CN104614640A - 一种高压直流输电系统换相失败检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流系统换相失败检测方法，其特点是从换相过程机理出发，在换相电压时间面积方法的基础上考虑了谐波电压换相时间面积，该方法能够定量的分析谐波对换相失败的影响，并作为高压直流系统换相失败检测的判据。

Description

一种高压直流输电系统换相失败检测方法

技术领域

本发明涉及一种高压输电直流系统换相失败检测方法，属于电气信息领域。

背景技术

直流输电因可控性强、输电容量大、输电损耗小等优点被广泛用于远距离输电、地下和海底电缆送电及非同步电网联网上，具有很高的经济效益和社会效益。由于直流输电本身的运行特性及大功率电力电子设备的使用，换相失败和谐波问题也随之产生。

换相失败是高压直流系统最常见的故障之一，换相失败会导致系统电压降低和输送电流短时增大，换相失败过程中，直流功率和电压会发生剧烈变化，对直流两侧交流系统造成冲击，多次连续的换相失败会导致直流系统闭锁。电压降低和电压畸变是造成换相失败的主要原因。目前，对于换相失败机理、判别、预防控制的研究都是基于基波电压和电流的计算和分析。

故障发生过程及故障后直流系统恢复阶段，直流电流上升会造成换流变压器饱和，从而产生大量谐波并造成电压畸变，目前，还未见有电压畸变对于换相失败检测的专利文献和非专利文献报道。

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高压直流输电系统换相失败检测方法，其特点是从换相过程机理出发，在换相电压时间面积方法的基础上考虑了谐波换相电压时间面积，能够量化分析谐波对换相失败的影响。

本发明的目的由以下技术措施实现

图1为高压直流输电的三相全波桥式电路，假设含有变压器的交流系统表示为一个电压和频率恒定的理想电压源与一个无损电感串联。换流桥主要由晶闸管构成，晶闸管是控电子开关，其关断的必要条件是阳极相对于阴极电压为正，同时正向电流小于其维持电流。电流从一相转移到另一相需要一定的时间，称为换相时间，对应的角度称为“换相角(μ)”。每次换相过程从触发延迟角ωt＝α开始，到ωt＝α+μ＝δ时结束，其中δ为熄弧角，相应的换相裕度为熄弧超前角(γ)。图2为阀4向阀6换相过程等值电路图。

高压直流系统换相失败检测方法包括以下步骤

1)直流系统换相过程由式(1)表示

$L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}+U_a=L_c\frac{{\mathrm{di}}_6}{\mathrm{dt}}+U_b---\left(1\right)$

式中，i₄，i₆分别为流过晶闸管4和晶闸管6的电流，U_a，U_b分别表示交流侧A，B相电压，因为直流侧都装有一个较大的平波电抗器，因此假设直流电流I_d保持恒定且无纹波，即i₄+i₆＝I_d,式(1)可写为

$U_{\mathrm{ab}}=L_c\frac{d(I_d-i_4)}{\mathrm{dt}}-L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}=-2L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中，U_ab为线电压，对上式两端作关于t的定积分，下限为换流初始时刻t₀，ωt₁＝α或t₀＝α/ω，上限为换流结束时刻t₁，ωt₁＝α+μ或t₁＝(α+μ)/ω，对式(2)两边积分可得

${\∫}_{t_0}^{t_1}-2L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}={\∫}_{t_0}^{t_1}{U}_{\mathrm{ab}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在阀4向阀6换相过程中，换相电流i₄由I_d减小到0，因此式(3)积分后可得： 

$I_d={\∫}_{t_0}^{t_1}-\frac{U_{\mathrm{ab}}}{2L_c}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

2)考虑n次(n≥2)谐波的影响，线电压可表示为

式中，E_n为n次谐波电压幅值，φ_n为n次谐波相角，将式(5)代入式(4)，可得

式中，是所有谐波分量的叠加，若要换相成功，t₁时刻要满足式

ωt₁＝α+μ≤180°-γ_min                 (7) 

临界熄弧角γ_min的大小取决于晶闸管的物理特性，受材料特性的影响，晶闸管的去游离时间约为400μs，对应γ_min＝7°，若等式(7)不成立，也就是等式(8)右侧基波电压和各谐波电压的积分不足以使得晶闸管2的电流从I_d降到0，此时晶闸管2会持续导通，出现换相失败，即

式中，t₀＝α/ω，t₁＝(π-γ_min)/ω，因此，为了避免换相失败，谐波项的影响应尽可能小；

3)n次谐波的谐波换相时间面积可表示为

由式(9)可得，谐波的影响与谐波电压幅值，触发超前角α，谐波次数等因素有关，将式(9)化简，可得

式中，A_n定义为谐波换相系数，θ_n为简化过程的附加角度，是已知量。由式(10)可见，影响谐波换相面积的因素主要包括谐波换相系数A_n、n次谐波相角和电压E_n，由于的不确定性和不易测性，A_n的意义在于某一运行状态下n次谐波对于换相过程的最大可能的影响程度；

式(10)可用于分析谐波对于换相过程的影响程度，由于的不确定性，此处忽略正弦函数项，计算谐波电压换相面积对基波最大可能影响程度，定义谐波影响系数G_n1，

$G_{n1}=\frac{A_n{E}_n}{A_1{E}_1}---\left(11\right)$

式(11)在式(10)的基础上进了简化，式(8)可用于检测各次谐波对于基波换相面积的影响程度，G_n值越大，谐波对于换相过程的影响越大，一般可认为直流就极有可能发生换相失败，工程人员可根据直流的实际运行状态调整阈值，该方法只需计算谐波换相系数和谐波电压，易于工程计算和分析。

本发明具有如下优点：

本发明在换相电压时间面积方法的基础上考虑了谐波电压换相时间面积，该方法能够量化的分析谐波对于换相失败的影响，检测谐波造成换相失败的可能性，具有很高的理论 指导意义和工程实用价值。

附图说明

图1六脉波换流桥等值电路图

图2换相过程等值电路图

图3CIGRE直流输电第一标准测试系统结构与参数

图4故障时触发超前角波形图

图5故障时电压波形波形图

图6故障时阀电流波形图

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包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

选取国际大电网会议(International Council on Large Electric systems,CIGRE)直流输电第一标准测试系统作为仿真算例，测试系统结构及参数如图3所示。CIGRE模型采用如图1所示的换流桥电路，其具体的换相过程如图2所示。

逆变侧设置持续0.1秒的三相短路故障，接地电阻0.01(ohm)，1.1秒故障切除。故障时系统响应如图4-图6所示。

由图4-图6知，故障期间(1-1.1s)由于逆变侧交流电压降低，发生了持续0.1秒的换相失败。1.1秒故障结束后，1.16秒发生了第二次换相失败，第二次换相失败发生时交流电压已恢复到1p.u，但是波形有明显的畸变，因此初步判断，第二次换相失败的发生并不是因为无功不足导致的电压降低，而是故障过程中谐波引起的电压畸变。

定量计算各次谐波对于换相过程的影响程度。基波电压、二次谐波电压、三次谐波电压时间面积的按照式(10)的表达形式可写为

故障切除后第二次换相失败发生时，基波相电压E₁＝137kV，二次谐波E₂＝23.7kV，三次谐波达到E₃＝11.5kV。将谐波电压和谐波换相系数代入式(11)，可得表1。

表1谐波影响系数计算

各次谐波的影响系数如表1所示，二次谐波等低次谐波对电压换相面积的影响较大，达到16.6％，随着谐波次数的增加，响应的谐波换相面积呈减小趋势。谐波引起的电压畸变在严重情况下将导致相应的换相时间增加28.7％以上(0.287>0.15)，这是因为一方面其他高次谐波的计入会增加相应的谐波畸变率，另一方面随着换相时间的增加，每一时刻对应的换相面积在减小。因此，如图4所示，这次谐波畸变也导致了故障切除后第二次换相失败的重要原因。

结果表明：基于谐波电压时间面积的分析方法有效检测谐波对于高压直流输电系统换相失败的影响程度并判断换相失败发生的可能性。

Claims (1)

1.一种高压直流输电系统换相失败检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)直流系统换相过程由式(1)表示

$L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}+U_a=L_c\frac{{\mathrm{di}}_6}{\mathrm{dt}}+U_b---\left(1\right)$

式中，i₄，i₆分别为流过晶闸管4和晶闸管6的电流，U_a，U_b分别表示交流侧A，B相电压，因为直流侧都装有一个较大的平波电抗器，因此假设直流电流I_d保持恒定且无纹波，即i₄+i₆＝I_d,式(1)可写为

$U_{\mathrm{ab}}=L_c\frac{c(I_d-i_4)}{\mathrm{dt}}-L_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}=-{2L}_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式中，U_ab为线电压，对上式两端作关于t的定积分，下限为换流初始时刻t₀，ωt₀＝α或t₀＝α/ω，上限为换流结束时刻t₁，ωt₁＝α+μ或t₁＝(α+μ)/ω，对式(2)两边积分可得

${\∫}_{t_0}^{t_1}-{2L}_c\frac{{\mathrm{di}}_4}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}={\∫}_{t_0}^{t_1}{U}_{\mathrm{ab}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$

在阀4向阀6换相过程中，换相电流i₄由I_d减小到0，因此式(3)积分后可得：

$I_d={\∫}_{t_0}^{t_1}-\frac{U_{\mathrm{ab}}}{{2L}_c}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

2)考虑n次(n≥2)谐波的影响，线电压可表示为

式中，E_n为n次谐波电压幅值，φ_n为n次谐波相角，将式(5)代入式(4)，可得

式中，是所有谐波分量的叠加，若要换相成功，t₁时刻要满足式

ωt₁＝α+μ≤180°-γ_min     (7)

临界熄弧角γ_min的大小取决于晶闸管的物理特性，受材料特性的影响，晶闸管的去游离时间约为400μs，对应γ_min＝7°，若等式(7)不成立，也就是等式(8)右侧基波电压和各谐波电压的积分不足以使得晶闸管2的电流从I_d降到0，此时晶闸管2会持续导通，出现换相失败，即

式中，t₀＝α/ω，t₁＝(π-γ_min)/ω，因此，为了避免换相失败，谐波项的影响应尽可能小；

3)n次谐波的谐波换相时间面积可表示为

由式(9)可得，谐波的影响与谐波电压幅值，触发超前角α，谐波次数等因素有关，将式(9)化简，可得

式中，A_n定义为谐波换相系数，θ_n为简化过程的附加角度，是已知量。由式(10)可见，影响谐波换相面积的因素主要包括谐波换相系数A_n、n次谐波相角和电压E_n，由于的不确定性和不易测性，A_n的意义在于某一运行状态下n次谐波对于换相过程的最大可能的影响程度；

式(10)可用于分析谐波对于换相过程的影响程度，由于的不确定性，此处忽略正弦函数项，计算谐波电压换相面积对基波最大可能影响程度，定义谐波影响系数G_n1，

$G_{n1}=\frac{A_n{E}_n}{A_1{E}_1}---\left(11\right)$

式(11)在式(10)的基础上进了简化，式(8)可用于检测各次谐波对于基波换相面积的影响程度，G_n值越大，谐波对于换相过程的影响越大，一般可认为直流就极有可能发生换相失败，工程人员可根据直流的实际运行状态调整阈值，该方法只需计算谐波换相系数和谐波电压，易于工程计算和分析。