CN108306328A - 一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，其步骤为：(1)、高压直流输电系统的控制保护装置实时采集直流电流、逆变侧交流母线三相线电压eab(t)、ebc(t)和eca(t)；(2)、分别计算三相线电压对应的换相失败风险值取其中最大值作为综合换相失败风险值F0；(3)、将当前时刻t0的综合换相失败风险值F0乘以比例系数k，再进行限幅，得到当前时刻t0的直流电流调整量进而得到直流电流控制参考值(4)、将

Description

一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法
技术领域
本发明涉及一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法。
背景技术
高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。截止2015年底，我国电网装机容量15亿千瓦，跨区输电功率达到2.1亿千瓦，其中23回高压直流输电线路承担了其中三分之一的传输功率。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端用换流器进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，再在高压直流输电系统的受电端用换流器进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能送入受电端的交流系统。
在换流器的整流过程和逆变过程中，接在ABC三相的换流阀轮流导通，从某相阀导通转变为另一相阀导通的过程即为换相过程。在换相过程刚结束时，如果刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内可以恢复阻断能力，称之为换相成功；如果刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或换相过程未能结束，称之为换相失败。换相失败是高压直流输电系统的常见故障形式，换相失败不仅会引起直流电流短时激增、对换流阀产生冲击，还会造成直流功率大量损失。在单次换相失败之后，如果再次发生一次或者几次换相失败称之为连续换相失败，连续的换相失败容易引起直流系统降功率运行，甚至导致系统停运，威胁大电网的安全稳定。
逆变侧交流系统故障引起的逆变侧交流电压降低、直流系统直流电流增大是导致换相失败的最主要原因，而故障后减小直流电流指令是减少连续换相失败的有效措施。在实际工程中，高压直流输电控制系统通常配置有低压限流控制器，可以抑制故障期间的直流电流增大，降低系统无功需求，有利于系统电压的恢复，从而可以防止换相失败。典型的低压限流控制器的工作方式是在检测到直流电压降低时按照一定的斜率减小直流电流指令。由于它只简单考虑了电压降低对换相过程的影响，忽略了直流电流增大这一重要因素对换相过程的影响，故其减少连续换相失败的效果有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，该方法能够更有效的减少连续换相失败，更好地保障高压直流输电系统和大电网的安全稳定运行。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，其步骤如下：
(1)、数据采集
高压直流输电系统的控制保护装置实时采集直流电流I(t)、逆变侧交流母线A、B两相的相间电压eab(t)，B、C两相的相间电压ebc(t)，C、A两相的相间电压eca(t)，其中t为采集时刻；
(2)、换相失败风险值计算
控制保护装置先计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相时间标准值
B、C两相在当前时刻t0的换相时间标准值
C、A两相在当前时刻t0的换相时间标准值
其中，I'为直流电流的额定值、ω为系统角频率、E'为逆变侧交流母线线电压峰值的额定值、Lr为系统的等值换相电感；
控制保护装置再计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相失败风险值
B、C两相在当前时刻t0的换相失败风险值
C、A两相在当前时刻t0的换相失败风险值
再由下式得到综合换相失败风险值F0：
其中max表示取最大值运算；
(3)、直流电流控制参考值的计算
控制保护装置将当前时刻t0的综合换相失败风险值F0乘以比例系数k，再进行限幅，得到当前时刻t0的直流电流调整量
其中，Is_min是直流电流调整量的低限值，Is_max是直流电流调整量的高限值；
进而得到当前时刻t0的直流电流控制参考值
(4)、直流电流的控制
高压直流输电系统的控制保护装置将当前时刻t0的直流电流控制参考值作为直流电流控制器当前时刻t0的控制参考值的输入值，对高压直流输电系统的直流电流进行控制。
本发明减少高压直流输电系统连续换相失败的原理和依据如下：
逆变侧交流系统故障引发换相失败的机理可以分解为两部分，一是直流电流增大导致换相面积需求量增加，二是交流母线电压降低导致在额定换相时段内的换相面积提供能力减弱，在二者的共同作用下需要额外的换相角，换相角越大，关断角越小，一旦关断角不足则会引发换相失败。据此，本发明提出利用换相面积需求量与提供能力的差值来量化故障对换相过程的影响程度。
对于A、B两相在当前时刻t0的换相失败风险值
其中，表征直流电流对换相面积需求量的影响，表征交流母线电压对换相面积提供能力的影响。
在正常运行工况下，如果发生逆变侧交流系统故障，此时逆变侧交流母线电压降低、直流电流增大，故且值的大小由故障的严重程度决定，故障越严重，越大。此时及时根据故障严重程度来调整直流电流控制器在当前时刻的控制参考值，可以快速降低换相面积需求，防止连续换相失败的发生。
此外，取和中的最大值作为综合换相失败风险值，可以保证本发明所提出的控制方法可以准确检测到各类故障导致的任意相交流电压跌落及直流电流上升。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明基于故障条件下逆变侧交流电压和直流电流的变化对换相面积的影响，提出了换相失败风险值，该指标建立了交流电压和直流电流对换相过程影响的耦合关系，并给出了交流系统故障对换相过程影响程度的量化方法。据此可以将交流故障的严重程度转化为交流故障下系统面临的换相失败风险，便于准确而有针对性地投入后续控制策略。
二、本发明利用换相失败风险值作为直流电流指令的控制依据，相比于低压限流控制器只能根据直流电压的变化来调整直流电流指令，本发明输出的直流电流指令能够同时反映故障后直流电流和交流电压的动态变化，因此控制更加精确有效，有利于故障清除后系统的恢复，可以增强高压直流输电系统连续换相失败的防御能力。
三、本发明无需改变高压直流输电系统的结构和硬件，只需基于系统现有的测量点，实时采集电气量信号，进行简单的加减、比较等运算即可实现控制功能。对硬件软件要求低，速度快，实时性好，适于工程应用。
进一步地，本发明在计算直流电流指令调整量时，直流电流调整量的低限值Is_min的取值为0，直流电流调整量的高限值Is_max的取值为0.45；比例系数k的取值为0.2。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，步骤如下：
(1)、数据采集
高压直流输电系统的控制保护装置实时采集直流电流I(t)、逆变侧交流母线A、B两相的相间电压eab(t)，B、C两相的相间电压ebc(t)，C、A两相的相间电压eca(t)，其中t为采集时刻；
(2)、换相失败风险值计算
控制保护装置先计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相时间标准值
B、C两相在当前时刻t0的换相时间标准值
C、A两相在当前时刻t0的换相时间标准值
其中，I'为直流电流的额定值、ω为系统角频率、E'为逆变侧交流母线线电压峰值的额定值、Lr为系统的等值换相电感；
控制保护装置再计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相失败风险值
B、C两相在当前时刻t0的换相失败风险值
C、A两相在当前时刻t0的换相失败风险值
再由下式得到综合换相失败风险值F0：
其中max表示取最大值运算；
(3)、直流电流控制参考值的计算
控制保护装置将当前时刻t0的综合换相失败风险值F0乘以比例系数k，再进行限幅，得到当前时刻t0的直流电流调整量
其中，Is_min是直流电流调整量的低限值，Is_max是直流电流调整量的高限值；
进而得到当前时刻t0的直流电流控制参考值
(4)、直流电流的控制
高压直流输电系统的控制保护装置将当前时刻t0的直流电流控制参考值作为直流电流控制器当前时刻t0的控制参考值的输入值，对高压直流输电系统的直流电流进行控制。
所述的步骤(3)的直流电流调整量的低限值Is_min的取值为0，直流电流调整量的高限值Is_max的取值为0.45；比例系数k的取值为0.2。
仿真实验：
为验证所提控制方法减少连续换相失败的效果，采用PSCAD/EMTDC下的CIGRE标准测试系统作为仿真模型。在逆变侧交流母线处设置感性接地故障，接地电感越小，表示故障越严重。在不同的交流故障条件下对比分析以下两种控制方法对连续换相失败的抑制效果：1)低压限流控制方法；2)本发明所提出的控制方法。
设置故障时刻在1个周期内以2ms为步长连续变化，接地电感在0.2H～1.3H范围内以0.1H为步长连续变化，在单相故障和三相故障下分别观察采用不同的控制方法时系统连续换相失败的次数。
1、三相故障下的仿真结果见表1、表2：
表1三相短路故障时低压限流控制方法下的换相失败次数
表2三相短路故障时本发明控制方法下的换相失败次数
由以上表1、表2的仿真结果可知：如果采用传统的低压限流控制方法，所仿真的共120种故障条件中，有14种不会发生换相失败，有66种会发生一次换相失败，有40种会发生两次连续换相失败；如果采用本发明提出的控制方法，所仿真的120种故障条件中，有14种不会发生换相失败，有106种会发生一次换相失败，但发生两次连续换相失败情况没有。
采用本发明的控制方法后，所有的两次连续换相失败情况都可以被控制为仅发生一次换相失败。可见，本发明提出的控制方法可以有效避免三相故障下的连续换相失败现象。
2、单相故障下的仿真结果见表3、表4：
表3单相短路故障时低压限流控制方法下的换相失败次数
表4单相短路故障时本发明控制方法下的换相失败次数
由以上表3表4的仿真结果可知：如果采用传统的低压限流控制方法，所仿真的120种故障条件中，有50种不会发生换相失败，有3种会发生一次换相失败，有44种会发生两次连续换相失败，有23种会发生三次连续换相失败；如果采用本发明提出的控制方法，所仿真的120种故障条件中，有50种不会发生换相失败，有58种会发生一次换相失败，只有有12种会发生两次连续换相失败，不会发生三次连续换相失败。
采用本发明的控制方法后，大部分的两次、三次连续换相失败都可以被控制为仅发生一次换相失败，只有在故障电感小于0.4H时有12种情况仍然会发生两次连续换相失败，但其中有6种情况的换相失败次数由三次减少为两次。可见，本发明提出的控制方法可以有效减少单相故障下的连续换相失败现象。

Claims (2)

1.一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，其步骤如下：
(1)、数据采集
高压直流输电系统的控制保护装置实时采集直流电流I(t)、逆变侧交流母线A、B两相的相间电压eab(t)，B、C两相的相间电压ebc(t)，C、A两相的相间电压eca(t)，其中t为采集时刻；
(2)、换相失败风险值计算
控制保护装置先计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相时间标准值
B、C两相在当前时刻t0的换相时间标准值
C、A两相在当前时刻t0的换相时间标准值
其中，I'为直流电流的额定值、ω为系统角频率、E'为逆变侧交流母线线电压峰值的额定值、Lr为系统的等值换相电感；
控制保护装置再计算出：
A、B两相在当前时刻t0的换相失败风险值
B、C两相在当前时刻t0的换相失败风险值
C、A两相在当前时刻t0的换相失败风险值
再由下式得到综合换相失败风险值F0：
其中max表示取最大值运算；
(3)、直流电流控制参考值的计算
控制保护装置将当前时刻t0的综合换相失败风险值F0乘以比例系数k，再进行限幅，得到当前时刻t0的直流电流调整量
其中，Is_min是直流电流调整量的低限值，Is_max是直流电流调整量的高限值；
进而得到当前时刻t0的直流电流控制参考值
(4)、直流电流的控制
高压直流输电系统的控制保护装置将当前时刻t0的直流电流控制参考值作为直流电流控制器当前时刻t0的控制参考值的输入值，对高压直流输电系统的直流电流进行控制。
2.如权利要求1所述的一种减少高压直流输电系统连续换相失败的控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)的直流电流调整量的低限值Is_min的取值为0，直流电流调整量的高限值Is_max的取值为0.45；比例系数k的取值为0.2。
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