CN114069685B - 一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法，包括：S1：根据实际录波分析雷电绕击特高压直流线路的过程中逆变站的直流电压、直流电流的电气量变化特征；S2：检测当前逆变站的直流电流、直流电压的变化趋势是否符合所述电气量变化特征；S3：发生雷击后执行换相失败抑制措施，判别雷电绕击类型以及预测直流电流，计算换相失败抑制控制器输出的延迟触发角指令，并与逆变站控制系统的输出指令相比后，取最小值作为逆变站换流器的延迟触发角指令；S4：绕击造成的暂态过程结束后，系统恢复稳定，退出抑制措施。本发明能抑制雷电绕击直流线路引起特高压直流分层接入系统换相失败，从而提高交直流混联系统运行安全稳定性。

Description

一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法

技术领域

本发明属于特高压直流输电领域，涉及一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法。

背景技术

±1100kV吉泉特高压直流输电线路是疆电东送重要通道，对华东电网极其重要。2020年发生多起雷击吉泉线导致换流站换相失败情况，严重影响古泉换流站和华东电网安全稳定运行。

在特高压直流输电线路中，由雷击造成的线路故障约占线路总故障的40％-70％。根据雷击输电线路的位置的不同，可分为(1)绕击雷：雷电直接击中输电线路产生雷电过电压；(2)反击雷：雷电直接击中避雷线或杆塔塔顶产生雷电过电压；(3)感应雷：雷电对输电线路附近的地面放电，通过电磁感应对导线造成过电压。由于特高压线路的绝缘水平很高，发生感应雷过电压和反击闪络的可能性非常低，且杆塔高度较高，容易发生侧面绕击。当特高压直流线路发生绕击时，可将绕击暂态分为(1)绕击扰动：雷电绕击直流线路时绝缘子未发生闪络；(2)绕击故障：雷电绕击直流线路时绝缘子被击穿发生绝缘闪络。

换相失败是特高压直流输电系统最常见的故障之一。换相失败会减少晶闸管换流阀的使用寿命，引起直流传输功率波动。若首次换相失败未能及时清除而发生连续换相失败时可能会中断直流功率传输造成直流闭锁，严重威胁交直流混联电网安全稳定运行。换相失败的发生与否与受端系统的交流电压、直流电流等密切相关。当受端交流系统的电压降低或畸变、直流电流升高时均会引起换相失败。目前，关于换相失败的研究多从交流系统故障表现出发，未见针对雷击直流线路引起的换相失败问题研究。因此，关于抑制雷击特高压直流线路引起的换相失败兼具理论研究意义和工程实践意义。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法，以期能够有效抑制雷电绕击造成的换相失败，削弱雷电绕击直流线路对交直流混联电网暂态稳定性的影响，从而提高交直流混联系统运行安全稳定性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法，是应用于特高压直流分层接入系统中，所述特高压直流分层接入系统是由500kV/1000kV两个交流系统组成的受端交流系统，在受端逆变站的双高端换流器经换流变压器接至500kV交流母线，双低端换流器经换流变压器接至1000kV交流母线，两组交流母线分别接入500kV和1000kV交流系统；其特点在于，所述抑制方法是按如下步骤进行：

S1：根据实际录波分析雷电绕击特高压直流线路的过程中逆变站的直流电压、直流电流的电气量变化特征；

S2：检测当前逆变站的直流电流、直流电压的变化趋势是否符合所述电气量变化特征，若符合，则表示特高压直流线路遭受雷电绕击，并执行S3，否则，返回S2；

S3：执行换相失败抑制措施，包括：对雷电绕击类型进行判别以及对直流电流进行预测，然后根据雷击类型、直流电流预测量和换流母线电压有效值，计算换相失败抑制控制器输出的延迟触发角指令，并与逆变站控制系统的输出指令相比后，取最小值作为逆变站换流器的延迟触发角指令；

S4：判别绕击造成的系统暂态过程是否结束，若结束，表示系统已恢复稳定，则退出抑制措施；否则，返回S3。

本发明所述的抑制方法的特点也在于，所述S2中电气量变化趋势是否符合所述电气量变化特征是利用条件1和条件2来判断的，当同时满足条件1和条件2时，则表示特高压直流线路遭受绕击：

条件1：直流电压U_dc变化率的绝对值大于设定的变化率阈值/>

条件2：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}：

所述电流阈值I_{dc_set}＝I_dN+ΔI_d0，其中，I_dN为直流电流额定值，ΔI_d0为发生换相失败的临界电流变化量，并有：

式(1)中，n为所述逆变站中6脉动换流器的个数；U_LL为换流母线线电压有效值；γ_min为换流阀固有极限关断角；α_N为逆变器额定运行时的触发角；k为换流变压器的变比；X_c为换相电抗。

所述S3中是利用条件a和条件b来判别绕击类型的，当条件a和条件b同时满足时，表示绕击类型为绕击扰动：

条件a：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值/>且小于/>其中，Δ₁表示倍数；

条件b：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}，且小于Δ₂×I_{dc_set}；其中，Δ₂表示另一倍数。

所述S3中是利用条件c和条件d来判别绕击类型的，当条件c和条件d同时满足时，表示绕击类型为绕击故障：

条件c：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值其中，Δ₁表示倍数；

条件d：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值Δ₂×I_{dc_set}，其中，Δ₂表示另一倍数。

所述S3中是按如下过程预测直流电流：

S3.1取平波电抗器阀侧电流I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流；令I_dc(α+μ)为换相结束时的电流；

S3.2对换相开始时刻的电流I_dc(α)和电流变化率进行估算，从而利用式(2)得到换相结束时的电流I_dc(α+μ)并作为预测的直流电流：

式(2)中，α表示换流器延迟触发角；μ表示叠弧角；I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流，即换相开始时刻的电流；I′_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的一阶导数；I″_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的二阶导数；Δt为预测时间。

所述S3中是利用式(3)计算换相失败抑制控制器输出的延迟触发角指令：

式(3)中，I_ref为直流电流参考值；k为根据绕击类型选择不同的雷击系数。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明从雷击特高压直流输电线路的角度，考虑了雷击扰动与雷击故障的区别，并以此选择不同的控制器增益系数，能更全面地反映实际情况，能够利用控制器削弱不同强度雷击对直流输电系统造成的不利影响，从而将关断角控制在更为安全的范围内。

2.本发明基于换相电压-时间面积理论，考虑换相过程中直流电流的变化，克服了现有成果认为换相过程中直流电流不变的缺点，从而能够更为全面地反映换相过程中直流电流变化量对换相过程的影响，以此优化换相过程。

3.本发明仅对逆变站的控制系统进行改进，相比于增加同步调相机、静止同步补偿器等无功补偿装置，本发明降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明中特高压直流分层接入系统拓扑图；

图2为本发明中三相全波桥式电路拓扑结构图；

图3为本发明抑制方法的流程图；

图4为本发明中抑制方法的控制框图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，特高压直流系统依次由送端电网、整流站、直流输电线路、受端逆变站、交流输电线路、500kV/1000kV受端交流系统、控制保护系统组成。送端换流器工作在整流状态，交流侧经换流变压器接入750kV交流系统；受端换流器工作在逆变状态，其中高端换流器经换流变压器接至500kV交流母线，低端换流器经换流变压器接至1000kV交流母线，分别接入500kV和1000kV交流系统。

如图3所示，一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法是按如下步骤进行：

S1：根据实际录波分析雷电绕击特高压直流线路过程中逆变站的直流电压、直流电流的电气量变化特征；

S2：检测当前逆变站的直流电流、直流电压的变化趋势是否符合电气量变化特征，若符合，则表示特高压直流线路遭受雷电绕击，并执行S3，否则，返回S2；

S2中电气量变化趋势是否符合电气量变化特征是利用条件1和条件2来判断的，当同时满足如式(1)所示的条件1和条件2时，则表示特高压直流线路遭受绕击：

条件1：直流电压U_dc变化率的绝对值大于设定的变化率阈值/>

条件2：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}：

式(1)中，U_dc为直流电压；I_dc为直流电流。

对于特高压直流分层接入系统而言，直流电压变化率选取的阈值为躲开直流线路区外故障引起的电压变化率的最大值，从而确保要抑制的换相失败来自直流输电线路故障而非交流系统故障的情况。

式(1)中，电流阈值I_{dc_set}＝I_dN+ΔI_d0，I_dN为直流电流额定值，ΔI_d0为发生换相失败的临界电流变化量，并有：

式(2)中，n为所述逆变站中6脉动换流器个数；I_dN为直流电流额定值；U_LL为换流母线线电压有效值；γ_min为换流阀固有极限关断角；α_N为逆变器额定运行时的触发角；k为换流变压器的变比；X_c为换相电抗。

S3:执行换相失败抑制措施，包括：对雷电绕击类型进行判别以及对直流电流进行预测，然后根据雷击类型、直流电流预测量和换流母线电压有效值，计算换相失败抑制控制器输出的延迟触发角指令，并与逆变站控制系统的输出指令相比后，取最小值作为逆变站换流器的延迟触发角指令；具体包括：

S3.1根据直流电压和直流电流，判别雷电绕击类型；

S3.1.1当如式(3)所示的条件a和条件b同时满足时，判别雷电绕击类型为绕击扰动：

条件a：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值/>且小于/> 其中，Δ₁表示倍数，根据本实例中搭建模型的实际情况，取Δ₁＝7；

条件b：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}，且小于Δ₂×I_{dc_set}；其中，Δ₂表示另一个倍数,根据本实例中搭建模型的实际情况，取Δ₂＝10。

S3.1.2当如式(4)所示的条件c和条件d同时满足时，判别绕击类型为绕击故障：

条件c：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值其中，Δ₁表示倍数，根据本实例中搭建模型的实际情况，取Δ₁＝7；

条件d：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值Δ₂×I_{dc_set}，其中，Δ₂表示另一个倍数，根据本实例中搭建模型的实际情况，取Δ₂＝10。

S3.2对直流电流变化量进行预测；

S3.2.1取平波电抗器阀侧电流I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流；令I_dc(α+μ)为换相结束时的电流；

S3.2.2I_dc(α+μ)无法直接获取，可以由当前电流和电流变化率估算得到。I_dc(t₀)为当前时刻电流，利用泰勒展开：

式(5)中，I_dc(t)为需要预测的电流值；I′_dc(t₀)为当前时刻测量的直流电流的一阶导数；I″_dc(t₀)为当前时刻测量的直流电流的二阶导数；R_n(t)为泰勒公式余项；t₀为当前时刻，t为预测的下一时刻；

S3.2.3省略掉高阶微分量和余项，Δt为预测时间，Δt＝t-t₀，则有：

S3.2.4由换相开始时刻直流电流I_dc(α)可推导出换相结束时的电流I_dc(α+μ)：

式(7)中，α表示换流器延迟触发角；μ表示叠弧角；I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流，即换相开始时刻的电流；I′_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的一阶导数；I″_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的二阶导数；Δt为预测时间。

S3.3根据雷击类型、直流电流预测量和换相电压计算控制器输出的延迟触发角指令；

S3.3.1特高压直流分层接入系统采用晶闸管作为换流阀组，其基本模块是三相全波桥式电路，即6脉动换流器。一个交流电压工频周期内6脉动换流器上、下桥臂中换流阀交替导通的过程为换相过程。由于换流器外部电路中存在换相电感，换相电感的续流作用将导致即将关断换流阀不会立刻关断，换相过程中存在三个换流阀同时导通情况。以阀T1、T2导通向阀T2、T3导通的换相过程为例，换相过程等值电路如图2所示。根据换相过程等值电路，换相过程满足式(8)：

式(8)中，I_dc为直流电流；i₃为流过阀3的电流；U_LL为换流母线线电压有效值；L_c为每相的等值换相电感。

目前，分析换流器换相过程常用的理论为换相电压时间面积理论，可用式(9)表示：

式(9)中，t₁与t_2max分别为触发时刻与换相电压积分面积最大的时刻，I_dc(t₁)与I_d(t_2max)分别为t₁和t_2max时刻的电流值，S_need为保证成功换相的换相电压需求面积；S_supply为系统能够提供的最大换相电压时间面积。只满足不等式(9)时，此次换相过程才能成功。

S3.3.2根据换相电压-时间面积理论，在换相期间对式(8)两侧积分，可以得到换相面积需求量S_need如式(10)所示：

S3.3.3在给定触发角情况下，若要保证逆变侧换流阀能够成功换相，逆变器提供的最大换相面积S_pro如式(11)所示：

S3.3.4计及直流电流的变化对公式(8)积分，得式(12)：

式(12)中：X_c＝ωL_c。

S3.3.5此时，逆变器可以提供的不发生换相失败的临界换相电压时间面积S_pro如式(13)所示：

实际需要的换相电压时间面积S_need如式(14)所示：

S_need＝X_c(I_dc(α+μ)+I_dc(α)) (14)

S3.3.6因此，若使逆变器不发生换相失败，则γ_min必须满足一定的角度。在电网频率50Hz的条件下对应的γ_min约为7°。同时，考虑到需要保留一定的换相裕度，γ_min可以取10°，则触发延迟角α需满足的条件如式(15)所示：

S3.3.7计及直流电流预测量，式(14)可以改写为式(16)：

S3.3.8根据S3.1中雷击类型判别结果，引入雷击影响系数k，从而利用式(17)对α进行修正：

式(17)中，α为抑制控制器的触发延迟角输出数值；I_ref为直流电流参考值，一般取额定值；系数k根据雷击类型选择不同值。

正常运行时换相角的取值范围约为：20°～30°，换算成换相过程需要的时间为(1.111～1.668ms)，考虑故障时换相角随直流电流上升而上升，则Δt可取2ms。

S3.3.9如图4所示，原始控制系统触发延迟角指令值记为α₁，控制器输出触发延迟角指令值记为α₂，两者间取最小值，记为α_min，作为系统的触发延迟角指令值。

S4：利用条件e和条件f对雷击造成的系统暂态过程是否结束进行判别，当条件e和条件f同时满足时，则判别系统已恢复稳定，并退出换相失败抑制控制器，恢复原始控制系统结构；否则，返回S3。

条件e：直流电压小于1.05倍额定电压；

条件f：直流电流小于1.05倍额定电流。

Claims (6)

1.一种雷电绕击直流线路引起换相失败的抑制方法，是应用于特高压直流分层接入系统中，所述特高压直流分层接入系统是由500kV/1000kV两个交流系统组成的受端交流系统，在受端逆变站的双高端换流器经换流变压器接至500kV交流母线，双低端换流器经换流变压器接至1000kV交流母线，两组交流母线分别接入500kV和1000kV交流系统；其特征在于，所述抑制方法是按如下步骤进行：

S1：根据实际录波分析雷电绕击特高压直流线路的过程中逆变站的直流电压、直流电流的电气量变化特征；

S2：检测当前逆变站的直流电流、直流电压的变化趋势是否符合所述电气量变化特征，若符合，则表示特高压直流线路遭受雷电绕击，并执行S3，否则，返回S2；

S3：执行换相失败抑制措施，包括：对雷电绕击类型进行判别以及对直流电流进行预测，然后根据雷击类型、直流电流预测量和换流母线电压有效值，利用式(3)计算换相失败抑制控制器输出的延迟触发角指令，并与逆变站控制系统的输出指令相比后，取最小值作为逆变站换流器的延迟触发角指令；

式(3)中，I_ref为直流电流参考值；k为根据绕击类型选择不同的雷击系数；U_LL为换流母线线电压有效值；X_c为换相电抗；I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流，即换相开始时刻的电流；I′_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的一阶导数；I″_dc(α)为当前时刻测量的直流电流的二阶导数；Δt为预测时间；k为换流变压器的变比；γ_min为换流阀固有极限关断角；

S4：判别绕击造成的系统暂态过程是否结束，若结束，表示系统已恢复稳定，则退出抑制措施；否则，返回S3。

2.根据权利要求1所述的抑制方法，其特征在于，所述S2中电气量变化趋势是否符合所述电气量变化特征是利用条件1和条件2来判断的，当同时满足条件1和条件2时，则表示特高压直流线路遭受绕击：

条件1：直流电压U_dc变化率的绝对值大于设定的变化率阈值/>

条件2：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}。

3.根据权利要求2所述的抑制方法，其特征在于，所述电流阈值I_{dc_set}＝I_dN+ΔI_d0，其中，I_dN为直流电流额定值，ΔI_d0为发生换相失败的临界电流变化量，并有：

式(1)中，n为所述逆变站中6脉动换流器的个数；α_N为逆变器额定运行时的触发角。

4.根据权利要求2所述的抑制方法，其特征是，所述S3中是利用条件a和条件b来判别绕击类型的，当条件a和条件b同时满足时，表示绕击类型为绕击扰动：

条件a：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值/>且小于其中，Δ₁表示倍数；

条件b：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值I_{dc_set}，且小于Δ₂×I_{dc_set}；其中，Δ₂表示另一倍数。

5.根据权利要求2所述的抑制方法，其特征是，所述S3中是利用条件c和条件d来判别绕击类型的，当条件c和条件d同时满足时，表示绕击类型为绕击故障：

条件c：直流电压U_dc变化率的绝对值大于所设定的变化率阈值/>其中，Δ₁表示倍数；

条件d：直流电流I_dc大于所设定的电流阈值Δ₂×I_{dc_set}，其中，Δ₂表示另一倍数。

6.根据权利要求1所述的抑制方法，其特征是，所述S3中是按如下过程预测直流电流：

S3.1取平波电抗器阀侧电流I_dc(α)为当前时刻测量的直流电流；令I_dc(α+μ)为换相结束时的电流；

S3.2对换相开始时刻的电流I_dc(α)和电流变化率进行估算，从而利用式(2)得到换相结束时的电流I_dc(α+μ)并作为预测的直流电流：

式(2)中，α表示换流器延迟触发角；μ表示叠弧角。