CN103488883A

CN103488883A - 一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法

Info

Publication number: CN103488883A
Application number: CN201310412303.XA
Authority: CN
Inventors: 刘泽洪; 汤广福; 许韦华
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd; China EPRI Electric Power Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明涉及一种换流阀的监测方法，具体涉及一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法。该方法包括下述步骤：（1）建立换流阀关断时间数学模型；（2）实时监测换流阀电流导数是否小于0；（3）确定换流阀关断面积；（4）确定临界关断面积；（5）确定实际关断面积；（6）比较实际关断面积和临界关断面积，判断换流阀是否换相失败。本发明提供的方法从换流阀设备角度对换相失败的监测更为直接，反应了换相失败故障的本质；硬件方面易于实现，在TE板上增加积分功能，计算关断面积简单方便。

Description

一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法

技术领域

本发明涉及一种换流阀的监测方法，具体涉及一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法。

背景技术

20世纪70年代以来，采用晶闸管作为换相元件的高压直流输电工程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。换相失败（CommutationFailure，CF）是逆变器较为常见的故障形式，其发生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，严重影响了直流系统的可靠运行。我国电网中因直流工程输送容量提升，多馈入直流以及大直流弱交流等问题造成换相失败的风险进一步提高。

换相失败故障是不可避免的，晶闸管是非理想半控型器件，其阻断能力需要在反向电压作用下，经过一段时间才能恢复，但实际系统中，总不免存在着故障或扰动，引起电压跌落，晶闸管无法关断，引发换相失败。其本质为：当电网发生故障时，线电压过零点提前，换相阀臂的换流重叠角将增大，关断角γ将减小并小于晶闸管所需的最小关断角γ_min，换相桥臂失去正向阻断能力，导致换相失败。

根据工程经验，换流站内控制保护系统对换相失败的监测、预测主要通过检测交、直流系统的电压、电流，进行换相面积计算、零序电压计算，交直流电流比较等。以上监测、预测方法均属于对换相失败的间接判别，并未从发生换相失败的设备本身：换流阀设备角度进行监测和判断。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于临界关断面积数学模型的高压直流输电换相失败的监测方法，通过换流阀的智能触发监测系统，从换流阀电压的角度对换相后的晶闸管阀正向阻断能力进行判断，以此对换相失败进行直接监测。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法，其改进之处在于，所述方法是基于临界关断面积数学模型的，该方法用的系统为监测系统，包括依次连接的积分器、比较器、计时器；所述方法包括下述步骤：

（1）建立换流阀关断时间数学模型；

（2）实时监测换流阀电流导数是否小于0；

（3）确定换流阀关断面积；

（4）确定临界关断面积；

（5）确定实际关断面积；

（6）比较实际关断面积和临界关断面积，判断换流阀是否换相失败。

进一步地，所述步骤（1）中，关断时间包括关断开始时刻t₁和关断结束时刻t₂，分别用下述数学表达式表示：

关断开始时刻t₁的表达式如下：

t_{1} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{2 π}{3} + μ) - - - < 1 >;

关断结束时刻t₂的表达式如下：

t_{2} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{5 π}{6} - α) - - - < 2 >;

其中：t₀为触发导通时刻，α为逆变器的触发角，f为换流阀交流系统频率。

进一步地，所述步骤（2）中，当换流阀电流导数小于0时，进行步骤（3），否则返回步骤（1）。

进一步地，所述步骤（3）中，采用对关断过程中换流阀电压积分的方式确定换流阀关断面积；

换流阀关断面积用下述表达式表示：

S_{cm} = | {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} U_{Vi} (t) dt | - - - < 3 >;

其中：t₁为关断开始时刻，t₂为关断结束时刻，U_Vi(t)为目标换相阀的阀电压，Vi为目标换相阀，S_cm为关断面积。

进一步地，所述逆变器包括三相六脉动的整流桥，在三相六脉动整流桥的输入侧连接有平波电抗器，输出侧的每一相均连接有电抗器-变压器串联支路；

三相六脉动整流桥的每个桥臂由晶闸管阀构成。

进一步地，所述步骤（4）中，临界关断面积S_cr为晶闸管关断的最小关断面积，数值范围为200～450kV·μs。

进一步地，所述步骤（5）中，实际关断面积S_cm由表达式<3>进行确定。

进一步地，所述步骤（6）中，当实际换相过程中的关断面积S_cm小于临界关断面积S_cr时，发生换相失败；反之，则换相成功，计算关断面积的积分器数据清零。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的方法通过换流阀的智能触发监测系统，从换流阀电压的角度对换相后的晶闸管阀正向阻断能力进行判断，以此对换相失败进行直接监测，从换流阀设备角度对换相失败的监测更为直接，反应了换相失败故障的本质；

2、硬件方面易于实现，在晶闸管的TE板上增加积分、比较、计时等功能即可实现全部监测过程，计算关断面积简单方便。

附图说明

图1是本发明提供的逆变器原理接线图；

图2是本发明提供的阀V1与V3的换相过程图；

图3是本发明提供的换流阀换相过程中某一桥臂的阀电压波形及关断面积图；

图4是本发明提供的基于临界关断面积数学模型的高压直流输电换相失败监测方法工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于临界关断面积数学模型的高压直流输电换相失败的监测方法。该方法是：监测计算晶闸管阀关断所必须的关断面积，即临界关断面积S_cr。当实际换相过程中的关断面积S_cm小于临界关断面积S_cr时，判断会发生换相失败。

本发明提供的基于临界关断面积数学模型的高压直流输电换相失败监测方法工作流程图如图4所示，包括下述步骤：

（1）对晶闸管承受的反向电压进行积分得到换流阀关断时间数学模型；

以图1中的V1阀向V3阀换相为例，在正常运行情况下，其换相过程中电压电流波形如图2所示，其中：μ和γ分别为换相角和熄弧角，β为触发越前角。

关断时间包括关断开始时刻记作t₁和关断结束时刻记作t₂，则t₁和t₂的表达式分别为：

t_{1} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{2 π}{3} + μ) - - - < 1 >;

t_{2} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{5 π}{6} - α) - - - < 2 >;

其中，t₀为触发导通时刻，α为逆变器的触发角，f为换流阀交流系统频率。

换流阀交流系统为12脉动换流单元，由两个6脉动换流单元串联组成。

所述6脉动换流单元包括：换流变压器、换流阀和阀避雷器；换流变压器通过换流阀系统的等效电抗器与三相整流桥连接；三相整流桥的每一相均由上下两桥臂构成，每个桥臂均由换流阀构成；每个换流阀两端并联阀避雷器；所述换流阀包括阻尼回路、直流均压回路、晶闸管、饱和电抗器和阀内杂散电容；所述阻尼回路、直流均压回路和晶闸管并联后组成阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路，阻尼回路-直流均压回路-晶闸管并联支路与饱和电抗器串联与阀内杂散电容并联。

两个6脉动换流单元的两个换流变压器，一个为星型连接，一个为三角形连接。

（2）实时监测换流阀电流导数是否小于0：当换流阀电流导数小于0时，进行步骤（3），否则返回步骤（1）。

（3）确定换流阀关断面积：换流阀关断面积用下述表达式表示：

S_{cm} = | {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} U_{Vi} (t) dt | - - - < 3 >;

其中：t₁为关断开始时刻，t₂为关断结束时刻，U_Vi(t)为目标换相阀的阀电压，Vi为目标换相阀，S_cm为关断面积。换流阀换相过程中某一桥臂的阀电压波形及关断面积图如图3所示。

（4）确定临界关断面积：临界关断面积为晶闸管关断所需要的最小关断面积，该数值可由试验数据得到，不同型号的晶闸管该数值将有所不同。

（5）确定实际关断面积：

由公式<3>可得每个周期内V3阀的实际关断面积。

（6）比较实际关断面积和临界关断面积，判断换流阀是否换相失败：当实际换相过程中的关断面积S_cm小于临界关断面积S_cr时，判断发生换相失败；反之，则换相成功，并且积分清零。

本发明提供的基于临界关断面积数学模型的高压直流输电换相失败监测方法，通过换流阀内智能触发监测系统，从换流阀电压的角度对换相后的晶闸管阀正向阻断能力进行判断，以此对换相失败进行直接监测，该方法从换流阀设备角度对换相失败的监测更为直接，反映了换相失败故障的本质。

以±800kV/5000A工程为例，换流器采用某型号晶闸管，单极晶闸管的临界关断面积S_cr为278kV·μs，采用上述方法，在监测系统中实时对关断过程中的晶闸管电压进行积分，得到晶闸管关断面积S_cm，并将其与临界关断面积S_cr进行比较，判断该晶闸管是否换相成功。

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

1.一种高压直流输电换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述方法是基于临界关断面积数学模型的，该方法用的系统为监测系统，包括依次连接的积分器、比较器、计时器；所述方法包括下述步骤：

（1）建立换流阀关断时间数学模型；

（2）实时监测换流阀电流导数是否小于0；

（3）确定换流阀关断面积；

（4）确定临界关断面积；

（5）确定实际关断面积；

2.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（1）中，关断时间包括关断开始时刻t₁和关断结束时刻t₂，分别用下述数学表达式表示：

关断开始时刻t₁的表达式如下：

t_{1} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{2 π}{3} + μ) - - - < 1 >;

关断结束时刻t₂的表达式如下：

t_{2} = t_{0} + \frac{1}{2 πf} (\frac{5 π}{6} - α) - - - < 2 >;

3.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（2）中，当换流阀电流导数小于0时，进行步骤（3），否则返回步骤（1）。

4.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（3）中，采用对关断过程中换流阀电压积分的方式确定换流阀关断面积；

换流阀关断面积用下述表达式表示：

S_{cm} = | {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} U_{Vi} (t) dt | - - - < 3 >;

5.如权利要求4所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述逆变器包括三相六脉动的整流桥，在三相六脉动整流桥的输入侧连接有平波电抗器，输出侧的每一相均连接有电抗器-变压器串联支路；

三相六脉动整流桥的每个桥臂由晶闸管阀构成。

6.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（4）中，临界关断面积S_cr为晶闸管关断的最小关断面积，数值范围为200～450kV·μs。

7.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（5）中，实际关断面积S_cm由表达式<3>进行确定。

8.如权利要求1所述的换流阀换相失败监测方法，其特征在于，所述步骤（6）中，当实际换相过程中的关断面积S_cm小于临界关断面积S_cr时，发生换相失败；反之，则换相成功，计算关断面积的积分器数据清零。