CN115000960B - 考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，包括如下步骤：步骤（1）对逆变侧进行不对称故障检测和对称故障检测，并根据检测电压幅值实现换相失败预测控制CFPREV启动输出；步骤（2）检测各回直流系统的熄弧角数值，并进行标幺化处理，并将最小的熄弧角除以最大的熄弧角得到折算系数；步骤（3）选取当前熄弧角数值最大的直流系统进行协调控制，将直流系统的输出比例系数乘以所述折算系数，从而实现换相失败预测控制CFPREV的协调输出，本发明保证了换相失败风险较高回直流的抑制相继换相失败的效果，能够有效的抑制多馈入直流系统相继换相失败。

Description

考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统安全稳定分析与控制，特别是考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法。
背景技术
基于电网换相换流器型的高压直流输电引起大容量、传输远距离传输的优势在我国得到广泛应用。目前，我国华东电网，南方电网已接入多回特高压直流线路，形成了典型的多馈入直流输电系统。对于多馈入直流系统，各回交直流系统相互作用错综复杂，一回直流故障诱发的多回直流相继换相失败相较单回直流的单次换相失败和连续换相失败更为严重。单回直流的换相失败引发传输功率下降，而多回直流间的相继换相失败会造成多个直流的落点区域的功率缺额，从而严重威胁了负荷中心电网的安全稳定运行。因此针对多馈入直流系统相继换相失败的典型场景，分析不同场景下相继换相失败的主导因素，从而可以实现多相继换相失败的准确评估，进一步优化各回直流系统控制策略以抑制相继换相失败，从而确保受端电网安全稳定运行及国民经济良好的发展。
在相继换相失败应对策略方面，虽然针对多馈入直流系统协调控制策略研究较多，但大多集中在多馈入直流系统相关参数的优化规划研究。其中优化规划策略下恢复优先级指标有效性难以验证，一部分优化算法也较为复杂。同时目前的研究往往都是基于特定的场景，缺乏与其他应对方法的比较，从而控制效果的适应性无法验证。而基于实际控制保护装置的协调控制策略研究较为缺乏，有必要对多馈入直流系统的协调进一步研究以弥补优化规划方法的不足。
发明内容
本发明针对多馈入直流系统相继换相失败的问题，提出了考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，保证了换相失败风险较高回直流的抑制相继换相失败的效果，本发明能够有效的抑制多馈入直流系统相继换相失败。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明的考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，包括如下步骤：
步骤（1）对逆变侧进行不对称故障检测和对称故障检测，并根据检测电压幅值实现换相失败预测控制CFPREV启动输出；
步骤（2）检测各回直流系统的熄弧角数值，并进行标幺化处理，并将最小的熄弧角除以最大的熄弧角得到折算系数；
步骤（3）选取当前熄弧角数值最大的直流系统进行协调控制，将直流系统的输出比例系数乘以所述折算系数，从而实现换相失败预测控制CFPREV的协调输出。
步骤（1）中，所述不对称故障检测包括以下步骤：
无论系统是否故障，三相电压均用正序、负序和零序电压表示，其数学表达式如式(1)所示：
Figure 318096DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中：
Figure 766395DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 608449DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 580822DEST_PATH_IMAGE004
分别表示abc三相电压，
Figure 457511DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 561865DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 891215DEST_PATH_IMAGE007
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，故零序分量故障检测算法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：
Figure 355694DEST_PATH_IMAGE008
(2)
将式(1)带入式(2)，则零序电压
Figure 804999DEST_PATH_IMAGE009
在任意时刻的数学表达式如式(3)所示；
Figure 126259DEST_PATH_IMAGE010
(3)
稳态时候
Figure 693638DEST_PATH_IMAGE011
为0，故障后零序电压
Figure 696229DEST_PATH_IMAGE009
将在取绝对值后，与不对称故障模块启动 值DIFF_LEVEL进行比较；当零序电压
Figure 547510DEST_PATH_IMAGE009
大于不对称故障模块启动值DIFF_LEVEL时，换相失 败预测控制CFPREV根据零序电压
Figure 486342DEST_PATH_IMAGE009
大小乘以输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度。
步骤（1）中，所述对称故障检测包括以下步骤：
Figure 790284DEST_PATH_IMAGE012
分量检测法检测各种类型的故障；换流母线电压经克拉克变换Clark变换后，计 算旋转矢量的赋值
Figure 144036DEST_PATH_IMAGE013
，具体计算公式如式(4)和式(5)所示：
Figure 53086DEST_PATH_IMAGE014
(4)
Figure 716149DEST_PATH_IMAGE015
(5)
将式(4)代入式(5)，整理得：
Figure 959917DEST_PATH_IMAGE016
(6)
由式(6)可知，
Figure 366628DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 677655DEST_PATH_IMAGE013
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，
Figure 714881DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 993415DEST_PATH_IMAGE013
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；
Figure 390768DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 680935DEST_PATH_IMAGE013
必须与零序分量故障检测算法相互配合，才能覆盖接地与不接 地的各类型故障；
用电压
Figure 200647DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 700898DEST_PATH_IMAGE013
减去1，然后将得到的差值和对称故障模块启动值ABZ_LEVEL进 行比较；当差值大于对称故障模块启动值ABZ_LEVEL时，换相失败预测控制CFPREV根据差值 乘以输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度。
步骤（2）中，所述折算系数的计算方法如下：
检测各回直流系统的熄弧角
Figure 668985DEST_PATH_IMAGE017
，并基于稳态数据进行标幺化处理，标幺化处理后 的各回直流系统熄弧角为
Figure 469451DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 900344DEST_PATH_IMAGE019
(7)
选取各回直流系统熄弧角最小值
Figure 91154DEST_PATH_IMAGE020
和各回直流系统熄弧角最大值
Figure 643358DEST_PATH_IMAGE021
，相除 得到折算系数
Figure 517904DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 598993DEST_PATH_IMAGE023
(8)。
本发明的方法基于换相失败预测控制对逆变侧不对称、对称故障进行检测，并根据检测电压数值输出一定的触发角度。同时实时检测各回直流系统熄弧角并进行标幺化处理，选取各回直流中最小的熄弧角与最大的熄弧角相除得到折算系数。最后选取当前熄弧角指标最大的直流系统进行协调控制，通过将该回直流系统换相失败预测控制CFPREV输出比例系数 CFPREVk乘以折算系数，即可削弱该回直流对其他直流系统的影响，从而有利于回直流系统抑制相继换相失败的效果。
附图说明
图1为直流系统逆变侧极控逻辑图；
图2为多馈入系统换相失败预测协调控制方法工作流程图；
图3为无换相失败预测控制下各回直流系统熄弧角曲线；
图4为有换相失败预测控制但未协调控制下各回直流系统熄弧角曲线；
图5为换相失败预测协调控制下各回直流系统熄弧角曲线；
图6为换相失败预测协调控制下各回直流系统折算系数曲线。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
逆变侧交流系统故障后的暂态响应主要与极控制有关，目前直流系统逆变侧极控 逻辑如图1所示。其中定熄弧角控制和换相失败预测控制相互配合，输出提前触发角度以增 加换相裕度。定熄弧角控制通过实时检测直流系统熄弧角，确保系统熄弧角处于安全的裕 度。而换相失败预测控制则对逆变侧换流母线电压的实时检测从而判定故障，并基于故障 严重程度，输出一定的提前触发角度。然后通过与定熄弧角控制输出相结合，从而能够及时 输出充裕的提前触发角度，抑制换相失败的发生。a、b、c分别表示电网的a相、b相和c相；
Figure 119842DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 960890DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 735948DEST_PATH_IMAGE026
表示量测得的换逆变侧交流电压；DIFF_LEVEL和ABZ_LEVEL分别表示单相、三相故障 检测门槛阈值，启动门槛阈值越低则换相失败预测控制启动越频繁；换相失败预测控制 CFPREVk表示换相失败预测控制输出增益系数，其数值越高，输出提前触发角度越大；AMIN 表示输出的提前触发角度。
Figure 237205DEST_PATH_IMAGE027
表示实时检测的各回直流系统的熄弧角，
Figure 199345DEST_PATH_IMAGE028
表示各回直 流系统稳态下的熄弧角。
参见图2，考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，包括如下步骤：
步骤（1）对逆变侧进行不对称故障检测和对称故障检测，并根据检测电压幅值实现换相失败预测控制CFPREV启动输出；
步骤（1）中，所述不对称故障检测包括以下步骤：
无论系统是否故障，三相电压均用正序、负序和零序电压表示，其数学表达式如式(1)所示：
Figure 781767DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中：
Figure 942490DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 614649DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 267347DEST_PATH_IMAGE004
分别表示abc三相电压，
Figure 715777DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 871952DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 200165DEST_PATH_IMAGE007
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，故零序分量故障检测算法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：
Figure 138164DEST_PATH_IMAGE008
(2)
将式(1)带入式(2)，则零序电压
Figure 639552DEST_PATH_IMAGE009
在任意时刻的数学表达式如式(3)所示；
Figure 915813DEST_PATH_IMAGE010
(3)
稳态时候
Figure 165660DEST_PATH_IMAGE011
为0，故障后零序电压
Figure 324108DEST_PATH_IMAGE009
将在取绝对值后，与不对称故障模块启动 值DIFF_LEVEL进行比较；当零序电压
Figure 347297DEST_PATH_IMAGE009
大于不对称故障模块启动值DIFF_LEVEL时，换相失 败预测控制CFPREV根据零序电压
Figure 743643DEST_PATH_IMAGE009
大小乘以输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度。
步骤（1）中，所述对称故障检测包括以下步骤：
Figure 210397DEST_PATH_IMAGE012
分量检测法检测各种类型的故障；换流母线电压经克拉克变换Clark变换后，计 算旋转矢量的赋值
Figure 606874DEST_PATH_IMAGE013
，具体计算公式如式(4)和式(5)所示：
Figure 122169DEST_PATH_IMAGE014
(4)
Figure 419027DEST_PATH_IMAGE015
(5)
将式(4)代入式(5)，整理得：
Figure 56682DEST_PATH_IMAGE016
(6)
由式(6)可知，
Figure 392985DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 525020DEST_PATH_IMAGE013
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，
Figure 630380DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 688203DEST_PATH_IMAGE013
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；
Figure 246224DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 431217DEST_PATH_IMAGE013
必须与零序分量故障检测算法相互配合，才能覆盖接地与不接 地的各类型故障；
用电压
Figure 938553DEST_PATH_IMAGE012
分量
Figure 855693DEST_PATH_IMAGE013
减去1，然后将得到的差值和对称故障模块启动值ABZ_LEVEL进 行比较；当差值大于对称故障模块启动值ABZ_LEVEL时，换相失败预测控制CFPREV根据差值 乘以输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度。
步骤（2）检测各回直流系统的熄弧角数值，并进行标幺化处理，并将最小的熄弧角除以最大的熄弧角得到折算系数；折算系数的计算方法如下：
检测各回直流系统的熄弧角
Figure 749612DEST_PATH_IMAGE017
，并基于稳态数据进行标幺化处理，标幺化处理后 的各回直流系统熄弧角为
Figure 472718DEST_PATH_IMAGE018
：
Figure 37822DEST_PATH_IMAGE019
(7)
选取各回直流系统熄弧角最小值
Figure 453760DEST_PATH_IMAGE020
和各回直流系统熄弧角最大值
Figure 986373DEST_PATH_IMAGE021
，相除 得到折算系数
Figure 762436DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure 431315DEST_PATH_IMAGE023
(8)
为验证本发明所提出的直流系统换相失败预测控制启动值自适应设置方法抑制换相失败的有效性，基于PSCAD/EMTDC中CIGRE HVDC标准测试模型搭建典型的双馈入直流系统进行了电磁暂态仿真分析。其中直流系统1的短路比为2，直流系统2的短路比为2.5。
1）未进行协调控制的换相失败预测控制抑制相换相失败效果分析
在直流系统2的逆变侧换流母线处于1.0s设置持续时间0.2s单相接地故障，地电 感值
Figure 768887DEST_PATH_IMAGE029
=0.6H 。未采用换相失败预测控制CFPREV与采用换相失败预测控制CFPREV但未协调 控制两种方法下两回直流系统的熄弧角曲线分别如图3、图4所示。图3 为无换相失败预测 控制下各回直流系统熄弧角曲线，由图3可以看出，由于直流系统2逆变侧发生接地故障，直 流系统2于1.008s发生了首次换相失败。由于多馈入直流系统间的耦合关系，直流系统2换 相失败后将吸收大量无功功率，从而引发直流系统1逆变侧电压稳定问题，进而引发直流系 统1发生了两次相继换相失败。
图4为有换相失败预测控制但未协调控制下各回直流系统熄弧角曲线，由图4可以看出，采用换相失败预测控制CFPREV控制后，由于两回换相失败预测控制CFPREV分别作用输出触发角度，增加了各自直流系统的换相裕度，直流系统1和直流系统2的换相失败虽然没有得到抑制，但是由于换相失败预测控制CFPREV的作用都有了一定的延迟。采用换相失败预测控制CFPREV控制未能有效抑制相继换相失败主要源于各回控制器单独作用，没有考虑对其余直流系统的影响，因此需要对控制器进行协调控制。
2）换相失败预测协调控制抑制相换相失败效果分析
采用换相失败预测协调控制后各回直流系统熄弧角如图5所示。可以看出，采用协调控制后，直流系统1的相继换相失败均得到了有效的抑制。同时由于直流系统1的稳定恢复，给直流系统2提供了稳定的无功支撑，从而有效的避免了直流系统2的后续换相失败。直流系统1的相继换相失败的有效抑制主要源于直流系统1、2直接基于熄弧角指标的协调控制。换相失败预测协调控制下各回直流系统折算系数曲线如图6所示，通过降低相对较为稳定直流系统换相失败预测控制CFPREV的输出，从而保证了换相失败风险更大回直流系统抑制相继换相失败效果。

Claims (2)

1.考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）对逆变侧进行不对称故障检测和对称故障检测，并根据检测电压幅值实现换相失败预测控制CFPREV启动输出；
步骤（2）检测各回直流系统的熄弧角数值，并进行标幺化处理，并将最小的熄弧角除以最大的熄弧角得到折算系数；
步骤（3）选取当前熄弧角数值最大的直流系统进行协调控制，将直流系统的输出比例系数乘以所述折算系数，从而实现换相失败预测控制CFPREV的协调输出；
步骤（1）中，所述不对称故障检测包括以下步骤：
无论系统是否故障，三相电压均用正序、负序和零序电压表示，其数学表达式如式(1)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
分别表示abc三相电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
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，故零序分量故障检测算法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：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
(2)
将式(1)带入式(2)，则零序电压
Figure DEST_PATH_IMAGE009
在任意时刻的数学表达式如式(3)所示；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
(3)
稳态时候
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为0，故障后零序电压
Figure 211819DEST_PATH_IMAGE009
将在取绝对值后，与不对称故障模块启动值 DIFF_LEVEL进行比较；当零序电压
Figure 597801DEST_PATH_IMAGE009
大于不对称故障模块启动值DIFF_LEVEL时，换相失败 预测控制CFPREV根据零序电压
Figure DEST_PATH_IMAGE012
大小乘以输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度；
步骤（1）中，所述对称故障检测包括以下步骤：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
分量检测法检测各种类型的故障；换流母线电压经克拉克变换Clark变换后，计算旋 转矢量的赋值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，具体计算公式如式(4)和式(5)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
(4)
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(5)
将式(4)代入式(5)，整理得：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
(6)
由式(6)可知，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分量
Figure 629735DEST_PATH_IMAGE014
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，
Figure 493786DEST_PATH_IMAGE018
分量
Figure 777000DEST_PATH_IMAGE014
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；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
分量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
必须与零序分量故障检测算法相互配合，才能覆盖接地与不接地的各 类型故障；
用电压
Figure 255255DEST_PATH_IMAGE018
分量
Figure 991129DEST_PATH_IMAGE014
减去1，然后将得到的差值和对称故障模块启动值ABZ_LEVEL进行比 较；当差值大于对称故障模块启动值ABZ_LEVEL时，换相失败预测控制CFPREV根据差值乘以 输出比例系数 CFPREVk后输出触发角度。
2.根据权利要求1所述的考虑换相裕度的多馈入系统换相失败预测协调控制方法，其特征在于，步骤（2）中，所述折算系数的计算方法如下：
检测各回直流系统的熄弧角
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，并基于稳态数据进行标幺化处理，标幺化处理后的各回 直流系统熄弧角为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(7)
选取各回直流系统熄弧角最小值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和各回直流系统熄弧角最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，相除得到 折算系数
Figure DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
(8)。
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