CN109861267B - 基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，根据高压直流输电系统稳态运行下的工况，采集逆变侧换流母线电压、触发角、熄弧角参数；根据预想故障类型，采集故障下逆变站换流母线电压、触发角、熄弧角的暂态实时参数；以换相面积法为分析基础，利用换相等面积法推导故障情况下直流换相成功所需的最小熄弧角表达式；根据熄弧角表达式以及采集的系统相关稳态、暂态参数计算熄弧角判据；根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束；根据连续换相失败判据启动无功紧急控制。本发明能够达到加快系统恢复甚至抵御连续换相失败的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，尤其是一种基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法。
背景技术
高压直流输电作为一种具有远距离、大容量、高效能源传输优点的技术备受关注，随着“西电东送”工程的的进一步发展，电网“强直弱交”特性日益凸显。电网大规模互联使得交直流耦合作用日益密切，交、直流输电系统之间和直、直流输电系统之间的相互影响已经无法避免。同时，电网运行工况多样性也导致电力系统的恢复更为复杂。实际工程中，由交流电网的扰动引起换相失败的现象很常见。直流换相失败导致的传输功率瞬降，将可能引发一系列如：受端电网频率、电压失稳的问题，甚至引发电力安全事故。对于弱送端电网而言，系统的换相失败可能导致薄弱断面突破限额、系统发生暂态失稳的风险。直流换相失败后的交直流交互影响可能影响受端电网电压恢复，甚至造成多回直流同时或相继发生换相失败。
一般而言，单次换相失败持续时间短，故障过程中导致的电压暂降、功率冲击以及电流冲击对直流本体以及受端交流电网的影响不是很严重，而当系统发生连续换相失败时，如在一定时间内系统无法恢复，将导致直流闭锁。连续换相失败是介于单次换相失败和直流闭锁之间的一种情况，也是对电网安全稳定运行有较大威胁的情况之一，因此聚焦系统连续换相失败，制定相应的预测手段以及紧急无功控制措施是十分必要的。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，能够达到加快系统恢复甚至抵御连续换相失败的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，包括如下步骤：
(1)根据高压直流输电系统稳态运行下的工况，采集逆变侧换流母线电压、触发角、熄弧角参数；
(2)根据预想故障类型，采集故障下逆变站换流母线电压、触发角、熄弧角的暂态实时参数；
(3)以换相面积法为分析基础，利用换相等面积法推导故障情况下直流换相成功所需的最小熄弧角表达式；
(4)根据熄弧角表达式以及采集的系统相关稳态、暂态参数计算熄弧角判据；
(5)根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束；
(6)根据连续换相失败判据启动无功紧急控制。
优选的，步骤(3)中，以换相面积法为分析基础，利用换相等面积法推导故障情况下直流换相成功所需的最小熄弧角表达式具体包括如下步骤：
(31)系统稳态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法：任意两个阀之间进行换相，换相过程中忽略晶闸管的导通压降，且平波电抗器得电感很大，可以假设平波电抗器得电感为无穷大，则整个换相过程换流母线电压—时间面积为：
其中，U0为稳态情况下换相电压；β为系统逆变侧触发超前角；γ为熄弧角；ω为系统运行角频率；
(32)系统暂态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法与稳态计算方法一致，故障下换相面积公式：
其中，Uf为暂态情况下换相电压；β'为系统逆变侧触发超前角；γ'为熄弧角；ω为系统运行角频率。
优选的，步骤(4)中，根据熄弧角表达式以及采集的系统相关稳态、暂态参数计算熄弧角判据具体为：根据系统稳态运行时的换相电压—时间面积公式和系统暂态情况下的换相电压—时间面积公式，为保证故障下系统能够提供足够大小的换相面积支撑系统正常完成换相，则在故障情况下系统所需要的熄弧角至少为：
其中，π-β的值为步骤一中采集的稳态触发角的值，π-β'的值即等于步骤(2)中采集的暂态触发角的值，U0为稳态情况下换相电压；β为稳态情况下系统逆变侧触发超前角；γ为稳态熄弧角；ω为系统运行角频率；U1为暂态情况下换相电压；β'为暂态下系统逆变侧触发超前角；
计算中为考虑判据具有足够的裕值，将故障下系统完成正常换相所需要的熄弧角计算公式修改为：
将稳态熄弧角γ的取值改为临界换相失败的临界熄弧角γmin，增大预测精确度。
优选的，步骤(5)中，根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束具体为：根据稳态和暂态下采集到的系统参数计算得到实时的熄弧角判据，并与故障情况下系统逆变站的实时熄弧角进行比较，当系统实时熄弧角小于熄弧角判据计算值时，表明系统无法提供足够的换相面积支撑直流完成换相，有发生换相失败的风险，当该情况出现两次及以上时，则判断系统将有发生连续换相失败的风险。
优选的，步骤(6)中，根据连续换相失败判据启动无功紧急控制具体为：根据连续换相失败的判断结果，在熄弧角判据预测到系统具有发生连续换相失败风险时，采取控制装置使能脉冲的方法，将静止无功补偿器的开放脉冲时机控制在判据判断系统发生连续换相失败的提前范围内，紧急开放使能脉冲，将TSC+TCR组成的静止无功补偿器紧急进行投入。
本发明的有益效果为：根据等换相面积法基础上推导出的熄弧角判据公式，结合系统稳态和对称故障暂态下的运行参数进行熄弧角判据的实时计算与判断，然后根据熄弧角判据本身的提前预测量，制定静止无功补偿器的紧急投切控制，在发生一次换相失败至第二次换相失败的过程中向系统补偿紧急无功，提升换流母线电压，抑制后续换相失败的发生，达到加快系统恢复甚至抵御连续换相失败的目的，有效帮助受端电网安全稳定运行，为电网安全稳定运行提供可靠参考。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2(a)为本发明的熄弧角判据计算所需要的系统故障暂态量示意图。
图2(b)为本发明的熄弧角判据计算所需要的系统故障暂态量示意图。
图3为本发明的熄弧角预测判据和系统故障情况下实时熄弧角曲线的对比示意图。
图4(a)为本发明的基于熄弧角预测判据的静止无功补偿器紧急无功控制下对系统功率、电压、熄弧角的提升效果示意图。
图4(b)为本发明的基于熄弧角预测判据的静止无功补偿器紧急无功控制下对系统功率、电压、熄弧角的提升效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据高压直流输电系统稳态运行下的工况，采集逆变侧换流母线电压、触发角、熄弧角参数；
步骤2：根据预想故障类型，采集故障下逆变站换流母线电压、触发角、熄弧角的暂态实时参数；
步骤3：以换相面积法为分析基础，利用换相等面积法推导故障情况下直流换相成功所需的最小熄弧角表达式，具体方法如下：
(1)系统稳态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法：任意两个阀之间进行换相，换相过程中忽略晶闸管的导通压降，且平波电抗器得电感很大，可以假设平波电抗器得电感为无穷大，则整个换相过程换流母线电压—时间面积为：
其中，U0为稳态情况下换相电压；β为系统逆变侧触发超前角；γ为熄弧角；ω为系统运行角频率。
(2)系统暂态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法与稳态计算方法一致，故障下换相面积公式：
其中，Uf为暂态情况下换相电压；β'为系统逆变侧触发超前角；γ'为熄弧角；ω为系统运行角频率。
步骤4：根据熄弧角表达式以及采集的系统相关稳态、暂态参数计算熄弧角判据，具体方法如下：
(1)根据系统稳态运行时的换相电压—时间面积公式和系统暂态情况下的换相电压—时间面积公式，为保证故障下系统能够提供足够大小的换相面积支撑系统正常完成换相，则在故障情况下系统所需要的熄弧角至少为：
其中，π-β的值为步骤一中采集的稳态触发角的值，π-β'的值即等于步骤二中采集的暂态触发角的值，U0为稳态情况下换相电压；β为稳态情况下系统逆变侧触发超前角；γ为稳态熄弧角；ω为系统运行角频率；U1为暂态情况下换相电压；β'为暂态下系统逆变侧触发超前角；
计算中为考虑判据具有足够的裕值，将故障下系统完成正常换相所需要的熄弧角计算公式修改为：
将稳态熄弧角的取值改为临界换相失败的临界熄弧角，增大预测精确度。
步骤5：根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束，具体方法如下：
根据稳态和暂态下采集到的系统参数计算得到实时的熄弧角判据，并与故障情况下系统逆变站的实时熄弧角进行比较，当系统实时熄弧角小于熄弧角判据计算值时，表明系统无法提供足够的换相面积支撑直流完成换相，有发生换相失败的风险，当该情况出现两次及以上时，则判断系统将有发生连续换相失败的风险。
步骤6：根据连续换相失败判断结果以及判据启动无功紧急控制，具体方法如下：
根据连续换相失败的判断结果，在熄弧角判据预测到系统具有发生连续换相失败风险时，采取控制装置使能脉冲的方法，将静止无功补偿器的开放脉冲时机控制在判据判断系统发生连续换相失败的提前范围内，紧急开放使能脉冲，将TSC+TCR组成的静止无功补偿器紧急进行投入。
以PSCAD中的例程CIGRE HVDC模型为例进行案例说明，系统模型为单极HVDC系统，直流侧500kv，容量1000MW，逆变侧交流额定电压为230kv，CIGRE HVDC模型中系统短路比SCR＝2.5，为典型的弱交流系统。
根据熄弧角判据公式和图2(a)和图2(b)中的暂态电气量计算得到熄弧角判据预测曲线图，并将其与系统实时熄弧角进行比较，结果如图3所示：根据熄弧角判据预测和实际熄弧角的对比分析结果可知，系统实际提供的熄弧角分别在5.00s以及5.10s两个时刻开始逐步小于熄弧角判据，也即系统即将无法提供充足的换相面积支撑正常换相，系统将有发生连续换相失败的风险。系统实际换相失败发生的时间分别为t＝5.00s和t＝5.15s，熄弧角判据具有一定的提前量。
在熄弧角判据的基础上，静止无功补偿器进行紧急控制，得到的仿真结果如图4(a)和图4(b)所示：从仿真实验可以明显看到，系统避免了在t＝5.150s左右会发生的一次功率跌落，且后续功率的恢复非常的平稳，在故障以及恢复过程中的电压也没有出现过调的情况，对于熄弧角的提升更加明显，该方式下基本将熄弧角提升了7°左右。
综上所述，本发明是一种直流连续换相失败预测及紧急控制方法。根据等换相面积法基础上推导出的熄弧角判据公式，结合系统稳态和对称故障暂态下的运行参数进行熄弧角判据的实时计算与判断，然后根据熄弧角判据本身的提前预测量，制定静止无功补偿器的紧急投切控制方案，达到加快系统恢复甚至抵御连续换相失败的目的。本发明基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，建立了熄弧角预测判据用于判断连续换相失败，并在此基础上制定静止无功补偿器的紧急投切控制，为高压直流输电系统的安全、稳定运行提供支持。
Claims (3)
1.基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据高压直流输电系统稳态运行下的工况，采集逆变侧换流母线电压、触发角、熄弧角参数；
(2)根据预想故障类型，采集故障下逆变侧换流母线电压、触发角、熄弧角的暂态实时参数；
(3)以换相面积法为分析基础，利用换相等面积法推导故障情况下直流换相成功所需的最小熄弧角表达式；具体包括如下步骤：
(31)系统稳态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法：任意两个阀之间进行换相，换相过程中忽略晶闸管的导通压降，则整个换相过程换流母线电压—时间面积为：
其中，U0为稳态情况下换相电压；β为稳态情况下系统逆变侧触发超前角；γ为稳态情况下熄弧角；ω为系统运行角频率；
(32)系统暂态运行工况下换相过程中换相电压—时间面积公式计算方法与稳态计算方法一致，故障下换相面积公式：
其中，Uf为暂态情况下换相电压；β′为暂态下系统逆变侧触发超前角；γ'为熄弧角；ω为系统运行角频率；
(4)根据最小熄弧角表达式以及采集的系统相关稳态、暂态参数计算熄弧角判据；具体为：根据系统稳态运行时的换相电压—时间面积公式和系统暂态情况下的换相电压—时间面积公式，为保证故障下系统能够提供足够大小的换相面积支撑系统正常完成换相，则在故障情况下系统所需要的熄弧角至少为：
其中，π-β的值为步骤一中采集的稳态触发角的值，π-β′的值即等于步骤(2)中采集的暂态触发角的值，U0为稳态情况下换相电压；β为稳态情况下系统逆变侧触发超前角；γ为稳态熄弧角；ω为系统运行角频率；U1为暂态情况下换相电压；β′为暂态下系统逆变侧触发超前角；
计算中为考虑判据具有足够的裕值，将故障下系统完成正常换相所需要的熄弧角计算公式修改为：
将稳态熄弧角γ的取值改为临界换相失败的临界熄弧角γmin，增大预测精确度；
(5)根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束；
(6)根据连续换相失败判据启动无功紧急控制。
2.如权利要求1所述的基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，其特征在于，步骤(5)中，根据熄弧角判据与实时熄弧角的大小比较，确定是否存在发生连续换相失败风险，若有风险，则进入下一步，若无风险，则结束具体为：根据稳态和暂态下采集到的系统参数计算得到实时的熄弧角判据，并与故障情况下系统逆变站的实时熄弧角进行比较，当系统实时熄弧角小于熄弧角判据计算值时，表明系统无法提供足够的换相面积支撑直流完成换相，有发生换相失败的风险，当该情况出现两次及以上时，则判断系统将有发生连续换相失败的风险。
3.如权利要求1所述的基于熄弧角判据的高压直流输电连续换相失败预测及无功紧急控制方法，其特征在于，步骤(6)中，根据连续换相失败判据启动无功紧急控制具体为：根据连续换相失败的判断结果，在熄弧角判据预测到系统具有发生连续换相失败风险时，采取控制装置使能脉冲的方法，将静止无功补偿器的开放脉冲时机控制在判据判断系统发生连续换相失败的提前范围内，紧急开放使能脉冲，将TSC+TCR组成的静止无功补偿器紧急进行投入。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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