CN115629233B - 一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法，该方法包括：1、实时采集受端交流母线电压、特高压换流变的一次侧电流、特高压换流变的延迟触发角、特高压换流变的正常工作关断角；2、利用采集得到的电流值判定合闸过程是否出现励磁涌流并构建励磁涌流判定集合；3、通过谐波畸变大小和电压下降率计算换相失败阈值；4、利用励磁涌流总谐波畸变影响指标对于换相失败进行评估。本发明提出励磁涌流总谐波畸变影响指标易获取，有利于提高励磁涌流引发换相失败评估效率，能快速有效评估励磁涌流引发的换相失败，从而为实际换流站换相失败预防抑制措施提供参考，提升交直流系统安全稳定运行能力。

Description

一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法
技术领域
本发明涉及一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法，属于高压直流输电系统换相失败判定方法。
背景技术
随着东西部电网互联对输送容量、输电距离的需求日益增长，特高压直流输电(UHVDC)系统在大容量、长距离输电和电力系统联网方面具有明显的优势，已成为“交直流混联”电网中的重要组成部分。UHVDC系统采用晶闸管作为换流元件，需依靠电网电压恢复自身阻断能力。随着华中、华东地区直流落点逐渐密集，直流馈入系统规模不断增加，网架结构逐渐偏向“强直弱交”局面。在UHVDC系统进行换流变合闸操作时，会产生较高的换流变合闸励磁涌流，显著影响受端电网稳定，由于晶闸管换流器又对换相电压极为敏感，易造成直流换相失败甚至闭锁，受端电网功率严重缺失，存在大面积停电隐患。
换流变合闸是换流站调试、检修等日常运维的常见操作。换流变合闸过程极易造成励磁涌流产生，励磁涌流中含有高幅值多次谐波，影响换相电压波形质量，阻碍换流变压器正常运行。励磁涌流注入特高压直流系统后，会导致换相电压发生畸变，造成换相失败发生。如果换相失败处理不及时，易导致连续换相失败的发生，一旦造成换流器出现极闭锁，严重威胁交直流系统稳定运行。
目前，换流变合闸充电造成的换相失败评判标准一般采用电压下降率作为相关指标，准确性较低且不能进行定量评估，工程实际运用困难。同时，目前使用的评估方法，未考虑励磁涌流对于电压畸变影响，若合闸不当引发的高峰值励磁涌流注入受端交流系统，会造成换流母线电压严重畸变与电压幅值降低，引发换流器换相失败发生。
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，提出一种特高压换流变合闸换相失败判定方法，以期能够快速评估换相失败，为换流站换相失败预防抑制措施提供参考，从而提升交直流系统安全稳定运行能力。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法，其特点是应用于分层接入特高压直流系统中，并按照如下步骤进行：
步骤1、对特高压换流变进行合闸操作，并实时采集分层接入特高压直流系统的受端交流母线电压、特高压换流变的一次侧电流、特高压换流变的延迟触发角、特高压换流变的正常工作关断角；
步骤2、若特高压换流变的一次侧电流直流含量的变化值大于所设定阈值Th1且变化时间低于所设定的检测时间Tset1，则表示产生励磁涌流，并将特高压换流器判定为涌流层换流器，执行步骤3；否则，返回步骤1；
步骤3、将涌流层换流器的一次侧电流与受端交流母线电压分别进行傅里叶分解，相应得到n次谐波电流幅值{Ij|j＝1,2,…,n}和n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}；其中，Ij表示第j次谐波电流幅值，Ej表示第j次谐波电压幅值；
对{Ij|j＝1,2,…,n}进行降序排序，并依据排序后的n次谐波电流幅值，对{Ej|j＝1,2,…,n}进行重新排序，得到排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}，其中，Ej表示排序后的第j次谐波电压幅值；
将排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}中的前六位电压幅值依次存入六个变量S1、S2、S3、S4、S5、S6中，从而构建励磁涌流谐波判定集合S＝{Si|i＝1,2,…,6}；其中，Si为第i个判定元素，表示将n次谐波电压幅值进行重新排序后第i位电压幅值；
步骤4、利用式(1)计算所述涌流层换流器引起换相失败的阈值Th2；
Figure GDA0004228861560000021
式(1)中，M为换相失败面积裕度，并由式(2)得到，ΔU为电压下降率；
Figure GDA0004228861560000022
式(2)中，Sμ1max为涌流层换流器的极限换相面积，Sμ1为涌流层换流器的换相面积；
步骤5、初始化i＝1；
步骤6、利用式(3)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si引起换相失败的临界值E'i，并判断Si是否大于临界值E'i，若是，则表示Si对应的单次谐波引起涌流层换流器发生换相失败，并结束判定过程；否则，执行步骤7；
Figure GDA0004228861560000023
式(3)中，μ为换相重叠角，M为换相失败裕度，E1为基波电压幅值；ni为Si对应谐波次数；
步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>6是否成立，若成立，则执行步骤8，否则返回步骤6；
步骤8、利用式(4)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si的谐波电压影响因子Fi；
Figure GDA0004228861560000031
式(4)中，ni为Si对应谐波次数，E1为基波电压幅值；
步骤9、利用式(5)计算涌流层换流器的励磁涌流总谐波畸变值ICTHD：
Figure GDA0004228861560000032
式(5)中，F0表示ni＝2时，利用式(4)计算的直流分量影响因子；
步骤10、若ICTHD>Th2，则判定涌流层换流器的电压畸变会引起换相失败；否则，判定涌流层换流器的电压畸变不会引起换相失败。
本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述方法的步骤。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明针对换流变压器合闸这一具体工况，通过定义磁涌流谐波判定集合，将换相面积裕度与电压下降率有机结合，克服了传统方法中判断换相失败依据换相面积裕度的局限，优化了换相失败判断过程，有效提高了换相失败判定准确性。
2、本发明明确了单次谐波造成换相失败评估对象，减少了换相失败判定时间，降低了换流器发生连续性换相失败风险。
3、本发明仅对换流变压器合闸过程中换相失败分析方法进行了改进，无需增加换流站检测设备，具有良好的实用性和推广价值。
附图说明
图1为本发明分层接入UHVDC系统结构图；
图2为本发明换流器正常工作关断角仿真图；
图3为本发明换流变直流分量电流图；
图4为本发明UHVDC系统各次谐波电流有效值图
图5为本发明UHVDC系统各次谐波电压有效值图；
图6为本发明励磁涌流总谐波畸变影响指标仿真图；
图7为本发明换流器换相失败关断角仿真图。
具体实施方式
本实施例中，一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法，是应用于分层接入特高压直流系统中，该分层接入UHVDC系统拓扑结构如图1所示，构建的UHVDC系统由整流侧750kV交流系统、整流站、直流输电线路、逆变站、逆变侧1000kV和500kV交流系统组成。当换流变进行合闸操作时，合闸产生励磁涌流中含有很大的谐波分量，会导致相连的换相电压发生严重畸变，对换流器换相过程产生严重影响。该判定方法是按照如下步骤进行：
步骤1、对特高压换流变进行合闸操作，并实时采集UHVDC系统受端的交流母线电压，逆变侧延迟触发角α，计算换流器恢复正向阻断能力所需的最小关断角γmin，采集换流器正常工作时关断角大小γ。UHVDC系统正常工作下换流器关断角如图2所示，大小为17°。根据晶闸管物理特性，可计算恢复正向阻断能力所需的最小关断角为7°。UHVDC系统设置逆变侧触发角为143°。
步骤2、若特高压换流变的一次侧电流直流含量的变化值大于所设定阈值0.1且变化时间低于所设定的检测时间四分之一，则表示产生励磁涌流，并将特高压换流器判定为涌流层换流器，执行步骤3；否则，返回步骤1；此时Y桥换流变直流分量如图3所示，此时换流变直流分量在四分之一周期内变化程度超过设定阈值，判定此时换流变发生励磁涌流现象，执行步骤3。
步骤3、将涌流层换流器的合闸电流与受端交流母线电压分别进行傅里叶分解，相应得到n次谐波电流幅值{Ij|j＝1,2,…,n}和n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}；其中，Ij表示第j次谐波电流幅值，Ej表示第j次谐波电压幅值；将Y桥换流变电流进行傅里叶分解，各次谐波电流大小如图4所示，取典型值前15次谐波进行分析，此时，换相电压受励磁涌流影响后的线电压如式(1)所示：
Figure GDA0004228861560000041
式(1)中，En为第n次谐波电压幅值。对逆变侧换相电压进行傅里叶分析后的各次谐波电压有效值如图5所示。
对{Ij|j＝1,2,…,n}进行降序排序，并依据排序后的n次谐波电流幅值，对{Ej|j＝1,2,…,n}进行重新排序，得到排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}，其中，Ej表示排序后的第j次谐波电压幅值；将排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}中的前六位电压幅值依次存入六个变量S1、S2、S3、S4、S5、S6中，从而构建励磁涌流谐波判定集合S＝{Si|i＝1,2,…,6}；其中，Si表示第i个判定元素；在本实例中，S1为2次谐波，大小为95.733kV；S2为4次谐波，大小为56.58kV；S3为3次谐波，大小为44.689kV；S4为6次谐波，大小为11.99kV；S5为5次谐波，大小为21.495kV；S6为7次谐波，大小为9.89kV。
步骤4、利用式(2)计算所述涌流层换流器引起换相失败的阈值Th2；
Figure GDA0004228861560000051
式(2)中，M为换相失败面积裕度，并由式(3)得到，ΔU为电压下降率；
Figure GDA0004228861560000052
式(3)中，Sμ1max为涌流层换流器的极限换相面积，Sμ1为涌流层换流器的换相面积；通过工作下关断角大小和逆变侧触发角，利用式(4)计算换流器换相面积，其中，γ取正常工作关断角时，计算得到换流器正常换相面积Sμ1，取极限关断角大小，计算得到换流器极限换相面积Sμ1max；
Figure GDA0004228861560000053
式(4)中，γ为关断角，α为延迟触发角；可计算本实施案例之中，换流器正常换相所需换相面积为0.1577E/ω。通过最小关断角和逆变侧触发角，可计算本实施案例之中换流器换相成功的极限情况下的换相面积为0.1939E/ω。由此，可以计算在励磁涌流导致的换相电压畸变影响下，换流器换相成功时换相电压积分面积裕度M为22.955％。通过发生励磁涌流后下降的换流母线电压有效值和正常换流母线电压有效值，可以计算电压下降率为11.5888％。根据公式
Figure GDA0004228861560000054
可以计算得出评判换相失败阈值为25.958％。
步骤5、初始化i＝1；
步骤6、利用式(5)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si引起换相失败的临界值E'i，并判断Si是否大于临界值E'i，若是，则表示Si对应的单次谐波引起涌流层换流器发生换相失败，并结束判定过程；否则，执行步骤7；
Figure GDA0004228861560000055
式(5)中，μ为换相重叠角，M为换相失败裕度，E1为基波电压幅值；利用式(5)，计算单次谐波造成换相失败的所需最小谐波电压的值。可以计算得到S1，S2，S3，S4，S5，S6所在次谐波造成换相失败最小谐波电压为127.1415kV，146.8103kV，134.8539kV，164.5322kV，190.1722kV，230.3456kV。
步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>6是否成立，若成立，则执行步骤8，否则返回步骤6；执行循环操作，由于S1，S2，S3，S4，S5，S6所在次谐波造成换相失败最小谐波电压均大于此时S1，S2，S3，S4，S5，S6的值。因此，执行步骤8。
步骤8、换相电压时间积分面积如式(6)所示：
Figure GDA0004228861560000061
式(6)中，Sμ1为基波电压时间积分面积。换流变合闸过程中，换相电压畸变越严重，相应的换流器叠弧时间越长，关断角裕度越小。第n次谐波换相面积如式(7)所示：
Figure GDA0004228861560000062
假设
Figure GDA0004228861560000066
近似定量计算第n次谐波最大换相面积。
利用式(8)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si的谐波电压影响因子Fi；
Figure GDA0004228861560000063
式(8)中，ni为Si对应谐波次数，E1为基波电压幅值；谐波电压与基波电压幅值的比值通常可用有效值之比代替。Fi越大，表示第i个判定元素Si对基波电压换相面积影响越大，越容易发生换相失败。
步骤9、利用式(9)计算涌流层换流器的励磁涌流总谐波畸变值ICTHD：
Figure GDA0004228861560000064
式(9)中，F0表示n＝2时，利用式(8)计算的直流分量影响因子；使用谐波电压与基波电压有效值计算谐波影响因子，可计算S1至S6对应的谐波电压谐波因子与直流分量影响因子，计算结果如表1所示。
表1不同励磁涌流严重程度下各次谐波电压与直流电压影响因子
Figure GDA0004228861560000065
步骤10、若ICTHD>Th2，则判定涌流层换流器的电压畸变会引起换相失败；否则，判定涌流层换流器的电压畸变不会引起换相失败。计算励磁涌流总谐波畸变值，ICTHD如图6所示，此时ICTHD值为36.0589％，与Th2值25.958％进行比较，判定此时励磁涌流合闸引起了换相失败。使用关断角波形图7进行验证，由关断角波形图可知，此时发生换相失败，判断准确。
本实施例中，一种电子设备，包括存储器以及处理器，该存储器用于存储支持处理器执行该方法的程序，该处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
本实施例中，一种计算机可读存储介质，是在计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行该方法的步骤。

Claims (3)

1.一种适用于特高压换流变合闸换相失败判定方法，其特征是应用于分层接入特高压直流系统中，并按照如下步骤进行：
步骤1、对特高压换流变进行合闸操作，并实时采集分层接入特高压直流系统的受端交流母线电压、特高压换流变的一次侧电流、特高压换流变的延迟触发角、特高压换流变的正常工作关断角；
步骤2、若特高压换流变的一次侧电流直流含量的变化值大于所设定阈值Th1且变化时间低于所设定的检测时间Tset1，则表示产生励磁涌流，并将特高压换流器判定为涌流层换流器，执行步骤3；否则，返回步骤1；
步骤3、将涌流层换流器的一次侧电流与受端交流母线电压分别进行傅里叶分解，相应得到n次谐波电流幅值{Ij|j＝1,2,…,n}和n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}；其中，Ij表示第j次谐波电流幅值，Ej表示第j次谐波电压幅值；
对{Ij|j＝1,2,…,n}进行降序排序，并依据排序后的n次谐波电流幅值，对{Ej|j＝1,2,…,n}进行重新排序，得到排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}，其中，Ej表示排序后的第j次谐波电压幅值；
将排序后的n次谐波电压幅值{Ej|j＝1,2,…,n}中的前六位电压幅值依次存入六个变量S1、S2、S3、S4、S5、S6中，从而构建励磁涌流谐波判定集合S＝{Si|i＝1,2,…,6}；其中，Si为第i个判定元素，表示将n次谐波电压幅值进行重新排序后第i位电压幅值；
步骤4、利用式(1)计算所述涌流层换流器引起换相失败的阈值Th2；
Figure FDA0004228861550000011
式(1)中，M为换相失败面积裕度，并由式(2)得到，ΔU为电压下降率；
Figure FDA0004228861550000012
式(2)中，Sμ1max为涌流层换流器的极限换相面积，Sμ1为涌流层换流器的换相面积；
步骤5、初始化i＝1；
步骤6、利用式(3)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si引起换相失败的临界值E'i，并判断Si是否大于临界值E'i，若是，则表示Si对应的单次谐波引起涌流层换流器发生换相失败，并结束判定过程；否则，执行步骤7；
Figure FDA0004228861550000021
式(3)中，μ为换相重叠角，M为换相失败裕度，E1为基波电压幅值；ni为Si对应谐波次数；
步骤7、将i+1赋值给i后，判断i>6是否成立，若成立，则执行步骤8，否则返回步骤6；
步骤8、利用式(4)计算励磁涌流谐波判定集合S中第i个判定元素Si的谐波电压影响因子Fi；
Figure FDA0004228861550000022
式(4)中，ni为Si对应谐波次数，E1为基波电压幅值；
步骤9、利用式(5)计算涌流层换流器的励磁涌流总谐波畸变值ICTHD：
Figure FDA0004228861550000023
式(5)中，F0表示ni＝2时，利用式(4)计算的直流分量影响因子；
步骤10、若ICTHD>Th2，则判定涌流层换流器的电压畸变会引起换相失败；否则，判定涌流层换流器的电压畸变不会引起换相失败。
2.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
3.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1所述方法的步骤。
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