技术领域
[0001] 本
发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法。
背景技术
[0002] 随着特高压直流输电系统的快速发展与
电压等级(±800kV至±1100kV)、传输容量(6400MW到12000MW)的快速提升，越来越多的特高压工程处于投运状态与建设状态，使得电
力系统愈发呈现“强直弱交”特性。这种
电网格局使得：(1)直流故障下的动态扰动量很强；(2)交流系统承载故障的能力较弱。
[0003] 特高压直流输电的核心装置为换流器，一般采用晶闸管作为换相器件，但晶闸管只具有单向导通的能力，即当施加在晶闸管
阀上的电压为正时，若此时给定晶闸管触发脉冲可控制晶闸管的导通，但要使得晶闸管关断，只有在晶闸管阀上的电压为负(线电压自然过零点)时才能关断。因此在交流系统电压降低时，逆变器存在换相失败的
风险，一旦直流系统发生换相失败，引起直流系统的短时功率传输中断会对送、受端交流系统电压、
频率的造成冲击，严重威胁电力系统的安全稳定运行。
[0004] 目前，特高压直流输电系统采用的换相失败判别方法是：假设直流电流不变，检测交流系统电压有效值，通过计算逆变器关断
角，当计算得到的关断角小于换相所需的最小关断角时，认为逆变器发生换相失败。但当逆变侧交流系统电压降低时，由于直流控制系统延时滞后特性，直流电流也会随之上升，且直流电流上升也会进一步降低关断角，导致现有判别方法无法正确表征逆变器的工作状态，无法准确对换相失败进行判别。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，在考虑逆变侧交流系统故障后直流电流的动态变化的前提下，实现了对换相失败的有效判别，可有效提高交直流混联系统运行风险评估结果，为保障电力系统的安全稳定运行提供依据。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 一种考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，所述方法包括以下步骤：
[0008] S1：获取逆变器关断角的表达式，并基于直流输电线路等效电感、电容以及平波电抗器，对特高压直流输电线路进行建模，得到等效
电路；
[0009] S2：基于等效电路，分别对整流侧换流
母线电与整流侧直流电压间的关系、逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间的关系进行线性化处理和拉普拉斯变换；
[0010] S3：整流侧定电流控制建模，获得定电流
控制器的传递函数；
[0011] S4：计算逆变侧换流母线电压故障后电压，并进行拉普拉斯变换；
[0012] S5：根据低压限流控
制动作特性与逆变侧直流电压计算方法，计算直流电流指令值；
[0013] S6：结合S1-S5的处理结果，获得直流电流表达式，在直流标准测试系统下，对直流电流表达式进行拉普拉斯反变换，得到直流电流的解析表达式；
[0014] S7：根据直流电流的解析表达式确定直流电流最大值，将直流电流最大值代入逆变器关断角表达式中，分别获得单相接地故障下的关断角表达式和三相
短路故障下的关断角表达式；
[0015] S8：判断如果发生故障后只有一个相电压发生变化，则转向S9，如果发生故障后有三个相电压均发生变化，则转向S10；
[0016] S9：将单相接地故障下的关断角与逆变器发生换相失败的最小关断角进行比较，当单相接地故障下的关断角小于等于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相失败；当单相接地故障下的关断角大于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相成功；
[0017] S10：将三相短路故障下的关断角与逆变器发生换相失败的最小关断角进行比较，当三相短路故障下的关断角小于等于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相失败；当三相短路故障下的关断角大于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相成功。
[0018] 可选的，所述S1中，所述逆变器关断角的表达式为：
[0019]
[0020] 式中，ULI为逆变侧换流母线电压，XCI为逆变侧换相电抗，IdI为逆变侧直流电流，TI为逆变侧换流
变压器二次侧与一次侧变比为，β为逆变器触发超前角，为逆变换流母线线电压过零点偏移角度；
[0021] 所述等效电路的电压、电流方程为：
[0022]
[0023] 式(2)中，UdR为整流侧直流电压，LR为考虑整流侧平波电抗器与直流电感的等效值，i(0_)为故障时刻的直流电流值，u(0_)为故障时刻直
流线路中点直流电压值，C为直流输电线路等效对地电容，IC为故障期间电容C处的电流值，IdI为逆变侧直流电流，Rd为直流输电线路等效
电阻，LI为考虑逆变侧平波电抗器与直流电感的等效电感，UdI为逆变侧直流电压。
[0024] 可选的，所述S2中，基于等效电路，分别对整流侧换流母线电与整流侧直流电压间的关系、逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间的关系进行线性化处理和拉普拉斯变换，具体包括：
[0025] S201，整流侧换流母线电压与整流侧直流电压间的关系进行线性化处理，则整流侧直流空载直流电压与整流侧直流电压之间的关系为：
[0026]
[0027] 式中，α为整流侧触发角，UdR0为整流侧直流空载直流电压，XCR为整流侧换相电抗，N为脉动换流器的个数；
[0028] 对式(3)中的cosα进行线性化，通过对cosα数据进行离散化，其次对离散数据进行线性拟合，得到拟合方程为：
[0029] cosα＝-0.01326α+1.26231 (4)
[0030] 则根据式(3)与(4)可得整流侧换流母线电压与整流侧直流电压经过线性化处理后的方程，并进行拉普拉斯变化后为：
[0031]
[0032] 式中dR定义为：
[0033]
[0034] S202，同步骤201推导原理，对逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间关系进行线性化处理和拉普拉斯变换，可表示为：
[0035]
[0036] 式中dI定义为：
[0037]
[0038] 可选的，所述S3中，整流侧定电流控制建模，获得定电流控制器的传递函数，具体包括：定电流控制器通过实时测量整流侧直流电流指令值Idref与整流侧直流电流IdI的偏差，经过比例-积分环节输出整流侧触发角，定电流控制器的传递函数为：
[0039]
[0040] 式中，IdN为特高压直流系统直流电流额定值，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数。
[0041] 可选的，所述S4中，计算逆变侧换流母线电压故障后电压，并进行拉普拉斯变换，具体包括：若逆变侧交流系统短路导致逆变侧换流母线处电压降低ΔULI，经过拉普拉斯变换后的电压为：
[0042]
[0043] 式中，ULIN为逆变侧换流母线额定运行电压。
[0044] 可选的，所述S5中，根据低压限流控制动作特性与逆变侧直流电压计算方法，计算直流电流指令值，具体包括：
[0045] 直流电流指令值可计算为：
[0046]
[0047] 可选的，所述S6中结合S1-S5的处理结果，获得直流电流表达式，在直流标准测试系统下，对直流电流表达式进行拉普拉斯反变换，得到直流电流的解析表达式，具体包括：
[0048] S601，结合步骤S1至步骤S5的公式(1)至公式(11)可得直流电流计算为：
[0049]
[0050] 式中：
[0051]
[0052] S602，将交直流系统参数(表1)带入式(13)，并对(12)进行拉普拉斯反变换即可求解得到直流电流的解析表达式为：
[0053] IdI(t)＝K1d-K2de-79.878tcos(93.2832t+K3d) (14)
[0054] 式中：K1d、K2d、K3d为：
[0055]
[0056] 可选的，所述S7中，根据直流电流的解析表达式确定直流电流最大值，将直流电流最大值代入逆变器关断角表达式中，分别获得单相接地故障下的关断角表达式和三相短路故障下的关断角表达式，具体包括：
[0057] S701，直流电流最大值IdImax为
[0058]
[0059] S702，将所得出的直流电流最大值带入式(1)中，获得单相接地故障下的关断角表达式：
[0060]
[0061] 三相短路故障下的关断角表达式：
[0062]
[0063] 该技术与
现有技术相比，具有如下有益效果：
[0064] 本发明提供的考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，通过对高压直流输电线路进行准确建模，并对整流侧换流母线电压与整流侧直流电压的关系进行线性化处理，通过对经过线性化处理后的线性电路进行解析计算，当逆变侧交流系统发生故障时，实现对直流电流的准确解析计算，将直流电流对关断角的影响考虑在内，提出一种换相失败判别方法，当计算得到的关断角小于逆变器换相所需的最小关断角时，判定为逆变器发生换相失败，当计算得到的关断角大于换相所需的最小关断角时，判定为逆变器不发生换相失败。本发明在准确计算直流电流的前提下，实现了对逆变器换相失败的有效判别，可有效提高交直流混联系统运行风险评估结果，为保障电力系统的安全稳定运行提供依据。
附图说明
[0065] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0066] 图1为本发明实施例特高压直流输电线路等效电路图；
[0067] 图2是本发明实施例余弦函数线性方程曲线；
[0068] 图3为本发明实施例直流控制系统
框图；
[0069] 图4为本发明实施例低压限流控制特性图；
[0070] 图5为本发明实施例直流电流理论计算与仿真结果对比图；
[0071] 图6为本发明实施例不同故障下的关断角与电压跌落对比图。
具体实施方式
[0072] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073] 本发明的目的是提供一种考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，在考虑逆变侧交流系统故障后直流电流的动态变化的前提下，实现了对换相失败的有效判别，可有效提高交直流混联系统运行风险评估结果，为保障电力系统的安全稳定运行提供依据。。
[0074] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0075] 如图1-4所示，本发明提供的考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，基于CIGRE HVDC高压直流标准测试系统模型参数，包括以下步骤：
[0076] S1：获取逆变器关断角的表达式，并基于直流输电线路等效电感、电容以及平波电抗器，对特高压直流输电线路进行建模，得到等效电路；
[0077] S2：基于等效电路，分别对整流侧换流母线电与整流侧直流电压间的关系、逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间的关系进行线性化处理和拉普拉斯变换；
[0078] S3：整流侧定电流控制建模，获得定电流控制器的传递函数；
[0079] S4：计算逆变侧换流母线电压故障后电压，并进行拉普拉斯变换；
[0080] S5：根据低压限流控制动作特性与逆变侧直流电压计算方法，计算直流电流指令值；
[0081] S6：结合S1-S5的处理结果，获得直流电流表达式，在直流标准测试系统下，对直流电流表达式进行拉普拉斯反变换，得到直流电流的解析表达式；
[0082] S7：根据直流电流的解析表达式确定直流电流最大值，将直流电流最大值代入逆变器关断角表达式中，分别获得单相接地故障下的关断角表达式和三相短路故障下的关断角表达式；
[0083] S8：判断如果发生故障后只有一个相电压发生变化，则转向S9，如果发生故障后有三个相电压均发生变化，则转向S10；
[0084] S9：将单相接地故障下的关断角与逆变器发生换相失败的最小关断角进行比较，当单相接地故障下的关断角小于等于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相失败；当单相接地故障下的关断角大于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相成功；
[0085] S10：将三相短路故障下的关断角与逆变器发生换相失败的最小关断角进行比较，当三相短路故障下的关断角小于等于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相失败；当三相短路故障下的关断角大于逆变器发生换相失败的最小关断角时，则判断为换相成功。
[0086] 其中，所述S1中，所述逆变器关断角的表达式为：
[0087]
[0088] 式中，ULI为逆变侧换流母线电压，XCI为逆变侧换相电抗，IdI为逆变侧直流电流，TI为逆变侧换流变压器二次侧与一次侧变比为，β为逆变器触发超前角，为逆变换流母线线电压过零点偏移角度；
[0089] 所述等效电路的电压、电流方程为：
[0090]
[0091] 式(2)中，UdR为整流侧直流电压，LR为考虑整流侧平波电抗器与直流电感的等效值，i(0_)为故障时刻的直流电流值，u(0_)为故障时刻直流线路中点直流电压值，C为直流输电线路等效对地电容，IC为故障期间电容C处的电流值，IdI为逆变侧直流电流，Rd为直流输电线路等效电阻，LI为考虑逆变侧平波电抗器与直流电感的等效电感，UdI为逆变侧直流电压。
[0092] 其中，所述S2中，基于等效电路，分别对整流侧换流母线电与整流侧直流电压间的关系、逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间的关系进行线性化处理和拉普拉斯变换，具体包括：
[0093] S201，整流侧换流母线电压与整流侧直流电压间的关系进行线性化处理，则整流侧直流空载直流电压与整流侧直流电压之间的关系为：
[0094]
[0095] 式中，α为整流侧触发角，UdR0为整流侧直流空载直流电压，XCR为整流侧换相电抗，N为脉动换流器的个数；
[0096] 对式(3)中的cosα进行线性化，如图2，通过对cosα数据进行离散化，其次对离散数据进行线性拟合，得到拟合方程为：
[0097] cosα＝-0.01326α+1.26231 (4)
[0098] 则根据式(3)与(4)可得整流侧换流母线电压与整流侧直流电压经过线性化处理后的方程，并进行拉普拉斯变化后为：
[0099]
[0100] 式中dR定义为：
[0101]
[0102] S202，同步骤201推导原理，对逆变侧换流母线电压与逆变侧直流电压间关系进行线性化处理和拉普拉斯变换，可表示为：
[0103]
[0104] 式中dI定义为：
[0105]
[0106] 其中，所述S3中，整流侧定电流控制建模，获得定电流控制器的传递函数，具体包括：图3为直流控制系统框图，定电流控制器通过实时测量整流侧直流电流指令值Idref与整流侧直流电流IdI的偏差，经过比例-积分环节输出整流侧触发角，定电流控制器的传递函数为：
[0107]
[0108] 式中，IdN为特高压直流系统直流电流额定值，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数。
[0109] 所述S4中，计算逆变侧换流母线电压故障后电压，并进行拉普拉斯变换，具体包括：若逆变侧交流系统短路导致逆变侧换流母线处电压降低ΔULI，经过拉普拉斯变换后的电压为：
[0110]
[0111] 式中，ULIN为逆变侧换流母线额定运行电压。
[0112] 所述S5中，根据低压限流控制动作特性与逆变侧直流电压计算方法，计算直流电流指令值，具体包括：
[0113] 直流电流指令值可计算为：
[0114]
[0115] 所述S6中结合S1-S5的处理结果，获得直流电流表达式，在直流标准测试系统下，对直流电流表达式进行拉普拉斯反变换，得到直流电流的解析表达式，具体包括：
[0116] S601，结合步骤S1至步骤S5的公式(1)至公式(11)可得直流电流计算为：
[0117]
[0118] 式中：
[0119]
[0120] S602，将交直流系统参数(参见表1)带入式(13)，并对(12)进行拉普拉斯反变换即可求解得到直流电流的解析表达式为：
[0121] IdI(t)＝K1d-K2de-79.878tcos(93.2832t+K3d) (14)
[0122] 式中：K1d、K2d、K3d为：
[0123]
[0124] 当逆变侧交流系统故障导致逆变侧换流母线电压跌落值为0.1时，则直流电流解析表达式为：
[0125] IdI(t)＝0.2464e-79.878t[cos(93.2832t)+3.5463sin(93.2832t)]+2 (16)[0126] 考虑系统控制系统延时动作时间为t0，则直流电流的表达式为：
[0127]
[0128] 考虑t0为3ms时，当逆变侧换流母线电压跌落为0.1pu时的仿真结果与理论结果如图5。
[0129] 表1 CIGRE HVDC直流标准测试系统参数
[0130]
[0131] 所述S7中，根据直流电流的解析表达式确定直流电流最大值，将直流电流最大值代入逆变器关断角表达式中，分别获得单相接地故障下的关断角表达式和三相短路故障下的关断角表达式，具体包括：
[0132] S701，通过对步骤S6得到的直流电流表达式进行求导，得到导数为0的点，最终得到直流电流最大值IdImax为
[0133]
[0134] S702，将所得出的直流电流最大值带入式(1)中，获得单相接地故障下的关断角表达式：
[0135]
[0136] 三相短路故障下的关断角表达式：
[0137]
[0138] 本发明的特点主要在于求解在逆变侧交流系统故障后的直流电流最大值，在交直流系统参数已知的情况下，可通过式(14)与(15)求解得出直流电流的表达式，就可求解得出直流电流最大值IdImax，然后根据不同的故障类型由式(19)与式(20)就可对换相失败准确判别。
[0139] 本发明提供的考虑电流变化的特高压直流输电系统换相失败判别方法，通过对高压直流输电线路进行准确建模，并对整流侧换流母线电压与整流侧直流电压的关系进行线性化处理，通过对经过线性化处理后的线性电路进行解析计算，当逆变侧交流系统发生故障时，实现对直流电流的准确解析计算，将直流电流对关断角的影响考虑在内，提出一种换相失败判别方法，当计算得到的关断角小于逆变器换相所需的最小关断角时，判定为逆变器发生换相失败，当计算得到的关断角大于换相所需的最小关断角时，判定为逆变器不发生换相失败。本发明在准确计算直流电流的前提下，实现了对逆变器换相失败的有效判别，可有效提高交直流混联系统运行风险评估结果，为保障电力系统的安全稳定运行提供依据。
[0140] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0141] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
