CN113765107A - 高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法 - Google Patents

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CN113765107A CN202111130978.6A CN202111130978A CN113765107A CN 113765107 A CN113765107 A CN 113765107A CN 202111130978 A CN202111130978 A CN 202111130978A CN 113765107 A CN113765107 A CN 113765107A
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Abstract

本发明公开了一种高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法。其包括：研究换相失败对直流送端电网电压的影响机理；研究整流器的无功功率特性，并基于此分析高压直流故障对直流送端电网暂态压降/压升的影响；最后，搭建高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法仿真模型，并仿真验证分析方法的可行性和有效性。本发明提供的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，揭示了换相失败原因以及对直流送端电网交流侧电压的影响机理，对高压直流故障时直流送端电网电压控制策略具有重要的指导意义。

Description

高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法
技术领域
本发明属于交直流送端电网暂态电压分析领域，尤其涉及高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法。
背景技术
随着新能源接入电网规模的不断提高，新能源送端电网经特高压直流外送已经成为新能源消纳的重要途径。特高压直流外送对消纳新能源起到了重要的作用，但直流换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，可能引起直流送端系统过电压，甚至导致直流近区的新能源机组因高电压保护动作而大规模脱网；如果换相失败后控制不当，还会引发后续的连续换相失败，最终导致直流发生闭锁造成传输功率中断。因此，分析换相失败原因以及对直流送端电网电压影响机理，对高压直流故障时直流送端电网电压控制策略具有重要的指导意义。
以上内容虽然已有许多专家学者有过研究，但大多数集中于受端系统，有关直流换相失败期间对直流送端电网电压的影响机理研究较少。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，用于解决前述存在问题。为实现上述目的，本发明提供的技术方案是高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征和所述方法包括：
1.高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
S1：分析换相失败故障机理；
S2：基于换相失败期间的等值电路，分析换相失败对送端系统直流电压的影响；S3：基于整流器的无功功率特性，分析换相失败对直流送端电网电压的影响；S4：搭建仿真模型验证所述分析方法的可行性和有效性。
2.所述S1包括以下步骤：
S101：阐述换相失败的定义、分析导致换相失败的常见原因和逆变侧发生换相失败的故障机理；
S102：分析逆变器阀电流的更替规律，得到换相失败期间相当于发生了逆变器直流侧的短路和交流侧的开路的结论。
3.所述S2包括以下步骤：
S201：根据S1的结论，绘制如图8所示的换相失败期间等值电路图；
S202：基于S201的等值电路，根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间的变化过程，分析换相失败对送端系统直流电压的影响机理。整流侧电气量间的数量关系表达如下
Figure BDA0003280470160000021
UdR＝URcosα-IdR·dR (2)
式中IdR为整流器极线直流电流；UdR为整流器极线直流电压；UdI为逆变器极线直流电压，在换相失败期间UdI＝0V；UR为整流器极线空载直流电压，由换流变阀侧绕组空载线电压有效值决定；dR为单位直流电流在换相过程中引起的直流电压降，由等值换相电抗决定；R为直流线路等值电阻。
联立式(1)(2)，整理得到UdR在换相失败期间的表达式
Figure BDA0003280470160000022
换相失败发生初期，α尚未变化，由S3中对交流侧电压的影响分析知UR在下降，且R、dR为常量，故送端系统直流电压UdR在降低。经过20ms-100ms的延时后，整流器电流调节器动作，增大触发角α以限制直流电流IdR的升高，cosα变小，UdR继续降低。换相失败发生后期，由S3中对交流侧电压的影响分析知UR会升高，所以UdR不会持续降低，而是随UR的增加呈升高的趋势。
综上，得到送端系统直流电压换相失败初期降低、换相失败后期升高的结论。
4.所述S3包括以下步骤：
S301：分析整流器的无功功率特性，设整流器交流侧有功功率为P1、功率因数角为
Figure BDA0003280470160000031
可写出整流器消耗的无功功率为
Figure BDA0003280470160000032
在忽略整流器损耗和换相角的情况下，整流器交流侧有功功率P1约为直流功率PdR、功率因数角
Figure BDA0003280470160000033
约为整流器触发角α，整流器消耗的无功功率QR可近似为
QR＝PdR tanα＝UdRIdR tanα (5)
在高压直流输电系统运行过程中，整流站和交流系统必须维持无功功率的平衡，图9表示了无功功率在整流站中的交换情况。取交流系统向整流站提供无功为正方向，则有
Qac＝QR-QC (6)
式中Qac为直流系统和交流系统所交换的无功，QC为由整流站内无功补偿装置所补偿的无功；
S302：基于S301得到的无功功率特性，根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间整流站消耗无功的变化过程，分析第一阶段换相失败使交流电压降低的影响机理。
在换相失败发生初期，整流侧最先变化的是直流电流IdR升高。由式(5)知此时QR增加，即整流器消耗的无功功率增加，从而导致送端系统交流电压UR下降。整流侧电流调节器动作增大触发角α限制直流电流后，QR的增加幅度更大，需要从系统中吸收更多的无功，送端系统交流电压UR进一步下降；
S303：基于S301得到的无功功率特性，根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间整流站消耗无功的变化过程，分析第二阶段换相失败使交流电压升高的影响机理。
将式(1)、(3)代入式(5)，消去QR表达式中IdR和UdR，整理得换相失败期间QR的另一表达式为
Figure BDA0003280470160000041
正常运行时，α的工作范围在5°～20°。发生换相失败后，α的增大会使sin2α处于单调递减区间。此时若交流侧电压UR继续下降、α继续增大，会使换流器消耗的无功QR迅速减小。同时联立式(1)、(2)，得到IdR的表达式如下
Figure BDA0003280470160000042
当α增大到90°以上时，直流电流将降为0。直流不再传输功率，直流消耗的无功降为0。然而，整流站的无功补偿装置并不会适应交直流系统运行方式的改变以改变无功补偿容量的大小，无功补偿装置的补偿容量并未改变，整流站反向交流系统注入无功，因此助增了直流送端电网交流电压UR的增大。
即使换相失败的持续时间超过保护整定阈值导致直流系统闭锁，由于通讯和装置动作的延时，也会造成送端系统交流电压升高的现象。具体地，极控系统将动作切除换流站全部交流滤波器(延时约200ms)，同时安控系统将根据策略表切除送端机组(延时约300ms)。从直流发生闭锁到滤波器被切除之前的短时间内，送、受两端不再有相互耦合关系，同时送端换流器不再消耗无功功率，此时无功补偿装置和送端交流电源提供的无功功率会产生大量盈余，造成送端系统交流电压升高的现象。
5.所述S4包括以下步骤：
S401：搭建如图10所示的高压直流输电模型并采用电磁暂态仿真软件验证本发明的技术效果；
S402：得到故障发生前后各电气量的暂态曲线变化图，如图11-图15所示；
S403：验证仿真结果与本发明提出的影响机理分析方法的一致性。
附图说明
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明所述的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法的流程图；
图2为本发明所述的高压直流输电系统接线示意图；
图3为本发明所述的整流器和逆变器阀电压波形；
图4为本发明所述的三相6脉动逆变器原理图；
图5为本发明所述的换相失败期间逆变侧主要电气量波形图；
图6为本发明所述的逆变器正常V2→V4换相过程图；
图7为本发明所述的换相失败导致逆变直流侧短路且交流侧开路等值电路图；
图8为本发明所述的逆变侧发生换相失败等值电路图；
图9为本发明所述的整流站无功功率交换情况示意图；
图10为本发明实施例所述的高压直流输电模型图；
图11为本发明实施例所述的故障前后送端系统直流电压变化曲线图；
图12为本发明实施例所述的故障前后送端系统交流电压变化曲线图；
图13为本发明实施例所述的故障前后直流电流变化曲线图；
图14为本发明实施例所述的故障前后整流器触发角变化曲线图；
图15为本发明实施例所述的故障前后整流站消耗无功功率变化曲线图。
具体实施方式
为了清楚了解本发明的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本发明实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
本发明实施例采用如图10所示的500kV的的高压直流输电模型验证本发明提出的机理分析方法，使用晶闸管作为换流器件。高压直流输电线路长300km，电阻为0.015Ω/km，电容为1.44×10-8F/km，两端分别有0.5H的电感模拟直流平波电抗器。整流侧采用定电流控制方式，逆变侧采用定电压控制方式。图1为本发明所述的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法流程图。图1中，本发明提供的影响机理分析方法，包括下述步骤：
S1：分析换相失败故障机理；
S2：基于换相失败期间的等值电路，分析换相失败对送端系统直流电压的影响机理；
S3：基于整流器的无功功率特性，分析换相失败对直流送端电网交流电压的影响；
S4：搭建仿真模型验证所述分析方法的可行性和有效性。
所述S1包括以下步骤：
S101：阐述换相失败的定义、分析导致换相失败的常见原因和逆变侧发生换相失败的故障机理。
图2为高压直流输电系统接线示意图，图3(a)、(b)分别为整流器和逆变器阀电压波形。从图3(a)可以看出换相结束后，退出换相的整流器阀在电流关断后马上承受长时间的反向电压；从图3(b)可以看出，逆变器阀在电流关断后承受短暂的反向电压后马上承受正向电压。如果退出换相的逆变器阀臂从电流关断到其阳极电压由负变正的过零时刻之间的时间过短，退出换相的阀臂上还有剩余截流子，在正向电压的作用下，不加触发脉冲也会重新导通，则会引发倒换相，并使预计开通的阀重新关断，这种现象为换相失败。
换相失败是逆变器常见的故障，如逆变器换流阀短路、逆变器触发脉冲丢失、逆变侧交流系统故障等均会引发换相失败。以逆变侧交流系统故障为例，当发生交流侧短路后，逆变侧直流电压下降、直流电流升高、换相时间增长、γ角减小。一般当γ角小于7°时发生换相失败，此后交直流保护装置动作。在换相失败持续时间没有超过保护定值而触发闭锁的情况下，极控系统和安控系统都不能动作切除换流站交流滤波器和送端机组；但当交流系统没有及时清除故障或直流保护系统性能较差时，将发生连续换相失败，此时直流系统将闭锁，同时安控系统将进行切机。
S102：以受端交流系统发生单相接地故障导致的换相失败为例，分析换相失败故障机理。
图4为三相6脉波逆变器原理图，直流电压和电流采用逆变站参考方向，以阀4、6、2阳极公共端为直流电压正极，流入其中的电流为直流电流参考方向，图中UabcI为逆变侧换流变高压侧相电压，Lr为等值换相电感，iSw1,2,3,4,5,6为换流阀电流，uSw1,2,3,4,5,6为换流阀电压，UdI为逆变侧极线直流电压，IdI为逆变侧极线直流电流。
在逆变侧交流系统设置c相金属接地故障，c相换相电压下降为0，故障从1s开始，经0.08s后交流断路器跳开故障，模拟远端瞬时故障。
图5为故障期间逆变侧主要电气量波形，下面分析换相失败期间换相失败故障机理：
①在A时刻发生c相金属接地短路故障，造成母线电压UcI降为0，并产生了波形畸变。此时正处于V2、V3和V4同时导通的换相状态，如图6所示，实线为直流电流IdI通过此时导通的V2和V3形成的电流路径，虚线为V2→V4换相时的两相短路电流Isc的电流路径。
②在B时刻，V2阀电流降为0并承受UaI-UcI的电压。由于UaI＞0且UcI＝0，故UaI-UcI大于0，导致V2此时仍承受正向电压，V2关断失败，发生从V4到V2的倒换相。V4电流逐渐为0，到C时刻V4关断。倒换相结束后V2和V3继续导通。
③在D时刻，V5被触发。此时直流电流通过V2和V5形成短路，直流电流迅速上升、直流电压迅速下降。此时V3承受UbI-UcI的电压，UbI＜0且UcI＝0，
④到E时刻V3关闭，同时逆变交流侧系统等效开路，此时电流路径如图7所示。
⑤在F时刻，V6被触发并承受UcI-UbI的电压。由于UbI很快由正值过零点，V6上正电压承受时间过短，短暂开通又立即关断。
⑥F时刻后，由于交流侧保护装置未能及时切除短路故障且直流保护装置性能较差，导致发生连续换相失败，此时电流路径仍如图7所示。
⑦在G时刻，直流系统电压、电流调节装置动作，使直流电压、直流电流和阀电流皆下降为0。
⑧在H时刻，故障切除，直流系统逐渐恢复正常换相过程。
由上述换相失败期间换流阀电流更替情况可以得出：逆变侧交流系统发生接地故障后，逆变器可能发生连续换相失败；换相失败期间相当于发生了逆变器直流侧的短路和交流侧的开路。
所述S2包括以下步骤：
S201：根据S1的结论，可得到图8所示的等值电路，逆变站在换相失败后发生了直流侧短路。由于失去逆变侧反电动势，直流电流开始增大。尽管直流输电线路上电抗器设备，但由于直流电抗器的电感有限，不能完全抑制电流的增加。
S202：根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间的变化过程，分析换相失败对送端系统直流电压的影响机理。
整流侧电气量间的数量关系表达如下
Figure BDA0003280470160000091
UdR＝URcosα-IdR·dR (2)
式中IdR为整流器极线直流电流；UdR为整流器极线直流电压；UdI为逆变器极线直流电压，在换相失败期间UdI＝0V；UR为整流器极线空载直流电压，由换流变阀侧绕组空载线电压有效值决定；dR为单位直流电流在换相过程中引起的直流电压降，由等值换相电抗决定；R为直流线路等值电阻。
联立式(1)(2)，整理得到UdR在换相失败期间的表达式
Figure BDA0003280470160000092
换相失败发生初期，α尚未变化，由S3中对交流侧电压的影响分析知UR在下降，且R、dR为常量，故送端系统直流电压UdR在降低。经过20ms-100ms的延时后，整流器电流调节器动作，增大触发角α以限制直流电流IdR的升高，cosα变小，UdR继续降低。
换相失败发生后期，由S3中对交流侧电压的影响分析知UR会升高，所以UdR不会持续降低，而是随UR的增加呈升高的趋势。
所述S3包括以下步骤：
S301：分析整流器的无功功率特性。与S2中分析直流电压不同，交流电压与无功功率强耦合。但无功功率的变化受到各种各样因素的限制。当直流系统发生故障时，系统内的多种参数都会发生变化，对换流站的无功消耗产生影响。故直流系统在发生换相失败故障时，换流站内的无功功率平衡将被打破，而无功功率又维持着系统电压的恒定，势必对系统的稳定运行产生一定的影响。
交流系统对于直流系统来说，是一个恒定的功率源，直流系统不仅要从交流系统中获得有功，还要获得足够的无功来支持换流阀的工作。设整流器交流侧有功功率为P1、功率因数角为
Figure BDA0003280470160000101
可写出整流器消耗的无功功率为
Figure BDA0003280470160000102
在忽略整流器损耗和换相角的情况下，整流器交流侧有功功率P1约为直流功率PdR、功率因数角
Figure BDA0003280470160000103
约为整流器触发角α，整流器消耗的无功功率QR可近似为
QR＝PdRtanα＝UdRIdRtanα (5)
在高压直流输电系统运行过程中，整流站和交流系统必须维持无功功率的平衡，图9表示了无功功率在整流站中的交换情况。
取交流系统向整流站提供无功为正方向，则有
Qac＝QR-QC (6)
式中Qac为直流系统和交流系统所交换的无功，QC为由整流站内无功补偿装置所补偿的无功。
S302：根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间整流站消耗无功的变化过程，分析第一阶段换相失败使交流电压降低的影响机理。
在换相失败发生初期，整流侧最先变化的是直流电流IdR升高。由式(5)知此时QR增加，即整流器消耗的无功功率增加，从而导致送端系统交流电压UR下降。
整流侧电流调节器动作增大触发角α限制直流电流后，QR的增加幅度更大，需要从系统中吸收更多的无功，送端系统交流电压UR进一步下降。
S303：将式(1)、(3)代入式(5)，消去QR表达式中IdR和UdR，整理得换相失败期间QR的另一表达式为
Figure BDA0003280470160000104
正常运行时，α的工作范围在5°～20°。发生换相失败后，α的增大会使sin2α处于单调递减区间。此时若交流侧电压UR继续下降、α继续增大，会使换流器消耗的无功QR迅速减小。
同时联立式(1)、(2)，得到IdR的表达式如下
Figure BDA0003280470160000111
当α增大到90°以上时，直流电流将降为0。直流不再传输功率，直流消耗的无功降为0。然而，整流站的无功补偿装置并不会适应交直流系统运行方式的改变以改变无功补偿容量的大小，无功补偿装置的补偿容量并未改变，整流站反向交流系统注入无功，因此助增了送端系统交流电压UR的增大。
即使换相失败的持续时间超过保护整定阈值导致直流系统闭锁，由于通讯和装置动作的延时，也会造成送端系统交流电压升高的现象。具体地，极控系统将动作切除换流站全部交流滤波器(延时约200ms)，同时安控系统将根据策略表切除送端机组(延时约300ms)。从直流发生闭锁到滤波器被切除之前的短时间内，送、受两端不再有相互耦合关系，同时送端换流器不再消耗无功功率，此时无功补偿装置和送端交流电源提供的无功功率会产生大量盈余，造成送端系统交流电压升高的现象。
所述S4包括以下步骤：
S401：采用MATLAB/Simulink搭建了一个如图10所示的500kV的的高压直流输电模型验证本发明的技术效果，使用晶闸管作为换流器件。高压直流输电线路长300km，电阻为0.015Ω/km，电容为1.44×10-8F/km，两端分别有0.5H的电感模拟直流平波电抗器。整流侧采用定电流控制方式，逆变侧采用定电压控制方式。设置仿真总时长为1.5s，在1s时在逆变侧交流系统中设置持续0.05s的C相金属接地故障，检验仿真模型中逆变侧发生换相失败时送端系统的响应特性。最小γ角设置为0°，即当γ角变为0°时表明换相失败发生；
S402：得到故障发生前后各电气量的暂态曲线变化图。图11-图15分别为送端系统直流电压UdR、送端系统交流电压UR、直流电流IdR、整流器触发角α以及整流站消耗的无功功率QR在故障前后的变化情况。图11-图15体现了直流系统逆变侧换算发生换相失败故障的整个过程。在0.6s时，直流电压和直流电流达到额定值，整个系统进入稳定运行状态。在1s时，逆变站交流侧发生故障，逆变站直流侧换相失败。
S403：分析仿真结果与本发明提出的影响机理分析方法的一致性。由S402的仿真结果可以看出：换相失败初期，直流电流骤升，导致整流站消耗的无功骤增，而整流站无功补偿装置所补偿的无功不变，送端交流系统的电压由于无功不足而下降，送端直流电压随交流电压的下降而开始降低；整流侧电流调节器动作增大触发角α以限制直流电流，而交流电压的下降和α的增大会减小整流站消耗的无功，当α增大到90°左右时，直流电流会衰减至0，直流系统不再消耗无功，整流站的无功补偿设备无功盈余开始向交流系统注入无功，送端交流系统的电压由于无功过剩而上升，送端直流电压随交流电压的上升也开始升高。
仿真结果与本发明提出的影响机理分析方法得到的结果基本一致，验证了本发明的实用性和有效性。
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
S1：分析换相失败故障机理；
S2：基于换相失败期间的等值电路，分析换相失败对送端系统直流电压的影响；
S3：基于整流器的无功功率特性，分析换相失败对直流送端电网电压的影响；
S4：搭建仿真模型验证所述分析方法的可行性和有效性。
2.根据权利要求1所述的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：
S101：阐述换相失败的定义、分析导致换相失败的常见原因和逆变侧发生换相失败的故障机理；
S102：分析逆变器阀电流的更替规律，得到换相失败期间相当于发生了逆变器直流侧的短路和交流侧的开路的结论。
3.根据权利要求1所述的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
S201：根据S1的结论，绘制出换相失败期间的等值电路；
S202：基于S201的等值电路以及整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间的变化过程，得到换相失败初期直流送端电网电压降低、换相失败后期直流送端电网电压升高的结论。
4.根据权利要求1所述的高压直流输电系统换相失败对送端电压的影响机理分析方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：
S301：分析整流器的无功功率特性；
S302：基于S301得到的无功功率特性，根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间整流站消耗无功的变化过程，分析第一阶段换相失败使交流电压降低的影响机理；
S303：基于S301得到的无功功率特性，根据整流侧电气量之间的关系式和换相失败期间整流站消耗无功的变化过程，分析第二阶段换相失败使交流电压升高的影响机理。
5.根据权利要求1所述的高压直流故障对直流送端电网电压影响的分析方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：
S401：搭建高压直流输电模型，并仿真验证本分析方法可行性和有效性；
S402：得到故障发生前后各电气量的暂态曲线变化图；
S403：验证仿真结果与本发明提出的分析方法的一致性。
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