CN116184123A - 一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，属于高压直流输电运行分析技术领域。在换相可能区域内，当换相失败识别因子KCF始终小于或等于零时，成功换相；而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。该方法可以准确快速地识别换相失败。区别于传统方法，本发明的方法准确性与快速性几乎不受过渡电阻、故障发生时刻、临界熄弧角取值的影响，可以对于复杂多变的故障环境能展现其快速准确识别的能力。本发明为后续控制系统及时动作进行调节奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，属于高压直流输电运行分析技术领域。
背景技术
基于电网换相的高压直流（LCC-HVDC）技术凭借其在功率损耗和投资成本等方面的优势在电力系统中得到了广泛应用。目前已被应用于跨区域、长距离和大容量输电领域，为解决我国能源和负荷中心的逆向分布问题提供了很好的解决方案。然而，由于LCC-HVDC采用的晶闸管无自关断能力，因此存在一些固有缺陷。换相失败是LCC-HVDC系统中最常见的现象之一，它会导致直流电压降低和直流电流急剧增加。如果不能及时采取有效的控制措施，可能导致后续换相失败，甚至直流闭锁，威胁电力系统的安全稳定运行。
准确快速地识别换相失败的发生是解决高压直流系统换相失败问题的基础。因此，提出一种准确快速的换相失败识别方法，对于后续提供足够的时间裕度实施保护控制，减轻换相失败给电力系统造成的冲击具有重要意义。然而，现有方法存在缺陷，如广泛使用的临界熄弧角法由于晶闸管参数以及暂态过程不同，对于临界熄弧角取值没有共识；轻微故障下，使用某些判据准确性不高，存在识别误区。为了解决上述问题，本发明提出了一个新的方法，即基于换相失败识别因子的换相失败判别方法。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，可以准确、快速地识别换相失败。换相失败识别因子KCF的定义式为：
，基于换相失败识别因子可以判段换相失败是否发生：在换相可能区域内，若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。区别于传统方法，本发明的方法的准确性与快速性几乎不受过渡电阻、故障发生时刻、临界熄弧角取值的影响，可以对于复杂多变的故障环境能展现其快速准确识别的能力。
本发明采用如下技术方案：
一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，换相失败识别因子KCF为：
，其中，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，f n 表示采集区间，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻；/>
若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
优选的，基于换相失败识别因子的换相失败判别方法包括如下步骤：
步骤1：定义换向失败的可能区域；
步骤2：定义换相失败识别因子；
步骤3：计算采集区间；
步骤4：通过换相失败识别因子判断换向成功或失败。
优选的，步骤1中，若在正常换相情况下，故障使直流电流过大时，单桥逆变器可能出现3个桥臂和4个桥臂轮流导通的运行方式，此时换相角μ范围在60°-120°之间；考虑换相极限情况，当同侧桥臂触发脉冲P5上升沿触发之后，P5即为VT5的触发脉冲，VT1恰好结束换相，刚正常导通的阀VT3开始退出导通；
将本次换相与同侧桥臂下一次换相之间定义为此次换向失败的可能区域，例如触发脉冲P3与P5之间为阀VT1可能换相区域，在此区域内，换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程间存在表征关系，可以用于识别是否发生换相失败。
优选的，步骤2具体包括：
（1）被换相阀桥臂电流减小区间
在触发脉冲P3上升沿触发之后，换相过程开始，VT1开始退出导通；在换相过程中，由于换相电感L c的存在，桥臂电流不能瞬间改变；交流系统通过VT1和VT3形成两相短路；VT1的换相电压为U ab；
考虑各相换相电感大小相等，根据基尔霍夫定律可得：
其中，L c 为等效换相电感，u ab为交流线电压，i mn 表示流过第n个桥臂的电流，t表示时间；
假设短路电流为i sc，桥臂电流可描述为：
i d 为直流电流；
将式（2）代入式（1），直流电流i d 无纹波，式(1)可表示为
设初始条件i sc=0，
，对式（3）两侧积分可得短路电流为：
E为交流系统等效电源的线电压有效值，L c 为等效换相电感，α为触发延迟角，ω为交流基波角频率；
则VT1桥臂电流表示为：
因此，在此区间内有
（2）去游离恢复区间
当桥臂电流i m1降为零时，VT1关断，在这个区间内，换向电压U ab仍小于零，电子和空穴复合以恢复正向阻断能力，因此存在
（3）换相电压正向区间
如果换相成功，VT1可靠关断，那么在换相电压由负变正之后，桥臂不会重新导通，存在
如果在反向电压期间没有完成换相过程，或者刚退出导通的阀门未能恢复阻断能力，一旦换向电压由负变正，刚退出导通的阀门则无需触发信号而重新导通，发生换相失败，有
利用换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程的表征关系构造换相失败识别因子KCF：
其中，n表示第n个桥臂，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，i=mov(n+2,6)，表示取(n+2)÷6的余数，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，j=mov(n+4,6)，表示取(n+4)÷6的余数，f n 表示采集区间；
在换相可能区域内，若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
优选的，步骤3中，在各阀的换相可能区域采集其换相电压及桥臂电流，对每个脉冲周期构造时间积分，并在每个周期复位，通过比较各脉冲时间积分的数学关系，从而可以在控制上确定采集区间，采集区间f n 的使能信号定义为：
其中，t p 为此次换相过程触发脉冲的时间积分，t q 为同侧桥臂下一次换相过程触发脉冲的时间积分，当t p <t q 时，f n 等于1；当t p >t q 时，f n 等于0。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
本发明的基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，通过对LCC-HVDC系统中换相过程的分析，发现换相电压，桥臂电流以及触发脉冲与换相过程存在表征关系，提出了一种基于换相电压，桥臂电流和触发脉冲的换相失败识别方法。与传统方法相比，该方法不依赖与临界熄弧角的取值，不受复杂多变的故障情况影响，可以准确、快速地识别换相失败，为后续控制系统及时动作进行调节奠定了基础，对于减轻换相失败给电力系统造成的冲击具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为6脉动Graetz桥式逆变器的拓扑结构图；
图2为采集区间的确定示意图；
图3为标准测试模型接线图；
图4（a）为单相短路故障下交流侧相电压，图4（b）为单相短路故障下桥臂1电流，图4（c）为单相短路故障下桥臂2电流，图4（d）为单相短路故障下桥臂3电流，图4（e）为单相短路故障下桥臂4电流，图4（f）为单相短路故障下桥臂5电流，图4（g）单相短路故障下桥臂6电流；
图5（a）为在单相故障下桥臂换相电压，图5（b）为在单相故障下桥臂电流，图5（c）为在单相故障下桥臂3换相失败识别结果，图5（d）为在单相故障下桥臂4换相失败识别结果；
图6（a）为桥臂换相电压，图6（b）为桥臂电流，图6（c）为桥臂3换相失败识别结果，图6（d）为桥臂4换相失败识别结果，图6（e）为实际熄弧角；
图7为基于换相失败识别因子的换相失败判别方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，换相失败识别因子KCF为：
，其中，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，f n 表示采集区间，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻；
若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
实施例2
图1为6脉动Graetz桥式逆变器的拓扑结构图，下述计算方法均基于该拓扑结构展开，本发明可以适用于6脉动或12脉动Graetz桥式逆变器，12脉动逆变器结构为2个6脉动换流器在直流侧串联组成；
VT1~VT6为第1~6个桥臂；i d 为直流电流；U d 为直流侧电压；u a 、u b 、u c 为交流系统相电压；6脉动Graetz桥式逆变器由六个晶闸管桥臂组成，按1-6的顺序依次导通。正常运行时，在60°的重复周期中，由2个桥臂与3个桥臂轮流导通。在VT1和VT3换相前，VT1和VT2导通，直流侧连接A和C两相交流电源，端口电压为u ac ，直流电流i d 流经VT1和VT2。VT3触发脉冲到来后，若VT3两端电压u ba 为正，则立即导通，VT1开始向VT3换相。
如图7所示，一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法包括如下步骤：
步骤1：定义换向失败的可能区域
若在正常换相情况下，故障使直流电流过大时，单桥逆变器可能出现3个桥臂和4个桥臂轮流导通的运行方式，此时换相角μ范围在60°-120°之间；考虑换相极限情况，当同侧桥臂触发脉冲P5上升沿触发之后，P5即为VT5的触发脉冲，VT1恰好结束换相，刚正常导通的阀VT3开始退出导通；
将本次换相与同侧桥臂下一次换相之间定义为此次换向失败的可能区域，例如触发脉冲P3与P5之间为阀VT1可能换相区域，在此区域内，换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程间存在表征关系，可以用于识别是否发生换相失败。图7中，f n 表示采集区间，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻。
步骤2：定义换相失败识别因子
（1）被换相阀桥臂电流减小区间
在触发脉冲P3上升沿触发之后，换相过程开始，VT1开始退出导通；在换相过程中，由于换相电感L c的存在，桥臂电流不能瞬间改变；交流系统通过VT1和VT3形成两相短路；VT1的换相电压为U ab；
考虑各相换相电感大小相等，根据基尔霍夫定律可得：
其中，L c 为等效换相电感，u ab为交流线电压，i mn 表示流过第n个桥臂的电流，t表示时间；
假设短路电流为i sc，桥臂电流可描述为：
将式（2）代入式（1），直流电流i d 无纹波，式(1)可表示为
设初始条件i sc=0，
，对式（3）两侧积分可得短路电流为：
E为交流系统等效电源的线电压有效值，L c 为等效换相电感，α为触发延迟角，ω为交流基波角频率；
则VT1桥臂电流表示为：
因此，在此区间内有
（2）去游离恢复区间
当桥臂电流i m1降为零时，VT1关断，在这个区间内，换向电压U ab仍小于零，电子和空穴复合以恢复正向阻断能力，因此存在
（3）换相电压正向区间
如果换相成功，VT1可靠关断，那么在换相电压由负变正之后，桥臂不会重新导通，存在
如果在反向电压期间没有完成换相过程，或者刚退出导通的阀门未能恢复阻断能力，一旦换向电压由负变正，刚退出导通的阀门则无需触发信号而重新导通，发生换相失败，有
利用换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程的表征关系构造换相失败识别因子KCF：
其中，n表示第n个桥臂，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，i=mov(n+2,6)，表示取(n+2)÷6的余数，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，j=mov(n+4,6)，表示取(n+4)÷6的余数，f n 表示采集区间；
在换相可能区域内，若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
步骤3：计算采集区间
在各阀的换相可能区域采集其换相电压及桥臂电流，以VT1到VT3的换相过程为例，当VT3被触发，VT1、VT3开始换相；当VT5被触发时，同一侧桥臂的下一个换向过程开始（如图1所示，VT1、VT3、VT5位于同一侧桥臂），因此，对每个脉冲周期构造时间积分，并在每个周期复位，通过比较各脉冲时间积分的数学关系，从而可以在控制上确定采集区间，采集区间f n 的使能信号定义为：
其中，t p 为此次换相过程触发脉冲的时间积分，t q 为同侧桥臂下一次换相过程触发脉冲的时间积分，当t p <t q 时，f n 等于1；当t p >t q 时，f n 等于0。如图2所示，t p =t q 是时间积分的置零点，不会出现t p =t q 的情况。
公式（11）为三元运算，语句为：条件表达式?表达式1：表达式2。
问号前面的位置是判断的条件，为true时调用表达式1，为false时调用表达式2；
式（10）是对f n 的定义，式（11）是f n 逻辑上的实现。
步骤4：通过换相失败识别因子判断换向成功或失败。
方法验证：
本发明基于CIGRE BENCH MARK HVDC标准测试模型，在MATLAB/Simulink中搭建了换相失败识别模块。直流系统额定电压为500kV，额定电流为2kA。接线图如图3所示，在逆变器侧的交流母线上设置故障，以验证所提出的换相失败识别方法的可行性。
在逆变侧变流器A相母线上设置短路故障，接地电阻为10Ω。故障起始时刻为0.65s，持续时间为0.1s。单相短路故障下逆变侧交流相电压和桥臂电流波形如图4所示。从图4(a)可以看出，0.65s时发生A相短路故障，逆变侧交流母线三相电压发生严重畸变。对比图4(b)-(g)6个桥臂电流，故障发生后，VT1到VT3以及VT2到VT4正常换相，首次换相失败发生在t1=0.665s时VT3到VT5的换相。然后从VT4到VT6的换相在t2=0.669s时失败。在t3=0.685s时VT3到VT5的再次发生换相失败。在t4=0.689sVT4到VT6的再次发生换相失败。此后功率传输中断，各桥臂电流为0。
换相失败识别模块在触发脉冲P5上升沿时刻之后，开始检测VT3是否发生换相失败。采集桥臂电流和换相电压用于换相失败识别。图5为本发明所提方法在单相故障下换相失败识别结果。从图5(a)可以看出，在VT3换相可能区域内出现桥臂3换相电压u com_3在t1=0.665s及t3=0.685s时由负变正，在VT4换相可能区域内出现桥臂4换相电压u com_4在t2=0.669s及t4=0.689s时由负变正，而此时图5(b)中的桥臂3电流i m3大于零，桥臂4电流i m4大于零，因此依据本发明所提方法计算出换相失败识别因子KCF大于零，识别出VT3以及VT4换相失败，识别结果如图5(c)(d)所示。所提出的换相失败识别方法能无遗漏地依次检测到换相失败，其顺序为：VT3、VT4、VT3、VT4，同时可以检测到每次各桥臂换相失败发生时刻。
不同换相失败识别方法比较如图6。图6(a)所示故障发生后换相电压波形发生畸变，对换相条件造成不利影响。图6(b)表明在此故障下桥臂3和桥臂4共发生4次倒换相，本发明所提方法的检测结果如图6(c)(d)所示，所提出的换相失败识别方法能无遗漏地依次检测到换相失败。从图6(e)可以看出通过仿真测得的实际熄弧角最小值为8.2°。若采用临界熄弧角的方法，当临界熄弧角认为是7°时，则认为逆变器中没有发生换相失败，这与实际桥臂电流波形得出的结论相矛盾。而当临界熄弧角设为10°时，则认为逆变器中发生换相失败，这与实际桥臂电流波形得出的结论一致。因此，对于临界熄弧角的取值不同，所得结论也不同。通过对比可得本发明所提出的换相失败识别方法快速准确。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，其特征在于，换相失败识别因子KCF为： 
，其中，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，f n 表示采集区间，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻；
若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
2.根据权利要求1所述的基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：定义换向失败的可能区域；
步骤2：定义换相失败识别因子；
步骤3：计算采集区间；
步骤4：通过换相失败识别因子判断换向成功或失败。
3.根据权利要求1所述的基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，其特征在于，步骤1中，若在正常换相情况下，故障使直流电流过大时，单桥逆变器可能出现3个桥臂和4个桥臂轮流导通的运行方式，此时换相角μ范围在60°-120°之间；考虑换相极限情况，当同侧桥臂触发脉冲P5上升沿触发之后，P5即为VT5的触发脉冲，VT1恰好结束换相，刚正常导通的阀VT3开始退出导通；
将本次换相与同侧桥臂下一次换相之间定义为此次换向失败的可能区域，在此区域内，换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程间存在表征关系，用于识别是否发生换相失败。
4.根据权利要求3所述的基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，其特征在于，步骤2具体包括：
（1）被换相阀桥臂电流减小区间
在触发脉冲P3上升沿触发之后，换相过程开始，VT1开始退出导通；在换相过程中，由于换相电感L c的存在，桥臂电流不能瞬间改变；交流系统通过VT1和VT3形成两相短路；VT1的换相电压为U ab；
考虑各相换相电感大小相等，根据基尔霍夫定律得：
其中，L c 为等效换相电感，u ab为交流线电压，i mn 表示流过第n个桥臂的电流，t表示时间；
假设短路电流为i sc，桥臂电流描述为：
i d 为直流电流；
将式（2）代入式（1），直流电流i d 无纹波，式(1)表示为
设初始条件i sc=0，
，对式（3）两侧积分得短路电流为：
E为交流系统等效电源的线电压有效值，L c 为等效换相电感，α为触发延迟角，ω为交流基波角频率；
则VT1桥臂电流表示为：
因此，在此区间内有
（2）去游离恢复区间
当桥臂电流i m1降为零时，VT1关断，在这个区间内，换向电压U ab仍小于零，电子和空穴复合以恢复正向阻断能力，因此存在
（3）换相电压正向区间
如果换相成功，VT1可靠关断，那么在换相电压由负变正之后，桥臂不会重新导通，存在
如果在反向电压期间没有完成换相过程，或者刚退出导通的阀门未能恢复阻断能力，一旦换向电压由负变正，刚退出导通的阀门则无需触发信号而重新导通，发生换相失败，有
利用换相电压、桥臂电流、触发脉冲三者与换相失败过程的表征关系构造换相失败识别因子KCF：
其中，n表示第n个桥臂，i mn 表示流过桥臂n的电流，u com_n 表示桥臂n的换相电压，t i 表示第i个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，i=mov(n+2,6)，表示取(n+2)÷6的余数，t j 表示第j个桥臂的触发脉冲上升沿时刻，j=mov(n+4,6)，表示取(n+4)÷6的余数，f n 表示采集区间；
在换相可能区域内，若正常换相，换相失败识别因子KCF始终小于或等于零，而当换相失败识别因子KCF大于0时，则认为换相失败发生。
5.根据权利要求4所述的基于换相失败识别因子的换相失败判别方法，其特征在于，步骤3中，在各阀的换相可能区域采集其换相电压及桥臂电流，对每个脉冲周期构造时间积分，并在每个周期复位，通过比较各脉冲时间积分的数学关系，从而在控制上确定采集区间，采集区间f n 的使能信号定义为：
其中，t p 为此次换相过程触发脉冲的时间积分，t q 为同侧桥臂下一次换相过程触发脉冲的时间积分，当t p <t q 时，f n 等于1；当t p >t q 时，f n 等于0。
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