CN109861264B - 励磁涌流是否会导致hvdc换相失败的评估方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于快速评估励磁涌流是否会造成高压直流输电系统发生换相失败的方法和装置，从分析谐波对换相过程的影响机理出发，提出了在逆变器交流母线电压畸变的情况下为了保证换相成功所要满足的条件。并且定义了换相裕度的概念，计算了不利于换相的因素，如谐波电压和基波电压下降的边界值，这些都补充了现有的对于谐波导致的换相失败的研究的空白，具有一定的理论意义。另外，提出了能同时表征基波电压变化和电压畸变的评估指标，并计算出了用指标判断是否会发生换相失败的门槛值，为快速判断合空变是否有换相失败的风险提供了方法，并为采取及时有效的措施给予指导，具有一定的实用价值。

Description

励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法和装置

技术领域

本发明属于逆变器换相失败故障判别领域，具体涉及提出励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法和装置。

背景技术

随着我国经济的高速发展，用电需求不断增加。然而，我国的能源和负荷中心分布不平衡，需要经过远距离的传输将电能从西部送往东部。相较交流输电而言，高压直流输电在远距离、大规模的传输电能时表现出更好的经济性。此外，直流输电还具有可控性强、输电损耗小等特点。因此，近年来直流输电发展的如火如荼，交直流混联电网逐渐形成。

换相失败是直流系统中的常见的故障，它会引起直流电压短时下降和直流电流短时增大，不利于系统的正常运行。许多情况下一次换相失败可以自动恢复，但如果发展为连续的换相失败，就会导致直流系统闭锁。目前对于换相失败的研究主要集中于交流系统故障引起的逆变器交流母线电压降低而导致的换相失败，研究的内容主要是换相失败的产生机理、影响因素、判别方法和处理方式；研究的对象近年来主要发展为多馈入系统和混合多馈入系统。但是，对由逆变器交流母线电压畸变造成的换相失败的研究少之又少，且目前的研究都没有给出能够快速评估逆变器交流母线电压的畸变是否会引起换相失败的方法。

导致逆变器交流母线电压畸变的原因有很多，如系统故障、电力电子器件的异常运行等，其中交流变压器的空载合闸操作是引起逆变器交流母线电压畸变的重要原因。在交流系统中，变压器是其关键设备，而且变压器的投切操作也是电网运行中的常见工况。由于变压器铁芯的饱和特性，其在空载合闸、区外故障后的切除过程中，可能产生高幅值、不平衡、高谐波的励磁涌流。对于特高压交流变压器而言，其容量更大，结构独特，其在严重工况下的励磁涌流更为严重。该励磁涌流包含了丰富的谐波成分，其在电力系统的传播过程中更会产生幅值的放大和相位的偏移等现象，最终导致邻近的直流系统的逆变器的交流母线的电压发生严重的畸变，而逆变器是依靠电网电压换流的，因此，励磁涌流的注入必然会对换相过程产生影响，严重时会发生换相失败甚至连续换相失败。在实际的工程中也出现了交流系统中合空载变压器而影响正常换相过程的实例。2013年8月19日，我国皖电东送特高压工程系统调试期间，练塘站进行特高压2号主变500kV侧充电试验时，导致团林—枫泾±500kV直流工程枫泾换流站的直流换相失败保护动作而闭锁双极换流器；2016年3月21日河南电网500kV官渡变主变充电，产生的励磁涌流引起天中直流控制保护系统换相失败预测功能动作，直流输送功率短时间内大幅下降。

因此，亟需从电网发展的需求出发，基于对超/特高压大容量变压器励磁涌流的特性分析，深入研究其对近区直流系统换相过程的影响机理，在此基础上提出快速评估其是否会引起换相失败的方法，从而为采取及时有效的措施提供指导，保障电网的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种快速评估合空载变压器产生的励磁涌流是否会导致换相失败的方法，能够弥补背景技术中所述的目前对于逆变器交流母线电压畸变造成的换相失败的理论研究的不足，还能够为运行人员采取防止换相失败的措施提供指导，保障电网供电的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，以三相全波桥式电路为结构模型，包括以下步骤：

S1：计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件：

条件1：

I_d为要传输的直流电流，α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

S2：读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

S3：若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，所述N为10。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，传输的直流电流I_d为系统额定电流。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

本发明还提供一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，以三相全波桥式电路为结构模型，包括：阈值计算模块、评估指标LTHD计算模块以及判断模块；

所述阈值计算模块用于计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件：

条件1：

I_d为要传输的直流电流，α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

所述评估指标LTHD计算模块用于读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

判断模块，用于将LTHD与Th进行比较，若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，所述所述阈值计算模块中N为10。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，所述阈值计算模块中传输的直流电流I_d为系统额定电流。

优选地，本发明的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，所述阈值计算模块中最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

本发明的有益效果是：

本发明所述的用于快速评估励磁涌流是否会造成高压直流输电系统发生换相失败的方法和装置，从分析谐波对换相过程的影响机理出发，提出了在逆变器交流母线电压畸变的情况下为了保证换相成功所要满足的条件。并且定义了换相裕度的概念，计算了不利于换相的因素，如谐波电压和基波电压下降的边界值，这些都补充了现有的对于谐波导致的换相失败的研究的空白，具有一定的理论意义。另外，提出了能同时表征基波电压变化和电压畸变的评估指标，并计算出了用指标判断是否会发生换相失败的门槛值，为快速判断合空变是否有换相失败的风险提供了方法，并为采取及时有效的措施给予指导，具有一定的实用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为三相全波桥式电路结构图；

图2为换相过程等效电路结构图；

图3为效果实施例中天中直流示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例

本实施首先提供一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，以三相全波桥式电路为结构模型，包括以下步骤：

S1：计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件：

条件1：

I_d为要传输的直流电流、α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

S2：读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

S3：若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

所述N优选为10。

所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。传输的直流电流I_d为系统额定电流。最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

本实施例还提供一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，以三相全波桥式电路为结构模型，包括：阈值计算模块、评估指标LTHD计算模块以及判断模块；

所述阈值计算模块用于计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件(在一下4个条件下的最大值)：

条件1：

I_d为要传输的直流电流、α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

所述评估指标LTHD计算模块用于读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

判断模块，用于将LTHD与Th进行比较，若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

所述阈值计算模块中N优选为10。所述阈值计算模块中所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。所述阈值计算模块中传输的直流电流I_d为系统额定电流。

优选地，所述阈值计算模块中最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

效果实施例

图3为天中直流示意图，交流系统为河南500kV网络，直流系统为额定电压为±800kV，额定电流为3.125kA，双极功率为5GW的单极双十二脉动的特高压输电线路。对于每一个三相全波桥式电路，额定状态下其基本参数为：触发延迟角α＝140°，最小熄弧角γ_min＝12°，换流变压器的等效漏抗ωL_c＝6.93Ω，线电压的幅值为

流过的直流电流Id＝3.125kA。

本实施例的原理如下：

步骤1、分析谐波对换相过程的影响机理，在此基础上寻找当逆变器交流母线含有谐波时，为了保证换相成功所要满足的条件，具体方法为：

高压直流输电的逆变站的各个阀组是由三相全波桥式电路组成的，，它是研究换相失败的基本模块，其结构如图1所示。图中U_a、U_b和U_c为逆变器交流母线的三相电压，当逆变器的交流母线电压已知的情况下，根据替代定理可以将它们用理想的电压源来代替。L_c为换流变压器的等效电抗，L_d为直流侧的平波电抗。换流桥由上下两个桥臂组成，晶闸管VT1到VT6按顺序依次导通，从而产生一个周期内有六个脉波的直流电压。

晶闸管为半控型器件。当要开通晶闸管时，除了要让晶闸管上承受正向电压外，还要在晶闸管上施加触发脉冲，加触发脉冲的时刻相对自然换相点滞后的时间所对应的电角度就为触发延迟角α。当要关断晶闸管时，需要在晶闸管的两端施加反向电压，并且该电压至少要维持一段时间以使得晶闸管恢复反向阻断能力。这段时间所对应的电角度就是熄弧角γ，所需的这段时间的最小值对应的电角度就为最小熄弧角γ_min。电流从要关断的晶闸管转移到要开通的晶闸管的过程被称为换相过程，由于换流变压器电感的存在，施加触发脉冲以后换相过程不能瞬时完成，该换相过程所对应的电角度就为换相重叠角μ。触发延迟角、换相重叠角和熄弧角满足关系式α+μ+γ＝π，因此，当触发角过大或者换相过程过长都会使得熄弧角减小，当熄弧角小于最小熄弧角，使得待关断的晶闸管没有在承受反向电压的期间恢复阻断能力，它就会在电压反转时重新导通，即发生了换相失败。假设图1中换相开始前VT5和VT6导通，此时VT5和VT1要完成换相，换相过程的等效电路图如图2所示。

由等效电路可得

i₁+i₅＝I_d (2)

式中：i₁为流过晶闸管VT1的电流；i₅为流过晶闸管VT5的电流；I_d为要传输的直流电流。

由(1)、(2)两式可得，

对上式两端进行积分，积分的下限为换相开始的时刻α/ω，积分的上限为换相结束的时刻(α+μ)/ω。对于晶闸管VT1来说，换相开始时电流0，换相结束时电流为I_d，所以，

上式表达的意义为：换相过程中所需要的换相电压对时间的面积是由所传输的直流电流决定的。

为了成功换相，换相过程必须在(π-γ_min)/ω之前完成，所以换相电压对时间的面积的最大值为A_max

为了保证换相成功，需要满足：换相过程所需的电压对时间的面积小于最大值，即

当线电压中含有谐波时，电压U_ca可以表达为基波和各次谐波电压之和的形式：

将(7)代入(6)得到当电压畸变时，为了换相成功所要满足的条件：

步骤2、定义换相裕度M，求取为了保证换相成功，不利于换相的各次谐波电压的上限和基波电压下降的下限，具体方法为：

定义换相裕度M为：在保证换相成功的前提下，所允许的不利于换相的因素如基波电压下降、谐波电压等的作用效果的最大值。即

对于各次谐波电压而言，为了保证换相成功，

得到，

所以，

对于基波电压而言，为了保证换相成功

得到

代入参数计算可得约束条件中基波电压的下限和各次谐波电压的上限(计算中只保留十次以内的谐波)如下表所示：

步骤3、在总谐波畸变率的基础上提出可以同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD。具体方法为：

步骤4、根据步骤1中得到的在逆变器交流母线畸变的情况下，为了使得换相成功所要满足的条件，以及步骤2中的为了换相成功各次谐波电压和基波电压所要满足的条件，采用优化算法，求得步骤3中定义的指标的最大值，得到判断励磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值，具体方法为：

目标函数：

约束条件：

U_1min≤U₁≤E_1N

0≤U_n≤U_nmax

在MATLAB中求得优化的结果为：0.367

步骤5、根据实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值计算步骤3中的指标值，与步骤4中的阈值相比较，判断是否会发生换相失败，具体方法为：

具体地，如在交流系统的嵩山站于0.6105s进行空载合闸操作，对畸变情况最为严重的一相的电压于0.65s-0.69s的波形分析其谐波成分，计算得到指标为0.467，判断为换相失败。而实际的结果也为发生了换相失败，即根据指标的判断结果与实际的结果相同。

励磁涌流对换相过程的影响主要表现在励磁涌流引起逆变器交流母线的基波电压改变和产生的谐波电压对换相的影响。本发明首先从换相电压对时间的面积的角度阐述了逆变器交流母线谐波电压对换相过程的影响机理，在此基础上提出了可以综合表征励磁涌流对换相过程影响程度的大小的指标LTHD。然后，采用优化的方法求得了在保证换相成功的前提下该指标的最大值，从而得到判断谐波是否会造成换相失败的阈值。该快速评估方法能够为运行人员采取及时有效的措施提供指导，从而保障电网的安全稳定运行。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，其特征在于，以三相全波桥式电路为结构模型，包括以下步骤：

S1：计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件：

条件1：

I_d为要传输的直流电流，α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

S2：读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

S3：若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

2.根据权利要求1所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，其特征在于，所述N为10。

3.根据权利要求1或2所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，其特征在于，所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。

4.根据权利要求1或2所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，其特征在于，传输的直流电流I_d为系统额定电流。

5.根据权利要求1或2所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估方法，其特征在于，最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

6.一种励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，其特征在于，以三相全波桥式电路为结构模型，包括：阈值计算模块、评估指标LTHD计算模块以及判断模块；

所述阈值计算模块用于计算磁涌流注入后是否会引起换相失败的阈值Th，

其中，U₁为基波电压、U_n为第n次谐波电压，n为谐波次数且为大于等于2小于等于N的正整数，N为最大的谐波次数，E_1N为逆变器交流母线电压的额定值，并应同时符合以下条件：

条件1：

I_d为要传输的直流电流，α为触发延迟角，γ_min最小熄弧角，L_c为换流变压器的等效电抗，t为时间，ω为谐波的角频率，

为第n次谐波的初相；

条件2：U_1min≤U₁≤E_1N，

条件3：0≤U_n≤U_nmax，

条件4：

其中：

所述评估指标LTHD计算模块用于读取实际的合空载变压器后逆变器交流母线电压的测量值，计算同时表达基波电压下降和谐波畸变的评估指标LTHD：

U_1实际值为基波电压的实际测量值，U_n实际值为第n次谐波电压的实际测量值；

判断模块，用于将LTHD与Th进行比较，若LTHD＞Th时，则励磁涌流会导致HVDC换相失败。

7.根据权利要求6所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，其特征在于，所述阈值计算模块中N为10。

8.根据权利要求6或7所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，其特征在于，所述I_d为换过程中流过的两个晶闸管的电流之和。

9.根据权利要求6或7所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，其特征在于，所述阈值计算模块中传输的直流电流I_d为系统额定电流。

10.根据权利要求6或7所述的励磁涌流是否会导致HVDC换相失败的评估装置，其特征在于，所述阈值计算模块中最小熄弧角γ_min是指晶闸管恢复反向阻断能力所需最短时间时所对应的电角度。

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