数,即逆变器交流线电压u_v，逆变器触发超前角β以及直流电流I_d；

(2)确定交流线电压每个周期内积分区间上下限[π-β,π-γ_min]，其中，γ_min为逆变器最小熄弧角；

(3)对实测的逆变器交流线电压u_v进行锁相，得到其相位随时间变化的波形；

(4)根据逆变测交流线电压u_v锁相输出结果并结合逆变器触发超前角β，生成积分区间内的使能脉冲和该积分区间之外的积分清零脉冲；

(5)根据使能脉冲对线电压进行采样；

(6)将采样后的线电压u_v与积分清零脉冲同时送入到积分器，得到每个周期内的最大换相面积

(7)根据实时参数I_d计算出逆变器需要的换相面积S，其中，S＝2L_r|I_d|，L_r为换相电感；

(8)将逆变器需要的换相面积S并与交流***提供的最大换相面积Sv进行比较；当Sv>S时，换相过程顺利进行；当Sv<S时，逆变器发生换相失败。