基于閥電壓或閥電流的hvdc換相失敗故障診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，包括以下步驟：分析換相失敗機理與換相失敗影響因素；進行換相失敗過程分析，確定換相失敗判據；建立HVDC模型逆變側等效電路，確定換相失敗臨界電感值；仿真驗證診斷結果是否正確。本發明提出基于換流閥電壓或閥電流快速診斷換相失敗的方法，理論分析和仿真結果證明了該方法的準確性和有效性，不存在診斷盲區，且該方法原理簡單，易于實現，具有一定的工程應用價值。
【專利說明】基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法。
【背景技術】
[0002] HVDC憑借輸送容量大、功率調節迅速靈活、可靠性高、非同步聯絡能力強等優點， 近年來在遠距離大容量輸電和大區域電網互聯中發揮著越來越重要的作用 [η]。換相失 敗是HVDC系統最常見的特有故障之一，會導致直流電壓跌落、直流電流突增、直流輸送功 率減小等后果，若無法采取及時有效的控制措施，還會引發后繼的換相失敗，甚至是直流閉 鎖，進而威脅整個交直流系統的安全穩定運行 [4_5]。
[0003] 換相失敗的快速準確診斷是采取有效控制措施的前提。文獻[6]認為只有當熄弧 角小于固有極限熄弧角，且閥電流連續、閥電壓連續為零時，才會發生換相失敗，但該觀點 偏保守，從原理上講，滿足三個條件中的任何一個時即可判斷為換相失敗；文獻[7]詳細推 導了對稱和非對稱故障下引起換相失敗所需的最小電壓降落的計算公式，但該臨界值是在 假定交流系統無窮大的前提下，基于換流器的準穩態方程得出的，推導過程中忽略了故障 期間電壓波形畸變對換相失敗的影響，準確性較差；文獻[8]結合換相角對換相過程進行 分析，得出了換相電壓時間面積與換相失敗的定量關系，但其假定換相電壓為正弦值，且故 障期間直流電流和觸發角為定值；文獻[9]指出通過對直流電流和換流母線電壓的小波分 析，不僅可以有效診斷換相失敗的發生，還能區別導致換相失敗的故障類型，然而其閾值和 判據的設定是與系統的結構和參數相關的，算法比較復雜，工程實現難度大。
[0004] 其中，參考文獻為：
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【發明內容】
[0021] 本發明為了解決上述問題，提出了一種基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故 障診斷方法，本方法分析了換相失敗的機理和過程，從換相失敗的本質特征出發，并基于 MATLAB提供的HVDC模型進行了詳細的仿真分析，仿真結果證明了該方法的準確性和有效 性。
[0022] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0023] -種基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，包括以下步驟：
[0024] (1)分析換相失敗機理與換相失敗影響因素；
[0025] (2)進行換相失敗過程分析，確定換相失敗判據；
[0026] (3)建立HVDC模型逆變側等效電路，確定換相失敗臨界電感值；
[0027] (4)仿真驗證診斷結果是否正確。
[0028] 所述步驟（1)中，換相失敗是指換流器的兩個橋臂結束換相后，剛退出導通的閥 在反向電壓作用期間，如果正向阻斷能力未能恢復，或者換相過程一直未能進行完畢，則閥 電壓轉變為正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相。
[0029] 所述步驟（1)中，換相失敗會導致本應關斷的閥繼續導通，應該導通的閥關斷，使 得換流器在下一個閥開通時形成直流側短路，從而引起直流電壓的跌落和直流電流的突 增；逆變器發生換相失敗的概率大于整流器，整流器只在觸發電路故障時才會發生換相失 敗。
[0030] 所述步驟⑴中，逆變器的熄弧角小于換流閥的固有極限熄弧角Ymin時會發生換 相失敗，其中Y min是晶閘管元件中載流子復合開關建立P-N結阻擋層以恢復正向電壓阻斷 能力所必須的時間，其大小與可控硅元件參數有關，并且隨著施加于可控硅元件上的電壓、 電流的增大而增大，對應的電角度取7?10°。
[0031] 所述步驟（1)中，換相失敗的因素包括：受端交流系統故障、控制系統脈沖異常、 觸發超前角β或熄弧角Y設定值過小、換流閥短路和直流電流增大，對于多饋入直流輸電 系統，還包括逆變站間的電氣耦合關系。
[0032] 所述步驟（2)中，換相失敗總是伴隨著某些閥的持續導通，正常情況下每個閥僅 導通120°，且持續時間至少為一個周波，表現為對應的閥電壓持續為零、閥電流持續非零 并保持較高幅值，為1. 5-2. 5倍的額定電流，將其作為換相失敗的本質特征，同時由于易于 測量閥電壓和閥電流，故提出將閥電壓持續為零或閥電流持續非零作為換相失敗的新判 據，即閥電壓持續為零的時間t u或閥電流持續非零的時間&滿足如下關系時，判定發生了 換相失敗：
[0033]
【權利要求】
1. 一種基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征是：包括以下步 驟： (1) 分析換相失敗機理與換相失敗影響因素； (2) 進行換相失敗過程分析，確定換相失敗判據； (3) 建立HVDC模型逆變側等效電路，確定換相失敗臨界電感值； (4) 仿真驗證診斷結果是否正確。
2. 如權利要求1所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（1)中，換相失敗是指換流器的兩個橋臂結束換相后，剛退出導通的閥在反向 電壓作用期間，如果正向阻斷能力未能恢復，或者換相過程一直未能進行完畢，則閥電壓轉 變為正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相。
3. 如權利要求2所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（1)中，換相失敗會導致本應關斷的閥繼續導通，應該導通的閥關斷，使得換 流器在下一個閥開通時形成直流側短路，從而引起直流電壓的跌落和直流電流的突增；逆 變器發生換相失敗的概率大于整流器，整流器只在觸發電路故障時才會發生換相失敗。
4. 如權利要求3所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（1)中，逆變器的熄弧角小于換流閥的固有極限熄弧角Ymin時會發生換相失 敗，其中Ymin是晶閘管元件中載流子復合開關建立P-N結阻擋層以恢復正向電壓阻斷能力 所必須的時間，其大小與可控硅元件參數有關，并且隨著施加于可控硅元件上的電壓、電流 的增大而增大，對應的電角度取7?10°。
5. 如權利要求1所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（1)中，換相失敗的因素包括：受端交流系統故障、控制系統脈沖異常、觸發超 前角P或熄弧角Y設定值過小、換流閥短路和直流電流增大，對于多饋入直流輸電系統， 還包括逆變站間的電氣耦合關系。
6. 如權利要求1所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（2)中，換相失敗總是伴隨著某些閥的持續導通，正常情況下每個閥僅導通 120°，且持續時間至少為一個周波，表現為對應的閥電壓持續為零、閥電流持續非零并保 持較高幅值，為1. 5-2. 5倍的額定電流，將其作為換相失敗的本質特征，同時由于易于測量 閥電壓和閥電流，故提出將閥電壓持續為零或閥電流持續非零作為換相失敗的新判據，即 閥電壓持續為零的時間tu或閥電流持續非零的時間&滿足如下關系時，判定發生了換相失 敗： 其中，f為交流系統基波頻率。
7. 如權利要求1所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（3)中，HVDC逆變側換流母線發生故障時，引起換相失敗所需的最小電壓跌落 的計算公式為：
其中，Id和1/分別代表額定直流電流和電壓跌落期間的直流電流，Xctu為標么值表示 的等值換相電抗，Yo和Y分別代表固有極限熄弧角和正常運行時逆變器熄弧角整定值。
8. 如權利要求7所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（3)中，建立HVDC模型逆變側等效電路，將換流母線電壓替換為最小電壓跌落 值，計算臨界電感值為：
其中，Xeq代表受端交流系統等值電抗，代表換流母線并聯的無功補償器的容抗，Xf 為三相接地故障的故障電抗。
9. 如權利要求1所述的基于閥電壓或閥電流的HVDC換相失敗故障診斷方法，其特征 是：所述步驟（4)中，使用MTLAB進行逆變側換流母線三相故障、逆變側換流母線單相故障 的仿真，進行驗證。
【文檔編號】G01R31/00GK104267288SQ201410524823
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月8日 優先權日:2014年10月8日
【發明者】云玉新, 劉民 申請人:國家電網公司, 國網山東省電力公司電力科學研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
