CN112671023A - 考虑相角跳变影响的hvdc系统换相失败发生分析方法 - Google Patents

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罗安
朱仁龙
李军
周小平
武卫东
洪乐荣
伍咏红
夏海涛
陈远扬
刘一锋
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Abstract

本发明公开了一种考虑相角跳变影响的HVDC系统换相失败发生分析方法，实时采集受端交流母线换相电压，利用锁相环实时计算换相电压实时相位；然后利用过零时刻和正常电网角频率计算出换相电压的正常相位；将实时相位与正常相位做差得到相角跳变量；最后，在考虑直流电流变化和相角跳变的基础上，通过换相过程得到关断角与换相电压的关系，准确地计算临界换相电压，本发明一定程度上解决了临界换相电压计算准确性低的问题，提高了换相失败临界电压判据的准确性与实用性，可广泛应用于特高压直流输电控制系统中。

Description

考虑相角跳变影响的HVDC系统换相失败发生分析方法
技术领域
本发明涉及电力传输技术领域，特别是一种高压直流输电系统换相过程关断角计算方法、系统。
背景技术
我国一次能源与电力需求的逆向分布使得输送距离远、容量大的高压直流输电技术得到了快速发展与广泛应用。基于电网换相换流器的高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)采用的晶闸管元件无自关断能力，在受端电网故障情况下有较大可能发生换相失败，这会致使直流电流迅速增大、直流电压迅速下降，传输功率迅速减小，且故障严重时可能导致直流系统闭锁，这将对直流输电系统的高效、安全、稳定运行造成严重影响。
图1为高压直流输电系统模型主电路图，包括交流电网、换流站、换流变压器、直流线路、无功补偿装置。电阻、电感、电容的单位分别为Ω、H、μF；ULL为测量的受端换流母线线电压；γ0为受端额定关断角；UdN，IdN分别为额定直流电压和额定直流电流。
高压直流输电系统换相失败的本质是由于换相时间小于晶闸管的去游离时间，导致晶闸管没有恢复反向阻断能力，在电压反向后直接导通，使得直流侧短路。尽管利用实测的关断角作为换相失败是否发生的判据非常准确，但是其响应速度过慢导致其实用性不高。
换流母线电压的减小，直流电流的增大，超前的相角跳变，都会导致关断角的减小，严重时导致换相失败发生。换流母线电压降落是导致换相失败的主要原因，同时也适合作为更为实用的换相失败判据。但目前考虑临界换相电压计算时大多未考虑相角跳变的影响，而相角跳变对换相过程的影响是不可忽略的。目前也有研究考虑了不对称故障下相角跳变的影响，但由于受端故障下受端电网拓扑结构的改变和潮流分布的改变，对称故障下一样也有相角跳变，会对换相过程造成一定影响。因此，研究一种考虑相角跳变影响的HVDC系统换相失败发生机理分析方法意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高压直流输电系统换相过程关断角计算方法、系统，提高关断角计算的准确性，从而解决临界换相电压不够准确的问题。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压直流输电系统换相过程关断角计算方法，利用下式计算高压直流输电系统换相过程的关断角γ：
Figure BDA0002788208100000021
其中，
Figure BDA0002788208100000022
Xe为等效换相电抗；ULL为换流母线线电压有效值；β为越前触发角；Δθ为相角跳变量；Ud0r为无触发延迟时高压直流输电系统整流侧的空载直流电压；α为整流侧的触发延时角；Rcr和Rci分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻；Rd为直流线路电阻。
本发明考虑了不对称故障下和对称故障下相角跳变对换相过程的影响，能够更加准确的计算出临界换相电压，使得直流输电控制系统有更多的时间来应对故障以避免换相失败。
本发明相角跳变量Δθ的计算过程包括：
1)实时采集高压直流输电系统受端交流母线三相电压ua、ub、uc，计算换相电压的相位信息θ；获取换相电压的过零时刻，利用电网正常角频率以及过零时刻得到换相电压的正常相位θN；
2)将所述相位信息θ与所述正常相位θN做差，得到相角跳变量。
本发明的相角跳变量的计算过程能够实时计算出各换相电压的相角跳变量，而不仅仅是在换相电压过零时刻得到相角跳变量，使得直流输电控制系统能够更早的感知到相角跳变的发生，并能有更多的时间来应对故障以避免换相失败。
步骤2)之后，还包括：
3)判断所述相角跳变量是否小于设定阈值，若小于，则令该相角跳变量加上2π，若不小于，则该相角跳变量保持原值不变；
4)判断经步骤3)处理后的相角跳变量是否大于设定阈值，若大于，则将经步骤3)处理后的相角跳变量减去2π，否则保持原值不变；最终得到实际的相角跳变量Δθ。
由于锁相环在过零点附近的输出不可能和实际过零时刻完全相同，如果此时稍慢于实际过零时刻，那么锁相环输出还在上一个周期的末尾，即接近360°左右，但是此时已经实际过零了，故该差值输出会很大，需要减去360°才能得到实际的相角跳变量。同时考虑到相角跳变最大值一般也不会太大，故本发明的阈值取值在π/2到5/3π，消除抖动。
相应地，本发明还提供了一种高压直流输电系统换相过程关断角计算系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。
本发明还提供了一种利用上述系统分析换相失败发生机理的方法，该方法包括：利用所述关断角计算临界换相电压。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明一定程度上解决了临界换相电压计算准确性低的问题，提高了换相失败临界电压判据的准确性与实用性，可广泛应用于特高压直流输电控制系统中。
附图说明
图1为本发明实施例高压直流输电系统模型主电路图；
图2为本发明实施例相角跳变测量方法；
图3为本发明实施例利用考虑相角跳变影响的HVDC系统换相失败发生机理分析方法得到的关断角与线电压有效值关系图；
图4(a)为临界短路电阻(238Ω)与临界短路电感(1.55H)下的关断角波形；图4(b)为临界短路电阻(238Ω)与临界短路电感(1.55H)下的电压有效值波形(γmin＝7°)。
具体实施方式
图2为本发明实施相角跳变测量方法，首先利用电压过零时刻和电网正常角频率得到正常相位，再利用锁相环相位减去正常相位得到相位差值，判断该差值是否小于-5/3π，小于则令该差值加上2π，大于则保持原值不变；再判断该差值是否大于5/3π，大于则令该差值减去2π，小于则保持原值不变；最终得到实际的相角跳变量Δθ；。
图3为本发明实施例利用考虑相角跳变影响的HVDC系统换相失败发生机理分析方法得到的关断角与线电压有效值关系图，其计算步骤如下：
1)高压直流输电系统的控制保护装置实时采集受端交流母线三相电压ua、ub、uc，通过锁相环计算不同换相电压的相位信息θ；
2)通过过零检测(ZCD)得到换相电压的过零时刻，利用电网正常角频率(ω＝100π)以及过零时刻得到换相电压的正常相位θN；
3)将通过步骤1计算的当前时刻相位信息θ与通过步骤2计算的相位信息做差，由于在过零附近锁相环输出相位可能存在一定误差，相角跳变量需要做如下处理：判断该差值是否小于-5/3π，小于则令该差值加上2π，大于则保持原值不变；再判断该差值是否大于5/3π，大于则令该差值减去2π，小于则保持原值不变；最终得到实际的相角跳变量Δθ；
4)根据高压直流输电系统的等效电路图，其直流电流Id表达如式(1)所示：
Figure BDA0002788208100000041
其中，式中，Ud0r和Ud0i分别为无触发延迟时整流侧和逆变侧的空载直流电压；α为整流侧的触发延时角；Rcr＝(3/π)Xcr；Rci＝(3/π)Xci；Rcr和Rci分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻；Xcr和Xci分别为整流侧和逆变侧的换相电抗；Rd为直流线路电阻。
5)在考虑相角跳变情况下，利用换相过程可以得到关断角表达如式(2)所示：
Figure BDA0002788208100000042
式中，γ为关断角；Xe为等效换相电抗；ULL为换流母线线电压有效值；β为越前触发角；Δθ为相角跳变量。
6)将式(1)代入式(2)可以得到：
Figure BDA0002788208100000043
其中，
Figure BDA0002788208100000051
该式描述了考虑直流电流变化与相角跳变情况时换相电压与关断角之间的关系。
取换流母线线电压有效值ULL为0.8到1.0p.u.，在不考虑直流电流变化以及相角跳变时，其临界换相电压为0.87p.u.，其计算结果较为乐观。当同时考虑到直流电流的上升和相角跳变时，由式(3)可以计算得到对应相角跳变Δθ为-2°、-1°、0°、1°、2°时换相电压与关断角的关系曲线如图3所示，其临界换相电压分别为0.965p.u.、0.968p.u.、0.970p.u.、0.975p.u.、0.979p.u.，从中可以看出，考虑相角跳变时其临界换相电压计算更加精确。
图4(a)为临界短路电阻(238Ω)与临界短路电感(1.55H)下的关断角波形；图4(b)为临界短路电阻(238Ω)与临界短路电感(1.55H)下的电压有效值波形(γmin＝7°)。由图4(b)可知，当发生换相失败时，感性接地故障与阻性接地故障的临界换相电压分别为0.98p.u.和0.975p.u.。而在换相失败发生时刻，两种情况下相角跳变大小分别为0°与0.5°。不考虑直流电流变化以及相角跳变时，其临界换相电压为0.87p.u.，其计算结果过于乐观。按照式(3)的计算结果，其临界换相电压为0.973p.u.，式(3)在考虑了直流电流的基础上还考虑了相角跳变，计算结果与0.98p.u.更为接近，对临界换相电压的计算更加准确。

Claims (5)

1.一种高压直流输电系统换相过程关断角计算方法，其特征在于，利用下式计算高压直流输电系统换相过程的关断角γ：
Figure FDA0002788208090000011
其中，
Figure FDA0002788208090000012
Xe为等效换相电抗；ULL为换流母线线电压有效值；β为越前触发角；Δθ为相角跳变量；Ud0r为无触发延迟时高压直流输电系统整流侧的空载直流电压；α为整流侧的触发延时角；Rcr和Rci分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻；Rd为直流线路电阻。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电系统换相过程关断角计算方法，其特征在于，相角跳变量Δθ的计算过程包括：
1)实时采集高压直流输电系统受端交流母线三相电压ua、ub、uc，计算换相电压的相位信息θ；获取换相电压的过零时刻，利用电网正常角频率以及过零时刻得到换相电压的正常相位θN；
2)将所述相位信息θ与所述正常相位θN做差，得到相角跳变量。
3.根据权利要求2所述的高压直流输电系统换相过程关断角计算方法，其特征在于，步骤2)之后，还包括：
3)判断所述相角跳变量是否小于设定阈值，若小于，则令该相角跳变量加上2π，若不小于，则该相角跳变量保持原值不变；
4)判断经步骤3)处理后的相角跳变量是否大于设定阈值，若大于，则将经步骤3)处理后的相角跳变量减去2π，否则保持原值不变；最终得到实际的相角跳变量Δθ。
4.一种高压直流输电系统换相过程关断角计算系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1～3之一所述方法的步骤。
5.一种利用权利要求4所述的系统分析换相失败发生机理的方法，其特征在于，该方法包括：利用所述关断角计算临界换相电压。
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