CN109510230A - 一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种用于高压交直流混联电网的连续换相失败抑制方法。所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于检测到即将有换相失败发生时，增大逆变侧换流站关断角，从而增大后续阀组的换相裕度，避免连续换相失败的发生。所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于考虑谐波和换相电压过零点偏移对关断角的影响，定量计算增大关断角的大小。本发明的有益之处在于它可以避免由于换相电压波形畸变造成的高压直流连续换相失败。
Description
技术领域
本发明属于电力传输技术领域，涉及高压直流输电技术，尤其涉及一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法。
背景技术
我国已经建成高压直流输电线路23条，在建16条，直流输电占比已经达到34％，交直流混联电网作为一种电网的新形态已经形成。直流线路的接入使得交流电网惯性下降，电网更加脆弱。如果高压直流的换流阀的换相过程未能在规定时间内进行完毕或者阻断能力尚未恢复时，电压就从反向变为正向，本该退出导通的阀未能退出，被换相的阀向其倒换相，这时就发生了换相失败。在交直流混联电网中，换相失败有可能引发连锁故障，造成更为严重的后果。
连续换相失败的原因是外界关断条件在时间上延续或者断续失效。目前研究认为，200ms以内算为一次换相失败，因为高压直流从发生第一次换相失败到恢复正常的时间一般为200ms，在此期间所发生的换相失败都计为一次换相失败。当前高压直流可以承受两次左右的换相失败，当连续换相失败次数超过两次以后，有可能导致阀组闭锁。高压直流双极闭锁后，直流功率传输中断，可能会引发大范围内的功率转移，引发连锁故障，继而造成大停电。连续换相失败是较为严重的电力系统故障形态。
高压直流输电系统连续换相失败是引发交直流混联电网连锁故障的重要诱因，换相失败的本质原因是晶闸管没有自关断能力。交流故障难以预测，首次换相失败难以避免，但是连续换相失败可以抑制，其要点在于确定提前触发角和增大关断角的大小和持续时间。现有换相失败抑制方法的研究大多是基于换相电压幅值的下降，而考虑电压畸变对换相失败的影响的理论研究较少。谐波是导致电压畸变的重要原因，而电压畸变会导致换相面积的减少，进而引发连续换相失败。现有的换相失败控制措施是根据关断角实测和预测结果，提前发出触发脉冲或增大关断角控制器的指令值。但是提前触发量和关断角增加量都是基于经验值，缺乏定量计算方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题。
为此，本发明的目的在于提出了一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法。
为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案。
一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，其特征在于：检测到即将有换相失败发生时，增大逆变侧换流站关断角，从而增大后续阀组的换相裕度，避免连续换相失败的发生。
一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，其特征在于，所述连续换相失败抑制方法包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
步骤4：计算关断角整定值；
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为谐波含量；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
在步骤1中，所述单相阈值的范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
优选所述单相阈值为0.10UN。
在步骤1中，所述三相阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
优选所述三相阈值为0.10UN。
在步骤1中，所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。
所述谐波阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中UN为换相电压额定幅值。优选所述谐波阈值的取值为0.10UN。
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
在步骤3中，首先，计算得到高压直流换相电压中的各次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
将高压直流换相电压中的各次谐波对关断角的影响值相加即得到总得谐波对关断角的影响值ψn。
在步骤3中，计算第2次、第3次、第4次、第5次谐波的谐波影响因子进行相加，得到总的谐波对关断角影响值：
ψn＝ψ1+ψ2+ψ3+ψ4+ψ5 (5)。
本申请还公开了一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统，具体方案如下：
一种利用前述连续换相失败抑制方法的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统，包括电压采集模块、谐波含量计算模块、换相电压过零点偏移量计算模块、换相失败预测功能模块、关断角定量计算功能模块；其特征在于：
所述电压采集模块采集逆变侧交流母线换相电压和零序电压，并将采集结果送至换相失败预测功能模块；
所述换相失败预测功能模块获取谐波含量计算模块所计算的谐波含量，并对换相电压进行Clarke变换，判断是否换相失败，如果失败则向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号；
所述换相电压过零点偏移量计算模块计算换相电压过零点偏移量，并将计算结果传送至关断角定量计算功能模块；
所述关断角定量计算功能模块计算得到关断角整定值，然后将计算得到的关断角整定值发送至高压直流控制系统，用于增加后续阀组的换相裕度，避免后续换相失败的发生。
在所述换相失败预测功能模块中，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值时，则判断换相失败，然后向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号。
本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：
本发明的连续换相失败抑制方法具有连续换相失败预测功能，当零序电压的幅值超过阈值，说明发生了不对称故障，投入换相失败抑制模块。当Clarke变换后的电压幅值低于阈值，说明发生了三相故障，投入换相失败抑制模块。当换相电压谐波分量超过阈值，说明换相电压波形发生了畸变，投入换相失败抑制模块。
本发明的连续换相失败抑制方法具有关断角定量计算功能，检测换流母线换相电压，求得换相电压幅值跌落，换相电压过零点偏移，换相电压总的谐波畸变率，计算得到关断角指令值。
所述的关断角指令值送到高压直流控制系统，用于增加后续阀组的换相裕度，避免后续换相失败的发生。
本发明用于传统高压直流输电逆变侧，避免连续换相失败的发生，增加交直流混联电网的稳定性。
附图说明
图1示出了用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统的结构示意图；
图2示出了关断角定量计算模块示意图；
图3为本发明公开的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法流程示意图；
图4示出了换相失败抑制模块输出的关断角指令值；
图5示出了连续换相失败发生时关断角测量值；
图6示出了采用了所提方法时关断角测量值。
具体实施方式
为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图3为本发明公开的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法流程示意图。本申请公开的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
在步骤1中，所述单相阈值的范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
在步骤1中，所述三相阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
在步骤1中，所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。谐波幅值指谐波畸变率最大的那次谐波幅值如果超过预定值，则用于换相失败抑制的启动。
所述谐波阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中UN为换相电压额定幅值。
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
在步骤3中，首先，计算得到高压直流换相电压中的各次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
将高压直流换相电压中的各次谐波对关断角的影响值相加即得到总得谐波对关断角的影响值ψn。
步骤4：计算关断角整定值；
参见附图2，本发明提出的关断角定量计算方法，其原理在于根据换相电压幅值U、过零点偏移△φ、谐波含量ψ，计算得到关断角指令值γ：
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为谐波含量；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
实施例1：
用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
所述单相阈值为0.08UN。
所述三相阈值为0.08UN。
所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。
所述谐波阈值的取值为0.08UN，其中UN为换相电压额定幅值。
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
首先，计算得到高压直流换相电压中的第2次、第3次、第4次、第5次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
最后，计算第2次、第3次、第4次、第5次谐波的谐波影响因子进行相加，得到总的谐波对关断角影响值：
ψn＝ψ1+ψ2+ψ3+ψ4+ψ5 (5)。
步骤4：计算关断角整定值；
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为谐波含量；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
实施例2：
用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
所述单相阈值为0.10UN。
所述三相阈值为0.10UN。
所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。
所述谐波阈值的取值为0.10UN，其中UN为换相电压额定幅值。
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
首先，计算得到高压直流换相电压中的第2次、第3次、第4次、第5次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
最后，计算第2次、第3次、第4次、第5次谐波的谐波影响因子进行相加，得到总的谐波对关断角影响值：
ψn＝ψ1+ψ2+ψ3+ψ4+ψ5 (5)。
步骤4：计算关断角整定值；
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为谐波含量；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
实施例3：
用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
所述单相阈值为0.12UN。
所述三相阈值为0.12UN。
所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。
所述谐波阈值的取值为0.12UN，其中UN为换相电压额定幅值。
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
首先，计算得到高压直流换相电压中的第2次、第3次、第4次、第5次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
最后，计算第2次、第3次、第4次、第5次谐波的谐波影响因子进行相加，得到总的谐波对关断角影响值：
ψn＝ψ1+ψ2+ψ3+ψ4+ψ5 (5)。
步骤4：计算关断角整定值；
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为谐波含量；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
如图1所示，本申请还公开了一种利用前述连续换相失败抑制方法的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统，包括电压采集模块、谐波含量计算模块、换相电压过零点偏移量计算模块、换相失败预测功能模块、关断角定量计算功能模块；其特征在于：
所述电压采集模块采集逆变侧交流母线换相电压和零序电压，并将采集结果送至换相失败预测功能模块；
所述换相失败预测功能模块获取谐波含量计算模块所计算的谐波含量，并对换相电压进行Clarke变换，判断是否换相失败，如果失败则向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号；
在所述换相失败预测功能模块中，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值时，则判断换相失败，然后向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号。
所述换相电压过零点偏移量计算模块计算换相电压过零点偏移量，并将计算结果传送至关断角定量计算功能模块；
所述关断角定量计算功能模块计算得到关断角整定值，然后将计算得到的关断角整定值发送至高压直流控制系统，用于增加后续阀组的换相裕度，避免后续换相失败的发生。
如图4所示，本发明提出的换相失败抑制模块，当交流侧换相电压波形畸变，谐波含量增大，关断角指令值增大，增加量定量计算。根据系统运行状态，关断角指令值不断变化。
如图5所示，当没有采用所提算法时，高压直流经历了两次换相失败。
如图6所示，当采用了所提算法后，高压直流只经历了一次换相失败。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，其特征在于：检测到即将有换相失败发生时，增大逆变侧换流站关断角，从而增大后续阀组的换相裕度，避免连续换相失败的发生。
2.一种用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制方法，其特征在于，所述连续换相失败抑制方法包括以下步骤：
步骤1：检测逆变侧交流母线换相电压，计算得到零序电压和Clarke变换后的电压，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值，转入步骤2，否则进入步骤5；
步骤2：通过步骤1采集得到的逆变侧交流母线换相电压值，计算电压幅值和高压直流换相电压过零点偏移量；
步骤3：计算高压直流换相电压中的谐波含量以及谐波对关断角的影响值；
步骤4：计算关断角整定值；
其中UN为换相电压额定幅值，γN为关断角额定值，U为换相电压测量幅值，△φ为换相电压过零点偏移量，ψ为步骤3得到的谐波对关断角的影响值；
步骤5：输出关断角整定值到高压直流定关断角控制器。
3.根据权利要求2所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤1中，所述单相阈值的范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
4.根据权利要求3所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于
所述单相阈值为0.10UN。
5.根据权利要求2或3所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤1中，所述三相阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中,UN为换相电压额定幅值。
6.根据权利要求2或3所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
所述三相阈值为0.10UN。
7.根据权利要求2所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤1中，所述谐波含量检测可以用以下公式进行计算，
其中，Dn为第n次谐波畸变率，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，检测第2、3、4、5次谐波畸变率，取谐波畸变率最大的谐波幅值为谐波含量。
8.根据权利要求7所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤1中，所述谐波阈值的取值范围是0.05UN-0.15UN，其中UN为换相电压额定幅值。
9.根据权利要求7所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
所述谐波阈值的取值为0.10UN。
10.根据权利要求2所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤2中，根据下述公式计算换相电压过零点偏移量；
其中，△U为换相电压幅值跌落量，为换相电压过零点偏移量。
11.根据权利要求2或10所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤3中，首先，计算得到高压直流换相电压中的各次谐波分量；
然后，按照下式计算第n次谐波对关断角的影响因子；
其中，En为换相电压第n次谐波幅值，E1为换相电压基波幅值，KHarm为谐波影响系数，优选取值为0.5；
将高压直流换相电压中的各次谐波对关断角的影响值相加即得到总得谐波对关断角的影响值ψn。
12.根据权利要求11所述的连续换相失败抑制方法，其特征在于：
在步骤3中，计算第2次、第3次、第4次、第5次谐波的谐波影响因子进行相加，得到总的谐波对关断角影响值：
ψn＝ψ1+ψ2+ψ3+ψ4+ψ5 (5)。
13.一种利用权利要求2-12所述连续换相失败抑制方法的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统，包括电压采集模块、谐波含量计算模块、换相电压过零点偏移量计算模块、换相失败预测功能模块、关断角定量计算功能模块；其特征在于：
所述电压采集模块采集逆变侧交流母线换相电压和零序电压，并将采集结果送至换相失败预测功能模块；
所述换相失败预测功能模块获取谐波含量计算模块所计算的谐波含量，并对换相电压进行Clarke变换，判断是否换相失败，如果失败则向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号；
所述换相电压过零点偏移量计算模块计算换相电压过零点偏移量，并将计算结果传送至关断角定量计算功能模块；
所述关断角定量计算功能模块计算得到关断角整定值，然后将计算得到的关断角整定值发送至高压直流控制系统，用于增加后续阀组的换相裕度，避免后续换相失败的发生。
14.根据权利要求13所述的用于高压直流输电系统的连续换相失败抑制系统，其特征在于：
在所述换相失败预测功能模块中，当零序电压的幅值超过单相阈值时或者Clarke变换后的电压幅值小于三相阈值，或者谐波含量大于谐波阈值时，则判断换相失败，然后向换相电压过零点偏移量计算模块发出启动信号。
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