專利名稱：基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法。
背景技術(shù)：
直流輸電系統(tǒng)換相失敗是以晶閘管為換流元件的直流系統(tǒng)常見的現(xiàn)象。晶閘管閥的一個特性是其由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)關(guān)斷的過程中，在正向?qū)A段內(nèi)部儲存的游離子必須在閥能夠建立正向電壓阻斷能力之前予以去除/復(fù)合。因此，直流系統(tǒng)的換流器需要一定的最小反向電壓一時間區(qū)域，即晶閘管閥在反向電壓作用下持續(xù)一段時間以實現(xiàn)去游離/游離子復(fù)合。從能量概念來分析，晶閘管閥由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)關(guān)斷，對游離子進行去游離這個過程，實際上是由外部提供能量改變晶閘管閥狀態(tài)的過程。對于某一特定的晶閘管閥，去游離所需的能量是一個定值，該能量是以晶閘管閥承受的反向電壓——去游離持續(xù)時間這個區(qū)域的面積來表示。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相或單相短路故障，會導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓跌落，自然換相點不變，電壓下降引起的換相能量(電壓對時間的積分面積)不足，進而引起換相失敗。目前，我國已有越來越多的直流輸電工程投入電網(wǎng)運行，南方電網(wǎng)已形成了“八交五直”的交直流混合輸電系統(tǒng)，成為世界上最大的多饋入交直流混合系統(tǒng)。在交直流混合系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)換相失敗是直流系統(tǒng)最常見的故障之一。連續(xù)的換相失敗不僅嚴(yán)重威脅直流系統(tǒng)本身的安全穩(wěn)定運行，而且有可能造成交流系統(tǒng)繼電保護的不正確動作，甚至引起一系列控制保護裝置的動作，造成嚴(yán)重后果。因此，有效判斷與模擬電網(wǎng)中不同地點發(fā)生的三相短路和單相接地短路故障是否會導(dǎo)致直流輸電逆變器發(fā)生換相失敗、以及故障清除后直流輸電功率恢復(fù)特性對穩(wěn)定性分析結(jié)果具有重要影響，尤其是對直流多落點電網(wǎng)，某些故障可能會引起多個直流輸電逆變器同時發(fā)生換相失敗，如果不能正確地通過仿真計算來判斷與模擬換相失敗和故障恢復(fù)特性，則交直流相互影響分析的結(jié)果可能與實際電力系統(tǒng)的性能有較大的出入。電磁暫態(tài)仿真方法考慮了直流系統(tǒng)及其控制保護系統(tǒng)電磁暫態(tài)特性、輸電線路分布參數(shù)特性和參數(shù)的頻率特性、發(fā)電機的電磁過程以及系列元件的非線性特性，可以較準(zhǔn)確模擬交流系統(tǒng)故障后直流系統(tǒng)換相失敗全過程。但由于受仿真模型和算法的限制，電磁暫態(tài)仿真求解速度非常慢，無法進行大規(guī)模掃描仿真計算，且所能描述的電力系統(tǒng)規(guī)模也相對較小，往往需要進行系統(tǒng)等值，進而在一定程度上丟失了交流系統(tǒng)的一些固有特性。同時，當(dāng)前電力系統(tǒng)的運行、調(diào)度、規(guī)劃部門乃至研究、試驗部門廣泛采用機電暫態(tài)仿真程序進行交直流電力系統(tǒng)仿真，而且未來較長的一段時間仍然會在交直流電力系統(tǒng)的分析計算中占據(jù)著主導(dǎo)地位。但隨著交直流電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，機電暫態(tài)程序在實際應(yīng)用中的一些不足之處逐漸突顯，包括:
(I)機電暫態(tài)仿真程序的直流模型中，不包含模擬直流系統(tǒng)換流閥組及其觸發(fā)系統(tǒng)，無法模擬換流閥的電壓和電流，無法詳細模擬逆變側(cè)的換相失敗過程，只能根據(jù)逆變器熄弧角的大小粗略地判斷是否發(fā)生換相失敗。
(2)機電暫態(tài)仿真程序的直流模型是以換流母線三相交流電壓對稱為前提條件的，當(dāng)在交流系統(tǒng)不對稱故障期間，換流站交流母線的電壓不再對稱，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型在此期間仿真結(jié)果是不嚴(yán)格精確的。(3)機電暫態(tài)仿真程序的直流模型只考慮系統(tǒng)基波特性，對直流系統(tǒng)的諧波特性沒有模擬，也沒有考慮換流站的各種損耗，無功計算值可能會引起較大的誤差。上述不足，導(dǎo)致機電暫態(tài)仿真對直流系統(tǒng)換相失敗的模擬偏樂觀，主要表現(xiàn)在交流系統(tǒng)發(fā)生三相(單相)短路故障期間，機電暫態(tài)仿真結(jié)果的直流功率較實際運行值略大，而且當(dāng)短路故障消失后，機電暫態(tài)仿真結(jié)果的直流功率恢復(fù)速度也相對較實際運行值快?？紤]到電力系統(tǒng)計算分析是否穩(wěn)定應(yīng)當(dāng)采用相對保守的計算方法，因此需要研究針對機電暫態(tài)仿真的能夠保守分析的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服機電暫態(tài)仿真對直流系統(tǒng)換相失敗的模擬狀態(tài)偏樂觀的不足與缺點，提出一種基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法。該法考慮了直流輸電系統(tǒng)換相失敗和直流功率恢復(fù)特性，簡單實用且偏保守的機電暫態(tài)仿真判斷方法。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實現(xiàn):
一種基于機電暫態(tài)仿真的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷方法，包括以下步驟:
51.建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真模型，包括潮流計算模型和穩(wěn)定計算模型；
52.利用步驟SI形成的機電暫態(tài)仿真模型，計算交流系統(tǒng)中某一點發(fā)生交流三相/單相短路 故障，獲取故障前高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值
Um1.與故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值t/MH.;
53.利用步驟S2的機電暫態(tài)仿真結(jié)果，采用實際運行經(jīng)驗和電磁暫態(tài)仿真結(jié)果作為判斷換相失敗發(fā)生條件的基礎(chǔ)，通過比較分析故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值變化情況來判斷直流系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗:
5301.若仿真計算的是交流三相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓
跌落到故障前電壓值的90%以下，即< 0.9，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的三相
短路故障將引起相應(yīng)直流發(fā)生換相失?。?br> 5302.若仿真計算的是交流單相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓
跌落到故障前電壓值的92%以下，即i/HH.< 0.92，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的單
相短路故障將引起相應(yīng)的直流發(fā)生換相失??；
5303.若仿真計算的是交流三相短路故障或單相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換
流母線三相電壓跌落到故障前電壓值的70%以下，即 /mf Um〈0.7，則判斷該點發(fā)生
交流系統(tǒng)的短路故障將引起相應(yīng)的直流發(fā)生換相失敗，且直流功率將會降低至零；
54.對于交流系統(tǒng)中的各點，重復(fù)步驟S3，通過掃描計算確定在給定故障類型下引起高壓直流系統(tǒng)換相失敗的交流故障區(qū)域。所述步驟SI具體包括以下步驟: 511.建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的潮流計算模型；要求交直流系統(tǒng)模型應(yīng)包含電網(wǎng)中I IOkV及以上電壓等級電網(wǎng)，電力負(fù)荷掛在220kV及I IOkV主變的中、低壓側(cè)，無功補償裝置需單獨模擬，不與負(fù)荷進行合并；
512.建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定計算模型；要求同步發(fā)電機采用Eq”、Ed”變化模型，且考慮自動勵磁調(diào)節(jié)裝置、調(diào)速器和PSS作用；直流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置需要考慮直流控制系統(tǒng)作用；負(fù)荷模型采用由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計及頻率特性因子的綜合負(fù)荷模型。建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真模型，包括以下步驟:
1.建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的潮流計算網(wǎng)絡(luò)模型。要求交直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)包含電網(wǎng)中I IOkV及以上電壓等級電網(wǎng)，電力負(fù)荷掛在220kV及I IOkV主變的中、低壓側(cè)，無功補償裝置需單獨模擬，不與負(fù)荷進行合并。2.建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定計算網(wǎng)絡(luò)模型。要求同步發(fā)電機采用Eq”、Ed”變化模型，且考慮自動勵磁調(diào)節(jié)裝置、調(diào)速器和PSS作用。直流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置需要考慮直流控制系統(tǒng)作用。負(fù)荷模型采用由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計及頻率特性因子的綜合負(fù)荷模型。本發(fā)明還提出一種于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗模擬方法，包括以下步驟:
根據(jù)基于機電暫態(tài)仿真的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷結(jié)果，若交流系統(tǒng)中某一點發(fā)生交流三相/單相短路故障后直流系統(tǒng)換相失敗，則在暫態(tài)仿真計算中采用人為修改直流功率模擬直流系統(tǒng)換相失敗，包括以下步驟:
531.在交流系統(tǒng)三相/單相故障發(fā)生時將直流功率定值人為設(shè)置為0，持續(xù)5周波；
532.在三相/單相短路故障消失時開始恢復(fù)直流功率，在5周波后直流系統(tǒng)功率定值恢復(fù)到額定功率。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
針對現(xiàn)有主流機電暫態(tài)仿真程序?qū)χ绷鲹Q相失敗模擬不準(zhǔn)確的問題，采用實際運行經(jīng)驗和電磁暫態(tài)仿真結(jié)果作為判斷換相失敗發(fā)生條件的基礎(chǔ)，即如果交流三相/單相短路故障使換流母線三相/單相電壓跌落到正常運行電壓值92% (90%)及以下，直流輸電系統(tǒng)大多會發(fā)生換相失敗。同時，針對機電暫態(tài)仿真程序在交流系統(tǒng)故障時對直流系統(tǒng)故障期間動態(tài)特性和故障后恢復(fù)特性的模擬相對樂觀的問題，擬采用修改直流功率定值的方法對仿真結(jié)果進行改進。本發(fā)明的直流換相失敗判斷和模擬方法，采用了電力系統(tǒng)主流的機電暫態(tài)仿真程序，適應(yīng)性和實用性較強，且簡單實用而偏保守，在對交直流相互影響計算分析方面，本發(fā)明的仿真方法和結(jié)果是有效可行的，能有效滿足工程應(yīng)用所需。


圖1是直流系統(tǒng)換相失敗判斷圖(交流系統(tǒng)二相短路故障圖)。圖2是本發(fā)明提出的直流系統(tǒng)換相失敗模擬方法示意圖。圖3是基于機電暫態(tài)仿真的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法效果對比圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和計算仿真實例對本發(fā)明進一步說明。圖1是針對交流系統(tǒng)三相短路故障后，根據(jù)換流站母線電壓判斷直流系統(tǒng)是否換相失敗判斷示意圖。本圖中展示了三種不同的逆變側(cè)換流母線電壓響應(yīng)曲線及其對應(yīng)的直流系統(tǒng)運行狀態(tài)。本發(fā)明提出的基于機電暫態(tài)仿真的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷方法，通過對機電暫態(tài)仿真的故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值進行比較:(I)若仿真計算的是交流三相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓跌落到故障前
電壓值的90%以下，即LW Um.> 0.9，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的三相短路故障后直
流不會發(fā)生換相失敗。即當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路，故障期間換流站母線如圖1中曲線I所示變化，則直流不會換相失??；(2)若仿真計算的是交流三相短路故障，且故障瞬間直流
逆變側(cè)換流母線三相電壓跌落到故障前電壓值的90%以下，即 /κκ/ < 0.9，則判斷
該點發(fā)生交流系統(tǒng)的三相短路故障將引起相應(yīng)直流發(fā)生換相失敗。即當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路，故障期間換流站母線如圖1中曲線2所示變化，則直流會發(fā)生換相失??；(3)若仿真計算的是交流三相短路故障或單相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓跌
落到故障前電壓值的70%以下，即LThh LTbd.〈 0.7，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的短路故 障將引起相應(yīng)的直流發(fā)生換相失敗，且直流功率將會降低至零。即當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路，故障期間換流站母線如圖1中曲線3所示變化，則直流發(fā)生換相失敗，且直流功率將會降低至零。圖2是直流系統(tǒng)換相失敗模擬方法示意圖，圖中紅色線即為仿真計算中設(shè)置的發(fā)生換相失敗的直流系統(tǒng)功率定值。即在暫態(tài)仿真計算中采用人為修改直流功率模擬直流系統(tǒng)換相失敗，當(dāng)交流系統(tǒng)三相(單相)故障發(fā)生時T (故障發(fā)生)將直流功率定值人為設(shè)置為0，持續(xù)5周波(0.1秒)；在三相(單相)短路故障消失時T (故障消失)開始恢復(fù)直流功率，在5周波(0.1秒)后直流系統(tǒng)功率定值恢復(fù)到額定功率。圖3是采用圖2直流系統(tǒng)換相失敗模擬方法進行仿真的結(jié)果，圖中分別給出了采用EMTDC電磁暫態(tài)仿真——曲線1、BPA機電暫態(tài)仿真——曲線2以及采用本發(fā)明的方法后的BPA機電暫態(tài)仿真的直流功率響應(yīng)曲線——曲線3，其中。從圖中可以看到，采用BPA機電暫態(tài)仿真——曲線2，交流系統(tǒng)三相短路故障期間直流功率值較電磁暫態(tài)仿真結(jié)果值高；而采用直流系統(tǒng)換相失敗模擬方法的直流功率響應(yīng)曲線——曲線3，交流系統(tǒng)三相短路故障期間直流功率值較電磁暫態(tài)仿真結(jié)果值——曲線I更低，故障消失后直流功率恢復(fù)速度更慢。在考慮電磁暫態(tài)仿真結(jié)果——曲線I更可信的前提下，從對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響角度而言，采用本發(fā)明的仿真方法的計算結(jié)果較實際運行值和電磁暫態(tài)仿真值更保守，采用本發(fā)明進行電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析，特別是進行交直流相互影響計算分析的計算結(jié)果是更合理更保守。因此，本發(fā)明的基于機電暫態(tài)仿真的直流換相失敗判斷和模擬方法，能采用電力系統(tǒng)主流的機電暫態(tài)仿真程序進行計算分析，適應(yīng)性和實用性較強，且簡單實用而偏保守。在對交直流相互影響計算分析方面，本發(fā)明的仿真方法是有效可行的工程化計算分析手段。
權(quán)利要求
1.一種基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷方法，其特征在于，包括以下步驟:立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真模型，包括潮流計算模型和穩(wěn)定計算模型；用步驟SI形成的機電暫態(tài)仿真模型，計算交流系統(tǒng)中某一點發(fā)生交流三相/單相短路故障，獲取故障前高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值Um,與故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值LW ；用步驟S2的機電暫態(tài)仿真結(jié)果，采用實際運行經(jīng)驗和電磁暫態(tài)仿真結(jié)果作為判斷換相失敗發(fā)生條件的基礎(chǔ)，通過比較分析故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值變化情況來判斷直流系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗:仿真計算的是交流三相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓跌落到故障前電壓值的90%以下，即 /MH.i/ D-〈 0.9，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的三相短路故障將引起相應(yīng)直流發(fā)生換相失敗；仿真計算的是交流單相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換流母線三相電壓跌落到故障前電壓值的92%以下，即LW Um < 0.92，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的單相短路故障將引起相應(yīng)的直流發(fā)生換相失??；仿真計算的是交流三相短路故障或單相短路故障，且故障瞬間直流逆變側(cè)換 流母線三相電壓跌落到故障前電壓值的70%以下，即LW Um〈0.7，則判斷該點發(fā)生交流系統(tǒng)的短路故障將引起相應(yīng)的直流發(fā)生換相失敗，且直流功率將會降低至零；于交流系統(tǒng)中的各點，重復(fù)步驟S3，通過掃描計算確定在給定故障類型下引起高壓直流系統(tǒng)換相失敗的交流故障區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷方法，其特征在于，所述步驟SI具體包括以下步驟:立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的潮流計算模型；要求交直流系統(tǒng)模型應(yīng)包含電網(wǎng)中I IOkV及以上電壓等級電網(wǎng)，電力負(fù)荷掛在220kV及I IOkV主變的中、低壓側(cè)，無功補償裝置需單獨模擬，不與負(fù)荷進行合并；立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定計算模型；要求同步發(fā)電機采用Eq”、Ed”變化模型，且考慮自動勵磁調(diào)節(jié)裝置、調(diào)速器和PSS作用；直流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置需要考慮直流控制系統(tǒng)作用；負(fù)荷模型采用由恒定阻抗、恒定電流、恒定功率并計及頻率特性因子的綜合負(fù)荷模型。
3.一種基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗模擬方法，其特征在于， 根據(jù)基于機電暫態(tài)仿真的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷結(jié)果，若交流系統(tǒng)中某一點發(fā)生交流三相/單相短路故障后直流系統(tǒng)換相失敗，則在暫態(tài)仿真計算中采用人為修改直流功率模擬直流系統(tǒng)換相失敗，包括以下步驟:交流系統(tǒng)三相/單相故障發(fā)生時T(故障發(fā)生)將直流功率定值人為設(shè)置為0，持續(xù)5周波；三相/單相短路故障消失T(故障消失)開始恢復(fù)直流功率，在5周波后直流系統(tǒng)功率定值恢復(fù)到額定功率 。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于機電暫態(tài)的直流輸電系統(tǒng)換相失敗判斷與模擬方法，換相失敗判斷方法為建立含有直流輸電的交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真模型；計算交流系統(tǒng)中某一點發(fā)生交流三相/單相短路故障；比較分析故障瞬間高壓直流逆變側(cè)換流母線三相電壓有效值的變化情況以判斷直流系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗；對于交流系統(tǒng)中的各點進行換相判斷，計算確定交流故障區(qū)域。模擬方法為根據(jù)直流換相失敗判斷結(jié)果，采用人為修改直流功率模擬直流系統(tǒng)換相失敗。本發(fā)明采用了電力系統(tǒng)占主導(dǎo)應(yīng)用地位的機電暫態(tài)仿真程序，適應(yīng)性和實用性較強，且簡單實用而偏保守，在對交直流相互影響計算分析方面，本發(fā)明的仿真方法和結(jié)果是有效可行的，能有效滿足工程應(yīng)用所需。
文檔編號G06F17/50GK103106299SQ20131001893
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者周保榮, 洪潮, 陳建斌, 姚文峰, 李蓉蓉, 陳旭, 彭波, 張東輝, 李勇 申請人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司