CN112701713A - 一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法和系统，包括：根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。本发明提供的技术方案，避免了以交流电压三相不平衡故障或交流电压三相电压跌落来预测换相失败并采取相应预防措施过程中因误操作导致的交流母线电压波动的情况，提高了换相失败预测的准确性，有效的减小换相失败发生概率。

Description

一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法和系统

技术领域

本发明涉及直流输电换流阀换相失败预测领域，具体涉及一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法和系统。

背景技术

直流输电系统能够高效便捷地把大量电能从能源基地传输到负荷中心，其结构如图1所示，包括送端交流系统、送端换流变压器、整流器、输电线路、逆变器、受端换流变压器、受端交流系统，其中，受端换流器由换流阀组成。目前，已经投运的直流输电系统数量和其最大输电容量都达到了一个较高的水平，而换流阀作为直流输电系统的核心换流装备，其正常运行对直流输送有着至关重要的作用。

换流阀主要功能是实现电能的交直流转换，其逆变侧工作电路图如图2所示，图2(a)中加粗部分为未换相时的直流电流路径；图2(b)中加粗部分为换相电流路径；图2(c)中加粗部分为换相失败后的电流路径；

在换流阀正常运行时，换流阀仅在关断之后一小段时间内承受反向电压，之后，承受的电压变为正向，其逆变器阀电压波形如图3所示；

若换流阀不能在承受反压的时间内恢复阻断能力，则会在后续正向电压的作用下重新导通，这就是所谓的换相失败。

换相失败会给电力系统造成一系列不良影响，换相失败发生后，将导致直流电压下降和直流电流增大。

换相失败导致的直流侧短路电路图如图4所示，当桥臂6开通后，桥臂4向桥臂6换相，如果换相失败，桥臂4仍为导通状态，则下一个桥臂(桥臂1)导通后，则同相上下两个桥臂(桥臂4和桥臂1)发生直通，即直流侧短路，逆变侧直流电压降为0，直流电流迅速上升，导致后续的换流阀换相角继续增大，关断角更小，如果控制措施不当，极易发生连续换相失败，严重时可导致逆变器闭锁，直流线路功率传输中断。

换相失败发生后，直流系统整流器吸收的有功功率会突然变化，成为送端系统频率波动的扰动源，严重时可导致送端发电机组拖网或者设备故障。

对于多馈入直流输电系统，与单一交直流系统主要区别在于，一个逆变站的换相失败可能会引发其它逆变站的换相失败。当交流系统故障时，若故障较长时间未清除，其近区的换流母线电压持续比较低，可能造成较长时间的换相失败，从而引起直流闭锁。发生直流闭锁情况后，受端电网将遭受有功功率缺额的冲击，缺额部分功率将会转移至跨区交流联络线上，如果发生单条特高压直流双极闭锁甚至两条以上特高压直流同时闭锁，极有可能功率联络线功率超过静稳极限，导致大电网解列。

为了减小换相失败发生概率，提高直流输电系统运行可靠性，直流输电工程中均配置了换相失败预测功能，当检测到交流系统故障可能引发换相失败时，在逆变侧触发角α中减去一定角度，实现提前触发。这样可在故障时起到增大熄弧角的作用，增大换流阀反向电压持续时间，有助于换流阀的关断。

工程中常用的换相失败的判据是逆变站交流母线电压，当检测到交流母线出现三相不平衡故障或三相电压下降时，根据故障程度按照一定的比率增大换流阀熄弧角。该方法能够在一定程度上减小换相失败发生概率，但是由于判据是交流母线电压，控制精度较差，且容易误动，造成交流母线电压的波动，可能造成更严重的后续故障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法和系统，该方法避免了以交流电压三相不平衡故障或交流电压三相电压跌落来预测换相失败并采取相应预防措施过程中因误操作导致的交流母线电压波动的情况，提高了换相失败预测的准确性，有效的减小换相失败发生概率。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法，其改进之处在于，所述方法包括：

根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

优选的，所述根据所述三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，包括：

按下式确定逆变侧交流母线相电压幅值标幺值U _phase-I：

式中，U_α为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在α轴上的分量，U_β为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在β轴上的分量；

其中，按下式确定U_α：

按下式确定U_β：

式中，U_a为逆变侧交流母线a相电压标幺值，U_b为逆变侧交流母线b相电压标幺值，U_c为逆变侧交流母线c相电压标幺值；

所述逆变侧交流母线a相电压标幺值、逆变侧交流母线b相电压标幺值和逆变侧交流母线c相电压标幺值分别为逆变侧交流母线a相电压与基准电压的比值、逆变侧交流母线b相电压与基准电压的比值和逆变侧交流母线c相电压与基准电压的比值。

优选的，所述利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积，包括：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

优选的，按下式确定所述逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover：

U_T-recover＝U_phase(1-cosγ_T)

式中，U_phase为标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值，γ_T为标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角，w为交流母线角频率。

优选的，所述基于逆变器中换流阀的关断面积预测值和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

进一步的，所述防止逆变器换相失败的措施，包括：立即启动换相操作。

本发明提供一种基于换流阀关断面积的换相失败预防系统，其改进之处在于，所述系统包括：

计算模块，用于根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

预测模块，用于利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

预防模块，用于基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

优选的，所述预测模块，用于：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

优选的，按下式确定所述逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover：

U_T-recover＝U_phase(1-cosγ_T)

式中，U_phase为标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值，γ_T为标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角，w为交流母线角频率。

优选的，所述预防模块，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的技术方案，根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败；该方案避免了以交流电压三相不平衡故障或交流电压三相电压跌落来预测换相失败并采取相应预防措施过程中因误操作导致的交流母线电压波动的情况，提高了换相失败预测的准确性，有效的减小换相失败发生概率。

本发明提供的技术方案，可以实时预测每个换流阀的关断面积，基于实时预测的换流阀关断面积作为判断换流阀是否有发生换相失败的风险，并在具备风险时采取相应预防措施，其整个过程的控制精度高、响应速度快、对交流系统扰动少。

附图说明

图1是直流输电系统结构图；

图2(a)是逆变器换流阀未换相时工作电路图；

图2(b)是逆变器换流阀换相时工作电路图；

图2(c)是逆变器换流阀换相失败时工作电路图；

图3是逆变器阀电压波形示意图；

图4是换相失败导致的直流侧短路电路图；

图5是一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法流程图；

图6是本发明实施例中相电压实时值标幺值与对应的幅值标幺值之间的曲线示意图；

图7是一种基于换流阀关断面积的换相失败预防系统结构图。

附图标记列表：

1：换流变压器；2：换流器；3：交流滤波器；4：平波电抗器；5：直流滤波器；6：换流站外冷却系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法，如图5所示，所述方法包括：

步骤101，根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

步骤102，利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

步骤103，基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

具体的，所述步骤101，包括：

按下式确定逆变侧交流母线相电压幅值标幺值U _phase-I：

式中，U_α为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在α轴上的分量，U_β为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在β轴上的分量；

其中，按下式确定U_α：

按下式确定U_β：

式中，U_a为逆变侧交流母线a相电压标幺值，U_b为逆变侧交流母线b相电压标幺值，U_c为逆变侧交流母线c相电压标幺值；

所述逆变侧交流母线a相电压标幺值、逆变侧交流母线b相电压标幺值和逆变侧交流母线c相电压标幺值分别为逆变侧交流母线a相电压与基准电压的比值、逆变侧交流母线b相电压与基准电压的比值和逆变侧交流母线c相电压与基准电压的比值。

在本发明的最佳实施例中，逆变侧交流母线相电压幅值标幺值计算公式的推导过程如下：

实时测量逆变侧交流母线三相电压，得出三相交流母线相电压瞬时值

将三相电压瞬时值除以基准值U_B，得到三相电压瞬时值标幺值U_a、U_b、U_c；

将三相电压瞬时值标幺值作为输入量，经过如下克拉克变换：

提取出相电压向量的α、β分量，之后经过如下计算得出逆变侧交流母线相电压幅值标幺值U_phase-I：

根据上述方法可以把随时间周期变化的瞬时相电压值转化为相电压的幅值，相电压瞬时值标幺值和幅值标幺值U _phase-I的对应关系如图6所示。由于采用了标幺制，母线线电压标幺值与相电压标幺值相等。

具体的，所述步骤102，包括：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

在本发明的最佳实施例中，逆变器中换流阀的关断面积预测值计算公式的推导过程如下：

因为逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover可以按下述公式确定：

U_{phase_I}为逆变侧交流母线线电压幅值标幺值、γ为逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角，其不能直接测量得到，需要通过公式γ＝π-(α+μ)进行转换，其中α为逆变器中换流阀的触发角，μ为逆变器中换流阀的换相角；

基于换流器的换相原理可得：

最终可得逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover的确定公式为：

其中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗，

d_μ为逆变侧的等值换相电阻。

以晶闸管关断面积(即反向电压面积)作为换流阀换相失败判据，设在标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角为γ_T，标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值为U_phase，则逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover按下述公式计算：

式中，w为交流母线角频率。

其中，标准状态为交流电压属于正常工作状态对应的电压范围时的状态。

具体的，所述步骤103，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

在本发明的最佳实施例中，换流阀实时关断面积的预测值等于或小于最小关断面积，说明换流阀的实时关断面积已经处在临界值或不足，须立即启动换相操作(即立即开通下一阀)，保证换流阀具备充足的关断面积。

进一步的，所述防止逆变器换相失败的措施，包括：立即启动换相操作。

本发明提供的技术方案，解决了传统的监测交流电压预测换相失败方法中无法精准控制单阀换相过程的缺点，可以有效避免换相失败的发生。

基于同一种发明构思，本发明还提供了一种基于换流阀关断面积的换相失败预防系统，如图7所示，所述系统包括：

计算模块，用于根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

预测模块，用于利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

预防模块，用于基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

具体的，所述计算模块，包括：

按下式确定逆变侧交流母线相电压幅值标幺值U _phase-I：

式中，U_α为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在α轴上的分量，U_β为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在β轴上的分量；

其中，按下式确定U_α：

按下式确定U_β：

式中，U_a为逆变侧交流母线a相电压标幺值，U_b为逆变侧交流母线b相电压标幺值，U_c为逆变侧交流母线c相电压标幺值；

所述逆变侧交流母线a相电压标幺值、逆变侧交流母线b相电压标幺值和逆变侧交流母线c相电压标幺值分别为逆变侧交流母线a相电压与基准电压的比值、逆变侧交流母线b相电压与基准电压的比值和逆变侧交流母线c相电压与基准电压的比值。

具体的，所述预测模块，用于：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

进一步的，按下式确定所述逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover：

U_T-recover＝U_phase(1-cosγ_T)

式中，U_phase为标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值，γ_T为标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角，w为交流母线角频率。

具体的，所述预防模块，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

进一步的，所述防止逆变器换相失败的措施，包括：立即启动换相操作。

实施例2：

受端交流母线额定线电压为500kV(有效值)，当交流母线电压为额定值时对应的母线线电压幅值标幺值为1，晶闸管所需的最小熄弧角为γT＝8°，计算可得换流阀所需的最小关断面积为0.0097；

在某运行状态下，逆变器触发角为135°，逆变侧直流母线电流为5000A，换流变压器的漏抗为15mH，实时测量逆变侧交流母线三相电压瞬时值，将其经过标幺化和α-β变换之后得出逆变侧交流母线相电压幅值标幺值为0.9；

逆变器换流变阀侧线电压有效值为160kV，可得此时换流阀实时关断面积的预测值为0.00928，说明换流阀关断面积不足，发生换相失败风险极大，立即向下一个即将开通的阀发出触发指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于换流阀关断面积的换相失败预防方法，其特征在于，所述方法包括：

根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，包括：

按下式确定逆变侧交流母线相电压幅值标幺值U _phase-I：

式中，U_α为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在α轴上的分量，U_β为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值在β轴上的分量；

其中，按下式确定U_α：

按下式确定U_β：

式中，U_a为逆变侧交流母线a相电压标幺值，U_b为逆变侧交流母线b相电压标幺值，U_c为逆变侧交流母线c相电压标幺值；

所述逆变侧交流母线a相电压标幺值、逆变侧交流母线b相电压标幺值和逆变侧交流母线c相电压标幺值分别为逆变侧交流母线a相电压与基准电压的比值、逆变侧交流母线b相电压与基准电压的比值和逆变侧交流母线c相电压与基准电压的比值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积，包括：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按下式确定所述逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover：

U_T-recover＝U_phase(1-cosγ_T)

式中，U_phase为标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值，γ_T为标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述基于逆变器中换流阀的关断面积预测值和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述防止逆变器换相失败的措施，包括：立即启动换相操作。

7.一种基于换流阀关断面积的换相失败预防系统，其特征在于，所述系统包括：

计算模块，用于根据逆变侧交流母线三相电压计算逆变侧交流母线相电压幅值标幺值；

预测模块，用于利用逆变侧交流母线相电压幅值标幺值预测逆变器中换流阀的关断面积；

预防模块，用于基于逆变器中换流阀的关断面积和逆变器中换流阀所需的最小关断面积预防逆变器换相失败。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预测模块，用于：

按下式确定逆变器中换流阀的关断面积预测值U_t-recover：

式中，U_{phase_I}为逆变侧交流母线相电压幅值标幺值，α为逆变器中换流阀的触发角，X_μ为换流变压器的换相电抗，X_μ＝2πfL_μ，I_dc为逆变侧直流母线电流，U_rms为逆变器换流变阀侧线电压有效值，f为交流母线频率，L_μ为换流变压器的漏抗。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，按下式确定所述逆变器中换流阀所需的最小关断面积U_T-recover：

U_T-recover＝U_phase(1-cosγ_T)

式中，U_phase为标准状态下逆变侧交流母线线电压幅值标幺值，γ_T为标准状态下逆变器中换流阀内晶闸管所需的最小熄弧角，w为交流母线角频率。

10.如权利要求7或9所述的系统，其特征在于，所述预防模块，包括：

若逆变器中换流阀的关断面积预测值小于逆变器中换流阀所需的最小关断面积,则执行防止逆变器换相失败的措施，否则，不操作。

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