CN113162039A - 一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法属于特高压直流输电线路保护和控制的技术领域；采用的技术方案为：一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，所述分析方法包括以下步骤：步骤10）分析换相失败的机理；步骤20）分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；步骤30）建立合理的仿真模型与步骤20）中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性。

Description

一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的 方法

技术领域

本发明一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法属于特高压直流输电线路保护和控制的技术领域，具体涉及一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法。

背景技术

逆变侧换相失败是高压直流输电***中最常见的故障之一，它将导致直流电压降低、直流电流增大、输送功率减少、换流阀寿命降低、换流变压器直流偏磁及逆变侧弱交流***过电压等不良后果。若控制措施不当，还会引发后继换相失败乃至交流侧相间短路故障，严重时将导致直流传输功率中断，使整个***停运。引发换相失败的主要原因有：换流母线电压下降、换相电压过零点前移、关断角过小直流电流过大和换流器故障等。在实际运行过程中，排除设备本身故障，导致换相失败的因素主要是交流***故障导致换流母线电压幅值下降和电压过零点的漂移。不同类型的故障对换相失败的影响不同。

现在对于交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法主要存在的技术问题：1、现有技术对故障情况下实际熄弧角γ进行了分析，但没有归纳出一套可判断换相失败与否的算法；2、现有技术提出了不对称故障中换相电压过零点前移角对换相失败的影响，但在换相失败几率的计算中并没有考虑换相电压幅值的改变量对换相失败几率的影响，计算可靠性不高；3、没有考虑过渡电阻对换相电压的影响。

发明内容

本发明提供了一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，所述分析方法包括以下步骤：

步骤10)分析换相失败的机理；

步骤20)分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

步骤30)建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性。

所述步骤10)中分析换相失败的机理包括分析直流各换相阀换相失败原理及其根本原因：

所述换相失败的原理分析：换相失败是特高压直流输电***常见的一种故障,而大多数换相失败发生在逆变器侧，因此以逆变侧为研究对象，在换相过程结束后，退出换相的阀臂如果从关断到其阳极电压由负变正的过零时刻之间时间过短，导致晶闸管内并没有完全去游离或换相过程一直未能进行完毕，以至于在阀电压转变为正向时，本应切换为关断状态的换相阀将重新导通或继续保持导通，即换相失败；

所述换相失败的根本原因分析：逆变侧之所以会发生换相失败，其根本原因在于逆变侧的熄弧角γ过小，不能使本应关断的晶闸管中载流子复合，恢复阻断能力；

设u_A、u_B、u_C分别为受端交流侧三相电压，i_A、i_B、i_C分别为流出受端交流***的三相电流，U_d为直流电压，I_d为直流电流，L_C为换换相电感，L_d为平波电抗器，在电路中换相阀V1与换相阀V4串联，换相阀V3与换相阀V6串联，换相阀V5与换相阀V2串联，并且换相阀V1、V4与V3、V6并联，换相阀V3、V6与V5、V2并联，当V3-V5的换相时，得V3-V5换相时的等值电路，忽略晶闸管上的压降，由基尔霍夫电压定律可得：

式中，i_V4为流过换相阀V4的电流，i_V5为流过换相阀V5的电流，i_V6为流过换相阀V6的电流；

当逆变侧正常运行时，可得AB两项电压之差u_AB：

u_AB＝u_A-u_B (3)

由式(1)、式(2)可得：

因为i_V4+i_V6＝I_d，平波电抗器的电感极大，可设L_d＝∞，则有

则式(4)可化简为：

式中：β为触发越前角；γ为熄弧角；ω为角频率，A为换相过程的换相电压时间面积；

通过式(5)可以解释交流***故障时的换相电压时间面积图的关系，可得：在提供同样换相面积的情况下，交流***故障引起的换相电压下降会使故障换相面积比正常运行换相面积投影在横轴上的换相重叠角更大，另一方面，在不对称故障中，相电压过零点前移角会使换相电压提前过零，这两方面都会使关断面积减小，使熄弧角小于最小值造成换相失败。

所述的步骤20)中，分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

从交流***侧看过来，直流***可以等效为一个电流源，这个电源具有变化速度快、对交流***主要输出有功功率的特点，在直流***发生故障时，分析直流***对交流的影响则可以在保留受端交流***故障后序网的基础上增加一个直流电流源，二者的共同影响交流***的节点电压、电流等电气量，建立故障后直流输电***等效电路模型，以u_ac为交流侧端口电压；u_f为故障后受端交流母线电压；z_ac为交流***等值阻抗；i_d为故障后的直流电流；i_f为故障后交流***线路中流过的故障电流，由叠加法可知，故障电流i_f由两部分组成，一部分为故障后交流电源产生的电流i_fac，另一部分为直流***注入交流***的电流i_d.ac，由此得出：

u_f＝u_ac+i_fac·z_ac+i_d.ac·z_ac＝u_ac+u_fac+u_d.ac (6)

式中，u_fac为故障电流i_fac产生的故障电压；u_d.ac为直流***注入交流***的电流i_d.ac产生的故障电压；

故障后暂态过程中直流电流i_d急剧变化并产生大量谐波，将导致注入交流***的直流电流i_d.ac急剧变化，由于i_d.ac发生变化导致交流侧母线电压u_f的变化，必然又将引起直流等值电流i_d的变化，两者最终达到一种动态平衡；

对于不对称短路故障，故障后换相电压仍然存在，换流阀组在整个故障过程中都存在导通、关断动作，且换相失败与恢复换相交替出现，使得不对称短路故障中换流阀组的切换复杂多变，导致直流***注入交流***的电流i_d.ac难用解析的方法进行分析，所以仅研究故障电流i_fac产生的故障电压u_fac与各阀换相失败几率之间的关系；

对三种交流母线不对称故障状态下故障电压u_fac进行研究，三种故障类型为单相短路接地、两相短路接地、两相短路；

根据步骤10)中换相失败的根本原因分析的出的结论，由于换相电压的幅值的降低和过零点前移都会使熄弧角γ减小从而增加换相失败的可能，而换相电压又和交流故障电压u_fac直接相关，则可计算逆变侧交流***不对称故障前后故障电压u_fac幅值和相位的变化量，以分析换相失败几率；

步骤201)单相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电压、电流分别为

由对称分量法可得短路点的A0、A1、A2各序电流、电压：

式中：

为故障前短路点的开路电压，取1∠0°；R_f为故障点过渡电阻；z_1∑、z_2∑、z_0∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

将各序分量叠加起来可以得到故障处ABC三相电压，而换相电压实际为换流变阀侧线电压，因此需分析故障前后阀侧线电压的变化情况，但注意到对于Y-Y型换流变压器，假设变比k＝1，则原、副边的相电压幅值、相位均相同，因此仅需分析网侧的线电压变化情况即可，另外，通常假设电力***的正负序阻抗近似相等，即Z_1Σ＝Z_2Σ，由此得到的故障后网侧各故障线电压：

由式(9)算出A相接地故障后三线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图；

由A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可得知：当发生全金属故障时，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_AB故障后的相位超前于故障前15°，U_CA故障后的相位滞后于故障前15°，由之前的推论可知，电压幅值的跌落和相位的超前都会增大换相失败的可能性，故A→B换相过程发生换相失败几率最大，所述A→B换相过程包括V1→V3和V4→V6，C→A换相过程发生换相失败几率次之，所述C→A换相过程包括V5→V1和V2→V4，U_BC的幅值和相位故障前后未发生改变，故B→C换相过程发生换相失败几率最低，包括B→C换相过程包括V3→V5和V6→V2；

随着故障过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除A→B和C→A换相过程的换相失败几率；

步骤202)两相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电流、电压分别为

由对称分量法可得短路点的各相电压：

式中：R_f为故障点过渡电阻；z₁∑、z₂∑、z₀∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

由式(11)算出BC两相接地故障后线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制BC相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图；

B、C两相短路接地故障时，B相和C相始终保持金属性短接，所以U_BC始终为0；

根据BC相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但故障后U_AB的相位滞后于故障前30°，故障后U_CA的相位超前于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

随着过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值差有所减小，相位差无明显变化，故过渡电阻的增加对A→B换相过程和C→A换相过程的换相失败几率有所减小，但不能消除换相失败；

步骤203)两相短路分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电压、电流分别为、

由对称分量法可得短路点的各序电流、电压：

根据以上等式采用不同值的过渡电阻计算故障后线电压的幅值差和相角差的变化，最终得出B、C两相短路故障后线电压的幅值差和相角差随过渡电阻的变化曲线图；

根据B、C两相短路故障后线电压的幅值差和相角差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_BC的幅值跌落为

故障后U_BC＝0，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_CA故障后的相位超前于故障前30°，U_AB故障后的相位滞后于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

当故障过渡电阻的增加到1.74Z_1Σ以后，U_CA的幅值跌落量将超过U_AB，此时故障后U_CA的相位仍超前于故障前，而U_AB和U_BC的相位均滞后于故障前，故随着过渡电阻的增大，C→A换相过程发生换相失败几率将超过B→C换相过程发生换相失败几率，随着过渡电阻继续增大，各故障后线电压的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除各阀换相过程的换相失败概率。

所述步骤30)中，建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性；

采用HVDC第1基准模型作为研究对象，该HVDC***为一额定电压±500kV、额定输送功率1000MVA的单极直流输电***，故障点设置在逆变侧换流变压器网侧母线，该方法以Y-Y接换流变压器侧换流站为例研究故障中各换相阀的换相情况，在仿真中可以提取到故障后每个晶闸管的电流波形，以此来判断晶闸管是否出现换相失败。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明搭建了一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，该方法从换相失败的机理出发，指出换相电压的幅值与过零点前移角是决定换相成功与否的两个重要因素，然后利用对称分量法，计算出受端交流侧不对称故障前后各交流故障电压幅值和相位的变化，同时计算出过渡电阻对换相电压的影响。本发明能够解决的问题是：1)对整流器和逆变器在交流***发生不对称故障、三相换相电压不平衡时的电流和电压波形进行了详细分析，对故障情况下实际熄弧角γ进行了分析，并归纳出一套可判断换相失败与否的算法；2)在换相失败几率的计算中考虑换相电压幅值的改变量对换相失败几率的影响；3)计算出过渡电阻对换相电压的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1是本发明的分析方法流程图；

图2是逆变侧拓扑结构；

图3是换相等值电路；

图4是交流***故障时的换相电压时间面积；

图5是故障后***等效模型；

图6是交流母线三种故障类型；

图7是A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线；

图8是B、C两相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线；

图9是B、C两相短路故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线；

图10是HVDC仿真模型结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，包括以下步骤：

步骤10)分析换相失败的机理；

步骤20)分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

步骤30)建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性。

所述步骤10)中分析换相失败的机理包括分析直流各换相阀换相失败原理及其根本原因：

所述换相失败的原理分析：换相失败是特高压直流输电***常见的一种故障,而大多数换相失败发生在逆变器侧，因此以逆变侧为研究对象，在换相过程结束后，退出换相的阀臂如果从关断到其阳极电压由负变正的过零时刻之间时间过短，导致晶闸管内并没有完全去游离或换相过程一直未能进行完毕，以至于在阀电压转变为正向时，本应切换为关断状态的换相阀将重新导通或继续保持导通，即换相失败；

所述换相失败的根本原因分析：逆变侧之所以会发生换相失败，其根本原因在于逆变侧的熄弧角γ过小，不能使本应关断的晶闸管中载流子复合，恢复阻断能力；

图2是逆变侧拓扑结构，如图2所示，设u_A、u_B、u_C分别为受端交流侧三相电压，i_A、i_B、i_C分别为流出受端交流***的三相电流，U_d为直流电压，I_d为直流电流，L_C为换换相电感，L_d为平波电抗器，在电路中换相阀V1与换相阀V4串联，换相阀V3与换相阀V6串联，换相阀V5与换相阀V2串联，并且换相阀V1、V4与V3、V6并联，换相阀V3、V6与V5、V2并联，当V3-V5的换相时，得V3-V5换相时的等值电路，如图3所示，忽略晶闸管上的压降，由基尔霍夫电压定律可得：

式中，i_V4为流过换相阀V4的电流，i_V5为流过换相阀V5的电流，i_V6为流过换相阀V6的电流；

当逆变侧正常运行时，可得AB两项电压之差u_AB：

u_AB＝u_A-u_B (3)

由式(1)、式(2)可得：

因为i_V4+i_V6＝I_d，平波电抗器的电感极大，可设L_d＝∞，则有

则式(4)可化简为：

式中：β为触发越前角；γ为熄弧角；ω为角频率，A为换相过程的换相电压时间面积(简称“换相面积”)，是在换相开始到结束时间内线电压与时间轴围成的面积；

通过式5可以解释交流***故障时的换相电压时间面积图的关系，图4表示交流***故障时的换相电压时间面积。u₀为正常运行时的换相电压；u₁为故障后的换相电压；β、μ、γ、A分别为正常运行时的触发越前角、换相重叠角、熄弧角、换相面积；β_f、μ_f、γ_f、A_f分别为故障后的触发越前角、换相重叠角、熄弧角、换相面积；

为不对称故障造成的换相电压过零点前移角。由图4可知，在A提供同样换相面积的情况下，交流***故障引起的换相电压下降会使故障换相面积A_f比正常运行换相面积A投影在横轴上的换相重叠角更大，即μ_f>μ；另一方面，在不对称故障中，相电压过零点前移角

会使换相电压提前过零；这两方面都会使关断面积G减小，使熄弧角γ_f<γ_min，造成换相失败。

所述的步骤20)中，分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

从交流***侧看过来，直流***可以等效为一个电流源，这个电源具有变化速度快、对交流***主要输出有功功率的特点，在直流***发生故障时，分析直流***对交流的影响则可以在保留受端交流***故障后序网的基础上增加一个直流电流源，二者的共同影响交流***的节点电压、电流等电气量，建立故障后直流输电***等效电路模型如图5所示，以u_ac为交流侧端口电压；u_f为故障后受端交流母线电压；z_ac为交流***等值阻抗；i_d为故障后的直流电流；i_f为故障后交流***线路中流过的故障电流，由叠加法可知，故障电流i_f由两部分组成，一部分为故障后交流电源产生的电流i_fac，另一部分为直流***注入交流***的电流i_d.ac，由此得出：

u_f＝u_ac+i_fac·z_ac+i_d.ac·z_ac＝u_ac+u_fac+u_d.ac (6)

式中，u_fac为故障电流i_fac产生的故障电压；u_d.ac为直流***注入交流***的电流i_d.ac产生的故障电压；

故障后暂态过程中直流电流i_d急剧变化并产生大量谐波，将导致注入交流***的直流电流i_d.ac急剧变化，由于i_d.ac发生变化导致交流侧母线电压u_f的变化，必然又将引起直流等值电流i_d的变化，两者最终达到一种动态平衡；

对于不对称短路故障，故障后换相电压仍然存在，换流阀组在整个故障过程中都存在导通、关断动作，且换相失败与恢复换相交替出现，使得不对称短路故障中换流阀组的切换复杂多变，导致直流***注入交流***的电流i_d.ac难用解析的方法进行分析，所以仅研究故障电流i_fac产生的故障电压u_fac与各阀换相失败几率之间的关系；

本大明对三种交流母线不对称故障状态下故障电压u_fac进行研究，三种故障类型如图6所示，①、②、③分别代表单相短路接地、两相短路接地、两相短路；

根据步骤10)中换相失败的根本原因分析的出的结论，由于换相电压的幅值的降低和过零点前移都会使熄弧角γ减小从而增加换相失败的可能，而换相电压又和交流故障电压u_fac直接相关，则可计算逆变侧交流***不对称故障前后故障电压u_fac幅值和相位的变化量，以分析换相失败几率；

步骤201)单相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障情况如图6中①所示。故障时各序电压、电流分别为

由对称分量法可得短路点的A0、A1、A2各序电流、电压：

式中：

为故障前短路点的开路电压，取1∠0°；R_f为故障点过渡电阻；z_1∑、z_2∑、z_0∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

将各序分量叠加起来可以得到故障处ABC三相电压，而换相电压实际为换流变阀侧线电压，因此需分析故障前后阀侧线电压的变化情况，但注意到对于Y-Y型换流变压器，假设变比k＝1，则原、副边的相电压幅值、相位均相同，因此仅需分析网侧的线电压变化情况即可，另外，通常假设电力***的正负序阻抗近似相等，即Z_1Σ＝Z_2Σ，由此得到的故障后网侧各故障线电压：

由式(9)算出A相接地故障后线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图，如图7所示；

由图7的A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可得知：当发生全金属故障时，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_AB故障后的相位超前于故障前15°，U_CA故障后的相位滞后于故障前15°，由之前的推论可知，电压幅值的跌落和相位的超前都会增大换相失败的可能性，故A→B换相过程发生换相失败几率最大，所述A→B换相过程包括V1→V3和V4→V6，C→A换相过程发生换相失败几率次之，所述C→A换相过程包括V5→V1和V2→V4，U_BC的幅值和相位故障前后未发生改变，故B→C换相过程发生换相失败几率最低，包括B→C换相过程包括V3→V5和V6→V2；

随着故障过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除A→B和C→A换相过程的换相失败几率；

步骤202)两相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电流、电压分别为

由对称分量法可得短路点的各相电压：

式中：R_f为故障点过渡电阻；z1_∑、z2_∑、z0_∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

由式(11)算出BC两相接地故障后线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制BC两相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图，如图8所示；

B、C两相短路接地故障时，B相和C相始终保持金属性短接，所以U_BC始终为0；

根据图8的B、C两相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但故障后U_AB的相位滞后于故障前30°，故障后U_CA的相位超前于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

随着过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值差有所减小，相位差无明显变化，故过渡电阻的增加对A→B换相过程和C→A换相过程的换相失败几率有所减小，但不能消除换相失败；

步骤203)两相短路分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电压、电流分别为、

由对称分量法可得短路点的各序电流、电压：

根据以上等式采用不同值的过渡电阻计算故障后线电压的幅值差和相角差的变化，最终得出B、C两相短路故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图，如图9所示；

根据图9的B、C两相短路故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_BC的幅值跌落为

故障后U_BC＝0，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_CA故障后的相位超前于故障前30°，U_AB故障后的相位滞后于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

当故障过渡电阻的增加到1.74Z_1Σ以后，U_CA的幅值跌落量将超过U_AB，此时故障后U_CA的相位仍超前于故障前，而U_AB和U_BC的相位均滞后于故障前，故随着过渡电阻的增大，C→A换相过程发生换相失败几率将超过B→C换相过程发生换相失败几率，随着过渡电阻继续增大，各故障后线电压的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除各阀换相过程的换相失败概率。

所述步骤30)中，建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性；

本方法采用国际大电网会议(CIGRE)1991年提出的HVDC第1基准模型作为研究对象(如图10所示)，该HVDC***为一额定电压±500kV、额定输送功率1000MVA的单极直流输电***。故障点设置在逆变侧换流变压器网侧母线。该方法以Y-Y接换流变压器侧换流站为例研究故障中各换相阀的换相情况。在仿真中可以提取到故障后每个晶闸管的电流波形，以此来判断晶闸管是否出现换相失败。对比验证将在后面提出。

实施例

直流***电流受到故障发生时间的影响非常大，故障期间直流换流阀的暂态过程异常复杂，故障时间稍有不同，直流***的暂态过程就会有很大变化。所以本实施例进行多次仿真实验，每次仿真中将故障发生时刻设置在不同的时间点，记录下每次仿真中各阀换相情况，然后从统计的角度上来分析每个阀的换相失败几率。

本实施例一共仿真20次，故障发生时刻设置均匀遍历一个基波周期，即两次相邻仿真中故障发生时刻相距1ms；设置故障持续时间为1个周期，即20ms；将第一次故障设置在0.3s。仿真结果如表1-表6所示：

表1 A相短路接地故障发生换相失败情况

表2 A相短路接地故障换相失败次数统计

表3 B、C两相短路接地故障发生换相失败情况

表4 B、C两相短路接地故障换相失败次数统计

表5 B、C两相短路故障换发生相失败情况

表6 B、C两相短路故障换相失败次数统计

在A相接地故障情况下，由表2可以得出以下结论：在R_f＝0时，V1和V4发生换相失败几率最大，各发生了20次换相失败；V5发生1次换相失败。所有换相阀的换相失败次数随着过渡电阻的增大而减小，过渡电阻增大到4后各阀不再发生换相失败。

在B、C两相短路接地故障情况下，由表4可以得出以下结论：在R_f＝0时，V3和V6发生换相失败的几率最大，分别发生13次和12次换相失败；V2和V5的换相失败几率次之，各发生7次和6次换相失败；V1和V4各发生一次换相失败；当过渡电阻的增大到1.5时，V1、V2、V4换相失败次数各减少1次，由表3可以看出，这3次换相失败转移到了随后换相的V3和V6上；随后各换相阀换相失败次数不再随过渡电阻的增大而变化。

在B、C两相短路故障情况下，由表6可以得出以下结论：在R_f＝0时，V3和V6发生换相失败几率最大，各发生了14次换相失败；V2和V5的换相失败几率次之，各发生5次换相失败。当过渡电阻增大到1.1时，V2和V5的换相失败几率超过了V3和V6；过渡电阻增大到16以后，各阀将不再发生换相失败。

可以看到，三种故障的仿真验证结论得到的各阀换相失败情况和之前的推论一致。

结果

逆变侧交流***故障容易引发逆变器换相失败。在逆变侧各类型的不对称故障中，每组换相阀换相失败的几率不同。故障后换相电压幅值改变和过零点偏移是影响换相失败的两个重要因素。故障后电压幅值减小量越大，过零点超前量越多，越容易发生换相失败。而故障后的换相电压由交流侧故障电压和直流侧注入交流侧的电流所产生的电压两部分组成，对交流故障电压的分析可以初步判断出各阀换相失败几率。通过PSCAD/EMTDC仿真验证可得到如下结论：

A相接地故障时，与A相相连的V1、V4换相阀发生换相失败的几率最高；V2、V5换相阀发生换相失败的几率次之；V3、V6换相阀发生换相失败的几率最低。当过渡电阻增大到一定值时将各阀将不再发生换相失败。

B、C相短路接地故障时，V3、V6换相阀发生换相失败的几率最高；V2、V5换相阀发生换相失败的几率次之；V1、V4换相阀发生换相失败的几率最低。过渡电阻的增大对V2、V5和V1、V4阀的换相失败有一定改善，但并不能完全消除换相失败。

B、C相短路故障时，V3、V6换相阀发生换相失败的几率最高；V2、V5换相阀发生换相失败的几率次之；V1、V4换相阀发生换相失败的几率最低。随着过渡电阻的增大，V2、V5换相阀换相失败几率将超过V3、V6成为最高；当过渡电阻增大到一定值时将各阀将不再发生换相失败。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：

步骤10)分析换相失败的机理；

步骤20)分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

步骤30)建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性。

2.根据权利要求1所述的一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，其特征在于：所述步骤10)中分析换相失败的机理包括分析直流各换相阀换相失败原理及其根本原因：

所述换相失败的原理分析：换相失败是特高压直流输电***常见的一种故障,而大多数换相失败发生在逆变器侧，因此以逆变侧为研究对象，在换相过程结束后，退出换相的阀臂如果从关断到其阳极电压由负变正的过零时刻之间时间过短，导致晶闸管内并没有完全去游离或换相过程一直未能进行完毕，以至于在阀电压转变为正向时，本应切换为关断状态的换相阀将重新导通或继续保持导通，即换相失败；

所述换相失败的根本原因分析：逆变侧之所以会发生换相失败，其根本原因在于逆变侧的熄弧角γ过小，不能使本应关断的晶闸管中载流子复合，恢复阻断能力；

设u_A、u_B、u_C分别为受端交流侧三相电压，i_A、i_B、i_C分别为流出受端交流***的三相电流，U_d为直流电压，I_d为直流电流，L_C为换换相电感，L_d为平波电抗器，在电路中换相阀V1与换相阀V4串联，换相阀V3与换相阀V6串联，换相阀V5与换相阀V2串联，并且换相阀V1、V4与V3、V6并联，换相阀V3、V6与V5、V2并联，当V3-V5的换相时，得V3-V5换相时的等值电路，忽略晶闸管上的压降，由基尔霍夫电压定律可得：

式中，i_V4为流过换相阀V4的电流，i_V5为流过换相阀V5的电流，i_V6为流过换相阀V6的电流；

当逆变侧正常运行时，可得AB两项电压之差u_AB：

u_AB＝u_A-u_B (3)

由式(1)、式(2)可得：

因为i_V4+i_V6＝I_d，平波电抗器的电感极大，可设L_d＝∞，则有

则式(4)可化简为：

式中：β为触发越前角；γ为熄弧角；ω为角频率，A为换相过程的换相电压时间面积；

通过式(5)可以解释交流***故障时的换相电压时间面积图的关系，可得：在提供同样换相面积的情况下，交流***故障引起的换相电压下降会使故障换相面积比正常运行换相面积投影在横轴上的换相重叠角更大，另一方面，在不对称故障中，相电压过零点前移角会使换相电压提前过零，这两方面都会使关断面积减小，使熄弧角小于最小值造成换相失败。

3.根据权利要求2所述的一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，其特征在于：所述的步骤20)中，分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的影响，包括单相短路接地分析、两相短路分析、两相短路接地分析所产生的影响；

从交流***侧看过来，直流***可以等效为一个电流源，这个电源具有变化速度快、对交流***主要输出有功功率的特点，在直流***发生故障时，分析直流***对交流的影响则可以在保留受端交流***故障后序网的基础上增加一个直流电流源，二者的共同影响交流***的节点电压、电流等电气量，建立故障后直流输电***等效电路模型，以u_ac为交流侧端口电压；u_f为故障后受端交流母线电压；z_ac为交流***等值阻抗；i_d为故障后的直流电流；i_f为故障后交流***线路中流过的故障电流，由叠加法可知，故障电流i_f由两部分组成，一部分为故障后交流电源产生的电流i_fac，另一部分为直流***注入交流***的电流i_d.ac，由此得出：

u_f＝u_ac+i_fac·z_ac+i_d.ac·z_ac＝u_ac+u_fac+u_d.ac (6)

式中，u_fac为故障电流i_fac产生的故障电压；u_d.ac为直流***注入交流***的电流i_d.ac产生的故障电压；

故障后暂态过程中直流电流i_d急剧变化并产生大量谐波，将导致注入交流***的直流电流i_d.ac急剧变化，由于i_d.ac发生变化导致交流侧母线电压u_f的变化，必然又将引起直流等值电流i_d的变化，两者最终达到一种动态平衡；

对于不对称短路故障，故障后换相电压仍然存在，换流阀组在整个故障过程中都存在导通、关断动作，且换相失败与恢复换相交替出现，使得不对称短路故障中换流阀组的切换复杂多变，导致直流***注入交流***的电流i_d.ac难用解析的方法进行分析，所以仅研究故障电流i_fac产生的故障电压u_fac与各阀换相失败几率之间的关系；

对三种交流母线不对称故障状态下故障电压u_fac进行研究，三种故障类型为单相短路接地、两相短路接地、两相短路；

根据步骤10)中换相失败的根本原因分析的出的结论，由于换相电压的幅值的降低和过零点前移都会使熄弧角γ减小从而增加换相失败的可能，而换相电压又和交流故障电压u_fac直接相关，则可计算逆变侧交流***不对称故障前后故障电压u_fac幅值和相位的变化量，以分析换相失败几率；

步骤201)单相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电压、电流分别为

由对称分量法可得短路点的A0、A1、A2各序电流、电压：

式中：

为故障前短路点的开路电压，取1∠0°；R_f为故障点过渡电阻；z_1∑、z_2∑、z_0∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

将各序分量叠加起来可以得到故障处ABC三相电压，而换相电压实际为换流变阀侧线电压，因此需分析故障前后阀侧线电压的变化情况，但注意到对于Y-Y型换流变压器，假设变比k＝1，则原、副边的相电压幅值、相位均相同，因此仅需分析网侧的线电压变化情况即可，另外，通常假设电力***的正负序阻抗近似相等，即Z_1Σ＝Z_2Σ，由此得到的故障后网侧各故障线电压：

由式(9)算出A相接地故障后三线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图；

由A相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可得知：当发生全金属故障时，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_AB故障后的相位超前于故障前15°，U_CA故障后的相位滞后于故障前15°，由之前的推论可知，电压幅值的跌落和相位的超前都会增大换相失败的可能性，故A→B换相过程发生换相失败几率最大，所述A→B换相过程包括V1→V3和V4→V6，C→A换相过程发生换相失败几率次之，所述C→A换相过程包括V5→V1和V2→V4，U_BC的幅值和相位故障前后未发生改变，故B→C换相过程发生换相失败几率最低，包括B→C换相过程包括V3→V5和V6→V2；

随着故障过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除A→B和C→A换相过程的换相失败几率；

步骤202)两相短路接地分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电流、电压分别为

由对称分量法可得短路点的各相电压：

式中：R_f为故障点过渡电阻；z_1∑、z_2∑、z_0∑为故障点向网络看进去的正、负、零序等值阻抗；

由式(11)算出BC两相接地故障后线电压幅值差和相角差随过渡电阻的变化，并绘制BC相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图；

B、C两相短路接地故障时，B相和C相始终保持金属性短接，所以U_BC始终为0；

根据BC相短路接地故障后线电压幅值和相位差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但故障后U_AB的相位滞后于故障前30°，故障后U_CA的相位超前于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

随着过渡电阻的增加，U_AB和U_CA的幅值差有所减小，相位差无明显变化，故过渡电阻的增加对A→B换相过程和C→A换相过程的换相失败几率有所减小，但不能消除换相失败；

步骤203)两相短路分析：

设故障前逆变侧交流母线处的A相电压标幺值为

故障时各序电压、电流分别为、

由对称分量法可得短路点的各序电流、电压：

根据以上等式采用不同值的过渡电阻计算故障后线电压的幅值差和相角差的变化，最终得出B、C两相短路故障后线电压的幅值差和相角差随过渡电阻的变化曲线图；

根据B、C两相短路故障后线电压的幅值差和相角差随过渡电阻的变化曲线图可以得出：当过渡电阻为0时，故障后U_BC的幅值跌落为

故障后U_BC＝0，U_AB和U_CA的幅值跌落值相同，但U_CA故障后的相位超前于故障前30°，U_AB故障后的相位滞后于故障前30°，所以在金属性故障时，B→C换相过程发生换相失败几率最高，C→A换相过程发生换相失败几率次之，A→B换相过程发生换相失败几率最低；

当故障过渡电阻的增加到1.74Z_1Σ以后，U_CA的幅值跌落量将超过U_AB，此时故障后U_CA的相位仍超前于故障前，而U_AB和U_BC的相位均滞后于故障前，故随着过渡电阻的增大，C→A换相过程发生换相失败几率将超过B→C换相过程发生换相失败几率，随着过渡电阻继续增大，各故障后线电压的幅值和相位均逐渐恢复到故障前水平，所以故障过渡电阻的增加能够减小乃至消除各阀换相过程的换相失败概率。

4.根据权利要求1所述的一种交流***故障对直流各换相阀换相失败几率影响分析的方法，其特征在于：所述步骤30)中，建立合理的仿真模型与步骤20)中分析交流侧接地故障对各换相阀换相失败的推论进行对比，验证其有效性；

采用HVDC第1基准模型作为研究对象，该HVDC***为一额定电压±500kV、额定输送功率1000MVA的单极直流输电***，故障点设置在逆变侧换流变压器网侧母线，该方法以Y-Y接换流变压器侧换流站为例研究故障中各换相阀的换相情况，在仿真中可以提取到故障后每个晶闸管的电流波形，以此来判断晶闸管是否出现换相失败。

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