CN102353874B - 基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法，其特点是对于直流系统换流站逆变侧的换相过程，根据换相电流与时间轴所围面积提出换相电流时间面积这一概念，换相电流时间面积法从能量的角度揭示出换相过程的物理意义，根据换相电流时间面积的大小提出相应的判据，该判据能够作为正确判断换流站逆变侧是否发生换相失败的新指标。

Description

基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法，属于高压直流输电领域。

背景技术

换相失败是高压直流输电系统换流站逆变运行时最常见的故障之一，其发生的主要原因是逆变侧交流系统故障引起换相电压下降。某些情况下换相失败可能自行恢复，但连续换相失败可能引起直流输电系统闭锁，甚至危及整个系统稳定，造成更大危害。交直流混合运行系统中，电压崩溃和控制引发的电压振荡都会造成逆变器永久换相失败。

换相失败是指：当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀如果在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或者在反向电压作用期间换相过程一直未能进行完毕。这两种情况当阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相。换相失败有一次换相失败、两次连续换相失败和两次不连续换相失败等不同表现形式。

换相失败将导致直流电压下降和直流电流增大，若采取的控制措施不当，还会引发后继的换相失败，严重时将导致直流传输功率中断，使得整个系统失去稳定，对电网的安全运行影响重大。与单馈入直流输电系统相比，多馈入直流输电系统具有较大的输送容量和更为灵活的运行方式，但同时也带来一些特殊问题，由于换流站之间的相互作用对换相失败更为敏感，换相失败问题的研究将更为复杂。一个换流站的换相失败不但会引发本身直流系统的电压波动，还可能导致附近多个换流站发生换相失败，甚至造成整个系统运行崩溃。近年来电网超常规发展，多条直流线路陆续投运，而大区联网普遍采用交直流混合运行方式，一旦某条直流发生连续换相失败、导致闭锁，其原先直流传送的功率将向交流线路转移，使相关线路重载，给交流系统的稳定运行带来直接影响，若多条直流线路发生连锁故障，甚至可能导致电网失稳。因此对直流系统换相失败的分析研究值得重视。

换相失败的判定方法主要有熄弧角判断法和最小电压降落法。熄弧角判断法是通过比较换流器实际熄弧角与引起换相失败的临界熄弧角之间的大小来判断发生换相失败的方法；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换相电压降落之间的大小来判断系统是否发生换相失败。工程上判断换相失败一般是采用经验电压判据。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法，其特点是能够从能量的角度用换相电流时间面积分析了两阀间换相的动态过程及直流电流和换相角μ的关系，从本质上揭示影响换相失败发生的机理。该方法与以往的判定法相比较，能够从能量的角度体现换相的本质过程。

本发明的目的由以下技术措施实现：

基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法包括以下步骤：

1.对于直流系统换流站逆变器，根据换相机理用数学模型表达换相过程；

2.在换相过程中，根据换相的数学模型得到在直流系统任意时刻下，正常运行或故障情况下的各种运行参数；

3.根据换相的本质特点，提取逆变侧阀电流这一参数，将阀电流曲线在换相过程中与时间轴所围面积定义为换相电流时间面积；

4.考虑换相过程非常短暂，将以上得到的换相电流时间面积用数学方法进行简化处理，根据得到的面积大小，以及该运行方式下逆变器的其它参数，根据提出的判据条件与极限换相电流面积进行比较，以判断换流器是否发生换相失败。

根据换相的物理过程，阀V5的电流从I_d逐渐减小到0，阀V1的电流则从0增大到I_d，阀V5完成了向阀V1换相的过程，同时阀V5处等值电感完成了与阀V1处等值电感间能量的转换，换相数学模型表达为：

换相数学模型表达为：

$L_r\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}-L_r\frac{{\mathrm{di}}_5}{\mathrm{dt}}=U_a-U_c---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_r\\ i_5=I_d-i_r\end{array}\right.---\left(2\right)$

$A_{\mathrm{it}}={\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}}{i}_{5}d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$=I_d\mathrm{\μ}-\frac{U_{\mathrm{ac}}\mathrm{\μ}}{\sqrt{2}{X}_r}[\cos \mathrm{\α}-\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\μ}}]---\left(3\right)$

${A^{\′}}_{\mathrm{it}}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{I}_d---\left(4\right)$

$I_d=\frac{U_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{2}{X}_r}[\cos \mathrm{\α}-\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\μ}}]---\left(5\right)$

根据系统换相的物理过程得到逆变器换流阀的各阀电流i_r变化规律，触发角α，直流电流I_d，外部交流电压U_ac，逆变侧换相失败的新判据计算步骤如下：

1)逆变器按某一运行方式，换流阀在换相的任意时刻内，列写阀电流等值电路回路方程；

2)针对即将退出导通的特定阀，采用积分公式计算其换相电流在换相过程中与时间轴所围面积的大小；

3)根据所绘制的换相电流时间面积，用数学方法估算一个面积，所得面积比用积分精确计算的结果略微偏小，相当于对该阀电流线性化处理；

4)假定积分法所得面积与估算法近似相等，因此有：

A_it≈A′_it         (7)

5)式(5)是在式(7)的情况下，式(3)和式(4)联立所得方程。其方程表达出换相电流与换相角之间的函数关系，为判断逆变器是否发生换相失败提供依据；

6)根据式(5)，当对应最小熄弧角γ_min时，逆变器对应换相角μ_max，此时逆变器处于临界状态，对应的A_itc即为换相失败判据的阈值；

换相角最大值μ_max由以下公式确定：

μ_max＝|β-γ_min|              (8)

提出，换相电流时间面积A_it可以作为判断换相失败是否发生的判据，该判据为：

A_it＜A_itc

本发明具有如下优点：

本发明从换相过程入手，从能量的角度对换相失败进行了的阐述，体现了换相的本质过程。通过实时换相电流时间面积与极限换相电流时间面积的比较来判断换相失败的发生与否，也是一种判断换流器是否发生换相失败的新方法。另外，根据换相电流时间面积计算出相应的换相角μ，根据换相角μ的实时值，在外界环境变化时及时启动其它控制方式，在最短的时间内避免换相失败的发生。

附图说明

图1为单桥逆变器电路图。

计算时以阀V5向阀V1换相为例，在ωt＝α阀V1触发开通之前导通的阀为V5，V6。在阀V1开通瞬间，V5，V6和V1三个阀同时导通。根据电路原理，通过电感的电流是连续的，不会突变，因此阀V5向阀V1换相的过程中必需要经历一定的时间，这个时间称为换相时间，转换为电角度后即为换相角μ。

图2为换相等值电路图。

其中，假定阀V5和阀V1所在回路换相电流为i_r，由于U_a大于U_b，所以i_r的方向为逆时针方向；i1，i5分别为流过阀V1和阀V5的电流。

图3为逆变器两相换相过程示意图。

其中，A_it为换相电流时间面积，A_v为换相电压面积，μ为换相角，γ为熄弧角，A_itc为极限换相电流时间面积。

图4为换相过程中阀V5电流和换相角关系曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

1.换相失败机理概述

根据换相失败的定义，其主要阐述了两种导致换相失败发生的情况：一是刚退出导通的阀在反向电压作用期间未能恢复阻断能力(γ＜γmin)，当阀电压转变为正向时，原退出导通的阀不需要触发脉冲便重新导通；二是需要退出导通的阀在反向电压期间未能完成换相过程，该阀没有被关断始终保持导通状态，当阀电压转变为正向时则继续导通。

通过对定义的理解，可以发现，影响换相失败的关键并不在于熄弧角γ的大小，而是换相过程中换相角μ的大小。在越前触发角β一定的情况下，换相角μ增大，留给熄弧角γ的余裕相应减小，则会增加发生换相失败的机率；换相角μ减小，增大了熄弧角γ的余裕度，反而更不容易发生换相失败。因此两个换流阀间完成换相过程所经历的换相角μ才是影响换相失败发生与否的根本因素。

2.换相电流时间面积的定义

以阀V5向阀V1换相为例，其换相等值电路如图2所示。两相换相时，换相过程中的能量转化过程实际是将阀V5换相电感L_r上储存的能量转移到阀V1的电感L_r上去。因此两相换相过程中的能量变化主要体现在两相电感间电流的相互转化过程中，从能量的角度用电流表现换相过程，则从本质上揭示出换相机理。

选取换相电流为变量，将直流电流在换相时间内与时间轴所围面积定义为换相电流面积A_it，如图3阴影部分所示。在换相过程中，用换相电流时间面积A_it研究其与换相失败的影响。

3.换流电流时间面积的推导过程

图3中，假定阀V5和阀V1所在回路换相电流为i_r，由于U_a大于U_b，所以i_r的方向为逆时针方向根据KVL电压回路定理，上半回路的电路方程为：

$L_r\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}-L_r\frac{{\mathrm{di}}_5}{\mathrm{dt}}=U_a-U_c---\left(1\right)$

其中，i₁，i₅分别为流过阀V1和阀V5的电流；

满足：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_r\\ i_5=I_d-i_r\end{array}\right.---\left(2\right)$

将式(2)代入式(1)整理后得：

$i_r=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{2X_r}(\cos \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\ωt})---\left(3\right)$

在ωt＝a+μ时刻，阀V5完成了换流阀的关断过程，有：

i₅|ω_t＝α+μ＝I_d-i_r|ω_t＝α+μ＝0             (4)

将式(4)代入式(3)得：

$I_d=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{2X_r}[\cos \mathrm{\α}-\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})]---\left(5\right)$

阀V5在关断过程中其电流从I_d逐渐变为0。其换相电流时间面积A_it为：

$A_{\mathrm{it}}={\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}}{i}_{5}d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$=I_d\mathrm{\μ}-\frac{U_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{2}{X}_r}[\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\α}-\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})+\sin \mathrm{\α}]---\left(6\right)$

在[a，a+μ]内，可以近似认为i₅呈直线变化，将其线性化处理。线性化后其换相电流面积近似为一直角三角形的面积A_it，即：

$A_{\mathrm{it}}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{I}_d---\left(7\right)$

4.换相失败判据条件

换相角μ的增大会引起换相电流时间面积的增大，当换相角μ增加到最大换相角μ_max时，对应最小值熄弧角γ_min，此时逆变器处于临界状态，对应的A_itc即为换相失败判据的阈值。换相角最大值μ_max由以下公式确定：

μ_max＝|β-γ_min|                  (8)

一般认为γ_min＝10°时逆变侧处于临界换相失败状态。正常工况下β大概运行在40°～50°之间，当β为一确实值时，μ_max确定，从而得到在此工况下的换相电流时间面积阈值A_itc，其值也为定值。

因此换相电流时间面积A_it可以作为判断换相失败是否发生的判据，该判据为：

A_it＜A_itc

当A_it＜A_itc时，逆变器不会发生换相失败；当A_it＞A_itc时，逆变器发生换相失败；当A_it＝A_itc时，逆变器处于临界换相失败状态。

5.换相电流时间面积的计算

现以β＝40°，直流电流I_d＝1.0526I_dN为例，详细介绍该算法。

a)当β＝40°时，取γ_min＝10°，根据式(8)，有μ_max＝30°，代入公式(7)得，A_itc＝0.7853(其中I_d＝3kA)。

b)联立式(6)和式(7)得：

$I_d=\frac{U_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{2}{X}_r}[\cos \mathrm{\α}-\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\μ}}]---\left(9\right)$

其中，U_ac为变压器阀侧线电压有效值，X_r为等效阻抗，α为换流站触发角。本模型中U_ac＝210kV，X_r＝8Ω，α＝π-β＝140°。当以上值为定值时，直流电流I_d与换相角μ一一对应。若I_d＝1.0526p.u.，得μ＝0.4322rad，再根据公式(7)得，A_it＝0.6483。其它算例类同。

6.判据的准确性验证

换相电流时间面积的大小的准确性直接决定了逆变器是否发生换相失败的准确性。根据判据来判断逆变器是否发生换相失败的结果与实际情况相吻合，或与用经典判据法得出的结果相一致，那么可认为基于换相电流面积法的换相失败新判据可以接受，并能用作下一步的分析。

将该换相电流时间面积判据在仿真软件中进行模拟验证，并与经典的熄弧角判别法进行对比验证，其结果列于表1如示。

表1不同条件下换相电流时间面积、换相角和熄弧角的计算值及仿真值

Table1 Results of A_it、μand γunder different conditions

表1列出了不同故障情况下，不同直流系统控制参数下，A_it，γ的计算值和仿真值。A_itc为μ_max对应的极限换相电流时间面积值。A_it为利用公式(7)计算所得值，其中换相角μ值为联立公式(7)、(8)并结合相应的直流电流大小所得的值。熄弧角γ值为在PSCAD/EMTDC仿真环境下所得仿真测量值。对比表中数据，计算结果和仿真结果对换相失败的判别结果基本一致，表明采用换相电流时间面积判别法得到的结果与用熄弧角判别法结果一致。因此换相电流时间面积法可以作为反映逆变器是否发生换相失败的新指标。

Claims (1)

1.一种基于换相电流时间面积指标的换相失败检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）对于直流系统换流站逆变器，根据换相机理用数学模型表达换相过程；

2）在换相过程中，根据换相的数学模型得到在直流系统任意时刻下，正常运行或故障情况下的各种运行参数；

3）根据换相的本质特点，提取逆变侧阀电流这一参数，将阀电流曲线在换相过程中与时间轴所围面积定义为换相电流时间面积；

4）考虑换相过程非常短暂，将以上得到的换相电流时间面积用数学方法进行简化处理；根据得到的面积大小，以及该运行方式下逆变器的其它参数，提出基于换相电流时间面积法的换相失败检测方法，并给出相应的判据，以判断换流器是否发生换相失败；

其中，换相电流时间面积为：

根据换相的物理过程，换流阀V5的电流从直流电流I_d逐渐减小到0，换流阀V1的电流则从0增大到直流电流I_d，换流阀V5完成了向换流阀V1换相的过程，同时换流阀V5处等值电感L_r所完成了与换流阀V1处等值电感L_r间能量的转换，换相数学模型表达为：

$L_r\frac{d{i}_1}{\mathrm{dt}}-L_r\frac{d{i}_5}{\mathrm{dt}}=U_a-U_c---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=i_r\\ i_5=I_d-i_r\end{array}\right.---\left(2\right)$

$A_{\mathrm{it}}={\∫}_{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}}{i}_{5}d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$=I_d\mathrm{\μ}-\frac{U_{\mathrm{ac}}\mathrm{\μ}}{\sqrt{2}{X}_r}\[\cos \mathrm{\α}-\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\μ}}\]---\left(3\right)$

${A\′}_{\mathrm{it}}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{I}_d---\left(4\right)$

$I_d=\frac{U_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{2}{X}_r}\[\cos \mathrm{\α}-\frac{\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\μ}}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\μ}}\]---\left(5\right)$

式中：i₁指流过换流阀V1的电流；

i₅指流过换流阀V5的电流；

i_r指阀电流；

U_ac指变压器阀侧线电压有效值；

X_r指等效阻抗；

根据系统换相的物理过程得到逆变器换流阀的各阀电流i_r变化规律，触发角α，直流电流I_d，变压器阀侧线电压有效值U_ac，求取逆变器换相角μ的步骤如下：

1）逆变器按某一运行方式，换流阀V1和V5在换相的任意时刻内，列写阀电流i_r等值电路回路方程；

2）针对即将退出导通的特定换流阀V5，采用积分公式计算其换相电流在换相过程中与时间轴所围面积的大小；

3）根据所绘制的换相电流时间面积，对换流阀V5电流线性化处理；

4）假定积分法所得面积A_it与估算法所得面积A‘_it近似相等，因此有：

$A_{\mathrm{it}}\≈{A\′}_{\mathrm{it}}---\left(6\right)$

5）式(5)是在式(6)的条件下，式(3)和式(4)联立所得方程，其方程表达出直流电流I_d与换相角μ之间的函数关系，为判断逆变器是否发生换相失败提供依据；

6）根据式(5)，当对应最小熄弧角γ_min时，逆变器对应换相角μ_max，此时逆变器处于临界状态，对应面积A_itc即为换相失败判据的阈值；

换相角最大值μ_max由以下公式确定：

μ_max＝|β-γ_min|     (7)

其中：β指触发超前角；

提出积分法所得面积A_it作为判断换相失败是否发生的判据，该判据为：

A_it<A_itc。

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