CN110518622B - 一种换相失败提前检测和预防方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换相失败提前检测和预防方法、装置及其应用。现有的换相失败检测方法仍然存在控制系统响应速度低、过度依赖仿真计算、缺乏物理模型支撑和理论依据、普适性不足等问题。本发明利用三点法快速拟合出故障后电压波形，计算出供应最小换相面积；比较换相需求面积和供应最小换相面积的大小，对换相失败进行提前检测；根据检测的结果采取措施预防换相失败的发生。本发明能够有效地提前检测换相失败、为直流控制提供有效信号，进而预防换相失败的发生，计算量小，速度快，不受故障类型以及故障时间的影响。

Description

一种换相失败提前检测和预防方法、装置

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种换相失败提前检测和预防方法、装置。

背景技术

传统的高压直流输电凭借输送容量大、功率调节能力强、造价相对较低等特点，然而该输电技术的核心元件晶闸管却没有自关断能力，这导致其在逆变侧交流系统电压支撑不足的情况下极易发生换相失败。换相失败不仅仅会引发直流电流激增、导致换流阀收到冲击，还会造成直流功率的大幅度波动，严重情况甚至导致直流系统闭锁，该功率波动将对直流系统的送、受端电网安全稳定运行带更来为严峻的考验，其预防措施主要分为拓扑结构改进和控制策略优化两个方面。然而拓扑结构改进虽然能从换相机理上消除换相失败，但改进成本过高，同时工程实施难度较大。

在控制策略优化方面，为实现换相失败的快速预防，其研究思路主要分为两个步骤：首先是换相失败的快速检测，其次是换相失败的快速抑制。目前应用于直流输电系统的换相失败检测分为两大类：一是实测型，是通过量测各换流阀换相结束时刻与对应的换相电压过零时刻的间隔，并将其转化为角度量从而获得熄弧角，通过与最小熄弧角的比较判断是否发生换相失败。首先实测性是对已经发生的换相失败进行检测，所以其后续采取的控制措施都在换相失败发生后，会导致控制系统的响应速度降低；其次直流工程中一个换流桥臂的晶闸管数量太多，因此晶闸管的熄弧角不易测量。二是预测型，是在逆变侧交流母线对三相电压提取零序分量或αβ变换，从而预测单相故障和三相对称故障所引发的换相失败；针对电压过零点启动慢的缺点，提出了增加正弦-余弦分量的检测方法。虽然预测法在检测速度上大大提高，为预防换相失败发生争取了更多的时间，但现有预测法针对换相失败是否发生的判据主要依赖仿真计算，无法建立换相失败与预测判据之间的物理关系，缺乏理论依据，需针对各个工况进行仿真，普适性有待提高。目前针对换相失败的预防措施主要为提前触发，增大换相裕度。提前触发过大会导致无功需求增大，直流电流增大，这将更不利于换相过程；提前触发角度过大的主要原因是现有方法并未将提前触发角度与换相失败的边界条件建立物理关系，这也恰恰导致提前触发控制存在超调的可能性。

如现有技术中国专利申请(申请号：CN2013105027504)，公开了一种换流阀换相失败的预判方法，该方法计算故障后逆变侧交流电流电压和直流电流标幺值，通过触发角上限判断是否发生换相失败；该方法计算交流电压和交流电流幅值时需考虑傅式变换的窗长，具有一定延时，降低了换相失败预判的速度。

如现有技术中国专利申请(申请号：CN2013105773783)，公开了一种同塔并架多回直流线路耦合作用引发换相失败的判别方法，该方法通过电流耦合系数K以及故障时故障极逆变侧的最大突变电流量△I_f.max计算电网提供的最大换相时间面积A和换相成功所需的换相面积B，通过A和B的大小比较判断换相失败的发生；但该方法在计算换相成功所需的换相面积时采用的是故障后的实时数据，对换相失败的提前检测速度较慢，不利于预防换相失败的发生。

如现有技术中国专利申请(申请号：CN2014108011644)，公开了一种直流换相失败根据面积数值设置增加熄弧角数值的方法，该方法计算交流电网电压换相面积数值，当发生换相失败时，根据这个换相面积数值，设置增加熄弧角控制操作所需要增加的熄弧角角度数值；该方法中换相面积的数值和增加的熄弧角角度之间缺乏物理模型约束，针对不同故障情况参数k和b的取值由经验得出，在控制系统的作用下容易出现超调或欠调的情况，反而加重了换相失败的影响。

如现有技术中中国专利申请(申请号：CN2018100385549)，该方法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，该方法实时采样直流电流和逆变侧交流电压计算换相失败风险值F₀，通过风险值F₀计算得到直流电流控制参考值，进而对直流电流进行控制减少连续换相失败；但该方法是对故障后的电气量实时测量进行计算，该过程中逆变侧已处于换相阶段，得到的控制结果对换相失败的控制效果较差，无法提前检测换相失败的发生。

发明内容

本发明提出了一种换相失败提前检测和预防方法，该方法从换相失败的物理判据出发，以换相需求面积和供应最小换相面积之间的关系作为换相失败判断标准，利用三点法对故障前后的换相线电压波形进行拟合，从而实现对换相失败的提前检测；并在此基础上，通过换相失败的边界条件，借助换相面积理论求解出控制器的最大延迟触发角，增大换相裕度以实现对换相失败的快速预防。

一种换相失败提前检测和预防方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：在交直流混联电网中，交流系统发生故障，利用三点法对故障后的交流侧母线的线电压进行拟合，得到故障后该线电压的表达式：

假设故障后该线电压仍为工频正弦波，未知参数包括幅值A和初相位

交流系统角速度已知为ω₀，设故障后该线电压的表达式为：

通过DSP对故障后该线电压的两个采样点快速采样，采样频率为20kHz，该两个采样点分别为(t₁，u₁)和(t₂，u₂)，则有：

为表达更简略，构造矩阵：

进一步表达为：U＝ΦK；

求出系数矩阵K为：K＝Φ^-1U；

通过该系数矩阵K，进一步求得故障后该线电压的表达式的幅值A及初相位

由此即可确定故障后该线电压的表达式；

步骤2：求取换相需求面积S_need和供应最小换相面积S_min；

根据换相面积理论，S_need和S_min是决定换相过程成功与否关键的两个换相面积指标，换相失败的判据为：当S_min>S_need时，逆变器不会发生换相失败；当S_min<S_need时，逆变器会发生换相失败；

将S_need定义为：S_need＝2X_CI_d(ω₀t₀)，由故障后的采样时刻t₀对应的直流电流值I_d(ω₀t₀)计算得到，X_C为逆变侧等值换相电抗；

S_min由步骤1中拟合后得到的故障后该线电压的表达式计算得到，

其中，u_Lmin为故障后该线电压，U_Lmin为故障后该线电压的峰值，即步骤1中求得的该幅值A，

为故障后该线电压的初相位，即步骤1中求得的该初相位

换相起始时间t₁为：

其中α_i为换相延迟触发角；

故障前正常运行时该线电压为：

其中U_L0为故障前正常运行时该线电压的峰值，

为故障前正常运行时该线电压的初相位；将采样时刻t₀代入上述u_L的表达式，可解得

换相终止时间t₂为：

其中γ_min为最小关断角，

为线电压换相偏移角，

求得换相起始时间t₁和换相终止时间t₂后，即可求得S_min；通过比较S_need和S_min的大小，实现在故障后提前检测到换相失败的发生；

步骤3：根据S_need和S_min，计算最大换相延迟触发角α_imax，根据α_imax提前触发换相过程：

该最大换相延迟触发角α_imax的量化是在故障后发生临界换相失败的条件下，计算得出的在该故障情况下该换相延迟触发角α_i的角度；

定义S_need＝S_min为该发生临界换相失败的条件，取γ_min＝7°，可得：

求得α_imax为：

在α_imax的基础上减去裕度Δα，得到提供给逆变侧控制系统的实际触发角度α_act：α_act＝α_imax-Δα，保证在现有故障条件下S_min>S_need，预防换相失败的发生。

附图说明

图1为本发明实施例中换相等值电路；

图2为本发明实施例中考虑电压换相点偏移的换相电压面积；

图3为本发明实施例中故障后系统可供应最小面积；

图4为本发明实施例中换相失败提前检测示意图；

图5为本发明实施例中控制结构框图；

图6为本发明实施例中基于换相面积的触发角控制框图；

图7为本发明实施例1中单相接地故障时换相失败提前检测模块响应波形；

图8为本发明实施例1中单相故障条件下换相失败提前检测与实际情况对比图；

图9为本发明实施例1中临界换相失败时系统响应波形；

图10为本发明实施例1中三相故障条件下换相失败提前检测与实际情况对比图；

图11为本发明实施例2中不同类型故障下换相失败控制策略预防结果。

具体实施方式

传统直流控制中通过换相过程中对交流电压实时采样，计算得到供应最小换相面积，与换相需求面积比较，判断换相失败是否发生；但判断时刻已处于换相过程中，判断结果对换相失败的提前检测和预防效果较差。一种换相失败提前检测和预防方法，该方法包括故障后交流电压的拟合、换相面积的计算、最大延迟触发角的量化；交流电压的拟合在故障发生后通过DSP对交流母线电压进行采样，通过两个采样点快速拟合出电压曲线；换相面积的计算以拟合电压曲线表征故障后的实际交流母线电压曲线，分别计算得到换相需求面积和供应最小换相面积并提前检测换相失败是否发生；最大延迟触发角的量化在判断为发生换相失败后，计算得出该故障条件下逆变侧提前触发换相过程的角度，进而预防换相失败的发生。

下面结合说明书附图和实施例进一步说明本发明。

本发明提出一种换相失败提前检测和预防方法。在换相过程中，对于换相回路，如图1所示，成立等式：

代入i₁＝I_d-i₃，等式两端同时积分，推导得到换相面积

考虑非对称故障时造成的电压过零点偏移，如图2所示，得到换相面积的最终表达式

根据换相面积理论，决定换相过程成功与否关键的两个换相面积指标，分别将其定义为S_need为换相需求面积，S_min为可供应最小换相面积。因此换相失败的判据为：当S_min>S_need时，逆变器不会发生换相失败；当S_min<S_need时，逆变器会发生换相失败。因此，基于换相面积的换相失败提前检测准确性取决于S_need、S_min计算的准确性。将换相需求面积定义为

S_need＝2X_CI_d(ω₀t₀)

由故障后的采样时刻t₀对应的直流电流值计算得到；供应最小换相面积由故障后交流侧母线电压曲线决定，如图3所示，由三点法快速拟合计算得出。换相失败提前检测示意图如图4所示，假设故障后电压仍未工频正弦波，未知参数包括幅值和初相位；交流系统角速度已知为ω₀，通过DSP对两个点快速采样即可求解出幅值和初相位；采样频率为20khZ，由于采样点个数少，计算简单，所以检测速度快；

接下来是利用三点法快速拟合得到故障后线电压表达式：

设故障后交流侧线电压表达式：

逆变侧交流母线线电压两个采样点分别为(t₁，u₁)和(t₂，u₂)，则有：

为表达更简略，构造矩阵

进一步表达为

U＝ΦK

可求出系数矩阵K为

K＝Φ^-1U

通过电压曲线的系数矩阵，可进一步求得电压曲线的幅值及相位：

即可确定故障后交流电压曲线的表达式。

供应最小换相面积为

换相起始时间t₁由图3得：

系统故障前正常运行时线电压为

依据换相过程的物理特性，使采样时刻t₀的取值范围为各换相线电压正半周期中(0，90°)的区间，可保证对故障后下一次换相实现准确提前检测，将采样时刻t₀代入上式，可解得θ₀为：

换相终止时间t₂由图3可得：

其中，γ_min为最小关断角；

为线电压换相偏移角，可由故障前线电压曲线和故障后线电压曲线的初相位求得：

求得换相起始时间t₁和换相终止时间t₂，进而求得换相需求面积S_need和供应最小换相面积S_min。即可通过比较S_need和S_min的大小，从而实现在故障后很短的采样时间内提前检测换相失败的发生。通过换相失败提前检测，将检测的结果(CFPS)输出至直流控制系统，进一步预防换相失败的发生，如图5所示。

定义换相需求面积等于供应最小换相面积为换相失败的临界条件，取γ_min＝7°，由图3可得：

求得逆变侧临界延迟触发角也即最大换相延迟触发角α_imax为：

当换相失败提前检测模块输出的换相失败检测信号(CFPS)触发换相失败预防措施时，提供给直流逆变侧控制系统一个提前触发信号，取：

α_act＝α_imax-Δα

在临界延迟触发角的基础上减去△α得到提供给直流逆变侧控制系统的实际触发角度，如图6所示，保证在现有故障条件下，供应最小换相面积大于换相需求面积，预防换相失败的发生。适用于所有故障类型以及故障时间，不受运行方式的限制，满足不同运行和故障条件下的对延迟触发角的动态调节需求，具有广泛普适性。

实施例

在PSCAD/EMTDC中基于CIGRE直流输电标准模型建立测试系统，实现了所提出的换相失败提前检测与预防措施。信号采样频率为20kHz，最小关断角γ_min选取7°，模型的其他控制参数、故障设置与原标准系统均完全相同。

实施例1

本实施例分别在单相接地故障和三相接地故障条件下测试了换相失败提前检测方法的有效性，具体方法如下：

在单相接地故障中，设置5.001s时刻逆变侧交流母线发生A相经L_f＝0.88H过度电阻接地故障，故障持续时间为50ms，其中S_need-S_min为换相面积计算单元输出的换相面积差值；CFPS为换相失败检测信号，其值从0变为1，提前检测系统即将发生换相失败；γ为逆变侧实际测得的关断角,仿真结果如图7所示。由图可知，本发明提出的换相失败提前检测算法在直流系统正常运行情况下，S_need-S_min始终小于0，判断不发生换相失败，并留有一定的裕度，即使存在波动也不会发生误判；发生单相故障时，S_need-S_min明显增加，而此时直流电流、延迟触发角均未发生变化，故此时换相面积差值增大主要是母线电压骤降和电压换相点偏移导致的。发生换相失败后，S_need-S_min快速增加，是由直流系统短路导致直流电流骤增引起的。由于故障后实际电压中的谐波，换相失败面积差值存在波动，但不影响对换相失败的准确提前检测。

为对本发明所提方法性能进行更为全面的测试，设置故障在5～5.009s，间隔0.001s，设置0～0.92H的接地电感，模拟不同时刻不同程度的故障，故障持续时间均为50ms，统计换相失败实际和检测发生的情况，如图8所示，其中纵坐标表示发生临界换相失败时接地电感的大小。如图所示，基于换相面积的换相失败提前检测方法地检测结果与实际情况完全一致，能够准确地提前检测单相故障时换相失败的发生，并且不同故障时刻对换相失败提前检测效果影响不大。

在三相接地故障中，在5.001s时刻，仿真直流系统发生临界换相失败，换相失败提前检测模块响应波形如图9所示；由图9可知，本发明方法针对三相对称故障所引发的换相失败也能实现快速提前检测，同时换相面积差值的波动较非对称故障大大减小，判断结果更为可靠。

设置故障在5～5.009s，间隔0.001s，模拟不同时刻不同程度的故障，故障持续时间均为50ms，统计换相失败实际和检测发生的情况如图10所示。由上图，换相失败提前检测模块在交流系统发生三相故障后快速检测换相失败，为控制系统快速调节预防换相失败提供了时间。

实施例2

本实施例分别不同故障类型条件下测试了基于临界换相面积的量化触发角控制策略的有效性，具体方法如下：

分别在逆变侧换流母线上设置单相接地故障、相间故障和三相故障，统计不同时刻和不同程度的故障条件下，统计CIGRE标准测试模型和基于临界换相面积的提前检测控制模型发生换相失败的情况。其中单相接地故障以A相接地故障为例；相间短路故障以B、C两相短路为例。统计结果如图11所示；由图可知，在不同类型交流侧故障下，该检测控制模型降低了临界换相失败的接地电感值，说明基于换相面积的触发角控制策略可有效预防换相失败的发生。由数据看出，单相故障时临界电感值最高减小0.2H，三相故障时减小0.12H，相间故障时减小0.7H，系统抵御换相失败的性能有了明显提升，验证结果如表1所示：

其中，L_fm和L_{fm_P}分别是CIGRE模型下和本发明提出的提前检测控制模型下发生换相失败的临界电感值。

Claims (1)

1.一种换相失败提前检测和预防方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：在交直流混联电网中，交流系统发生故障，利用三点法对故障后的交流侧母线的线电压进行拟合，得到故障后该线电压的表达式：

假设故障后该线电压仍为工频正弦波，未知参数包括幅值A和初相位

交流系统角速度已知为ω₀，设故障后该线电压的表达式为：

通过DSP对故障后该线电压的两个采样点快速采样，采样频率为20kHz，该两个采样点分别为(t₁，u₁)和(t₂，u₂)，则有：

为表达更简略，构造矩阵：

进一步表达为：U＝ΦK；

求出系数矩阵K为：K＝Φ^-1U；

通过该系数矩阵K，进一步求得故障后该线电压的表达式的幅值A及初相位

由此即可确定故障后该线电压的表达式；

步骤2：求取换相需求面积S_need和供应最小换相面积S_min；

根据换相面积理论，S_need和S_min是决定换相过程成功与否关键的两个换相面积指标，换相失败的判据为：当S_min>S_need时，逆变器不会发生换相失败；当S_min<S_need时，逆变器会发生换相失败；

将S_need定义为：S_need＝2X_CI_d(ω₀t₀)，由故障后的采样时刻t₀对应的直流电流值I_d(ω₀t₀)计算得到，X_C为逆变侧等值换相电抗；

S_min由步骤1中拟合后得到的故障后该线电压的表达式计算得到，

其中，u_Lmin为故障后该线电压，U_Lmin为故障后该线电压的峰值，即步骤1中求得的该幅值A，

为故障后该线电压的初相位，即步骤1中求得的该初相位

换相起始时间t₁为：

其中α_i为换相延迟触发角；

故障前正常运行时该线电压为：

其中U_L0为故障前正常运行时该线电压的峰值，

为故障前正常运行时该线电压的初相位；将采样时刻t₀代入上述u_L的表达式，可解得

换相终止时间t₂为：

其中γ_min为最小关断角，

为线电压换相偏移角，

求得换相起始时间t₁和换相终止时间t₂后，即可求得S_min；通过比较S_need和S_min的大小，实现在故障后提前检测到换相失败的发生；

步骤3：根据S_need和S_min，计算最大换相延迟触发角α_imax，根据α_imax提前触发换相过程：

该最大换相延迟触发角α_imax的量化是在故障后发生临界换相失败的条件下，计算得出的在该故障情况下该换相延迟触发角α_i的角度；

定义S_need＝S_min为该发生临界换相失败的条件，取γ_min＝7°，可得：

求得α_imax为：

在α_imax的基础上减去裕度Δα，得到提供给逆变侧控制系统的实际触发角度α_act：α_act＝α_imax-Δα，保证在现有故障条件下S_min>S_need，预防换相失败的发生。

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