CN109462247B - 一种柔性直流高频谐波谐振保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流高频谐波谐振保护方法，包括步骤：采样获得换流阀其中一侧的电学参数；根据所述电学参数计算谐波分量；根据设备技术规范要求，计算允许的最大谐波有效值及相关联设备对谐波耐受极限的最小值；判断所述谐波分量与所述允许的最大谐波有效值和所述耐受极限最小值的大小；当所述谐波分量大于所述允许的最大谐波有效值，发出告警；当所述谐波分量大于所述耐受极限最小值，触发系统跳闸。该方法无需加装设备，低成本降低谐波谐振带来的危害。

Description

一种柔性直流高频谐波谐振保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统高频谐振稳定性技术领域，尤其涉及一种柔性直流高频谐波谐振保护方法。

背景技术

直流输电采用电力电子变换技术，将送端的电转换为高压直流电通过远距离架空线路输送至受端负荷中心，输电效率高、节省成本与输电走廊，已成为“西电东送”的主要方式。柔性直流输电技术从低压小功率逐渐发展到高压大功率(±800kV/5000MW)，未来将成为主流的直流输电方式和海上风电接入方式。

相比常规直流换流器，柔性直流换流器开关频率高，这给其带来了良好的输出谐波特性，无需配置交流滤波器。然而，因换流器响应频带高，其可能在中高频段形成高频谐振，威胁电力系统和输电设备的安全稳定运行。近年来，国内外柔性直流输电系统数次发生与交流电网的谐波谐振。

发生高频谐振后将威胁设备和系统的安全稳定运行，严重影响供电可靠性。增加辅助设备能够降低、甚至完全消除谐振风险，但增加辅助设备将带来额外的设备和占地成本。

发明内容

基于上述情况，本发明提供一种柔性直流高频谐波谐振保护方法，该方法无需加装设备，低成本降低谐波谐振带来的危害。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性直流高频谐波谐振保护方法，包括如下步骤：采样获得换流阀其中一侧的电学参数；根据所述电学参数计算谐波分量；根据设备技术规范要求，计算允许的最大谐波有效值及相关设备对谐波耐受极限的最小值；判断所述谐波分量与所述允许的最大谐波有效值和所述耐受极限最小值的大小；当所述谐波分量大于所述允许的最大谐波有效值，发出告警；当所述谐波分量大于所述耐受极限最小值，触发系统跳闸。

优选地，电学参数包括三相交流电压及三相交流电流。

优选地，三相交流电流的谐波分量计算方法如下：

其中，I_har,X表示电流的谐波分量，I_rms,X表示电流的均方根值，I_fund,X表示电流中的基波电流分量有效值，I_sec,X表示电流中的二倍频分量有效值。

优选地，三相交流电流的谐波分量另外一种计算方法为：电流经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，其中高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB。

优选地，三相交流电压的谐波分量计算方法如下：

其中，V_har,X表示电压的谐波分量，V_rms,X表示电压的均方根值，V_fund,X表示电压中的基波电压分量有效值。

优选地，三相交流电压的谐波分量另外一种计算方法为：电压经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，其中高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB。

优选地，允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电流有效值计算方法如下：

I_set,I＝k_cur,I×I_har,allowed

其中，I_set,I表示允许的最大谐波电流有效值，k_cur,I表示大于1的常数，I_har,allowed表示谐波电流允许值。

优选地，谐波耐受极限的最小值中电流谐波耐受极限的最小值计算方法如下：

I_set,III＝m_cur,III×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)

其中，I_inductor,max,I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max分别表示桥臂电抗器、换流阀功率模块、换流变压器、开关及剩余设备的谐波电流耐受最大值，m_cur,III为小于1的常数。

优选地，允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电压有效值计算方法如下：

V_vol,I＝k_vol,I×β_allowed×V_fund

其中，V_vol,I表示允许的最大谐波电压有效值，β_allowed为标准中的谐波含量允许值，V_fund为三相电压基波有效值。

优选地，所述谐波耐受极限的最小值中电压谐波耐受极限的最小值计算方法如下：

V_set,III＝m_vol,III×Z_min,danger×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)

其中，V_set,III表示电压谐波耐受极限的最小值，Z_min,danger表示阻抗实部为负的频率段范围内阻抗的最小值。

优选地，谐波分量大于预设值时，触发系统跳闸，所述预设值范围在所述允许的最大谐波有效值与所述耐受极限最小值之间。

实施本发明具有如下有益效果：本发明中的柔性直流高频谐波谐振保护方法通过测量换流阀一侧的电流或电压参数计算得到谐波分量，根据设备技术规范计算允许的最大谐波电流或电压的有效值，以及相关设备对谐波耐受极限的最小值，将电流参数或电压参数作为判断依据，将保护范围分成2段或3段，系统根据预设条件作出告警或跳闸动作。该方法无需加装设备，低成本降低谐波谐振带来的危害。

附图说明

图1是本实施例提供的电学参数测量点的结构示意图；

图2是本实施例提供的电流第一段保护框图；

图3是本实施例提供的电流第三段保护框图；

图4是本实施例提供的电流第二段保护框图；

图5是本实施例提供的电压第一段保护框图；

图6是本实施例提供的电压第三段保护框图；

图7是本实施例提供的电压第二段保护框图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的实施例作进一步的详细说明。

如图1所示的电学参数测量点的结构示意图，采样换流变网侧三相交流电压、三相交流电流，如图中所示Ugrid、Igrid；也可采样换流阀阀侧三相电压、三相交流电流，如图中所示Uinv，Iinv，但一般不同时使用。若配置下文中描述的第二段保护，还需取得换流站出现的所有交流线路的投入退出状态，或由其他设备(如最后断路器保护逻辑)给出第二段保护的使能信号。需要说明的是，可以仅配置第一段和第三段保护。

上述所测电学参数中电流谐波分量的其中一种计算方法如下：取一段时间内电流波形，典型值为20ms－100ms，每间隔20ms计算三相电流谐波含量，计算公式如下，

式中，I_har,X表示电流的谐波分量，I_rms,X表示电流的均方根值，I_fund,X表示电流中的基波电流分量有效值，I_sec,X表示电流中的二倍频分量有效值(用于避免交直流故障暂态过程中的二倍频分量引起误动)。对中国电网，基波频率为50Hz。

上述所测电学参数中电流谐波分量的另外一种计算方法为：电流经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，其中高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB。

允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电流有效值计算方法如下：

I_set,I＝k_cur,I×I_har,allowed

其中，I_set,I表示允许的最大谐波电流有效值，k_cur,I表示大于1的常数，I_har,allowed表示谐波电流允许值。

谐波耐受极限的最小值中电流谐波耐受极限的最小值计算方法如下：

I_set,III＝m_cur,III×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)

其中，I_inductor,max,I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max分别表示桥臂电抗器、换流阀功率模块、换流变压器、开关及剩余设备的谐波电流耐受最大值，m_cur,III为小于1的常数。换流阀、桥臂电抗器、变压器、阀侧及网侧开关对谐波电流的耐受极限都在考虑范围内，若网侧存在其他对谐波电流敏感的设备，也一并考虑在内。

实施例一，用电流做判断依据，将保护范围分为两段，第一段和第三段，第一段设置为I_har,X>I_set,I，持续t_set,I(典型值1s－10s)，发出告警，第一段的保护框图如图2所示；第三段设置为高定值段，即I_har,X>I_set,III，持续时间t_set,III(典型值300ms－3s)，触发系统跳闸，第三段的保护框图如图3所示。

实施例二，用电流做判断依据，将保护范围分为三段，第一段、第二段和第三段，第一段设置为I_har,X>I_set,I，持续t_set,I(典型值1s－10s)，发出告警，第一段的保护框图如图2所示；第三段设置为高定值段，即I_har,X>I_set,III，持续时间t_set,III(典型值300ms－3s)，触发系统跳闸，第三段的保护框图如图3所示；第二段设置为低定值段，即I_har,X>I_set,II，持续t_set,II(典型值500ms－5s)，且当前交流运行方式存在谐振风险(根据谐振风险扫描结果确定，如未开展谐振风险扫描，可设置为剩余交流线路小于等于2回)，触发系统跳闸，第二段的保护框图如图4所示；其中，I_set,II的取值范围介于I_set,I、I_set,III之间。

上述所测电学参数中电压谐波分量的其中一种计算方法如下：取一段时间内电压波形，典型值为20ms－100ms，每间隔20ms计算三相电压谐波含量，计算公式如下，

式中，V_har,X表示电压的谐波分量，V_rms,X表示电压的均方根值，V_fund,X表示电压中的基波电压分量有效值，对中国电网，基波频率为50Hz。V_sec,X表示电压中的二倍频分量有效值(用于避免交直流故障暂态过程中的二倍频分量引起误动)。对中国电网，基波频率为50Hz。

上述所测电学参数中电压谐波分量的另外一种计算方法为：电压经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，其中高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB。

允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电压有效值计算方法如下：

V_vol,I＝k_vol,I×β_allowed×V_fund

其中，V_vol,I表示允许的最大谐波电压有效值，β_allowed为国家标准中对各电压等级的谐波电压有明确限制要求(如GB/T 14549)的谐波含量允许值，V_fund为三相电压基波有效值。

谐波耐受极限的最小值中电压谐波耐受极限的最小值计算依据，根据柔性直流交流阻抗计算公式或EMTDC仿真扫描结果，分析阻抗实部为负的频率段，考虑一定误差影响，分析该频率段范围内阻抗最小值Z_min,danger。一般地，需根据控制策略详细分析交流阻抗计算公式，若未开展相关分析，且采用了电流内环，可用如下公式近似估算：

式中，s为拉普拉斯算子，L为柔性直流(考虑换流变)的控制对象等效电感，G_PI为电流内环PI控制器，G_d1为电流内环控制链路延时，G_d2为前馈环节控制链路延时，G_filter为前馈环节滤波器。V_set,III＝m_vol,III×Z_min,danger×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)，m_cur,III是小于1的系数。

实施例三，用电压做判断依据，将保护范围分为两段，第一段和第三段，第一段设置为V_har,X>V_set,I，持续t_set,V,I(典型值1s－10s)，发出告警，第一段的保护框图如图5所示；第三段设置为高定值段，即V_har,X>V_set,III，持续时间t_set,V,III(典型值300ms－3s)，触发系统跳闸，第三段的保护框图如图6所示。

实施例四，用电压做判断依据，将保护范围分为三段，第一段、第二段和第三段，第一段设置为V_har,X>V_set,I，持续t_set,V,I(典型值1s－10s)，发出告警，第一段的保护框图如图5所示；第三段设置为高定值段，即V_har,X>V_set,III，持续时间t_set,V,III(典型值300ms－3s)，触发系统跳闸，第三段的保护框图如图6所示；第二段设置为低定值段，即V_har,X>V_set,II，V_set,II取值范围介于V_set,I与V_set,III之间，持续时间t_set,V,II(典型值500ms－5s)，且当前交流运行方式存在谐振风险(根据谐振风险扫描结果确定，如未开展谐振风险扫描，可设置为剩余交流线路小于等于2回)，触发系统跳闸，第二段保护框图如图7所示。

在开展系统性能与动态性能测试时，对上述系数进行修正。参数最终确定过程包括如下步骤：建立包含主设备及交流电网详细模型的高压直流输电系统仿真系统；考虑电网可能存在的最大背景谐波电压，测试柔性直流输出电流在各功率下的谐波电流，保护定值应大于该数值以避免发生谐振。

实施本发明具有如下有益效果：本发明中的柔性直流高频谐波谐振保护方法通过测量换流阀一侧的电流或电压参数计算得到谐波分量，根据设备技术规范计算允许的最大谐波电流或电压的有效值，以及相关设备对谐波耐受极限的最小值，将电流参数或电压参数作为判断依据，将保护范围分成2段或3段，系统根据预设条件作出告警或跳闸动作。该方法无需加装设备，低成本降低谐波谐振带来的危害。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种柔性直流高频谐波谐振保护方法，其特征在于，包括步骤：

采样获得换流阀其中一侧的电学参数；

根据所述电学参数计算谐波分量；当所述电学参数为三相交流电流时；所述三相交流电流的谐波分量计算方法为：电流经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，所述高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB；

根据设备技术规范要求，计算允许的最大谐波有效值及相关联设备对谐波耐受极限的最小值；

判断所述谐波分量与所述允许的最大谐波有效值和所述耐受极限最小值的大小；

当所述谐波分量大于所述允许的最大谐波有效值，发出告警；

当所述谐波分量大于所述耐受极限最小值，触发系统跳闸；

当所述电学参数为三相交流电流时，所述允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电流有效值计算方法如下：

I_set,I＝k_cur,I×I_har,allowed

其中，I_set,I表示允许的最大谐波电流有效值，k_cur,I表示大于1的常数，I_har,allowed表示谐波电流允许值；

当所述电学参数为三相交流电流时，所述谐波耐受极限的最小值中电流谐波耐受极限的最小值计算方法如下：

I_set,III＝m_cur,III×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)

其中，I_inductor,max,I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max分别表示桥臂电抗器、换流阀功率模块、换流变压器、开关及剩余设备的谐波电流耐受最大值，m_cur,III为小于1的常数；

当所述电学参数为三相交流电压时，所述允许的最大谐波有效值中允许的最大谐波电压有效值计算方法如下：

V_vol,I＝k_vol,I×β_allowed×V_fund

其中，V_vol,I表示允许的最大谐波电压有效值，β_allowed为标准中的谐波含量允许值，V_fund为三相电压基波有效值；

当所述电学参数为三相交流电压时，所述谐波耐受极限的最小值中电压谐波耐受极限的最小值计算方法如下：

V_set,III＝m_vol,III×Z_min,danger×min(2I_inductor,max,2I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max)

其中，V_set,III表示电压谐波耐受极限的最小值，Z_min,danger表示阻抗实部为负的频率段范围内阻抗的最小值，I_inductor,max,I_valve,max,I_{transformer,max},I_switch,max,I_others,max分别表示桥臂电抗器、换流阀功率模块、换流变压器、开关及剩余设备的谐波电流耐受最大值。

2.如权利要求1所述的柔性直流高频谐波谐振保护方法，其特征在于，所述三相交流电流的谐波分量的另一种计算方法如下：

X＝A,B,C

其中，I_har,X表示电流的谐波分量，I_rms,X表示电流的均方根值，I_fund,X表示电流中的基波电流分量有效值，I_sec,X表示电流中的二倍频分量有效值。

3.如权利要求1所述的柔性直流高频谐波谐振保护方法，其特征在于，当所述电学参数为三相交流电压时，所述三相交流电压的谐波分量计算方法如下：

X＝A,B,C

其中，V_har,X表示电压的谐波分量，V_rms,X表示电压的均方根值，V_fund,X表示电压中的基波电压分量有效值，V_sec,X表示电压中的二倍频分量有效值。

4.如权利要求1所述的柔性直流高频谐波谐振保护方法，其特征在于，当所述电学参数为三相交流电压时，所述三相交流电压的谐波分量另外一种计算方法为：电压经高通滤波器后直接计算的均方根值即为谐波分量，其中高通滤波器截止频率不低于250Hz，50Hz衰减大于40dB。

5.如权利要求1－4中任一项所述的柔性直流高频谐波谐振保护方法，其特征在于，所述谐波分量大于预设值时，触发系统跳闸，所述预设值范围在所述允许的最大谐波有效值与所述耐受极限最小值之间。

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