CN103337870A - 一种高压直流输电换相失败的防御方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压直流输电换相失败的防御方法，包括以下步骤：判断是否发生交流侧故障引起的换相失败；换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统；在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，提前触发晶闸管。本发明可以在交流系统发生接地故障或相间短路故障时防御换相失败的发生，并在故障发生后减小交直流电压和功率传输的降低幅度。

Description

一种高压直流输电换相失败的防御方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种高压直流输电换相失败的防御方法。

背景技术

电力电子技术经过了20世纪70～80年代的晶闸管阀时期，使直流输电得到了大发展，并在大电网互联方面展现了更多优势，传统的纯交流电网已发展成为交直流混合电网；采用晶闸管作为换相元件的常规电网换相高压直流输电（Line-Commutated-Converter High VoltageDirect Current,LCC-HVDC）以其大容量远距离输电、有功功率快速可控等特点在世界范围内得到了快速的发展。

换流站的换相失败（Commutation Failure，CF）和直流线路故障是直流系统较为常见的故障形式。当电网发生故障或三相严重不对称时，会导致交流母线电压下降，线电压过零点可能提前，LCC-HVDC阀臂的换流重叠角将增大，关断角将减小，有可能导致换相失败。换相失败的发生严重限制了直流系统传输功率，使得传输功率从正常值突然下降到很小的值甚至是零，为整个交直交系统带来巨大的扰动。

若晶闸管和触发系统工作均可靠，那么导致换相失败的原因主要是逆变侧发生接地或相间短路故障、交流母线电压降低、直流电流突然上升等。

在国外，同一公司的直流输电技术装置的控制保护平台基本都是采用一种共性平台的方式，针对不同类型的直流工程要求而使用相应的控制保护模块，而其控制保护平台的体系与结构基本保持不变。ABB，SIEMENS等作为国际上少数可以完整对直流输电控制保护系统设计制造的公司，国内目前采用的控制保护系统也主要采用以上两个公司的方案，而国内对HVDC系统故障时的控制保护策略研究的相对薄弱，针对某些具体的故障的控制保护策略研究内容并不完整。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高压直流输电换相失败的防御方法，可以在交流系统发生接地故障或相间短路故障时防御换相失败的发生，并在故障发生后减小交直流电压和功率传输的降低幅度。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种高压直流输电换相失败的防御方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：判断是否发生交流侧故障引起的换相失败；

步骤2：换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统；

步骤3：在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，提前触发晶闸管。

所述步骤1中包括以下步骤：

步骤1-1：测量逆变侧A、B和C相的交流电压u_a、u_b和u_c；

步骤1-2：计算换流母线电压的零序电压u₀、相电压矢量在α-β平面上α轴和β轴上对应的α分量u_α和β分量u_β，以及三相对称分量份变换后得到的旋转矢量的幅值u_αβ；

步骤1-3：采用零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败，采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败。

所述步骤1-2中，零序电压u₀表示为：

u₀=u_a+u_b+u_c   （1）

α分量u_α和β分量u_β分别表示为：

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{u}_a-\frac{1}{3}{u}_b-\frac{1}{3}{u}_c---\left(2\right)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_b-\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_c---\left(3\right)$

根据式（2）和（3）将旋转矢量的幅值u_αβ表示为：

$u_{\mathrm{\α\β}}=\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}---\left(4\right).$

所述步骤1-3中，正常运行时，零序电压u₀为0；发生不对称故障、不对称电压跌落情况时，零序电压u₀发生变化，通过比较零序电压u₀和零序电压设定值U_{set_1}即可判断是否发生不对称故障引起的换相失败；

采用零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败的判据表示为：

u₀＜U_{set_1}不发生换相失败（5）；

u₀≥U_{set_1}发生换相失败

旋转矢量的幅值u_αβ为直流量，正常运行时，u_αβ在小范围内波动；当交流系统发生三相对称故障或电压跌落时，u_αβ则与旋转矢量幅值的正常值产生明显偏差，通过比较u_αβ与旋转矢量幅值的正常值的偏差Δu_αβ和旋转矢量幅值的设定值U_{set_3}即可判断是否发生对称故障引起的换相失败；

采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败的判据表示为：

所述步骤2中，矩形波的高度选取范围介于3～9°之间，其宽度为10～15ms。

所述步骤3中，在控制保护系统的触发角指令中减去换相失败防御系统输出给控制保护系统的矩形波指令，触发角指令减小，以此指令来触发晶闸管，即可实现在短时间内提前触发晶闸管，达到预防换相失败的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的高压直流输电换相失败的防御方法可以在交流系统发生接地故障或相间短路故障时防御换相失败的发生，

与现有技术相比，本技术优势有以下几点：

1.对换相失败的防御效果优于现有技术，可以预防由于常规直流输电的逆变侧发生接地或相间故障而引起换流阀的换相失败，并在故障发生后减小交直流电压和功率传输的降低幅度；；

2.现有技术会长时间提前触发晶闸管，本技术可缩短提前触发晶闸管的时间，相比于现有技术，可减小故障期间对系统无功的需求；

3.防御程序逻辑得到简化，动作迅速，可靠性好。

附图说明

图1是高压直流输电换相失败的防御方法流程图；

图2是本发明实施例中直流输电逆变侧结构示意图；

图3是本发明实施例中换相失败防御系统输出的矩形波示意图；

图4是本发明实施例中当2.0s发生单相短路故障时，触发角指令在减去矩形波前后的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，提供一种高压直流输电换相失败的防御方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：判断是否发生交流侧故障引起的换相失败；

步骤2：换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统；

步骤3：在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，提前触发晶闸管。

所述步骤1中包括以下步骤：

步骤1-1：测量逆变侧A、B和C相的交流电压u_a、u_b和u_c；

步骤1-2：计算换流母线电压的零序电压u₀、相电压矢量在α-β平面上α轴和β轴上对应的α分量u_α和β分量u_β，以及三相对称分量份变换后得到的旋转矢量的幅值u_αβ；

步骤1-3：图2为直流输电系统逆变侧的结构示意图，采用逆变侧交流电压的零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败，采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败。

所述步骤1-2中，零序电压u₀表示为：

u₀=u_a+u_b+u_c   （1）

α分量u_α和β分量u_β分别表示为：

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{u}_a-\frac{1}{3}{u}_b-\frac{1}{3}{u}_c---\left(2\right)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_b-\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_c---\left(3\right)$

根据式（2）和（3）将旋转矢量的幅值u_αβ表示为：

$u_{\mathrm{\α\β}}=\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}---\left(4\right).$

所述步骤1-3中，正常运行时，零序电压u₀为0；发生不对称故障、不对称电压跌落情况时，零序电压u₀发生变化，通过比较零序电压u₀和零序电压设定值U_{set_1}即可判断是否发生不对称故障引起的换相失败；

采用零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败的判据表示为：

u₀＜U_{set_1}不发生换相失败   （5）；

u₀≥U_{set_1}发生换相失败

旋转矢量的幅值u_αβ为直流量，正常运行时，u_αβ在小范围内波动；当交流系统发生三相对称故障或电压跌落时，u_αβ则与旋转矢量幅值的正常值产生明显偏差，通过比较u_αβ与旋转矢量幅值的正常值的偏差Δu_αβ和旋转矢量幅值的设定值U_{set_3}即可判断是否发生对称故障引起的换相失败；

采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败的判据表示为：

所述步骤2中，换相失败防御系统输出矩形波指令如图3，防御方法选择输出矩形波的依据如下：

1）产生简单，技术成熟，可靠性好；

2）产生迅速，便于对换相失败进行及时预防；

3）可以从高度和宽度两个维度进行控制，可以针对不同系统对此进行设计以应对不同的实际工况。

矩形波高度与宽度的选取原则如下：

矩形波的高度影响了在防御换相失败期间触发角提前的角度。矩形波的高度应选取范围应介于3～9°之间，具体取值与系统参数有关。如果矩形波高度的选取低于这个范围，则容易导致触发角提前角度不足，换相失败仍然会发生；矩形波高度的选取高于这个范围，则会导致触发角提前过多，对直流系统的稳定，故障期间直流功率传输等造成不利影响，有时甚至可能加快换相失败的发生。

矩形波的宽度影响了故障后减小触发角、防御换相失败的时间跨度。宽度的选取以能覆盖可能发生换相失败的时刻为宜，若不能覆盖可能发生换相失败的时间，对换相失败的防御作用会大大降低。常规直流输电系统发生故障后，发生换相失败的时刻约为5～10ms，选取10～15ms即可覆盖换相失败发生时刻，因此这里建议选择矩形波宽度为10～15ms。

步骤3中，在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，短时间内提前触发晶闸管。

在不加入换相失败防御程序时，控制保护系统会输出触发角指令以触发晶闸管。在步骤2中，防御程序输出了矩形波指令。将这这个矩形波指令与控制保护系统的触发角指令作差，即如图4所示，可以看出在发生故障后的10ms内，触发角指令减小，以此指令来触发晶闸管，即可实现在短时间内提前触发晶闸管，达到预防换相失败的目的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：判断是否发生交流侧故障引起的换相失败；

步骤2：换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统；

步骤3：在控制保护系统的触发角指令中减去该矩形波，提前触发晶闸管。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述步骤1中包括以下步骤：

步骤1-1：测量逆变侧A、B和C相的交流电压u_a、u_b和u_c；

步骤1-2：计算换流母线电压的零序电压u0、相电压矢量在α-β平面上α轴和β轴上对应的α分量u_α和β分量u_β，以及三相对称分量份变换后得到的旋转矢量的幅值u_αβ；

步骤1-3：采用零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败，采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述步骤1-2中，零序电压u₀表示为：

u₀=u_a+u_b+u_c   （1）

α分量u_α和β分量u_β分别表示为：

$u_{\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{u}_a-\frac{1}{3}{u}_b-\frac{1}{3}{u}_c---\left(2\right)$

$u_{\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_b-\frac{\sqrt{3}}{3}{u}_c---\left(3\right)$

根据式（2）和（3）将旋转矢量的幅值uαβ表示为：

$u_{\mathrm{\α\β}}=\sqrt{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}---\left(4\right).$

4.根据权利要求2所述的高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述步骤1-3中，正常运行时，零序电压u₀为0；发生不对称故障、不对称电压跌落情况时，零序电压u₀发生变化，通过比较零序电压u₀和零序电压设定值U_{set_1}即可判断是否发生不对称故障引起的换相失败；

采用零序电压法判断是否发生不对称故障引起的换相失败的判据表示为：

u₀＜U_{set_1}不发生换相失败   （5）；

u₀≥U_{set_1}发生换相失败

旋转矢量的幅值u_αβ为直流量，正常运行时，u_αβ在小范围内波动；当交流系统发生三相对称故障或电压跌落时，u_αβ则与旋转矢量幅值的正常值产生明显偏差，通过比较u_αβ与旋转矢量幅值的正常值的偏差Δu_αβ和旋转矢量幅值的设定值U_{set_3}即可判断是否发生对称故障引起的换相失败；

采用α-β分量法判断是否发生对称故障引起的换相失败的判据表示为：

5.根据权利要求1所述的高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述步骤2中，矩形波的高度选取范围介于3～9°之间，其宽度为10～15ms。

6.根据权利要求1所述的高压直流输电换相失败的防御方法，其特征在于：所述步骤3中，在控制保护系统的触发角指令中减去换相失败防御系统输出给控制保护系统的矩形波指令，触发角指令减小，以此指令来触发晶闸管，即可实现在短时间内提前触发晶闸管，达到预防换相失败的目的。

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