CN113300360B - 一种换相失败启动值设置方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本公开公开一种换相失败启动值设置方法及其装置，属于电力系统安全稳定分析与控制领域，针对直流系统换相失败预测控制启动值设置适应性不强的问题，提出了一种换相失败启动值设置方法及其装置。该方法通过检测零序电压和三相经αβ变化的电压在故障后首个周期内的最大值，确定此次直流系统故障的严重程度，并以所得的故障后首个周期内电压幅值为参考，乘以一定系数作为换相失败预测控制启动值，从而可以在不同故障场景下对换相失败预测控制启动值自适应设置。仿真结果表明，本发明能够对换相失败预测控制启动值进行有效设置，且与现有方法相比，在一定程度上提高了抑制换相失败的效果。

Description

一种换相失败启动值设置方法及其装置
技术领域
本公开属于电力系统安全稳定分析与控制领域，具体涉及一种换相失败启动值设置方法及其装置。
背景技术
基于电网电压换相的高压直流输电系统对换相电压的波动十分敏感，使得换相失败成为高压直流对交流故障的常态响应。目前，国内外对换相失败预防问题的研究主要集中于换相失败预测控制技术的研究和改进。针对交流系统单相接地故障时，可以采用电压过零点附近零序电压检测法。系统发生三相故障时则没有零序分量，因此可以将换流母线电压经Clark变化后，计算旋转矢量的幅值，从而检测三相故障的发生。
但是当前对换相失败预测控制的启动值设置研究较少，对于不同程度的交流故障，零序电压幅值和旋转矢量的幅值不同，因此在不同的故障场景下，换相失败预测控制的启动值应该不同。而当前相关研究对启动值的选取都存在主观性与单一性的问题，无法适应不同故障场景，因此对于启动值的自适应设置可以有效提高换相失败预测控制的适应性与换相失败的抑制效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种换相失败启动值设置方法及其装置，解决了现有技术中对直流系统换相失败预测控制启动值设置适应性不强的问题。
本公开的目的可以通过以下技术方案实现：一种换相失败启动值设置方法及其装置，包括如下步骤：
(1)推导不对称故障后零序电压的一般形式，然后采用基于电压波形拟合的三点法计算出故障首个周期内零序电压的最大值，并乘以一定系数作为单相故障模块检测的启动值；
(2)推导对称故障后αβ坐标变化电压的一般形式，同样采用基于电压波形拟合的三点法计算出故障首个周期内零序电压的最大值，并乘以一定系数作为三相故障模块检测的启动值。
进一步地，所述不对称故障后首个周期内零序电压最大值检测包括如下步骤：
(1)将三相电压均可以用正序、负序和零序电压表示；
(2)推导出故障后零序电压在任意时刻的数学表达式；
(3)基于三点法通过两个采样点求取故障后首个周期零序电压最大值。
进一步地，所述零序分量检测法仅适用于单相接地短路或两相短路接地故障。
进一步地，所述检测其故障后取绝对值后的零序电压首个周期的最大值，取故障后两个采样点即可计算出零序电压故障后首个周期的最大值。
进一步地，所述对称故障检测包括如下步骤：
(1)换流母线电压经Clark变换后，计算旋转矢量的赋值,即αβ分量；
(2)根据αβ分量化简得到αβ分量电压波形；
(3)基于三点法通过两个采样点求取故障后首个周期αβ分量电压最大值。
进一步地，所述检测故障后首个周期内αβ分量电压最大值：取故障后两个采样点即可计算出故障后首个周期内电压最大值。
进一步地，一种计算处理模块用于处理一种换相失败启动值设置方法及其装置。
进一步地，一种存储介质记录有一种换相失败启动值设置方法。
进一步地，一种计算执行装置用于计算一种换相失败启动值设置方法。
进一步地，一种电网电压换相装置包含一种计算执行装置。
本公开的有益效果：
本发明提出了一种换相失败启动值设置方法及其装置，能够对换相失败预测控制启动值进行有效设置，提高换相失败预测控制的适用场景，且与现有方法相比，提高了抑制换相失败的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为具有启动值自适应设置模块的换相失败预测控制结构；
图2为单相接地故障下两种换相失败预测控制熄弧角曲线；
图3为单相接地故障下两种换相失败预测控制提前触发角曲线；
图4为三相接地故障下两种换相失败预测控制熄弧角曲线。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
如图1-4所示，一种换相失败启动值设置方法及其装置，包括如下步骤：
(1)推导不对称故障后零序电压的一般形式，然后采用基于电压波形拟合的三点法计算出故障首个周期内零序电压的最大值，并乘以一定系数作为单相故障模块检测的启动值；
(2)推导对称故障后αβ坐标变化电压的一般形式，同样采用基于电压波形拟合的三点法计算出故障首个周期内零序电压的最大值，并乘以一定系数作为三相故障模块检测的启动值。
所述步骤(1)中，主要包括以下步骤：
1)不对称故障检测
无论系统是否故障，三相电压均可以用正序、负序和零序电压表示，其数学表达式如式(1)所示：
Figure GDA0003709408900000051
式中：U、ω、
Figure GDA0003709408900000052
分别为电压峰值、角频率和初相角；下标1、2和0分别表示正序、负序和零序。
交流系统发生单相接地短路或两相短路接地故障时，换流母线电压会出现零序分量，而发生相间短路或三相短路故障时没有零序分量。故零序分量检测法仅适用于单相接地短路或两相短路接地故障，其计算公式如式(2)所示：
u0(t)＝ua(t)+ub(t)+uc(t) (2)
将式(1)带入式(2)，则零序电压在任意时刻的数学表达式如式(3)所示；
Figure GDA0003709408900000061
由式(3)可知，零序电压仍为工频频率的正弦波。而根据换相失败控制结构，零序电压将在取绝对值后，与启动值进行比较，从而控制换相失败预测控制的输出。设故障后零序电压为：
Figure GDA0003709408900000062
设故障后零序电压两个采样点分别为(t1,u1)和(t2,u2)，则有：
Figure GDA0003709408900000063
为了使式(5)表达更为简略，构造矩阵
Figure GDA0003709408900000071
则式(5)可以表示为：
U＝φK (6)
从而可以求出系数举证K：
K＝φ-1U (7)
通过零序电压曲线的系数矩阵，可进一步求得电压曲线的赋值，即可认定为零序电压故障后首个周期的最大值：
Figure GDA0003709408900000072
从而不对称故障检测启动值计算如式(9)所示：
DIFF_LEVEL＝A×k1 (9)
式中：DIFF_LEVEL为不对称故障检测的启动值；k1为比例系数。
2)对称故障检测
αβ分量检测法可以检测各种类型的故障。换流母线电压经Clark变换后，计算旋转矢量的赋值uαβ，即αβ分量，具体计算公式如式(10)和式(11)所示：
Figure GDA0003709408900000081
Figure GDA0003709408900000082
将式(10)代入式(11)，整理得：
Figure GDA0003709408900000083
由式(12)可知，αβ分量实际上是各相相电压之差的表达式。相电压相减，零序分量相消。无论发生何种故障，αβ分量仅由交流电压的正序分量和负序分量计算而得，不含零序分量。实际电力系统存在不对称和对称两种类型故障，因此进行故障检测时，αβ分量必须与零序分量故障检测算法相互配合，才能有效覆盖接地与不接地的各类型故障。
将式(1)带入式(12)，则可以化简得到αβ分量电压波形，其数学表达式如式(13)所示：
Figure GDA0003709408900000091
由式(13)可知，αβ分量不再是一个标准的正弦波，但是其周期仍为工频周期，其故障后电压曲线仍如式(4)所示，因此按照式(4)到式(8)仍可以计算出其为故障后首个周期内电压最大值，同时再乘以一定比例系数，可以得到对称故障检测的启动值：
ABZ_LEVEL＝A×k2 (14)
式中：ABZ_LEVEL为对称故障检测的启动值；k2为比例系数。
1)不对称故障抑制换相失败效果分析
设逆变侧换流母线在1.0s时发生单相接地故障，接地电感值Lf＝0.6H，故障持续时间为0.2s。采用自适应启动值设置的换相失败预测控制与按照最严重的故障场景下设置启动值的熄弧角、输出提前触发角对比曲线如图2、图3所示。由图3可以看出，由于在严重接地故障场景下，零序电压幅值很大，因此其对应启动值也必须为较大的数值，否则会在故障稳定后仍输出提前触发角度，从而导致相继换相失败的发生。而如果在轻微故障下仍采用该启动值，则会使得该故障场景下，换相失败预测控制输出触发角度次数过小，从而削弱了抑制换相失败的效果。
2)对称故障抑制换相失败效果分析
设逆变侧换流母线在9.0s时发生三相接地故障，接地电感值Lf＝0.6H，故障持续时间为0.2s。采用自适应启动值设置的换相失败预测控制与按照最严重的故障场景下设置启动值的熄弧角对比曲线如图4所示。可以看出，采用自适应启动值设置的定熄弧角控制，可以提高不同场景下抑制换相失败的效果。
工作原理
通过检测零序电压和三相经αβ变化的电压在故障后首个周期内的最大值，确定此次直流系统故障的严重程度，并以所得的故障后首个周期内电压幅值为参考，乘以一定系数作为换相失败预测控制启动值，从而可以在不同故障场景下对换相失败预测控制启动值自适应设置。仿真结果表明，本发明能够对换相失败预测控制启动值进行有效设置，且与现有方法相比，在一定程度上提高了抑制换相失败的效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本公开范围内。

Claims (9)

1.一种换相失败启动值设置方法，其特征在于，包括如下步骤：其特征在于包括如下步骤：
(1)检测不对称故障后首个周期内零序电压最大值，并乘以一定系数作为单相接地短路或两相短路接地故障模块检测的启动值；
(2)检测对称故障后首个周期内αβ坐标变化电压最大值，并乘以一定系数作为三相故障模块检测的启动值。
2.根据权利要求1所述的一种换相失败启动值设置方法，其特征在于，所述不对称故障后首个周期内零序电压最大值计算包括如下步骤：
(1)将三相电压均可以用正序、负序和零序电压表示；
(2)推导出故障后零序电压在任意时刻的数学表达式；
(3)基于三点法通过两个采样点求取故障后首个周期零序电压最大值。
3.根据权利要求2所述的一种换相失败启动值设置方法，其特征在于，检测不对称故障后取绝对值后的零序电压首个周期的最大值，取故障后两个采样点即可计算出零序电压故障后首个周期的最大值。
4.根据权利要求1所述的一种换相失败启动值设置方法，其特征在于，对称故障检测包括如下步骤：
(1)换流母线电压经Clark变换后，计算旋转矢量的幅值,即αβ分量；
(2)根据αβ分量化简得到αβ分量电压波形；
(3)基于三点法通过两个采样点求取故障后首个周期αβ分量电压最大值。
5.根据权利要求4所述的一种换相失败启动值设置方法，其特征在于，检测对称故障后首个周期内αβ分量电压最大值：取故障后两个采样点即可计算出故障后首个周期内电压最大值。
6.一种直流系统换相失败预测控制启动值自适应设置系统，包括计算处理模块，其特征在于；所述计算处理模块用于处理权利要求1所述的一种换相失败启动值设置方法。
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质记录有权利要求1所述的一种换相失败启动值设置方法。
8.一种计算执行装置，其特征在于，所述计算执行装置用于计算权利要求1所述的一种换相失败启动值设置方法。
9.一种电网电压换相装置，其特征在于，所述电网电压换相装置包含权利要求8所述的一种计算执行装置。
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