一种直流输电系统换相失败的原因分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种直流输电系统换相失败的原因分析方法。现有研究对引起换相失败的原因分析较为片面，或单纯的分析电压幅值下降、相位移动等因素，或忽略原因的分析侧重于控制策略的仿真研究，或直接分析多落点输电系统间的相互影响。本发明专利技术克服了以往换相失败原因分析不全面、单阶段分析较为片面的缺点，如不能考虑二次换相失败的发生，忽略谐波和换流变压器直流偏磁的影响等。本发明专利技术将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对于引起换相失败的主要原因进行分析，其在交直流互联系统发生故障时实现互联系统的运行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种直流输电系统换相失败的原因分析方法
本专利技术属于直流输电系统运行与控制领域，具体地说是一种直流输电系统换相失败的原因分析方法。
技术介绍
交直流混联系统的成功应用可以有效缓解我国能源资源与负荷中心分布不平衡的情况，同时也不存在交流系统连接的同步性问题，提高了电网运行的安全性，但是直流输电工程也面临着一些不可避免的问题。换流器的换相失败是一种非常常见的故障类型，给直流输电系统以及两侧的交流输电系统都带来不可预估的损害和影响。现有研究对引起换相失败的原因分析较为片面，或单纯的分析电压幅值下降、相位移动等因素，或忽略原因的分析侧重于控制策略的仿真研究，或直接分析多落点输电系统间的相互影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种分阶段的直流系统换相失败原因的分析方法，其在交直流互联系统发生故障时实现互联系统的运行稳定性。为此，本专利技术采用如下的技术方案：一种直流输电系统换相失败的原因分析方法，其将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对引起换相失败的主要原因进行分析，包括如下步骤：1)在PSCAD软件中建立500kV、1000MW的直流输电CIGRE国际标准化模型；在逆变侧交流母线出口处设置不同的电气故障，持续相同的时间后切除，用熄弧角的变化作为换相失败的判断依据；观察故障设置前后交流母线电压、直流电流、熄弧角、直流线路传输的无功、有功功率，定性分析这些变量与换相失败的关系；2)建立PSCAD软件与MATLAB软件之间的接口，在PSCAD中通过接口调用MATLAB，将换相失败过程中的接口数据导入MATLAB做数据综合比对；3)将交流故障情况下的交流母线电压波形通过PSCAD与MATLAB的接口送入MATLAB中进行傅里叶谐波分析。本专利技术详细地对各种引起换相失败的原因展开深入的电路仿真和变量分析。将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对于引起换相失败的主要原因进行分析。从故障产生时刻开始，直流输电系统一共发生了两次换相失败，第一次换相失败是由于接地故障造成交流电压的下降，直流电流的上升造成，但是由于控制系统的及时作用和无功功率的及时补偿，在故障未切除之前，单相接地故障中的换相失败的现象得以减轻；在故障切除之后，直流电流、交流电压开始逐渐恢复，直流系统的无功需求变少。但是在直流系统中由于直流电流注入换流变压器，造成换流变压器的直流偏磁，励磁电流中产生了谐波污染，尤其是低次谐波的影响尤为严重，导致交流母线电压波形产生畸变，发生了第二次换相失败。作为上述技术方案的补充，直流输电系统发生换相失败与否与换流器的熄弧角有直接的关系，换流器熄弧角表示为：其中，γ：换流器熄弧角，β：换流器换相超前角，φ：由不对称电压降低而导致的过零相移角，E：换流母线电压有效值，Id：换流器直流侧电流值，Xc：换相电抗，k：换流变压器的变比。作为上述技术方案的补充，在单相交流系统故障时，当直流电流升高到1.3pu(标么值)时，熄弧角降低到8个电角度，此时认为直流输电系统开始发生换相失败。在交流系统发生交流故障后，直流电流的上升与熄弧角的减小之间近似线性变化，即直流电流越高，熄弧角越小。作为上述技术方案的补充，纵向对比三相交流系统故障和单相交流系统故障得，三相交流系统故障时，直流上升比单相交流系统故障时更加剧烈，因此当直流电流升高到1.1pu(标幺值)时就发生换相失败，三相故障时的换相裕度比单相故障时的换相裕度要小。作为上述技术方案的补充，将逆变侧交流母线上电气量非正常运行状态作为主要检测变量。本专利技术克服了以往换相失败原因分析不全面、单阶段分析较为片面的缺点，如不能考虑二次换相失败的发生，忽略谐波和换流变压器直流偏磁的影响等。本专利技术将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对于引起换相失败的主要原因进行分析，其在交直流互联系统发生故障时实现互联系统的运行稳定性。附图说明图1是本专利技术实施例中作为逆变器运行换流器结构图；图2是本专利技术实施例中典型两端直流输电系统CIGRE仿真模型图；图3是本专利技术实施例中交流故障发生前后熄弧角随时间变化情况图；图4是本专利技术实施例中逆变侧交流母线上三相电压最大值变化图；图5是本专利技术实施例中直流系统电压、电流随时间变化图；图6是本专利技术实施例中单相故障时整流侧、逆变侧有功功率变化图；图7是本专利技术实施例中单相故障时整流侧、逆变侧无功功率变化图；图8是本专利技术实施例中逆变侧的交流母线电压波形谐波分析图；图9是本专利技术实施例中交流故障发生前后逆变侧换流变压器励磁电流波形分析图；图10是本专利技术实施例中逆变侧换流变压器磁链分析图；图11是本专利技术实施例中逆变侧换流变压器励磁电流谐波分析图；图12是本专利技术实施例中故障时熄弧角随直流电流的变化曲线图。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。一、原因分析方法如图1所示的换流器工作结构图，本专利技术将交、直流混联系统中的换相失败过程分为不同阶段，在不同阶段，对于引起换相失败的主要原因进行分析。包括如下步骤：(1)本专利技术以最简单的单桥换流器为例，从晶闸管换相的原理上说明了直流输电系统发生换相失败的原因。在PSCAD软件中建立500kV，1000MW的直流输电CIGRE国际标准化模型。在逆变侧交流母线出口处设置不同的电气故障，持续相同的时间后切除。用熄弧角的变化作为换相失败的判断依据。观察故障设置前后交流母线电压、直流电流、熄弧角、直流线路传输的无功、有功功率等变量，定性分析这些变量与换相失败的关系。(2)建立PSCAD软件与MATLAB软件之间的接口，在PSCAD中通过接口调用MATLAB，将换相失败过程中的接口数据导入MATLAB做数据综合比对。(3)将交流故障情况下的交流母线电压波形通过PSCAD与MATLAB的接口送入MATLAB中进行傅里叶谐波分析。直流系统发生换相失败与否与换流器的熄弧角有直接的关系换流器的熄弧角可表示为，其中，γ：换流器熄弧角β：换流器换相超前角φ：由不对称电压降低而导致的过零相移角E：换流母线电压有效值Id：直流线路电流值Xc：换相电抗k：换流变压器的变比交流输电系统的不正常运行，尤其是逆变侧交流母线上的电气量发生不正常变化常常是诱发系统换相过程进行失败的主要原因。故将交流母线上电气量非正常运行状态作为主要检测变量。通过观察熄弧角的变化来判断是否发生换相失败，在理论研究的基础上确定当熄弧角γ低于8°电角度时即判断直流系统发生了换相失败。从故障产生时刻开始，直流系统一共发生了两次换相失败，第一次换相失败是由于接地故障造成交流电压的下降，直流电流的上升造成，但是由于控制系统的及时作用和无功功率的及时补偿，在故障未切除之前，单相接地故障中的换相失败的现象得以减轻在故障切除之后，直流电流、交流电压开始逐渐恢复，直流系统的无功需求变少。但是在直流系统中由于直流电流的注入换流变压器，造成换流变压器的直流偏磁，励磁电流中产生了谐波污染，尤其是低次谐波的影响尤为严重，导致交流母线电压波形产生畸变，发生了第二次换相失败。同时，在交流系统发生后，直流电流的上升与熄弧角的逐渐减小之间近似线性变化，即直流电流越高，熄弧角越小。在单相故障时，当直流电流升高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流输电系统换相失败的原因分析方法，其特征在于，将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对引起换相失败的主要原因进行分析，包括如下步骤：1)在PSCAD软件中建立500kV、1000MW的直流输电CIGRE国际标准化模型；在逆变侧交流母线出口处设置不同的电气故障，持续相同的时间后切除，用熄弧角的变化作为换相失败的判断依据；观察故障设置前后交流母线电压、直流电流、熄弧角、直流线路传输的无功、有功功率，定性分析这些变量与换相失败的关系；2)建立PSCAD软件与MATLAB软件之间的接口，在PSCAD中通过接口调用MATLAB，将换相失败过程中的接口数据导入MATLAB做数据综合比对；3)将交流故障情况下的交流母线电压波形通过PSCAD与MATLAB的接口送入MATLAB中进行傅里叶谐波分析。

【技术特征摘要】
1.一种直流输电系统换相失败的原因分析方法，其特征在于，将交、直流混联系统中的换相失败过程分为两个不同阶段，在不同阶段，对引起换相失败的主要原因进行分析，包括如下步骤：1)在PSCAD软件中建立500kV、1000MW的直流输电CIGRE国际标准化模型；在逆变侧交流母线出口处设置不同的电气故障，持续相同的时间后切除，用熄弧角的变化作为换相失败的判断依据；观察故障设置前后交流母线电压、直流电流、熄弧角、直流线路传输的无功、有功功率，定性分析这些变量与换相失败的关系；2)建立PSCAD软件与MATLAB软件之间的接口，在PSCAD中通过接口调用MATLAB，将换相失败过程中的接口数据导入MATLAB做数据综合比对；3)将交流故障情况下的交流母线电压波形通过PSCAD与MATLAB的接口送入MATLAB中进行傅里叶谐波分析。2.根据权利要求1所述的直流输电系统换相失败的原因分析方法，其特征在于，直流输电系统发生换相...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继红，楼伯良，许多，陆承宇，宣晓华，黄弘扬，马俊超，华文，彭琰，赵一琰，王龙飞，吴跨宇，吴峰，史林军，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，国家电网公司，河海大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33