CN103730907A - 一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，该方法包括如下步骤：I、根据故障检测的输出信号，检测直流输电系统换流母线的故障类型；II、运用电流限值法减小直流电流指令并持续60-100ms；III、判断所述故障是否消除及直流输电系统关断角是否恢复；IV、根据判断结果确定直流电流指令，直至故障被清除，恢复直流电流指令。该方法避免了提前触发带来的增大直流电流、增大直流输电系统的功率因数角等不利影响，对交流系统故障做出了及时有效的反应，使晶闸管所需的换相面积减小，有利于防御直流输电系统发生换相失败故障。

Description

一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法

技术领域

本发明涉及一种输配电技术领域的方法，具体讲涉及一种基于快速电流限制的直流输电换相失败防御方法。

背景技术

20世纪50年代以来，传统电网换相高压直流输电（Line-Commutated-Converter HighVoltage Direct 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。

但是由于LCC-HVDC采用无自关断能力的普通晶闸管作为换流元件，因此LCC-HVDC系统需要一定强度的交流系统来实现换相，需要交流电网提供换相电压。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，容易导致换相失败。当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在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，这称为换相失败。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交、直流系统电压、电流等物理量的变化。发生换相失败的本质在于关断越前角γ（以下简称“关断角”）的值过小，不足以使载流子复合，恢复阻断能力，当电压变为正时，晶闸管再次导通。

当系统对称运行时，逆变器的关断角为：

$\mathrm{\γ}=\arccos (\frac{\sqrt{2}k{I}_{\mathrm{dL}}{X}_C}{U_L}+\cos \mathrm{\β})---\left(1\right)$

式中，k为换流变的变比；I_dL为直流电流；X_C为换相电抗；U_L为换流母线电压有效值，β为越前触发角。

由（1）式可知，对确定系统，当直流电流I_dL、越前触发角β不变时，需要一定的交流母线电压作为支撑，以保证关断角在合理范围内。换相过程中，换相回路电压满足如下方程：

$L_r=\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{open}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}-L_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{close}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=e\left(t\right)---\left(2\right)$

式中，L_r为等值换相电感，t为时间；i_open(t)、i_close(t)分别表示将要开通、关断的阀臂上流过的电流，e(t)为这两个阀臂所承受的线电压，它们均为时间t的函数。在直流电流不变时，对（2）式两边积分。晶闸管的电压-时间换相面积可用下式表示：

$A=L_r{I}_{\mathrm{dL}}=\underset{\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}}{\∫}}\frac{e\left(\mathrm{\ωt}\right)}{2}\mathrm{d\ωt}\underset{\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\α}+\mathrm{\μ}}{\∫}}\frac{\sqrt{2}E\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}{2}\mathrm{d\ωt}=\frac{\sqrt{2}E}{2}[\cos \mathrm{\α}-\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\μ})]---\left(3\right)$

式中，α为触发角，μ为换相角，E为线电压e(t)的有效值，ω为交流系统角频率。此时关断角的表达式为：

γ＝180°-(α+μ)    （4）

考虑到晶闸管恢复阻断能力需要一定时间，对应电角度γ_min，则应有γ≥γ_min。

设系统发生故障时，晶闸管触发信号的发出时间未来得及改变，计算换相面积的积分起始点、即触发角仍为α；而故障发生瞬间，换相电压、即这两个阀所承受的线电压波形畸变、幅值减小、相位偏移，此时用e′(t)表示。故障期间，关断角用μ′表示，暂不考虑直流电流增大，则晶闸管的电压-时间换相面积A′的表达式为：

$A^{\′}=\underset{\mathrm{\α}}{\overset{\mathrm{\α}+{\mathrm{\μ}}^{\′}}{\∫}}\frac{e^{\′}\left(\mathrm{\ωt}\right)}{2}\mathrm{d\ωt}---\left(5\right)$

在不考虑直流电流变化的前提下，晶闸管所需换相面积相等，即A′＝A。而e′(t)＜e(t)，则μ′＞μ。再考虑线电压过零点超前偏移角度φ＞0°，则故障期间关断角γ′的表达式为：

γ′＝180°-(α+μ′)-φ    （6）

若考虑故障后直流电流增大，则对（2）式积分，有：

$A_{\mathrm{actual}}^{\′}=\frac{1}{2}(L_r{i}_{\mathrm{open}}(\mathrm{\α}+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{actual}}^{\′})+L_r{i}_{\mathrm{close}}\left(\mathrm{\α}\right))>L_r{I}_{\mathrm{dL}}=A^{\′}---\left(7\right)$

式中，A′_actual为考虑故障后直流电流增大之后，晶闸管实际所需换相面积；μ′_actual为考虑故障后直流电流增大之后，晶闸管实际换相角。考虑故障后直流电流增大之后，晶闸管实际所需换相面积A′_actual更大，得到：μ′_actual＞μ′＞μ。

考虑故障后直流电流增大之后，故障期间关断角γ′_actual的表达式为：

γ′_actual＝180°-(α+μ′_actual)-φ    （8）

则γ′_actual＜γ′＜γ。

若γ′_actual＜γ_min，晶闸管将发生换相失败。尽早检测出故障，使控制系统迅速反应，及时减小A′_actual，使得故障发生后的换相过程中保持γ′_actual≥γ_min，是防御换相失败的关键。

现有技术中，提出的抵御换相失败方法主要是通过提前触发逆变侧晶闸管，如三-广直流工程中，当发现交流系统发生故障后，立刻在逆变站的触发角中减去一定角度，实现提前触发。此方法简单方便，动作迅速，并对换相失败有一定的抑制作用。

然而，当系统发生故障时，交流电压的畸变对每个阀臂的换相过程影响并不相同。由式（5）可见，故障后晶闸管的电压-时间换相面积与其在换相过程中所承受的线电压密切相关，而不对称故障下各线电压的暂态响应显然是不同的。且各晶闸管换相开始、结束的时刻均不相同，无论何种故障，伴随着暂态过渡过程，也使得个阀臂的换相电压不同。

因此，统一地提前触发虽然可能有利于受故障影响最严重的阀成功换相，但不是对每个阀臂都十分必要。考虑到交、直流系统电压、电流之间有如下关系式：

$U_{d2}=1.35U_2\cos \mathrm{\β}+\frac{3}{\mathrm{\π}}{X}_r{I}_{\mathrm{dc}}---\left(9\right)$

$I_{\mathrm{dc}}=\frac{U_{d1}-U_{d2}}{R_d}---\left(10\right)$

增大β（即提前触发）将使得逆变侧直流电压U_d2下降，直流电流I_dc呈上升趋势，不利于晶闸管的换相；且β增大，直流输电系统的功率因数减小，不利于换流母线电压的恢复。

综上，现有的防御方法对直流输电系统抵御换相失败有一定作用，但会增大交流故障过程中的直流电流、减小直流输电系统的功率因数，有时候可能导致负面结果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其改进之处在于：所述方法包括如下步骤：

I、根据故障检测的输出信号，检测直流输电系统换流母线的故障类型；

II、运用电流限值法减小直流电流指令并持续60-100ms；

III、判断所述故障是否消除及直流输电系统关断角是否恢复；

IV、根据判断结果确定直流电流指令，直至故障被清除，恢复直流电流指令。

进一步的，所述步骤II中的所述电流限值法包括：当检测到单相故障时，所述电流指令立刻减小为如下式（1）确定的I_{dc0_order}，

I_{dc0_order}＝αI_dc    （1）

当检测到三相故障时，所述电流指令立刻减小为如下式（2）确定的I_{dcα-β_order}，且当为三相故障时，所述电流指令的减小幅度大于检测到单相故障时的所述电流指令减小幅度；

I_{dcα-β_order}＝βI_dc    （2）

其中，I_dc为交流故障前，直流输电系统正常运行时的电流指令；

α、β为检测到故障后的电流指令系数；α、β的取值范围为0.5≤β＜α＜1。

进一步的，所述电流指令减小幅度根据所述电流指令系数确定，使电流指令均呈阶跃下降，减小直流电流，抑制故障后电流的上升幅度。

进一步的，所述步骤III中：

若直流输电系统换流母线电压有效值大于有效值阈值，有效值阈值的范围为0.95p.u.～1.05p.u.，且直流输电系统的关断角大于关断角阈值，关断角阈值的范围为15°～18°；

若所述换流母线电压有效值和所述关断角分别在换流母线电压有效值阈值的范围和关断角阈值的范围内，则认为交流故障已清除且所述直流输电系统从交流故障的扰动中恢复正常；否则认为交流故障尚未清除或所述直流输电系统未从交流故障的扰动中恢复；

若交流故障已清除且所述直流输电系统从交流故障的扰动中恢复正常，则直流电流指令恢复为故障前的值；否则，为了保证直流输电系统不发生换相失败，步骤IV中确定直流电流指令时认为关断角运行在额定值，直流电流指令由换流母线电压有效值确定。

进一步的，所述步骤IV包括：

若故障类型为三相故障，所述直流电流指令为：

I＝U_f    （3）

若故障类型为单相故障，所述直流电流指令为：

$I=\sqrt{2{U_f}^2-1}---\left(4\right)$

式中，U_f为故障未清除时换流母线电压有效值。

与现有技术相比，本发明具有以下优异效果：

（1）本发明的方法避免了提前触发带来的增大直流电流的不利影响，且对交流系统故障做出了及时有效的反应，使晶闸管所需的换相面积减小，有利于防御直流输电系统发生换相失败故障，可以为高压直流输电防御换相失败提供一定的参考。

（2）本发明的方法避免了提前触发所带来的短时减小直流输电系统功率因数的不利影响，更有利于换流母线电压从交流故障中恢复，对晶闸管换相电压的快速建立有一定帮助。

（3）本发明的方法有利于直流输电系统从换相失败中迅速恢复，减小直流输电系统连续发生换相失败的概率。

（4）本发明的方法可以有效减小多馈入直流系统中发生继发性换相失败的情况，为交直流混合系统的安全稳定运行提供了一定的保障。

附图说明

图1为本发明的基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法的实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法的实施流程图；图中，I_{dc0_order}为当检测到单相故障时，电流指令立刻减小到的值；I_{dcα-β_order}为当检测到三相故障时，电流指令立刻减小到的值；I_{dc_order}为电流指令减小并持续了一段时间（60～100ms）后，且故障未被清除或关断角未恢复正常时，由换流母线的线电压有效值计算出的电流指令；U_f为换流母线的线电压有效值，单位为p.u.；f₀()、f_α-β()分别表示，当检测到单相故障、三相故障后，在电流指令减小并持续了一段时间（60～100ms）、且故障未被清除或关断角未恢复正常之后的一段时间内，换流母线的线电压有效值与电流指令的函数关系。

基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法包括如下步骤：

步骤一、根据故障检测的输出信号，检测直流输电系统换流母线的故障类型；

步骤二、运用电流限值法减小直流电流指令并持续60-100ms；

步骤三、判断故障是否消除及直流输电系统关断角是否恢复；

步骤四、根据判断结果确定直流电流指令，直至故障被清除，恢复直流电流指令。

步骤一中，应尽可能迅速地将故障检测出来，故障识别时间越短，越有利于减小直流电流指令发挥防御换相失败的作用，故障识别时间在1ms及以内时，可以满足要求。

为实现快速故障检测，本实施例中具体公开了一种参考三广直流工程中的判断故障方法的快速故障检测方法，包括以下步骤：

I、分别获取换流母线的三相电压和换流母线各条出线上的三相电流；

II、根据换流母线的三相电压及换流母线各条出线上的三相电流分别获得换流母线的电压零序分量值和旋转矢量幅值及换流母线各出线的电流零序分量值和旋转矢量幅值；

III、获得换流母线各出线的功率零序分量值和功率旋转矢量幅值；

IV、将换流母线的电压零序分量值和旋转矢量幅值、换流母线各出线的电流零序分量值和旋转矢量幅值、换流母线各出线的功率零序分量值和功率旋转矢量幅值分别与各自设定值对比；若换流母线的某条出线中，电流、电压、功率的零序分量均分别超过各自设定值时，则作出发生单相故障的判断；若某条出线中电流、电压、功率的的旋转矢量幅值均超过设定值时，则作出发生三相故障的判断；获得故障检测结果。

运用上述方法快速的获得故障检测的输出信号，确定故障类型。

步骤二中，运用电流限值法减小直流电流指令并持续60-100ms。

电流限值法的控制策略为：当检测到单相故障时，所述电流指令立刻减小为I_{dc0_order}；当检测到三相故障时，所述电流指令立刻减小为I_{dcα-β_order}。

电流指令I_{dc0_order}根据下式确定：I_{dc0_order}＝αI_dc    （11）

电流指令I_{dcα-β_order}根据下式确定：I_{dcα-β_order}＝βI_dc    （12）

其中，I_dc为交流故障前，直流输电系统正常运行时的电流指令。α、β为检测到故障后的电流指令系数。

由于，检测到故障后需要减小电流指令，但减小的程度不能太大，否则可能造成较大的有功功率损失；同时，三相故障对直流输电系统的影响较单相故障严重，因此三相故障时，电流指令应减小得更多；所以α、β应该有如下关系：0.5≤β＜α＜1。

不同工程运行中，α、β不同，因此α、β的具体指根据不同工程运行的实际经验以确定。

本实施例中，根据上述考虑知晓，电流指令的减小幅度不宜过大，否则一旦出现误判，直流输电系统将损失大量功率；给出I_{dc0_order}＝0.8p.u.，I_{dcα-β_order}=0.6p.u.，电流指令均呈阶跃下降，能更快地减小直流电流，对故障后电流的上升有更明显的抑制作用。

步骤三中，判断故障是否消除及直流输电系统关断角是否恢复。

电流指令持续一段时间之后，时间范围在60～80ms内，判断故障是否存在及直流系统的恢复情况。

由于电力系统中要求换流母线电压的波动不能超过额定值的5%，即0.95p.u.～1.05p.u.为换流母线电压的正常范围；

而交流故障发生时电压下降，认为当电压有效值大于0.95p.u.时，交流故障已被切除。

而直流输电系统逆变侧关断角的正常运行范围为15°～18°，距离发生换相失败有足够裕度，故认为当关断角大于15°时，直流输电系统已从交流故障的扰动中恢复正常；实际运行中，上述判据可做适当调整。否则认为交流故障尚未清除，或直流输电系统尚未从交流故障的扰动中恢复。

若交流故障已清除，且直流输电系统已恢复正常，则直流电流指令恢复为故障前的值I_dc。否则，为了保证直流输电系统不发生换相失败，在计算直流电流指令时，假定关断角运行在额定值，则直流电流指令由换流母线电压有效值确定，进入步骤四，直到交流故障被清除且直流输电系统恢复正常。

本实施例中给出，若直流输电系统换流母线电压有效值大于0.95p.u.，且直流输电系统的关断角大于15°，则认为交流故障已清除，且直流输电系统已从交流故障的扰动中恢复正常；否则认为交流故障尚未清除，或直流输电系统尚未从交流故障的扰动中恢复。

若交流故障已清除，且直流输电系统已恢复正常，则直流电流指令恢复为故障前的值I_dc。否则，为了保证直流输电系统不发生换相失败，在计算直流电流指令时，假定关断角运行在额定值，则直流电流指令由换流母线电压有效值确定，进入步骤四，直到交流故障被清除且直流输电系统恢复正常。

步骤四中，根据判断结果确定直流电流指令，直至故障被清除，恢复直流电流指令。

若故障类型为三相故障，则电流指令为：

I＝U_f    （13）

式中，U_f为故障未清除时母线电压有效值。

若故障类型为单相故障，考虑单相故障对换流母线电压相位、有效值的影响，电流指令为：

$I=\sqrt{2{U_f}^2-1}---\left(14\right)$

式中，U_f为故障未清除时母线电压有效值。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

I、根据故障检测的输出信号，检测直流输电系统换流母线的故障类型；

II、运用电流限值法减小直流电流指令并持续60-100ms；

III、判断所述故障是否消除及直流输电系统关断角是否恢复；

IV、根据判断结果确定直流电流指令，直至故障被清除，恢复直流电流指令。

2.如权利要求1所述的一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其特征在于：所述步骤II中的所述电流限值法包括：当检测到单相故障时，所述电流指令减小为如下式（1）确定的I_{dc0_order}，

I_{dc0_order}＝αI_dc    （1）

当检测到三相故障时，所述电流指令减小为如下式（2）确定的I_{dcα-β_order}，且当为三相故障时，所述电流指令的减小幅度大于检测到单相故障时的所述电流指令减小幅度；

I_{dcα-β_order}＝βI_dc    （2）

其中，I_dc为交流故障前，直流输电系统正常运行时的电流指令；

α、β为检测到故障后的电流指令系数；α、β的取值范围为0.5≤β＜α＜1。

3.如权利要求2所述的一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其特征在于：所述电流指令减小幅度根据所述电流指令系数确定，使电流指令均呈阶跃下降，减小直流电流，抑制故障后电流的上升幅度。

4.如权利要求1所述的一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其特征在于：所述步骤III中：

若直流输电系统换流母线电压有效值大于有效值阈值，有效值阈值的范围为0.95p.u.～1.05p.u.，且直流输电系统的关断角大于关断角阈值，关断角阈值的范围为15°～18°；

若所述换流母线电压有效值和所述关断角分别在换流母线电压有效值阈值的范围和关断角阈值的范围内，则认为交流故障已清除且所述直流输电系统从交流故障的扰动中恢复正常；否则认为交流故障尚未清除或所述直流输电系统未从交流故障的扰动中恢复；

若交流故障已清除且所述直流输电系统从交流故障的扰动中恢复正常，则直流电流指令恢复为故障前的值；否则，为了保证直流输电系统不发生换相失败，步骤IV中确定直流电流指令时认为关断角运行在额定值，直流电流指令由换流母线电压有效值确定。

5.如权利要求1所述的一种基于电流限制法的直流输电换相失败防御方法，其特征在于：所述步骤IV包括：

若故障类型为三相故障，所述直流电流指令为：

I＝U_f    （3）

若故障类型为单相故障，所述直流电流指令为：

$I=\sqrt{2{U_f}^2-1}---\left(4\right)$

式中，U_f为故障未清除时换流母线电压有效值。

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