CN109617107A - 一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法。现有的评估方法，其在推导临界换相失败电压时未考虑直流电流的变化，准确性有待商榷。本发明采用的技术方案为：首先，分别基于***的结构参数和运行状态推导出各回直流换相失败的临界换流母线电压；其次，依据换流母线的自阻抗、故障点的电气距离和多馈入短路比确定各回直流的支撑能力；最后，基于临界电压和支撑能力评估各回直流的换相失败情况。本发明在评估支撑能力时，同时考虑了多馈入短路比、故障点的电气距离等因素，且从***结构和运行状态两方面综合确定换相失败临界电压，与现有的评估方法相比能更加准确地反映直流支撑能力及换相失败情况。

Description

一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法

技术领域

本发明涉及电力***安全稳定分析领域，尤其是一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法。

背景技术

为有效解决能源结构和电力需求之间日益突出的矛盾，保障电网经济可靠的稳定运行，大规模区域电网的互联应运而生，我国的电网结构已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，覆盖了全国大部分地区，成为世界上最大的电网之一。然而我国煤炭资源保有储量的四分之三以上分布在西北部地区，水能资源的五分之四分布在西部，四川、云南、西藏三省区水电技术可开发容量超过三亿千瓦，而中东部地区的国民生产总值占全国的五分之四以上。由此可见，一次能源与主要负荷分布之间的不平衡性必然引起我国电能大量的长距离、跨区域流动。与交流输电方式相比，直流输电方式具有众多明显优点。直流输电线路造价低、寿命长、输送容量大、损耗小且不需要装设抵消电容效应的并联电容器，能够通过控制***实现线路输送的有功和换流器消耗无功的快速调节，从而提高交流***频率和电压的稳定性，在大容量、远距离输电中具有很强的经济性。因此，高压直流输电工程成为解决我国长距离、大容量输电及区域联网问题的主要方式，基于晶闸管的传统直流输电以其在大容量远距离输电的优势得到了广泛应用，直流密集接入同一交流电网形成了复杂的多馈入直流***，给电力***的安全稳定带来了新的挑战。

换相失败是直流输电***中最常见的故障之一，其是指在换相过程中退出导通的阀在反向电压的作用下未能及时恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程未能结束，使本该关断的阀在正向电压作用下重新导通的现象。阀运行中的熄弧角过小是造成换相失败的根本原因，当其低于阀固有极限熄弧角将导致换相失败。华东、华南等典型的多馈入直流***多次出现换相失败，仅2017年1-9月，华东地区因交流故障导致直流发生换相失败20次，严重威胁***的安全稳定运行。直流逆变侧若发生换相失败，则可能在功率传输、无功电压、保护装置、暂态稳定等多方面影响交流***的安全稳定运行。

因此准确评估直流支撑能力及换相失败风险具有重要的意义。相关研究分别基于直流换流母线短路阻抗和交流***网架结构角度，提出换相失败免疫因子和多馈入短路比等指标评估直流支撑能力，但关注面单一、未能将二者有效结合，且忽略了故障点与换流母线间电气距离对直流支撑能力的影响。对于换相失败的评估，现有研究大多从交流***层面以换流母线电压作为换相失败的判断指标，以极限熄弧角推导换相失败的临界换流母线电压，但在推导临界换相失败电压时未考虑直流电流的变化，其准确性有待商榷。

发明内容

针对上述问题，为有效结合多方面因素，准确评估多馈入直流***直流支撑能力及换相失败，本发明提供一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其包括步骤：

A、分别依据直流***结构参数和运行状态计算各回直流的换相失败临界电压U_cr1、U_cr2；

B、建立交流***的等值阻抗矩阵，依据换流母线的自阻抗、离故障点的电气距离和多馈入短路比评估故障后各回直流的支撑能力；

C、基于临界电压和支撑能力评估各回直流的换相失败情况。

作为上述评估方法的补充，步骤A中：

由直流线路阻抗及换流变压器、换流阀阻抗计算熄弧角，以换相失败的临界熄弧角代入，并反推出基于结构参数的换相失败临界电压U_cr1：

式中，R_cr＝(3/π)X_cr、R_ci＝(3/π)X_ci，X_cr、X_ci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗，R_d为直流电阻，U_dr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压，α_r、β_i分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，k为换流变压器变比。

作为上述评估方法的补充，步骤A中：

由直流运行工况下电压、电流与熄弧角的关系，以换相失败的临界熄弧角代入，计算基于运行状态的换相失败临界电压U_cr2：

式中，U_L0表示换流母线线电压初始有效值，β₀、γ₀分别为逆变侧初始触发超前角和熄弧角，γ_min表示变化后的熄弧角取为极限熄弧角。

作为上述评估方法的补充，步骤B中：

基于***的等值阻抗矩阵计算换流母线故障后受扰程度S及多馈入短路比MSCR，分别如下所示，评估直流支撑能力：

S＝(1+Z_ik/Z_ii)^-1，

式中，Z_ik表示直流i距离故障点的互阻抗，Z_ij表示第i回直流和第j回直流所对应换流母线i、j间的互阻抗，Z_ii表示直流i换流母线自阻抗，n表示直流回数，P_di、P_dj分别表示第i回和第j回直流的额定功率。

作为上述评估方法的补充，步骤C中：

当直流换流母线电压高于两临界电压指标，则认为其不会发生换相失败；若直流换流母线电压低于两临界电压指标，认为直流会发生换相失败；当直流换流母线电压落于两临界电压指标之间，则依据受扰程度S和多馈入短路比MSCR评估直流支撑能力进行二次确认，若在未发生换相失败的直流集合中，至少能够找到一回直流，其与直流i相比多馈入短路比MSCR更小，且受扰程度S更大，则判定直流i不会发生换相失败；若找不到，需密切关注直流i状态，其换相失败风险大。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：本发明在故障发生同时考虑了换流母线自阻抗、故障点的电气距离、多馈入短路比等因素，在故障发生后评估直流的支撑能力；在考虑直流电流变化的基础上，分别从***结构参数和运行状态求解换相失败临界换流母线电压，在评估换相失败时，同时参考两个临界电压指标及直流支撑能力，有效增强了依靠换流母线电压幅值判断换相失败的准确性和严谨性。

附图说明

图1为本发明实施例中评估方法的流程图；

图2为本发明应用例中灵绍、宾金直流换流母线电压仿真曲线图；

图3为本发明应用例中复奉、林枫、宜华直流换流母线电压仿真曲线图；

图4为本发明应用例中锦苏、雁淮、龙政直流换流母线电压仿真曲线图；

图5为本发明应用例中灵绍、宾金直流熄弧角仿真曲线图；

图6为本发明应用例中复奉、林枫、宜华直流熄弧角仿真曲线图；

图7为本发明应用例中锦苏、雁淮、龙政直流熄弧角仿真曲线图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述，但是本发明不限于所给出的实施例。

实施例

如图1所示，一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败评估方法，其包括步骤：

A、分别依据直流***结构参数和运行状态计算各回直流的换相失败临界电压U_cr1，U_cr2；

B、建立交流***的等值阻抗矩阵，依据换流母线的自阻抗、故障点的电气距离、多馈入短路比等指标评估各回直流的支撑能力；

C、基于临界电压和支撑能力评估各回直流的换相失败情况。

步骤A中，分别通过下述方法推导基于结构参数和运行状态的换相失败临界电压U_cr1、U_cr2。

1)基于结构参数的换相失败临界电压

交流***对称时，直流***逆变侧的熄弧角如下式所示：

式中，k为换流变压器变比，I_d为直流电流，X_c为换相电抗，U_L为逆变侧换流母线线电压有效值，β为触发超前角。

直流***正常运行时，可列写如下直流运行方程：

式中，U_dr0和U_di0分别为整流侧和逆变侧不计触发延迟时的空载直流电压，U_dr和U_di分别为整流侧和逆变侧的直流电压，R_d为直流电阻，dx_r、dx_i分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻，α、γ分别为触发延迟角和熄弧角。

由式(2)可将直流电流改写为：

将式(3)代入逆变侧关断角计算式(1)，并考虑到空载直流电压与交流电压满足熄弧角取值为极限熄弧角γ_min代入计算U_L可得到：

式中，R_cr＝(3/π)X_cr、R_ci＝(3/π)X_ci，X_cr、X_ci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗，R_d为直流电阻，U_dr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压，α_r、β_i分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，k为换流变压器变比。

式(4)所得临界电压主要由直流线路阻抗及换流变压器、换流阀阻抗等结构性参数确定，故定义为基于结构参数的换相失败临界电压。

2)基于运行状态的换相失败临界电压

故障前直流正常运行状态下直流电流I_d0满足：

式中，β₀为初始触发超前角，γ₀为初始熄弧角，X_c为换相电抗，U_L0为初始换流母线线电压有效值。

当逆变侧发生三相对称短路故障时，设换相母线阀侧交流电压变为U′_L，直流电流变为I′_d，由于直流运行中逆变侧通常采用定熄弧角控制方式，故可假设故障后短时间内β不变。考虑到直流电流的变化，设故障后熄弧角变为γ′，则有：

式中，β₀为初始触发超前角，γ′为变化后的熄弧角，X_c为换相电抗，U′_L为变化后的换流母线线电压有效值。

故可得故障前后直流电流变化关系为：

换流母线电压与直流电压有式(8)所示关系，而由于故障发生在逆变侧，而且整流侧一般采用定功率控制，可认为从整流侧交流***传输至直流***的功率在短时间内不变，则可设在故障发生后短时间内直流***传输的功率不变，即故障前后直流电流变化与直流电压变化成反比，如式(9)所示：

综合上述关系式(7)—(9)，可得故障后熄弧角和换流母线电压关系式：

根据式(10)可以求得与故障前直流***运行工况相关的换相失败临界电压，定义该判据为运行类指标判据，如下所示：

式中，U_L0表示换流母线线电压初始有效值，β₀、γ₀分别为逆变侧初始触发超前角和熄弧角，γ_min表示变化后的熄弧角取为极限熄弧角。

步骤B中，依据***参数建立等值阻抗矩阵。首先根据线路的阻抗建立节点导纳矩阵：

其中，Y_ii表示自导纳，Y_ij表示互导纳，Y_ij＝-(1/z_ij)，z_ij表示连接节点i、j的线路阻抗。

对节点导纳矩阵求逆，可得到节点阻抗矩阵：

故障发生后，基于节点阻抗矩阵计算换流母线受扰程度及多馈入短路比：

S＝(1+Z_ik/Z_ii)^-1 (14)

式中，Z_ik表示第i回直流所对应的换流母线i与故障点k之间的互阻抗，Z_ij表示第i回直流和第j回直流所对应换流母线i、j间的互阻抗，Z_ii表示第i回直流对应换流母线i的自阻抗，n表示直流回数，P_di、P_dj分别表示第i回和第j回直流的额定功率。

步骤C中，当直流换流母线电压高于两临界电压指标，则认为其不会发生换相失败；若直流换流母线电压低于两临界电压指标，认为直流会发生换相失败；当直流换流母线电压落于两临界电压指标之间，则依据受扰程度和多馈入短路比评估直流支撑能力，进行二次确认，若在未发生换相失败的直流集合中，至少能够找到一回直流，其与直流i相比MSCR更小，且受扰程度S更大，则判定直流i不会发生换相失败；若找不到则需密切关注直流i状态，换相失败风险较大。

应用例

以华东电网2018年夏高方式为例，华东电网作为典型的受端电网，与外部电网间存在多条直流输电通道，直流采用PSD-BPA电力***暂态稳定程序中的新稳态模型，各条直流输电***的初始运行参数如下：

林枫直流：直流功率Pd₀＝2816.2MW，Pd_N＝3000MW；直流电压U_d0＝469.4kV，U_dN＝500kV；直流电流I_d0＝I_dN＝3.0kA；换流母线线电压U_L0＝504.5kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝16％；逆变换流器变比n＝525/199；越前触发角β₀＝37.39°；熄弧角γ₀＝17.10°；直流电阻R_d＝10.21Ω；dx_r＝0.153Ω，dx_i＝0.153Ω。

宜华直流：直流功率Pd₀＝2856MW，Pd_N＝3000MW；直流电压U_d0＝476.0kV，U_dN＝500kV；直流电流I_d0＝I_dN＝3.0kA；换流母线线电压U_L0＝502.30kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝16.8％；逆变换流器变比n＝525/201；越前触发角β₀＝38°；熄弧角γ₀＝17.1°；直流电阻R_d＝8Ω；dx_r＝0.153Ω，dx_i＝0.161Ω。

复奉直流：直流功率Pd₀＝5996.8MW，Pd_N＝6400MW；直流电压U_d0＝749.6kV，U_dN＝800kV；直流电流I_d0＝I_dN＝4.0kA；换流母线线电压U_L0＝505.87kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝16.7％；逆变换流器变比n＝525/158；越前触发角β₀＝37.697°；熄弧角γ₀＝17.10°；直流电阻R_d＝12.6Ω；dx_r＝0.172Ω，dx_i＝0.159Ω。

锦苏直流：直流功率P_d0＝P_dN＝7200MW；直流电压U_d0＝U_dN＝800kV；直流电流I_d0＝I_dN＝4.5kA；换流母线线电压U_L0＝502.30kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝19％；逆变换流器变比n＝525/158；越前触发角β₀＝39.790°；熄弧角γ₀＝16.99°，直流电阻R_d＝11.134Ω；dx_r＝0.182Ω，dx_i＝0.182Ω。

龙政直流：直流功率P_d0＝P_dN＝3000MW；直流电压U_d0＝U_dN＝500kV；直流电流I_d0＝I_dN＝3.0kA；换流母线线电压U_L0＝511.5kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝16.8％；逆变换流器变比n＝525/200；越前触发角β₀＝37.811°；熄弧角γ₁₀＝17.10°，直流电阻R_d＝8Ω；dx_r＝0.153Ω，dx_i＝0.161Ω。

雁淮直流：直流功率P_d0＝P_dN＝8000MW；直流电压U_d0＝U_dN＝800kV；直流电流I_d0＝I_dN＝5.0kA；换流母线线电压U_L0＝508.44kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝19％；逆变换流器变比n＝525/160；越前触发角β₀＝39.914°；熄弧角γ₁₀＝17.00°，直流电阻R_d＝10.443Ω；dx_r＝0.191Ω，dx_i＝0.181Ω。

灵绍直流：直流功率P_d0＝6200MW，P_dN＝8000MW；直流电压U_d0＝U_dN＝800kV；直流电流I_d0＝3.875kA，I_dN＝5kA；换流母线线电压U_L0＝503.02kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝16.0％；逆变换流器变比n＝525/163；越前触发角β₀＝35.337°；熄弧角γ₀＝17.30°，直流电阻R_d＝6.66Ω；dx_r＝0.220Ω，dx_i＝0.153Ω。

宾金直流：直流功率P_d0＝P_dN＝8000MW；直流电压U_d0＝U_dN＝800kV；直流电流I_d0＝I_dN＝5kA；换流母线线电压U_L0＝508.02kV；换流变压器短路阻抗百分比X_K％＝19.5％；逆变换流器变比n＝525/162；越前触发角β₀＝40.007°；熄弧角γ₀＝17.04°，直流电阻R_d＝9.41Ω；dx_r＝0.186Ω，dx_i＝0.186Ω。

根据式(4)和式(11)，可以计算出基于直流***结构参数和基于直流***运行状态的临界电压指标，如下表所示：

表1各条直流***临界电压指标

设置华东网络中安吉站525kv母线三相短路，由式(12)—(15)计算各回直流多馈入短路比MSCR及受扰程度S记录如下：

表2各条直流受扰程度及多馈入短路比

直流线路	MSCR	S	直流线路	MSCR	S
						复奉直流	6.083	0.0861	锦苏直流	4.643	0.0263
林枫直流	3.789	0.1192	宾金直流	4.807	0.0819
						宜华直流	5.142	0.0913	灵绍直流	3.838	0.1653
雁淮直流	4.926	0.0227	龙政直流	6.654	0.0220

根据直流换流母线电压仿真曲线，如附图2、3所示，其中灵绍、宾金、复奉、林枫、宜华、直流逆变侧换流母线电压均低于两临界电压值，判定其发生换相失败。锦苏直流、雁淮直流逆变侧换流母线电压最低值均高于两临界电压值，评估其不会发生换相失败。对比附图4及表1可知，龙政直流换流母线电压介于其两个临界换相失败电压值之间，因此需依据支撑能力评估换相失败风险。

由表2可知，龙政直流MSCR＝6.654，大于雁淮直流和锦苏直流的MSCR，而其在该故障下受扰程度S＝0.0220，小于雁淮直流和锦苏直流的S。因此龙政直流在该故障下支撑能力较强，换相失败风险较小，而雁淮直流、锦苏直流均未发生换相失败，故本发明方法评估龙政直流没有换相失败风险。

综上所述，依据本发明方法，评估灵绍、宾金、复奉、林枫、宜华会发生换相失败，锦苏、雁淮不会发生换相失败，依据支撑能力二次确认后评估龙政直流没有换相失败风险。为验证本发明方法的有效性和准确性，对各回直流故障后的熄弧角进行仿真如附图5-7所示。灵绍、宾金、复奉、林枫、宜华直流的熄弧角在故障后均降至零，发生换相失败；锦苏、雁淮、龙政直流熄弧角均保持在较高水平，没有发生换相失败。由此可说明本发明方法对多馈入直流***直流支撑能力及换相失败评估的有效性。

Claims (5)

1.一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其特征在于，包括步骤：

A、分别依据直流***结构参数和运行状态计算各回直流的换相失败临界电压U_cr1、U_cr2；

B、建立交流***的等值阻抗矩阵，依据换流母线的自阻抗、离故障点的电气距离和多馈入短路比评估故障后各回直流的支撑能力；

C、基于临界电压和支撑能力评估各回直流的换相失败情况。

2.根据权利要求1所述的一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其特征在于，步骤A中：

由直流线路阻抗及换流变压器、换流阀阻抗计算熄弧角，以换相失败的临界熄弧角代入，并反推出基于结构参数的换相失败临界电压U_cr1：

式中，R_cr＝(3/π)X_cr、R_ci＝(3/π)X_ci，X_cr、X_ci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗，R_d为直流电阻，U_dr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压，α_r、β_i分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，k为换流变压器变比。

3.根据权利要求2所述的一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其特征在于，步骤A中：

由直流运行工况下电压、电流与熄弧角的关系，以换相失败的临界熄弧角代入，计算基于运行状态的换相失败临界电压U_cr2：

式中，U_L0表示换流母线线电压初始有效值，β₀、γ₀分别为逆变侧初始触发超前角和熄弧角，γ_min表示变化后的熄弧角取为极限熄弧角。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其特征在于，步骤B中：

基于***的等值阻抗矩阵计算换流母线故障后受扰程度S及多馈入短路比MSCR，分别如下所示，评估直流支撑能力：

S＝(1+Z_ik/Z_ii)^-1，

式中，Z_ik表示直流i距离故障点的互阻抗，Z_ij表示第i回直流和第j回直流所对应换流母线i、j间的互阻抗，Z_ii表示直流i换流母线自阻抗，n表示直流回数，P_di、P_dj分别表示第i回和第j回直流的额定功率。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种多馈入直流***直流支撑能力及换相失败的评估方法，其特征在于，步骤C中：

当直流换流母线电压高于两临界电压指标，则认为其不会发生换相失败；若直流换流母线电压低于两临界电压指标，认为直流会发生换相失败；当直流换流母线电压落于两临界电压指标之间，则依据受扰程度S和多馈入短路比MSCR评估直流支撑能力进行二次确认，若在未发生换相失败的直流集合中，至少能够找到一回直流，其与直流i相比多馈入短路比MSCR更小，且受扰程度S更大，则判定直流i不会发生换相失败；若找不到，需密切关注直流i状态，其换相失败风险大。