CN112421666A - 一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，包括：基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI；实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，计算SCFRI，判断后续换相失败风险程度；在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生。本发明提供的方法，考虑了故障暂态期间，直流电流、交流电压、触发角等因素的影响，建立系统后续换相失败风险评估指标，实现了系统后续换相失败的判别及定量风险评估。

Description

一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电系统运行分析与控制技术领域，特别是涉及一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法。

背景技术

随着我国经济社会的不断发展，电力系统在国民经济中的作用越来越显著，电网的供应能力和供应水平在不断提升，要求电网应具有更高的安全性和可靠性。换相失败是依靠电网电压换相的高压直流输电技术最常见的故障类型之一。若引发首次换相失败的交流系统故障未能及时清除或控制处理不当，恢复阶段直流系统可能出现后续换相失败，易造成局部故障向全局转变，威胁混联系统的安全稳定运行。

特高压直流工程的不断建设和直流容量的不断提升会造成故障几率、故障容量的不断增加。此外，随着新能源装机容量的不断提高，交流系统的抗干扰能力和调节能力持续下降，作为混联系统安全稳定的“攻”、“守”双方此消彼长，会造成后续换相失败的影响日益严峻。针对高压直流输电系统后续发生的换相失败，国内外研究主要集中在影响因素分析和抑制策略研究，目前比较缺乏可定量、实时、有效评估系统恢复过程中后续换相失败风险的指标及抑制策略。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，考虑了故障暂态期间，直流电流、交流电压、触发角等因素的影响，建立系统后续换相失败风险评估指标，实现了系统后续换相失败的判别及定量风险评估。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，包括以下步骤：

S1，基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI，具体包括：

计算换相电压时间面积需求量S_need为：

S_need＝2ωL_cI_d (1)

式中，ω为角频率，L_c为等效换相电感，I_d为直流电流；

计算换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}为：

式中：γ_min为固有最小关断角，E为换相电压有效值，α为逆变器触发角指令值；

比较换相电压时间面积需求量S_need和换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}，若S_need＞S_{pro_max}，表示系统后续换相失败，若S_need≤S_{pro_max}，表示系统无后续换相失败风险；

为确保系统无后续换相失败风险，需要满足S_need≤S_{pro_max}，即：

基于公式(3)，引出后续换相失败风险评估指标SCFRI，表示为：

SCFRI＝AE-BI_d (4)

其中，参数A、B表示为：

换相面积盈缺量ΔS＝S_{pro_max}-S_need,计算公式为：

SCFRI指标与ΔS关系如下：

S2，根据后续换相失败风险评估指标SCFRI，判断后续换相失败风险程度，具体如下：

当SCFRI＞0时，系统无后续换相失败风险，并且SCFRI越大系统换相失败风险越低；

当SCFRI＜0时，系统发生后续换相失败；

S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入步骤S1中的公式(1)—(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度；

S4，在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生。

可选的，所述步骤S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入公式(5)和(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度，具体包括：

S301：检测系统三相交流电压U_a、U_b、U_c，通过clark变换模块，获得交流电压的αβ分量U_αβ，获得换相电压有效值

并测量直流电流、逆变器触发角指令值，其中，

S302：根据得到的逆变器触发角指令值以及事先设定的最小关断角参数，计算SCFRI指标中参数A、B，进一步实时计算系统SCFRI；

S303：若SCFRI＜0，则发出换相失败信号，进入步骤S4，启动后续换相失败抑制策略；

若SCFRI＞0，则继续监测并计算SCFRI值，根据SCFRI值的大小，显示系统后续换相失败的风险程度。

可选的，所述步骤S4：在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生，具体包括：

使用直角三角形拟合换相电压的右半正弦曲线，得到提前触发Δα角度情况下，额外获得的换相面积增量为：

为维持系统恢复阶段后续换相失败风险在SCFRI₀附近，计算附加控制量为：

式中，参数D＝(180°-α_i)U_Lf/90°，

U_Lf为逆变侧交流系统线电压峰值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明提供的高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，公开了以下技术效果：基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI，通过监测交流换相电压、直流电流和控制系统触发角指令值，实时定量计算系统的后续换相失败风险程度，并在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生；本发明可定量、实时、有效评估和抑制系统恢复过程中后续换相失败风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法的流程图；

图2为本发明实施例中基于SCFRI的附加控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，考虑了故障暂态期间，直流电流、交流电压、触发角等因素的影响，建立系统后续换相失败风险评估指标，实现了系统后续换相失败的判别及定量风险评估。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，包括以下步骤：

S1，基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI，具体包括：

计算换相电压时间面积需求量S_need为：

S_need＝2ωL_cI_d (1)

式中，ω为角频率，对于50Hz系统约为314rad/s，L_c为等效换相电感，I_d为直流电流；

计算换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}为：

式中：γ_min为固有最小关断角，反应了晶闸管元件中载流子复合开关建立P-N结阻挡层以恢复正向阻断能力所必须的时间，可根据工程中晶闸管型号确定，E为换相电压有效值，α为逆变器触发角指令值；

比较换相电压时间面积需求量S_need和换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}，若S_need＞S_{pro_max}，换相过程中所需的换相电压时间面积大于此时系统能提供的换相面积最大提供量，会导致实际关断角小于固有最小关断角，引发换相失败，若S_need≤S_{pro_max}，表示系统无后续换相失败风险；

为确保系统无后续换相失败风险，需要满足S_need≤S_{pro_max}，即：

基于公式(3)，引出后续换相失败风险评估指标SCFRI，表示为：

SCFRI＝AE-BI_d (4)

其中，参数A、B表示为：

换相面积盈缺量ΔS＝S_{pro_max}-S_need,计算公式为：

SCFRI指标与ΔS关系如下：

根据公式(7)可知，SCFRI本质上定量反应了换相面积提供量与需求量的差值，可以作为系统换相失败的判别和风险评估的依据；

S2，根据后续换相失败风险评估指标SCFRI，判断后续换相失败风险程度，具体如下：

当SCFRI＞0时，系统无后续换相失败风险，并且SCFRI越大系统换相失败风险越低；

当SCFRI＜0时，系统发生后续换相失败；

S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入步骤S1中的公式(1)—(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度；

S4，在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生。

其中，所述步骤S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入公式(5)和(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度，具体包括：

S301：检测系统三相交流电压U_a、U_b、U_c，通过clark变换模块，获得交流电压的αβ分量U_αβ，获得换相电压有效值

并测量直流电流、逆变器触发角指令值，其中，

通过计算U_αβ能够快速获得交流信号有效值，以提高所提出策略速动性；

S302：根据得到的逆变器触发角指令值以及事先设定的最小关断角参数，计算SCFRI指标中参数A、B，进一步实时计算系统SCFRI；

S303：若SCFRI＜0，则发出换相失败信号，进入步骤S4，启动后续换相失败抑制策略；

若SCFRI＞0，则继续监测并计算SCFRI值，根据SCFRI值的大小，显示系统后续换相失败的风险程度。

所述步骤S4：在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生，具体包括：

如图2所示，使用直角三角形拟合换相电压的右半正弦曲线，得到提前触发Δα角度情况下，额外获得的换相面积增量为：

依据说明书附图2可知：

根据三角形正切含义，易求解提前触发量提供的额外换面面积(图2中阴影部分直角梯形)的上、下底边x、y分别为：

x＝(180-α_i)tanθ (9-2)

y＝(180-α_i+Δα)tanθ (9-3)

根据直角梯形面积求解公式，换面面积增量计算公式为：

为维持系统恢复阶段后续换相失败风险在SCFRI₀附近，计算附加控制量为：

式中，参数D＝(180°-α_i)U_Lf/90°，

U_Lf为逆变侧交流系统线电压峰值；SCFRI₀是控制目标，根据实际系统情况设定，例如：定关断角控制中的γ_ref＝15°，这个SCFRI₀就类似15°，是系统最初根据实际情况设定的控制参数，为固定值。

本发明提供的高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI，通过监测交流换相电压、直流电流和控制系统触发角指令值，实时定量计算系统的后续换相失败风险程度，并在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生；本发明可定量、实时、有效评估和抑制系统恢复过程中后续换相失败风险。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，基于换相电压时间面积分析方法，得到后续换相失败风险评估指标SCFRI，具体包括：

计算换相电压时间面积需求量S_need为：

S_need＝2ωL_cI_d (1)

式中，ω为角频率，L_c为等效换相电感，I_d为直流电流；

计算换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}为：

式中：γ_min为固有最小关断角，E为换相电压有效值，α为逆变器触发角指令值；

比较换相电压时间面积需求量S_need和换相电压时间面积最大提供量S_{pro_max}，若S_need＞S_{pro_max}，表示系统后续换相失败，若S_need≤S_{pro_max}，表示系统无后续换相失败风险；

为确保系统无后续换相失败风险，需要满足S_need≤S_{pro_max}，即：

基于公式(3)，引出后续换相失败风险评估指标SCFRI，表示为：

SCFRI＝AE-BI_d (4)

其中，参数A、B表示为：

换相面积盈缺量ΔS＝S_{pro_max}-S_need,计算公式为：

SCFRI指标与ΔS关系如下：

S2，根据后续换相失败风险评估指标SCFRI，判断后续换相失败风险程度，具体如下：

当SCFRI＞0时，系统无后续换相失败风险，并且SCFRI越大系统换相失败风险越低；

当SCFRI＜0时，系统发生后续换相失败；

S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入步骤S1中的公式(1)—(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度；

S4，在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，其特征在于，所述步骤S3，实时获得高压直流输电系统的换相电压有效值、直流电流、逆变器触发角指令值，并代入公式(5)和(6)中，得到SCFRI，根据步骤S2，判断后续换相失败风险程度，具体包括：

S301：检测系统三相交流电压U_a、U_b、U_c，通过clark变换模块，获得交流电压的αβ分量U_αβ，获得换相电压有效值

并测量直流电流、逆变器触发角指令值，其中，

S302：根据得到的逆变器触发角指令值以及事先设定的最小关断角参数，计算SCFRI指标中参数A、B，进一步实时计算系统SCFRI；

S303：若SCFRI＜0，则发出换相失败信号，进入步骤S4，启动后续换相失败抑制策略；

若SCFRI＞0，则继续监测并计算SCFRI值，根据SCFRI值的大小，显示系统后续换相失败的风险程度。

3.根据权利要求1所述的高压直流输电系统后续换相失败风险评估及抑制方法，其特征在于，所述步骤S4：在首次换相失败发生后启动后续换相失败抑制策略，通过在原控制系统上自适应扣除附加控制量，维持系统的SCFRI指标于控制目标SCFRI₀处，将系统后续换相失败风险有效控制，最大程度抑制后续换相失败的发生，具体包括：

使用直角三角形拟合换相电压的右半正弦曲线，得到提前触发Δα角度情况下，额外获得的换相面积增量为：

为维持系统恢复阶段后续换相失败风险在SCFRI₀附近，计算附加控制量为：

式中，α_i是逆变器触发角实测值，参数D＝(180°-α_i)U_Lf/90°，

U_Lf为逆变侧交流系统线电压峰值。

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