一種考慮交流側故障的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)可靠性評估領域，尤其設及基于電流源換流器的高壓直流輸 電系統(tǒng)的可靠性評估。
【背景技術】
[0002] 隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，電源與負荷的空間不對稱趨勢仍在加劇，電能的 遠距離大功率輸送需求日漸增加。特（超）高壓交流輸電解決方案可W部分地滿足運種需 求，但是遠距離交流輸電給系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性問題凸顯，運極大地制約著其應用。高壓直 流輸電（HVDC)無功角穩(wěn)定性問題，隨著輸送距離的增加，其經濟性也逐漸超過交流輸電方 案。另外，隨著電力電子設備技術的發(fā)展，基于線路換相換流器化CC)的HVDC技術已經日 趨成熟。在此背景下，世界范圍內近年來，HVDC工程數目迅速增加。
[0003] 現有的HVDC工程，按其用途可W分為遠距離大容量輸電、背靠背非同步聯網、跨 海送電等。無論哪一種用途的HVDC工程，其強迫停運都將給供受兩端的交流系統(tǒng)帶來重大 沖擊，所W在電網規(guī)劃中必須要高度重視HVDC工程可靠性的影響。而另一方面，相比于交 流電網的建設，HVDC的發(fā)展較晚，運行經驗相對匿乏，可靠性評估技術的研究相對落后。因 此，研究HVDC系統(tǒng)的可靠性評估技術顯得尤為必要和迫切。
[0004] 高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究開始于二十世紀六十年代末期，加拿大的 R.Billinton教授在1968年發(fā)表了該領域的第一篇學術論文，緊接著，國際大電網會議 (CIGR巧也成立了專口的工作組，開始對高壓直流輸電系統(tǒng)進行可靠性的統(tǒng)計和分析。我國 對高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究開始于上個世紀80年代初，在高壓直流輸電系統(tǒng)的可 靠性指標、模型、評價方法和綜合分析等方面進行了系統(tǒng)的理論研究。
[0005] 對HVDC系統(tǒng)的可靠性評估可W分為解析法和MonteCarlo法，解析法具體又可分 為故障樹法、頻率和持續(xù)時間法及狀態(tài)枚舉等。現有的HVDC系統(tǒng)可靠性評估方法都是基于 固定的元件故障率、修復率和安裝率，沒有考慮HVDC系統(tǒng)的運行狀況，雖然可W給出HVDC 系統(tǒng)的整體的可靠性指標，但無法準確刻畫運行中HVDC系統(tǒng)的真實可靠性水平。CIGRE發(fā) 布的HVDC系統(tǒng)可靠性報告顯示，在實際運行中，基于LCC的HVDC系統(tǒng)的停運超過60 %是由 于交流側設備或輔助設備故障所致，而現有的HVDC系統(tǒng)可靠性評估卻難W掲示和刻畫運 一部分的故障。
[0006] 我國HVDC發(fā)展迅速，在西電東送和新能源大規(guī)模開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作 用，交直流混聯的大電網局面逐漸形成，僅考慮HVDC換流站內交直流元件故障而不考慮交 流側系統(tǒng)故障的傳統(tǒng)可靠性評估方法已經難W精確刻畫交直流混聯場景下的HVDC系統(tǒng)的 可靠性，研究考慮交流側故障的HVDC系統(tǒng)可靠性評估方法顯得尤為必要和迫切。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種考慮交流側故障的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估方 法。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了 W下技術方案：
[0009] 1)建立交流電網中的輸變電設備（架空線和電纜等輸電線路W及交流變壓器、交 流電抗器、同步發(fā)電機、STATCOM等設備）和高壓直流輸電系統(tǒng)中交流濾波裝置、換流變壓 器及其他的交流輔助設備的可靠性模型；
[0010] 2)利用所述可靠性模型對所述輸變電設備W及所述交流輔助設備的故障特征 (故障位置、故障類型W及故障修復時間）進行抽樣，通過時序蒙特卡羅仿真法計算所述輸 變電設備W及所述交流輔助設備故障引起換流站連續(xù)換相失敗的概率、頻率和修復時間指 標；
[0011] 3)將高壓直流輸電系統(tǒng)所并聯的交流電網等效為高壓直流輸電系統(tǒng)的一個虛擬 子系統(tǒng)，該虛擬子系統(tǒng)的可靠性參數由連續(xù)換相失敗的概率、頻率和修復時間指標得到，從 而將交流系統(tǒng)故障的影響統(tǒng)一納入到高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評估中。
[0012] 所述步驟1)具體包括W下步驟：利用兩狀態(tài)模型對所述輸變電設備W及所述交 流輔助設備進行建模，所述兩狀態(tài)指運行狀態(tài)和停運狀態(tài)，兩狀態(tài)的狀態(tài)轉移率分別由故 障率和平均修復時間求取。
[0013] 所述故障率和平均修復時間根據故障歷史數據計算得到。
[0014] 步驟。中，依據換流閥中晶閩管焰弧的機制，利用換相面積來判斷交流系統(tǒng)故障 時換相過程是否發(fā)生失敗。
[001引當IAfKlAmmI時，換流閥無法在換相期間完成換化從而導致換相失??；當 IAfI > IAmmI時，換流閥的換相過程將提前結束，換相過程順利完成，Af為故障發(fā)生后的換 相電壓時間面積，Ami。為正常換相需要的最小換相電壓時間面積。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] 1、本發(fā)明的方法通過建立換相失敗判斷依據，對持續(xù)換相失敗的建模，能夠為換 相失敗建立精確的可靠性模型。換流站是連接直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的樞紐點，換流站的換 相失敗是交直流可靠性評估中都需要面對的課題，換相失敗的可靠性建模為解決交直流輸 電系統(tǒng)可靠性互相禪合的難題提供模型基礎。
[0018] 2、本發(fā)明的方法可W有效地考慮交流系統(tǒng)的故障對HVDC系統(tǒng)可靠性的影響，克 服現有的HVDC系統(tǒng)可靠性評估方法僅計及直流輸電系統(tǒng)和換流站設備故障而不能計及交 流側故障影響的缺點，實現更加合理的可靠性評估，使HVDC系統(tǒng)可靠性評估更加貼合工程 的實際應用，給電網規(guī)劃和運行方式的安排提供更加有效的依據。
【附圖說明】
[0019] 圖1為無故障時換相電壓面積示意圖；
[0020] 圖2為交流側故障時換相電壓面積示意圖；
[0021] 圖3為換相失敗可靠性參數評估流程圖；
[0022] 圖4為HVDC系統(tǒng)子系統(tǒng)劃分；
[0023] 圖5為HVDC系統(tǒng)狀態(tài)空間圖，圖5中，每個框中，左上為換流站，右上為直流輸電 線路，左下為狀態(tài)編號，右下為輸送容量的標么值（W額定輸送容量為基準值）。CS指換流 站，L指高壓直流輸電線路，前面數字表示正常運行的數量。A為故障率，y為恢復率。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[00巧]1.交流設備的故障模型
[0026] 本發(fā)明依據同類型設備的故障歷史數據，進行數據擬合、異常數據剔除和修復，得 到故障設備的故障率、平均修復時間。利用兩狀態(tài)模型對交流設備進行建模，在該模型中， 兩狀態(tài)指運行狀態(tài)和停運狀態(tài)，二者的狀態(tài)轉移率分別由故障率和平均修復時間求取。
[0027] 2.交流系統(tǒng)可靠性參數的計算W及換相失敗的判斷
[0028] 本發(fā)明利用時序蒙特卡羅模擬的方法計算交流系統(tǒng)可靠性參數。抽取各元件的狀 態(tài)持續(xù)時間，當元件處于故障狀態(tài)時，再抽取其故障類型，再利用換相失敗的判據來評估故 障后果，得到交流系統(tǒng)可靠性概率性參數。本發(fā)明依據LCC換流閥中晶閩管焰弧的機制，利 用換相面積來判斷交流系統(tǒng)故障時換相過程是否發(fā)生失敗。
[002引1)換相失敗判據
[0030] 判別換相失敗可W通過比較關斷角丫與晶閩管固有的最小關斷角丫mm的大小， 如果丫 <Ymi。，則換流器換相失敗。其中，關斷角丫是換流閥關斷的時刻與線電壓過零點所 夾的電角度，逆變器的換相角的計算公式為：
[00 引]
(1)
[0032] 式中，X,2為逆變器的等值換相電抗；E2為逆變器的換相線電壓有效值；Ud2為直流 電壓；Id為直流電流。
[0033] 由公式（1)中可W見，逆變器的換相角的計算含有反=角函數較為復雜，不利于 實際應用。同時，換相角的判據并沒有掲示換相失敗的本質。換相失敗的本質是缺乏足夠 的時間和反向電壓來恢復阻斷能力，所W本發(fā)明綜合恢復阻斷能力的時間和反向電壓，采 用換相電壓面積法作為衡量恢復阻斷能力的指標，并在此基礎上建立換相失敗的判據。
[0034] 圖1中的陰影部分A。為正常運行時的換相電壓時間面積，它是指換相期間換相線 電壓關于時間的積分。圖1中a為觸發(fā)角，y為逆變器的換相角，A為焰弧角，Ot為相 角（《為角速度）。
[0035] 正常情況下，換相電壓時間面積的簡化計算方法如下式所示：
[0036] A=化山似
[0037] 其中，k為每相等值換相電感，其值近似等于換流變壓器漏抗；Id為直流電流。
[003引交流系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下換相線電壓的情況參見圖2,其中U。為正常運行時的 換相線電壓，4粹為由交流系統(tǒng)故障引起換相線電壓相位偏移。而圖中的陰影面積Af即為 故障發(fā)生后的換相電壓時間面積，它是指換相期間換相線電壓關于時間的積分。
[0039] 結合圖1和圖2可W分析得到，當IAfKlAmmI時，換流器無法在換相期間完成換 相，此時的關斷角丫將小于最小關斷角丫mi。，從而導致換相失敗；當IAfI>lAmi」時，換流 器的換相過程將提前結束，此時的關斷角T將大于等于最小關斷角Tmi。，換相過程順利完 成。因此，換相電壓時間面積的大小可W表征換相的成功與否，故可W得到如下換相失敗判 據：
[0040] IAfKlAmmI做
[0041] 式中，Ami。即為正常運行時的最小換相電壓時間面積，可根據最小焰弧角Ami。計算 得到；而故障發(fā)生后的換相電壓時間面積Af可按下式進行計算：
[0042] 4' = ,- ((W +巧+ A界k/((W) (4)
[004引其中Uaf為交流系統(tǒng)故障后a相的線電壓，恥為無故障時a相電壓的初相角，ti和 t如式妨和式（6)表示：
[0044] (5)
[0045] (6)
[0046] 2)交流系統(tǒng)故障特征采樣方法
[0047] 由換相失敗的判據可W見，影響由交流系統(tǒng)故障導致的直流系統(tǒng)換相失敗的因素 包括故障元件、故障位置、故障類型、故障合閩角、過渡電阻、直流電流、換相電抗、觸發(fā)越前 角和最小關斷角等。其中，直流電流、換相電抗、觸發(fā)越前角W及最小關斷角一般可W認為 是固定不變的，決定換相失敗與否的影響因素主要是故障元件、故障位置、故障類型、故障 合閩角W及過渡電阻，而且各個因素之間是互相獨立的。下面分別介紹各影響因素的概率 模型。
[004引 （1)故障元件
[0049] 交流系統(tǒng)含有很多元件，不同元件的故障對直流換相失敗的影響都是不同的，現 W交流系統(tǒng)中最常見的故障一一線路故障為例進行說明。關于線路的模型，可采用簡單的 兩狀態(tài)