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基于阀电压或阀电流的hvdc换相失败故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，包括以下步骤：分析换相失败机理与换相失败影响因素；进行换相失败过程分析，确定换相失败判据；建立HVDC模型逆变侧等效电路，确定换相失败临界电感值；仿真验证诊断结果是否正确。本发明提出基于换流阀电压或阀电流快速诊断换相失败的方法，理论分析和仿真结果证明了该方法的准确性和有效性，不存在诊断盲区，且该方法原理简单，易于实现，具有一定的工程应用价值。
【专利说明】基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法。

【背景技术】
[0002] HVDC凭借输送容量大、功率调节迅速灵活、可靠性高、非同步联络能力强等优点， 近年来在远距离大容量输电和大区域电网互联中发挥着越来越重要的作用 [η]。换相失 败是HVDC系统最常见的特有故障之一，会导致直流电压跌落、直流电流突增、直流输送功 率减小等后果，若无法采取及时有效的控制措施，还会引发后继的换相失败，甚至是直流闭 锁，进而威胁整个交直流系统的安全稳定运行 [4_5]。
[0003] 换相失败的快速准确诊断是采取有效控制措施的前提。文献[6]认为只有当熄弧 角小于固有极限熄弧角，且阀电流连续、阀电压连续为零时，才会发生换相失败，但该观点 偏保守，从原理上讲，满足三个条件中的任何一个时即可判断为换相失败；文献[7]详细推 导了对称和非对称故障下引起换相失败所需的最小电压降落的计算公式，但该临界值是在 假定交流系统无穷大的前提下，基于换流器的准稳态方程得出的，推导过程中忽略了故障 期间电压波形畸变对换相失败的影响，准确性较差；文献[8]结合换相角对换相过程进行 分析，得出了换相电压时间面积与换相失败的定量关系，但其假定换相电压为正弦值，且故 障期间直流电流和触发角为定值；文献[9]指出通过对直流电流和换流母线电压的小波分 析，不仅可以有效诊断换相失败的发生，还能区别导致换相失败的故障类型，然而其阈值和 判据的设定是与系统的结构和参数相关的，算法比较复杂，工程实现难度大。
[0004] 其中，参考文献为：
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[0009] [3]邵瑶，汤涌，郭小江，等.2015年特高压规划电网华北和华东地区多馈入直流 输电系统的换相失败分析[J].电网技术，2011,35(10) :9-15.
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[0020] Lin Lingxue, Zhang Yao,Zhong Qing,et al. Fault diagnosis of commutation failures in the HVDC system based on a method of wavelet energy statistics[J]. Automation of Electric Power System,2007,31 (23) :61-63(in Chinese).


【发明内容】

[0021] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故 障诊断方法，本方法分析了换相失败的机理和过程，从换相失败的本质特征出发，并基于 MATLAB提供的HVDC模型进行了详细的仿真分析，仿真结果证明了该方法的准确性和有效 性。
[0022] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0023] -种基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，包括以下步骤：
[0024] (1)分析换相失败机理与换相失败影响因素；
[0025] (2)进行换相失败过程分析，确定换相失败判据；
[0026] (3)建立HVDC模型逆变侧等效电路，确定换相失败临界电感值；
[0027] (4)仿真验证诊断结果是否正确。
[0028] 所述步骤（1)中，换相失败是指换流器的两个桥臂结束换相后，刚退出导通的阀 在反向电压作用期间，如果正向阻断能力未能恢复，或者换相过程一直未能进行完毕，则阀 电压转变为正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相。
[0029] 所述步骤（1)中，换相失败会导致本应关断的阀继续导通，应该导通的阀关断，使 得换流器在下一个阀开通时形成直流侧短路，从而引起直流电压的跌落和直流电流的突 增；逆变器发生换相失败的概率大于整流器，整流器只在触发电路故障时才会发生换相失 败。
[0030] 所述步骤⑴中，逆变器的熄弧角小于换流阀的固有极限熄弧角Ymin时会发生换 相失败，其中Y min是晶闸管元件中载流子复合开关建立P-N结阻挡层以恢复正向电压阻断 能力所必须的时间，其大小与可控硅元件参数有关，并且随着施加于可控硅元件上的电压、 电流的增大而增大，对应的电角度取7?10°。
[0031] 所述步骤（1)中，换相失败的因素包括：受端交流系统故障、控制系统脉冲异常、 触发超前角β或熄弧角Y设定值过小、换流阀短路和直流电流增大，对于多馈入直流输电 系统，还包括逆变站间的电气耦合关系。
[0032] 所述步骤（2)中，换相失败总是伴随着某些阀的持续导通，正常情况下每个阀仅 导通120°，且持续时间至少为一个周波，表现为对应的阀电压持续为零、阀电流持续非零 并保持较高幅值，为1. 5-2. 5倍的额定电流，将其作为换相失败的本质特征，同时由于易于 测量阀电压和阀电流，故提出将阀电压持续为零或阀电流持续非零作为换相失败的新判 据，即阀电压持续为零的时间t u或阀电流持续非零的时间&满足如下关系时，判定发生了 换相失败：
[0033]

【权利要求】
1. 一种基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征是：包括以下步 骤： (1) 分析换相失败机理与换相失败影响因素； (2) 进行换相失败过程分析，确定换相失败判据； (3) 建立HVDC模型逆变侧等效电路，确定换相失败临界电感值； (4) 仿真验证诊断结果是否正确。
2. 如权利要求1所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（1)中，换相失败是指换流器的两个桥臂结束换相后，刚退出导通的阀在反向 电压作用期间，如果正向阻断能力未能恢复，或者换相过程一直未能进行完毕，则阀电压转 变为正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相。
3. 如权利要求2所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（1)中，换相失败会导致本应关断的阀继续导通，应该导通的阀关断，使得换 流器在下一个阀开通时形成直流侧短路，从而引起直流电压的跌落和直流电流的突增；逆 变器发生换相失败的概率大于整流器，整流器只在触发电路故障时才会发生换相失败。
4. 如权利要求3所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（1)中，逆变器的熄弧角小于换流阀的固有极限熄弧角Ymin时会发生换相失 败，其中Ymin是晶闸管元件中载流子复合开关建立P-N结阻挡层以恢复正向电压阻断能力 所必须的时间，其大小与可控硅元件参数有关，并且随着施加于可控硅元件上的电压、电流 的增大而增大，对应的电角度取7?10°。
5. 如权利要求1所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（1)中，换相失败的因素包括：受端交流系统故障、控制系统脉冲异常、触发超 前角P或熄弧角Y设定值过小、换流阀短路和直流电流增大，对于多馈入直流输电系统， 还包括逆变站间的电气耦合关系。
6. 如权利要求1所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（2)中，换相失败总是伴随着某些阀的持续导通，正常情况下每个阀仅导通 120°，且持续时间至少为一个周波，表现为对应的阀电压持续为零、阀电流持续非零并保 持较高幅值，为1. 5-2. 5倍的额定电流，将其作为换相失败的本质特征，同时由于易于测量 阀电压和阀电流，故提出将阀电压持续为零或阀电流持续非零作为换相失败的新判据，即 阀电压持续为零的时间tu或阀电流持续非零的时间&满足如下关系时，判定发生了换相失 败： 其中，f为交流系统基波频率。
7. 如权利要求1所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（3)中，HVDC逆变侧换流母线发生故障时，引起换相失败所需的最小电压跌落 的计算公式为：
其中，Id和1/分别代表额定直流电流和电压跌落期间的直流电流，Xctu为标么值表示 的等值换相电抗，Yo和Y分别代表固有极限熄弧角和正常运行时逆变器熄弧角整定值。
8. 如权利要求7所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（3)中，建立HVDC模型逆变侧等效电路，将换流母线电压替换为最小电压跌落 值，计算临界电感值为：
其中，Xeq代表受端交流系统等值电抗，代表换流母线并联的无功补偿器的容抗，Xf 为三相接地故障的故障电抗。
9. 如权利要求1所述的基于阀电压或阀电流的HVDC换相失败故障诊断方法，其特征 是：所述步骤（4)中，使用MTLAB进行逆变侧换流母线三相故障、逆变侧换流母线单相故障 的仿真，进行验证。
【文档编号】G01R31/00GK104267288SQ201410524823
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】云玉新, 刘民 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司电力科学研究院