CN111463816B - 基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法及***。本发明采用的技术方案为:根据直流***的结构参数和当前运行状态计算出直流换相失败的临界换流母线电压,作为调相机暂态强励控制的启动门槛值和退出门槛值;直流换流站近区交流线路发生故障时,调相机启动暂态强励控制,并持续工作在顶值过励状态;在直流换相失败过程中,实时检测换流站母线电压、有功、无功和熄弧角,判断直流在本次换相失败恢复过程中是否有发生下一次换相失败的风险。本发明可提高直流***连续换相失败风险预测精确度,缩短了调相机暂态强励启动时间;充分利用调相机的暂态无功支撑能力,提高了调相机抑制换流站连续换相失败的能力。
Description
技术领域
本发明涉及电力***安全稳定分析领域,尤其是一种基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法及***。
背景技术
我国能源分布与负荷分布呈现东西分化的态势,西北地区拥有着大规模的火电及光伏等新能源,西南地区拥有大量的水力资源,而负荷中心则多集中在中东部沿海一带。因此电力资源远距离、大规模输送成为我国未来电力***的趋势。
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。
华东电网涉及江苏、安徽、浙江、福建、上海四省一市区域,目前共有11回特高压直流接入,将西北、西南、东北等电力远距离输送至此。而华东电网结构复杂,土地资源紧张,负荷密度较高,多条直流受端换流站电气距离较近。关键线路发生交流故障易引发多条直流换相失败。
根据现有直流控制保护***动作逻辑,直流在连续发生换相失败后将闭锁,华东电网将面临功率缺额,极易引发频率失稳,威胁电网的安全稳定运行。为解决该问题,规划在华东电网11回直流受端换流站安装同步调相机,以抑制直流连续换相失败而闭锁。其中宾金直流金华换流站同步调相机1机已成功并网,其它换流站同步调相机将按照规划同步投产。
基于合理连续换相失败预测方法,常见的防止直流连续换相失败控制措施可以分为直流本体控制措施改造及配备额外辅助设备辅助。前者包括提前出发控制、降低直流电流等措施,后者包括在直流换流站近区配备SVC、STATCOM、同步调相机等无功补偿装置。
与SVC、STATCOM相比,常规同步调相机既可以为直流提供短路容量,又可以,又具有很好的无功出力特性,在降低直流送端暂态过电压、抑制受端换相失败、利用强励提高***稳定性等方面具备独特优势。
常规调相机控制方式在抑制直流连续换相失败方面存在一定不足,主要体现在:启动信号来自于换流站对于连续换相失败的预判逻辑,延迟时间较长;直流换相失败期间调相机励磁控制逻辑不变,受到换相失败交流母线电压波动影响,没有充分利用调相机自身的无功支撑能力。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,为有效结合多方面因素,为快速有效抑制常规直流连续换相失败,本发明提供一种基于调相机快速强励的抑制直流连续换相闭锁方法。
为此,本发明采用如下的技术方案:一种基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法,其包括步骤:
A、分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
B、监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
C、调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
D、在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期,之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0。
本发明首先根据直流***的结构参数和当前运行状态计算出直流换相失败的临界换流母线电压,作为调相机暂态强励控制的启动门槛值和退出门槛值;其次,直流换流站近区交流线路发生故障时,调相机启动暂态强励控制,并持续工作在顶值过励状态;最后,在直流换相失败过程中,实时检测换流站母线电压、有功、无功、熄弧角,判断直流在本次换相失败恢复过程中是否有发生下一次换相失败的风险,若满足相应条件,判断不再发生下一次换相失败,则调相机延迟一段时间后退出顶值强励控制,否则继续保持顶值强励控制,直至直流不再有发生下一次换相失败的风险。
进一步地,步骤A中,换相失败临界电压Ucr1、Ucr2根据一定时间段内的直流***结构参数及运行状态计算得出,并进行更新。
进一步地,步骤A中,换相失败临界电压Ucr1和Ucr2:
式中,UL0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;γmin表示变化后的熄弧角,取为极限熄弧角;
式中,Rcr=(3/π)Xcr、Rci=(3/π)Xci,Xcr、Xci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗,Rd为直流电阻,Udr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压,αr、βi分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角,γmin表示极限熄弧角,k为换流变压器变比,B为串联桥的数目。
进一步地,步骤C中,为满足暂态强励期间调相机励磁电流达到顶值,根据直流运行状态和网架结构确定使直流发生连续换相失败的交流故障集,根据其故障集中交流故障发生期间调相机机端电压及励磁输出状态确定VERR1。
进一步地,步骤C中,调相机启动暂态强励控制时,端电压基准值VERR0瞬时切换为VERR1,缩短调相机暂态控制响应时间,并使得调相机励磁电流迅速达到最大限流值,充分发挥其无功支撑能力。
进一步地,步骤D中,在换相失败过程中,同时监测换流站交流母线电压、熄弧角、直流有功、无功变化趋势,综合考虑作为调相机退出强励的判断依据。
更进一步地,步骤D中,调相机退出强励的判断标准为:若换流站交流母线电压UL、直流逆变侧熄弧角γ、直流有功Pd、直流无功Qd状态满足下面公式,则认为直流有继续换相失败风险,调相机保持强励:
本发明采用的另一种技术方案为:基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败***,其包括:
换相失败临界电压计算模块:分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
调相机暂态强励控制启动模块:监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块:调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
调相机暂态强励控制模块:在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期,之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0。
进一步地,所述的调相机暂态强励控制模块中,调相机退出强励的判断标准为:若换流站交流母线电压UL、直流逆变侧熄弧角γ、直流有功Pd、直流无功Qd状态满足下面公式,则认为直流有继续换相失败风险,调相机保持强励:
现有的调相机采用常规励磁,在直流连续换相失败期间响应时间较长,且不能一直处于强励状态,无法提供有效的无功支撑,不能达到抑制直流连续换相失败的目的。本发明考虑暂态期间调相机强励控制时,为充分利用调相机的无功支撑能力,在现有常规励磁控制模型基础上增加暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块。在直流母线电压恢复至调相机强励控制退出时,为避免对进去交流母线电压及调相机本体设备耐压能力冲击,在现有常规励磁控制模型基础上增加暂态强励控制端电压基准值退出逻辑模块。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果在于:本发明检测直流换流站交流母线电压作为调相机暂态强励启动及退出依据,充分考虑了多馈入直流受端***影响单回直流连续换相失败影响因素,提高直流***连续换相失败风险预测精确度,缩短了调相机暂态强励启动时间;充分利用调相机的暂态无功支撑能力,提高了调相机抑制换流站连续失败的能力。
附图说明
图1为本发明实施例1中抑制直流连续换相失败方法的流程图;
图2为本发明应用例中绍兴调相机暂态励磁控制框图;
图3为本发明应用例中灵绍直流熄弧角仿真曲线图;
图4为本发明应用例中灵绍直流调相机励磁电压仿真曲线图;
图5为本发明应用例中灵绍直流换流母线电压仿真曲线图;
图6为本发明实施例2中抑制直流连续换相失败***的结构原理图。
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1
如图1所示,一种基于调相机快速强励的抑制直流连续换相方法,其步骤如下:
A、分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
B、监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
C、调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
D、在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期(考虑延迟约200ms),之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0。
步骤A中,换相失败临界电压Ucr1、Ucr2根据一定时间段内的直流***结构参数及运行状态计算得出,并进行更新。
根据参考文献,得出临界电压Ucr1和Ucr2:
式中,UL0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,γmin表示变化后的熄弧角取为极限熄弧角。
式中,Rcr=(3/π)Xcr、Rci=(3/π)Xci,Xcr、Xci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗,Rd为直流电阻,Udr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压,αr、βi分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角,γmin表示极限熄弧角,k为换流变压器变比,B为串联桥的数目。
步骤C中,调相机启动暂态强励控制时,端电压基准值应瞬时切换为VERR1,缩短调相机暂态控制响应时间,并使得调相机励磁电流迅速达到最大限流值,充分发挥其无功支撑能力。为避免超调过大、响应时间过长,VERR1取值应尽量合理,可根据所考察直流运行状态和网架结构确定使直流发生连续换相失败的交流故障集,并通过离线仿真等手段参照故障集中交流故障发生期间调相机机端电压及励磁输出状态来确定。
步骤D中,在换相失败过程中,不应只监测换流站交流母线电压,还应同时监测换流站熄弧角、直流有功、无功变化趋势,综合考虑作为调相机退出强励的判断依据。
调相机退出强励的判断标准为,若换流站交流母线电压UL、直流逆变侧熄弧角γ、直流有功Pd、直流有功Qd状态满足式(3),则认为直流有继续换相失败风险,调相机保持强励:
若换流站交流母线电压UL大于Ucr2,调相机保持强励200ms后退出强励工作状态。
应用例
以华东电网滚动分析数据夏季高峰方式为例,直流采用PSD-BPA电力***暂态稳定程序中的新稳态模型,灵绍直流输电***的初始运行参数采用PSDB数据平台统一下发数据:
表1灵绍直流输电***控制及初始运行参数
直流功率实际输送功率P<sub>d0</sub> | 8000MW |
直流功率额定输送功率P<sub>dN</sub> | 8000MW |
直流实际电压U<sub>d0</sub> | 800kV |
直流额定电压U<sub>dN</sub> | 800kV |
直流实际电流I<sub>d0</sub> | 5kA |
直流额定电流I<sub>dN</sub> | 5kA |
换流母线初始线电压U<sub>L0</sub> | 502.86kV |
换流变压器短路阻抗百分比X<sub>K</sub>% | 0.39% |
逆变换流器变比n | 510/163 |
越前触发角β<sub>0</sub> | 39° |
熄弧角γ<sub>0</sub> | 17° |
极限熄弧角γ<sub>min</sub> | 13° |
整流侧触发角α<sub>r</sub> | 15° |
直流线路电阻R<sub>d</sub> | 6.66Ω |
整流侧等效电抗X<sub>cr</sub> | 5.923Ω |
逆变侧等效电抗X<sub>ci</sub> | 3.944 |
整流侧空载理想电压U<sub>dr0</sub> | 913.118kV |
串联桥的数目B | 4 |
根据式(1)和(2),可以计算出灵绍直流换流站换相失败临界电压Ucr1和Ucr2:
Ucr1=0.908
Ucr2=0.944。
绍兴换流站配备2台调相机,通过升压变组接到绍兴换流站500kV交流母线。其同步机本体参数为:
表2绍兴调相机同步机本体部分参数
绍兴调相机励磁采用自并励静止励磁控制,见图2。图中,VERR0为调相机常规励磁控制电压环基准值,通常设为1pu;VERR1为调相机暂态强励控制电压环基准值,本例中设为1.28;VS为调相机机端电压;IFD为调相机励磁电流;EFD为励磁机输出直流电压;VT为调相机定子电压;P为调相机有功功率;Q为调相机无功功率;VL2R为过励限制电压值;LV为低电位门(低通);HV为高电位门(高通)。
励磁控制回路中低励限制、过励限制逻辑同常规自并励静止励磁对应环节。本例中采用直线型低励限制,则有通过调相机的两个工况(P1,Q1)、(P2,Q2)确定;B为等效反时限特性判据,具体数值根据工程实际进行中整定。
本例中励磁控制回路部分控制参数为:
表3绍兴调相机励磁装置控制参数
实施例2
如图6所示,一种基于调相机快速强励的抑制直流连续换相***,其特征在于,包括:
换相失败临界电压计算模块:分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
调相机暂态强励控制启动模块:监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块:调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
调相机暂态强励控制模块:在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期,之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0。
所述的换相失败临界电压计算模块中,换相失败临界电压Ucr1、Ucr2根据一定时间段内的直流***结构参数及运行状态计算得出,并进行更新。
根据参考文献,得出临界电压Ucr1和Ucr2:
式中,UL0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,γmin表示变化后的熄弧角取为极限熄弧角。
式中,Rcr=(3/π)Xcr、Rci=(3/π)Xci,Xcr、Xci分别表示整流侧和逆变侧的换相电抗,Rd为直流电阻,Udr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压,αr、βi分别表示整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角,γmin表示极限熄弧角,k为换流变压器变比,B为串联桥的数目。
所述的暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块中,调相机启动暂态强励控制时,端电压基准值应瞬时切换为VERR1,缩短调相机暂态控制响应时间,并使得调相机励磁电流迅速达到最大限流值,充分发挥其无功支撑能力。为避免超调过大、响应时间过长,VERR1取值应尽量合理,可根据所考察直流运行状态和网架结构确定使直流发生连续换相失败的交流故障集,并通过离线仿真等手段参照故障集中交流故障发生期间调相机机端电压及励磁输出状态来确定。
所述的调相机暂态强励控制模块中,在换相失败过程中,不应只监测换流站交流母线电压,还应同时监测换流站熄弧角、直流有功、无功变化趋势,综合考虑作为调相机退出强励的判断依据。
调相机退出强励的判断标准为:若换流站交流母线电压UL、直流逆变侧熄弧角γ、直流有功Pd、直流无功Qd状态满足下面公式,则认为直流有继续换相失败风险,调相机保持强励:
若换流站交流母线电压UL大于Ucr2,调相机保持强励200ms后退出强励工作状态。
Claims (8)
1.基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法,其特征在于,包括步骤:
A、分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
B、监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
C、调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
D、在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期,之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0;
步骤C中,为满足暂态强励期间调相机励磁电流达到顶值,根据直流运行状态和网架结构确定使直流发生连续换相失败的交流故障集,根据其故障集中交流故障发生期间调相机机端电压及励磁输出状态确定VERR1。
2.根据权利要求1所述的基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法,其特征在于,步骤A中,换相失败临界电压Ucr1、Ucr2根据一定时间段内的直流***结构参数及运行状态计算得出,并进行更新。
4.根据权利要求1或2所述的基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法,其特征在于,步骤C中,
调相机启动暂态强励控制时,端电压基准值VERR0瞬时切换为VERR1,缩短调相机暂态控制响应时间,并使得调相机励磁电流迅速达到最大限流值,充分发挥其无功支撑能力。
5.根据权利要求1或2所述的基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败方法,其特征在于,步骤D中,
在换相失败过程中,同时监测换流站交流母线电压、熄弧角、直流有功、无功变化趋势,综合考虑作为调相机退出强励的判断依据。
7.基于调相机暂态强励的抑制直流连续换相失败***,其特征在于,包括:
换相失败临界电压计算模块:分别依据直流***结构参数和当前运行状态计算直流的换相失败临界电压Ucr1和Ucr2;
调相机暂态强励控制启动模块:监测直流换流站交流母线电压UL,若直流受端换流站所接入电网交流线路发生故障,换流站交流母线电压UL低于Ucr2,启动调相机暂态强励控制;
暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块:调相机启动暂态强励控制后,励磁控制器端电压基准值VERR0切换为VERR1,所述的VERR1为暂态强励期间调相机励磁控制端电压控制回路中端电压参考值;
调相机暂态强励控制模块:在直流换相失败过程中,持续监测直流换流站交流母线电压UL,在直流首次换相失败结束,熄弧角恢复过程中,若换流站交流母线电压UL低于Ucr1,且直流有功无功继续上升,则认为直流有继续换相失败风险,调相机继续维持强励;若换流站交流母线电压UL高于Ucr2,调相机继续维持强励至少一个完整换相失败周期,之后退出调相机暂态强励控制,切换至常规控制模式,励磁控制器端电压基准值变为VERR0;
所述的暂态励磁控制端电压基准值切换逻辑模块中,为满足暂态强励期间调相机励磁电流达到顶值,根据直流运行状态和网架结构确定使直流发生连续换相失败的交流故障集,根据其故障集中交流故障发生期间调相机机端电压及励磁输出状态确定VERR1。
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抵御直流连续换相失败的同步调相机配置研究;刘建勋等;《智慧电力》;20171220;第45卷(第12期);全文 * |
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