本發(fā)明涉及高壓直流輸電暫態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估，特別是涉及一種基于關(guān)斷角動(dòng)態(tài)方程的直流輸電后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)方法及優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、基于換相換流器的高壓直流輸電(line?commutated?converter?base?highvoltage?direct?current,lcc-hvdc)具有長(zhǎng)距離大容量輸電、弱同步振蕩特性以及能量損耗低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛的運(yùn)用于遠(yuǎn)距離的電力能源輸送中。由于lcc-hvdc采用的是不具備自關(guān)斷能力的晶閘管，當(dāng)其受端交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，換流閥缺乏足夠的換相支撐，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生換相失敗(commutation?failure,cf)故障，導(dǎo)致受端直流閉鎖，傳輸功率大幅度波動(dòng)。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，若控制不當(dāng)，則在發(fā)生首次換相失敗(first?commutationfailure,fcf)之后，還會(huì)發(fā)生后續(xù)換相失敗(subsequent?commutation?failure,scf)，致使直流功率的持續(xù)波動(dòng)，造成換流站連續(xù)閉鎖，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2、后續(xù)換相失敗所引起的問(wèn)題更為顯著，其預(yù)測(cè)與抑制策略受到廣泛的關(guān)注。大量的針對(duì)換相失敗的預(yù)測(cè)方法都是以尋找換相電壓的臨界值作為預(yù)測(cè)判據(jù)，對(duì)于后續(xù)換相失敗的抑制策略主要可以區(qū)分為增設(shè)額外的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，改進(jìn)換流器拓?fù)湟约案倪M(jìn)控制策略三類為主。改進(jìn)控制策略經(jīng)濟(jì)性較高，實(shí)現(xiàn)難度小，因而受到廣泛關(guān)注。目前，改進(jìn)控制策略的研究缺乏對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析，同時(shí)面臨計(jì)算過(guò)程復(fù)雜導(dǎo)致保護(hù)控制動(dòng)作偏慢的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提供一種基于關(guān)斷角動(dòng)態(tài)方程的直流輸電后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)方法及優(yōu)化方法。

2、本發(fā)明公開(kāi)了一種基于關(guān)斷角動(dòng)態(tài)方程的直流輸電后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)方法，其包括：

3、基于lcc-hvdc逆變側(cè)的關(guān)斷角輸出特性，得到lcc-hvdc逆變側(cè)的關(guān)斷角；基于逆變側(cè)的定直流電流控制、低壓限流控制、定關(guān)斷角控制以及電流偏差控制，分析lcc-hvdc系統(tǒng)首次換相失敗以及后續(xù)換相失敗的過(guò)程；

4、結(jié)合低壓限流控制和定關(guān)斷角控制的控制特性，通過(guò)分析首次換相失敗恢復(fù)期間直流電流和觸發(fā)超前角的動(dòng)態(tài)特性，得到關(guān)于關(guān)斷角的暫態(tài)非線性微分方程；

5、基于關(guān)斷角的暫態(tài)非線性微分方程，繪制不同的交流電壓以及交流電壓變化率下關(guān)斷角的相圖曲線，通過(guò)分析相圖曲線得到預(yù)測(cè)后續(xù)換相失敗發(fā)生的判據(jù)。

6、進(jìn)一步地，所述lcc-hvdc逆變側(cè)的關(guān)斷角的計(jì)算公式為：

7、

8、其中，γ為關(guān)斷角，β為觸發(fā)超前角，idc與ul則分別為直流電流與逆變側(cè)交流母線的線電壓有效值；xc為等效的換相電抗。

9、進(jìn)一步地，所述基于逆變側(cè)的定直流電流控制環(huán)節(jié)，定關(guān)斷角控制環(huán)節(jié)以及電流偏差控制環(huán)節(jié)，lcc-hvdc系統(tǒng)的工作過(guò)程包括：

10、lcc-hvdc系統(tǒng)包括整流側(cè)和逆變側(cè)；整流側(cè)和逆變側(cè)均由lcc換流閥構(gòu)成，整流側(cè)和逆變側(cè)的換流閥交流母線處均配備了交流濾波器和無(wú)功補(bǔ)償器；

11、整流側(cè)采用定直流電流控制環(huán)節(jié)，其直流電流參考信號(hào)由逆變側(cè)給定；逆變側(cè)配備了定直流電流控制環(huán)節(jié)，定關(guān)斷角控制環(huán)節(jié)以及電流偏差控制環(huán)節(jié)；對(duì)于整流側(cè)，控制器通過(guò)比較直流電流指令與測(cè)量到的直流電流之差，經(jīng)過(guò)pi環(huán)節(jié)后生成整流側(cè)的觸發(fā)超前角指令βrec，進(jìn)而生成觸發(fā)角信號(hào)α控制換流閥動(dòng)作；對(duì)于逆變側(cè)，定直流電流控制和逆變側(cè)的定關(guān)斷角rec

12、兩種控制策略分別將直流電流誤差與關(guān)斷角誤差經(jīng)過(guò)pi環(huán)節(jié)后生成逆變側(cè)的觸發(fā)超前角指令βinv_c與βinv_g，取二者中較大值作為逆變站實(shí)際的觸發(fā)超前角，進(jìn)而生成觸發(fā)角信號(hào)控制換流閥工作。

13、進(jìn)一步地，當(dāng)逆變側(cè)處于定直流電流控制模式時(shí)，直流電流同時(shí)受控于整流側(cè)和逆變側(cè)的控制器，根據(jù)電流裕度原理，逆變側(cè)的定直流電流控制中的參考指令比整流側(cè)低；定直流電流控制的作用則是當(dāng)直流電流指令與實(shí)際電流不相等時(shí)，實(shí)現(xiàn)定直流電流控制與逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制兩種控制策略的平滑過(guò)渡；

14、同時(shí)，逆變側(cè)配備了低壓限流控制環(huán)節(jié)，當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，低壓限流控制檢測(cè)逆變側(cè)直流電壓疊加補(bǔ)償電阻壓降后的直流線路中點(diǎn)處的電壓，當(dāng)其降低至低壓限流控制的門檻值時(shí)，低壓限流控制將會(huì)調(diào)節(jié)直流電流指令進(jìn)而降低直流電流以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

15、進(jìn)一步地，所述分析lcc-hvdc系統(tǒng)首次換相失敗以及后續(xù)換相失敗的過(guò)程，包括：

16、逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，換相電壓和關(guān)斷角隨之降低，當(dāng)關(guān)斷角減小至最小關(guān)斷角時(shí)，將會(huì)發(fā)生首次換相失敗，此時(shí)直流側(cè)短路，直流電壓迅速降低，直流電流瞬時(shí)升高；隨后控制系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作，低壓限流控制與整流側(cè)相配合降低直流電流，減小逆變側(cè)換流閥觸發(fā)角，換流閥恢復(fù)正常換相，進(jìn)入首次換相失敗恢復(fù)階段；

17、在首次換相失敗恢復(fù)階段，若低壓限流控制輸出直流電流上升過(guò)快或者逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制降低觸發(fā)角的速度無(wú)法適應(yīng)故障下?lián)Q流閥的無(wú)功需求，關(guān)斷角持續(xù)降低，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)換相失敗發(fā)生。

18、進(jìn)一步地，若出現(xiàn)以下情況，則認(rèn)為出現(xiàn)首次換相失?。?/p>

19、在lcc換流閥換相的過(guò)程中，若剛退出換相過(guò)程的換流閥尚未恢復(fù)阻斷能力又重新承受正向壓降，或者換流閥在承受反向壓降期間換相過(guò)程尚未完成，則該換流閥將在沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)的情況下重新導(dǎo)通；定義換流閥組恢復(fù)正向阻斷能力所需要的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度為極限關(guān)斷角，也稱最小關(guān)斷角γmin；若逆變側(cè)的關(guān)斷角小于其最小關(guān)斷角，則認(rèn)為發(fā)生了換相失??；

20、若出現(xiàn)以下情況，則認(rèn)為出現(xiàn)后續(xù)換相失敗：

21、當(dāng)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生首次換相失敗后的恢復(fù)期間，若在控制系統(tǒng)的作用下導(dǎo)致關(guān)斷角再次小于最小關(guān)斷角γmin；則認(rèn)為發(fā)生了后續(xù)換相失敗。

22、進(jìn)一步地，所述結(jié)合低壓限流控制和定關(guān)斷角控制的控制特性，通過(guò)分析首次換相失敗恢復(fù)期間直流電流和觸發(fā)超前角的動(dòng)態(tài)特性，得到關(guān)于關(guān)斷角的暫態(tài)非線性微分方程，包括：

23、低壓限流控制的直流電流數(shù)學(xué)模型為：

24、

25、其中，為經(jīng)補(bǔ)償后的直流線路中點(diǎn)電壓的標(biāo)幺值，idh和idl分別為直流電流的上限和下限值，udl和udh為直流電壓的下限和上限值，idn為直流電流的額定值；

26、lcc逆變器的直流電壓udc表示為：

27、

28、其中，ul表示逆變側(cè)交流母線的線電壓有效值；β和γ則分別表示觸發(fā)超前角和關(guān)斷角；經(jīng)補(bǔ)償后的直流線路中點(diǎn)電壓為：

29、

30、其中，為經(jīng)補(bǔ)償后的直流線路中點(diǎn)電壓，idc為直流電流的上下限之和的平均值，idn為直流電流的額定值；

31、直流電流的動(dòng)態(tài)特性表示為：

32、

33、關(guān)斷角γ經(jīng)過(guò)逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制結(jié)構(gòu)，得到觸發(fā)超前角的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

34、β＝(kp+ki/s)(γref-γ)

35、其中，β為觸發(fā)超前角，γref和γ分別為關(guān)斷角參考值和關(guān)斷角，ki和kp均為逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制的控制參數(shù)；

36、關(guān)于關(guān)斷角的暫態(tài)非線性微分方程表示為：

37、

38、其中，γ為關(guān)斷角，和分別表示關(guān)斷角和交流電壓的導(dǎo)數(shù)，c3和c4為系統(tǒng)參數(shù)決定的系數(shù)。

39、進(jìn)一步地，c3，c4的表達(dá)式為：

40、

41、進(jìn)一步地，所述預(yù)測(cè)后續(xù)換相失敗發(fā)生的判據(jù)，包括：

42、根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算c1，c2，c3，c4，給出當(dāng)前時(shí)刻k以及上一時(shí)刻k-1的交流電壓有效值計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻交流電壓的變化率將與帶入cscf的計(jì)算表達(dá)式中，實(shí)時(shí)計(jì)算后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)判據(jù)cscf并判斷其大小；若cscf小于零，則認(rèn)為此時(shí)當(dāng)關(guān)斷角減小至γmin后仍會(huì)降低，將會(huì)發(fā)生后續(xù)換相失敗故障；反之則說(shuō)明關(guān)斷角并不會(huì)減小至γmin以下，不會(huì)發(fā)生后續(xù)換相失敗故障。

43、進(jìn)一步地，cscf的計(jì)算表達(dá)式為：

44、

45、本發(fā)明還公開(kāi)了一種抑制后續(xù)換相失敗發(fā)生的優(yōu)化方法，在上述所述的基于關(guān)斷角動(dòng)態(tài)方程的直流輸電后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)到后續(xù)換相失敗的發(fā)生的基礎(chǔ)上，抑制后續(xù)換相失敗，其包括：

46、若預(yù)測(cè)到后續(xù)換相失敗的發(fā)生，則將關(guān)斷角γ的補(bǔ)償量δγ疊加到逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制的關(guān)斷角參考值上，改變?cè)谑状螕Q相失敗恢復(fù)期間關(guān)斷角的動(dòng)態(tài)特性，抑制后續(xù)換相失敗故障的發(fā)生。

47、進(jìn)一步地，根據(jù)后續(xù)換相失敗發(fā)生的判據(jù)，得到整定值n，根據(jù)整定值n判斷l(xiāng)cc-hvdc系統(tǒng)是否有可能發(fā)生后續(xù)換相失敗或者是否會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)的直流電壓過(guò)低而降低傳輸效率。

48、進(jìn)一步地，整定值n的表達(dá)式為：

49、

50、其中，γref為關(guān)斷角，ki和kp為逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制的控制參數(shù)，γref分別為關(guān)斷角參考值，γmin為最小關(guān)斷角，c3和c4為系統(tǒng)參數(shù)決定的系數(shù)，為穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線的線電壓有效值。

51、進(jìn)一步地，補(bǔ)償量δγ的表達(dá)式為：

52、

53、其中，ul為交流電壓，為交流電壓的變化率。

54、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

55、1、本發(fā)明針對(duì)常規(guī)直流輸電受端系統(tǒng)在交流電網(wǎng)故障下后續(xù)換相失敗所提出的預(yù)測(cè)方法，填補(bǔ)了在交流電網(wǎng)故障下對(duì)于系統(tǒng)后續(xù)換相失敗預(yù)測(cè)的空白，所建立的基于相圖分析法的預(yù)測(cè)方法，能夠在后續(xù)換相失敗發(fā)生之前準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其是否會(huì)發(fā)生，且具有一定的速動(dòng)性，有利于電力系統(tǒng)的緊急保護(hù)動(dòng)作。

56、2、本發(fā)明提出的常規(guī)直流輸電受端系統(tǒng)抑制后續(xù)換相失敗發(fā)生的優(yōu)化控制策略，旨在確保lcc換流閥在交流電網(wǎng)故障下安全運(yùn)行，不發(fā)生連續(xù)換相失敗故障。所提出的后續(xù)換相失敗優(yōu)化控制策略通過(guò)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償逆變側(cè)的定關(guān)斷角控制的參考值，進(jìn)而改變首次換相失敗恢復(fù)期間關(guān)斷角的動(dòng)態(tài)特性。該策略能夠有效抑制在不同情況接地故障下后續(xù)換相失敗的發(fā)生，顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性。

57、3、本發(fā)明首先對(duì)lcc-hvdc系統(tǒng)后續(xù)換相失敗恢復(fù)期間直流電流和關(guān)斷角的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，從而可以明確后續(xù)換相失敗發(fā)生的機(jī)理，進(jìn)而提出后續(xù)換相失敗發(fā)生與否的預(yù)測(cè)方法和抑制后續(xù)換相失敗的優(yōu)化控制策略，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)保持安全運(yùn)行有著重要的意義。