CN114884113A - 多馈入直流输电系统换相失败判别方法 - Google Patents

多馈入直流输电系统换相失败判别方法 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，在三相故障后，换相失败发生前的暂态工况下，通过暂态直流电流组成分量的分解近似解析其动态特性，提出换相失败临界电压改进计算方法；基于改进计算方法确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件，用于判别不同交流故障位置发生三相故障对多馈入直流输电系统换相失败风险的影响。所提方法能有效提高换相失败判别的准确性，有效减小将存在换相失败风险识别为无换相失败风险的概率，有利于指导电网运行、规划，并提前制定换相失败抑制策略，对保障交直流电网安全稳定运行具有重要意义。

Description

多馈入直流输电系统换相失败判别方法
技术领域
本公开属于输配电技术领域，具体涉及一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法。
背景技术
随着电网换相换流器型直流输电(Line Commutated Converter High VoltageDirect Current,LCC-HVDC)的广泛应用，逐步形成了多馈入直流输电(Multi-Infeed HighVoltage Direct Current,MTDC)系统。在MTDC系统中，交流故障引发的多回直流同时换相失败将导致电网因多条直流供电中断而出现大额功率缺失，严重影响电网的安全稳定运行。因此，事先分析MTDC系统的换相失败风险，获得引发各LCC-HVDC子系统换相失败风险的故障位置，进而形成换相失败风险区域，对保障大电网安全稳定运行具有重要指导意义。
当前，为提高MTDC系统换相失败风险区域可识别范围，已有研究对多馈入交互影响因子(Multi-Infeed Interaction Factors,MIIF)进行了定义拓展。而后为提高换相失败风险区域的识别准确性，有研究在进行换相失败判别时，通过建立交直流系统数学模型，给出了考虑直流电流动态特性计算换相失败边界条件的方法。然而该方法需要多次求解复杂非线性方程组，并利用多次结果拟合才能给出换相失败边界条件，实现过程较为复杂繁琐，同时当系统参数发生变化时，需要重新进行非线性方程组的求解和曲线拟合。
因此，有必要提出一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，用于判别不同交流故障位置发生三相故障对多馈入直流输电系统换相失败风险的影响，且能较为简便、准确的计算边界条件，便于大规模电网的解析计算。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法。
为达到上述发明的目的，本公开通过以下技术方案实现：
一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，基于稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的故障点与各换流母线节点间的电压交互影响因子(Voltage Interaction Factor,VIF)；
步骤2，通过暂态直流电流组成分量的分解近似解析其动态特性；
步骤3，基于直流电流动态特性计算换相失败临界电压；
步骤4，由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件；
步骤5，利用步骤1方法所计算VIF与步骤4得到边界条件，判别不同位置发生三相故障对各直流子系统换相失败的影响。
所述步骤1的过程具体为：
利用考虑直流控制方式影响的交流系统稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的VIF：
Figure BDA0003627582890000021
J＝(L'-KH-1N')-1
其中，H、N＇、K、L＇均为计及直流控制方式影响的逆变侧交流系统稳态潮流雅可比矩阵的子矩阵；Jik为矩阵J中元素；k为对应不同故障位置的广义节点；i对应各换流母线节点。
步骤2中，故障发生后，换相失败发生前的暂态直流电流动态特性是通过对其组成分量进行分而近似解析获得的：
Figure BDA0003627582890000022
Figure BDA0003627582890000023
idc(t)＝idcr(t)+idcc(t)
其中，idc(t)为解析得到的暂态直流电流动态特性；idcr(t)为整流侧直流电流分量；idcc(t)为电容放电电流分量；Idcr0为故障前的稳态直流电流；Udcc0_为故障前的稳态电容电压；U’di为电容完全放电后的电压，由直流线路两侧电压及线路参数共同决定的；N为6脉动换流器个数；Rdci、Li、Xti分别为等效后逆变侧直流电电阻、直流电感与平波电抗器电感之和以及换流变漏抗；t0为故障时刻；A、D、τ为计算过程中的中间变量。
在步骤3中，基于直流电流动态特性解析结果，利用下述一元一等式计算各直流子系统的换相失败临界电压：
Figure BDA0003627582890000024
其中，KUaci即为换相失败临界电压(0<K<1)；Tleft为故障起始时刻至其后第2个换相过程开始的时间间隔；Tcfault为故障期间的最大可能换相时间；Uaci为逆变侧换流母线电压；αi为逆变侧触发角；γcr为发生换相失败的临界关断角。
在步骤4中，基于VIF的定义，由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件：
Figure BDA0003627582890000025
其中，CVIFik即表示当广义节点k处电压因三相短路故障而降低△Uk时，要使换流母线节点i处所连直流发生换相失败，两节点间的电压交互影响因子VIFik的最小值。
在步骤5中，按下式进行判别不同交流三相故障位置对各直流子系统换相失败的影响：
Figure BDA0003627582890000031
本公开提供的一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，能够应用于交流母线及线路上的换相失败风险区域识别，且能较为简便、准确的计算边界条件，易应用于大规模电网解析计算。
附图说明
图1为本公开所应用的三馈入直流输电系统示意图。
图2为本公开计算不同交流故障位置与各换流母线间电压交互影响因子VIF的流程图。
图3为本公开对故障发生后，换相失败发生前的暂态直流电流组成分量分解前后的直流等值电路。
图4为仿真计算得到的换相失败临界电压，以及本公开与传统方法的换相失败临界电压计算结果的误差对比。
图5、图6为利用本公开给出方法对图4所示三馈入直流输电系统进行换相失败判别的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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，而不是全部实施例。
为克服已有研究的不足，本公开提出一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，使其能够应用于交流母线及线路上的换相失败风险区域识别，且能较为简便、准确的计算边界条件，便于大规模电网的解析计算。所述方法包括如下步骤：
步骤1：基于稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的电压交互影响因子VIF；
针对图1所示三馈入直流输电系统，结合图2给出的电压交互影响因子VIF计算流程，首先在广义节点均为交流母线节点时，利用潮流Jacobi矩阵计算广义节点与各换流母线节点间的电压交互影响因子；然后以此为基础，通过修正潮流Jacobi矩阵，计算广义节点为交流线路上一点时，其与各换流母线节点间的电压交互影响因子。
Figure BDA0003627582890000032
J＝(L'-KH-1N')-1；
其中，H、N＇、K、L＇均为计及直流控制方式影响的逆变侧交流系统稳态潮流雅可比矩阵的子矩阵；Jik为矩阵J中元素；k为对应不同故障位置的广义节点；i对应各换流母线节点。
步骤2：通过暂态直流电流组成分量的分解近似解析其动态特性；
结合图3给出的暂态直流电流组成分量分解等值电路，将暂态直流电流分解为整流侧直流电流及电容放电电流，利用分解后的等值电路，分别计算整流侧直流电流及电容放电电流，即可近似解析暂态直流电流。
Figure BDA0003627582890000041
Figure BDA0003627582890000042
idc(t)＝idcr(t)+idcc(t)
其中，idc(t)为解析得到的暂态直流电流动态特性；idcr(t)为整流侧直流电流分量；idcc(t)为电容放电电流分量；Idcr0为故障前的稳态直流电流；Udcc0_为故障前的稳态电容电压；U’di为电容完全放电后的电压，由直流线路两侧电压及线路参数共同决定的；N为6脉动换流器个数；Rdci、Li、Xti分别为等效后逆变侧直流电电阻、直流电感与平波电抗器电感之和以及换流变漏抗；t0为故障时刻；A、D、τ为计算过程中的中间变量。
步骤3：基于直流电流动态特性计算换相失败临界电压
一般的，在正常运行条件下，逆变站换流器的换相时间为20°～30°，在故障发生后换相时间将受直流电流和换相电压的共同影响而延长，但一般不超过36°。因此，在本公开的计算中，故障条件下的换相角μfault取36°。正常运行时的换相时间μ0可由超前触发角βi与关断角γ的关系获得。又六脉动换流器两次触发的时间间隔为60°，因而可得一次换相过程所需要的时间Tcommu、故障起始时刻至其后第2个换相过程开始的时间间隔Tleft。结合步骤2所解析的直流电流动态特性，利用下式即可计算获得对应直流子系统的换相失败临界电压。
Figure BDA0003627582890000043
其中，KUaci即为换相失败临界电压(0<K<1)；Tleft为故障起始时刻至其后第2个换相过程开始的时间间隔；Tcfault为故障期间的最大可能换相时间；Uaci为逆变侧换流母线电压；αi为逆变侧触发角；γcr为发生换相失败的临界关断角。图4中给出了仿真计算得到的换相失败临界电压，以及本公开与传统方法的换相失败临界电压计算结果的误差对比，结果说明本公开所给方法计算处的换相失败临界电压误差较小。
步骤4：由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件；
当前已有研究在判别不同交流故障位置对MTDC系统中各直流子系统换相失败的影响时，多采用临界电压交互影响因子(Critical Voltage Interaction Factor,CVIF)作为边界条件，各直流子系统的CVIF可结合各自的换相失败临界电压及电压交互影响因子的定义求得：
Figure BDA0003627582890000051
其中，CVIFik即表示当广义节点k处电压因三相短路故障而降低△Uk时，要使换流母线节点i处所连直流发生换相失败，两节点间的电压交互影响因子VIFik的最小值。
步骤5：结合步骤1方法所计算VIF与步骤4得到边界条件，判别不同位置发生三相故障对各直流子系统换相失败的影响
依据步骤4对CVIF的推导可知，通过CVIF与VIF的相对大小比较，即可判别不同位置发生三相故障时，其是否会引发各直流子系统换相失败。
Figure BDA0003627582890000052
图5通过本公开的方法、传统方法以及时域计算的方法，给出了当图4所示三馈入直流输电系统不同位置发生三相金属性故障时，各直流子系统是否发生换相失败的判别结果。结果表明，本公开所提出的方法能够较为准确的对多馈入直流输电系统中各直流子系统换相失败进行判别，在简化计算的基础上，还能具有较高的准确性。为进一步说明本公开提出的换相失败判别方法的准确性，针对LCC-HVDC1的换相失败情形，图6形象地给出了线路12不同位置发生三相故障时，不同方法的换相失败判别结果。结果表明，传统方法的误判别区域至少占线路12全长的20％，而本公开所给出计及故障期间直流电流动态特性的换相失败判别方法与仿真方法具有相同的判别结果，准确性较高，能够减少传统方案将有换相失败风险判别为无换相失败风险的情形，。
上述实施例仅用以说明本公开而并非限制本公开所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本公开已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本公开进行修改或者等同替换；而一切不脱离本公开的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本公开的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，基于稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的故障点与各换流母线节点间的电压交互影响因子(Voltage Interaction Factor,VIF)；
步骤2，通过暂态直流电流组成分量的分解近似解析其动态特性；
步骤3，基于直流电流动态特性计算换相失败临界电压；
步骤4，由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件；
步骤5，利用步骤1方法所计算VIF与步骤4得到边界条件，判别不同位置发生三相故障对各直流子系统换相失败的影响。
2.根据权利要求1所述的计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，基于稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的故障点与各换流母线节点间的电压交互影响因子VIF具体为：
利用考虑直流控制方式影响的交流系统稳态潮流方程计算交流母线及线路不同故障位置下的VIF：
Figure FDA0003627582880000011
J＝(L'-KH-1N')-1；
其中，H、N＇、K、L＇均为计及直流控制方式影响的逆变侧交流系统稳态潮流雅可比矩阵的子矩阵；Jik为矩阵J中元素；k为对应不同故障位置的广义节点；i对应各换流母线节点。
3.根据权利要求1所述的计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于通过暂态直流电流组成分量的分解近似解析其动态特性：
Figure FDA0003627582880000012
Figure FDA0003627582880000013
idc(t)＝idcr(t)+idcc(t)；
其中，idc(t)为解析得到的暂态直流电流动态特性；idcr(t)为整流侧直流电流分量；idcc(t)为电容放电电流分量；Idcr0为故障前的稳态直流电流；Udcc0_为故障前的稳态电容电压；U’di为电容完全放电后的电压，由直流线路两侧电压及线路参数共同决定；N为6脉动换流器个数；Rdci、Li、Xti分别为等效后逆变侧直流电电阻、直流电感与平波电抗器电感之和以及换流变漏抗；t0为故障时刻；A、D、τ为计算过程中的中间变量。
4.根据权利要求1所述的计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，基于直流电流动态特性解析结果计算换相失败临界电压：
Figure FDA0003627582880000021
其中，KUaci即为换相失败临界电压(0＜K＜1)；Tleft为故障起始时刻至其后第2个换相过程开始的时间间隔；Tcfault为故障期间的最大可能换相时间；Uaci为逆变侧换流母线电压；αi为逆变侧触发角；γcr为发生换相失败的临界关断角。
5.根据权利要求1所述的计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件具体为：
基于VIF的定义，由换相失败临界电压确定多馈入直流输电系统判别换相失败的边界条件：
Figure FDA0003627582880000022
其中，CVIFik即表示当广义节点k处电压因三相短路故障而降低△Uk时，要使换流母线节点i处所连直流发生换相失败，两节点间的电压交互影响因子VIFik的最小值。
6.根据权利要求5所述的计及故障期间直流电流动态特性的多馈入直流输电系统换相失败判别方法，其特征在于，
按下式进行判别不同交流三相故障位置对各直流子系统换相失败的影响：
Figure FDA0003627582880000023
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