阅读说明：本技术 一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法及系统 (Method and system for preventing and controlling commutation failure of extra-high voltage direct current multi-feed-in system ) 是由 饶宇飞 姚伟 李程昊 王骅 赵华 方舟 高昆 刘芳冰 谭阳琛 张伟晨 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法及系统,在交流系统发生故障后,距离交流故障点电气距离较近的逆变阀组的换相失败预防控制提前触发较大,可能导致距离交流故障点电气距离较远的逆变阀组发生换相失败。本申请的采用协调控制的方式,根据故障远区逆变阀组的关断角下降值自适应地调节故障近区逆变阀组的换相失败预防协调控制输出,从而达到避免故障远区逆变阀组发生换相失败的效果。(The application relates to a method and a system for preventing and controlling phase change failure of an extra-high voltage direct current multi-feed-in system. The method and the device adopt a coordinated control mode, and adaptively adjust the commutation failure prevention coordinated control output of the fault near-zone inversion valve bank according to the turn-off angle drop value of the fault far-zone inversion valve bank, so that the effect of avoiding the commutation failure of the fault far-zone inversion valve bank is achieved.)

一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法及系统

技术领域

本申请属于电力系统技术领域，尤其涉及直流输电，具体涉及一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法及系统。

背景技术

近年来，随着新能源发电技术的不断发展，特高压直流输电成为能够经济实现电能大容量、远距离传输的较为成熟、可靠的技术，有助于实现我国大型能源基地和光伏、风电等清洁能源地高效利用。随着我国直流工程的相继投运,出现了多回直流接入同一地区的电网结构。这些电气距离较近的直流与所馈入的交流电网共同形成了多馈入直流输电系统。

在特高压直流多馈入系统中，在交流系统发生故障后，距离交流故障点电气距离较近的逆变阀组的换相失败预防控制提前触发较大，可能导致距离交流故障点电气距离较远的逆变阀组发生换相失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中在交流系统发生故障后，距离交流故障点电气距离较近的逆变阀组的换相失败预防控制提前触发较大，可能导致距离交流故障点电气距离较远的逆变阀组发生换相失败的问题，提供一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，包括：

步骤1，当交流电网故障时，获取故障点远区直流系统的所有逆变阀组的关断角实时测量值；

步骤2，将各所述逆变阀组稳定运行时的关断角与所述关断角实时测量值相减，得到各逆变阀组对应的关断角差值；

步骤3，取各关断角差值中的最大值，并根据所述的最大值，选择自适应换相失败预防控制系数；

步骤4，获取所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压有效值，并与稳定运行时的换流母线电压有效值进行比较，判断故障点近区逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况是否最严重，若是，则进入步骤5；否则进入步骤8；

步骤5，获取所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压瞬时值，对各直流系统逆变阀组进行实时故障检测，计算各直流系统逆变阀组独立的触发角相移量；

步骤6，根据各所述的触发角相移量，判断是否有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动，若是，则进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，选择步骤3所述的自适应换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发；

步骤8，选择逆变阀组稳定运行时的换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤3，所述自适应换相失败预防控制系数的确定具体包括：

若所述关断角差值的最大值大于5电角度，则所述自适应换相失败预防控制系数为0.05；

若所述关断角差值的最大值大于2.5电角度且小于5电角度，则所述自适应换相失败预防控制系数为0.65；

否则，所述自适应换相失败预防控制系数保持0.1。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤4具体包括：

将所有逆变阀组稳定运行时的换流母线电压有效值和实际运行时的换流母线电压有效值相减，得到电压有效值差值；

如果得到的故障点近区逆变阀组的电压有效值差值大于故障点远区所有逆变阀组的电压有效值差值，则判定故障点近区逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况最严重。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤6具体包括：

实时监测各逆变阀组的触发角相移量；

当监测到任何一个逆变阀组的触发角相移量发生变化时，则判定有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动，否则，判定没有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤5中，所述实时故障检测包括不对称故障检测和对称故障检测。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤5中，所述不对称故障检测，具体为：

通过直流系统逆变阀组的换流母线三相电压瞬时值的零序电压，判断交流系统是否发生不对称故障，即：

如果所述零序电压满足3U₀＝U_a+U_b+U_c，且3U₀小于设定的阈值，则判定没有发生不对称故障；否则，判定发生不对称故障；

式中，3U₀为换流母线三相电压瞬时值的零序电压，U_a、U_b、U_c分别为换流母线的A相、B相和C相电压瞬时值。

进一步地，根据本发明第一方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，步骤5中，所述对称故障检测，具体为：

将直流系统逆变阀组的换流母线三相电压瞬时值变换至两相静止坐标系下，并根据两相静止坐标的均方根判断交流故障，即：

首先，根据下式计算两相静止坐标的均方根：

式中，U_α为两相静止坐标系下α相坐标，U_β为两相静止坐标系下β相坐标， U_αβ为U_α和U_β的均方根；

若U_αβ大于设定阈值，则判定没有发生对称故障；否则，判定发生对称故障。

本发明第二方面提供了一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制系统，包括：

关断角差值测量模块，用于获取故障点远区直流系统的所有逆变阀组的关断角实时测量值，并将各所述逆变阀组稳定运行时的关断角与所述关断角实时测量值相减，得到各逆变阀组对应的关断角差值；

换相失败预防控制系数选择模块，用于根据各关断角差值中的最大值，选择自适应换相失败预防控制系数；

电压使能模块，用于根据所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压有效值，判断故障点近区的逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况是否最严重；

换相失败预防控制使能模块，用于根据所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压瞬时值，对各直流系统逆变阀组进行实时故障检测，计算各直流系统逆变阀组独立的触发角相移量；

换相失败预防控制使能模块，用于根据各直流系统逆变阀组独立的触发角相移量，判断是否有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动；

协调控制模块，用于在故障点近区的逆变阀组自身逆变侧交流系统的电压跌落情况最严重，并且同时有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动时，启动自适应换相失败预防控制，选择所述的自适应换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发。

进一步地，根据本发明第二方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制系统，所述电压使能模块包括：

减法单元，用于将所有逆变阀组稳定运行时的换流母线电压有效值和实际运行时的换流母线电压有效值相减，得到电压有效值差值；

比较单元，用于将故障点近区逆变阀组的电压有效值差值与故障点远区逆变阀组的电压有效值差值进行比较，如果故障点近区逆变阀组的电压有效值差值大于故障点远区所有逆变阀组的电压有效值差值，则判定故障点近区逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况最严重。

进一步地，根据本发明第二方面提供的特高压直流多馈入系统换相失败预防控制系统，所述换相失败预防控制使能模块，包括：

换相失败预防控制使能子单元，用于检测触发角相移量变化情况，当检测到所述触发角相移量发生变化时，输出一个阶跃信号；

单稳态触发保持单元，用于在检测到换相失败预防控制使能子单元发出的阶跃信号后，单稳态触发保持；

或逻辑单元，用于接收单稳态触发保持单元的输出信号，判断是否有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动。

本发明的有益效果是：本发明根据故障远区逆变阀组的关断角下降值自适应地调节故障近区逆变阀组的换相失败预防协调控制输出，从而达到避免故障远区逆变阀组发生换相失败的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的控制方法流程图；

图2是本申请实施例的自适应协调控制框图；

图3(a)是本申请实施例直流系统1近区交流系统故障后，有无协调控制情况下逆变阀组2的关断角对比图；

图3(b)是本申请实施例直流系统1近区交流系统故障后，有无协调控制情况下逆变阀组3的关断角对比图；

图4(a)是本申请实施例直流系统1近区交流系统故障后，有无协调控制情况下直流系统1关断角对比图；

图4(b)是本申请实施例直流系统1近区交流系统故障后，有无协调控制情况下直流系统1传输直流功率对比图；

图5是本申请实施例的直流系统1近区交流系统故障后，有无协调控制情况下逆变阀组2、3传输直流功率对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制方法，如图1 所示，包括：

步骤1，当交流电网故障时，获取故障点远区直流系统的所有逆变阀组的关断角实时测量值；

步骤2，将各所述逆变阀组稳定运行时的关断角与所述关断角实时测量值相减，得到各逆变阀组对应的关断角差值；

步骤3，取各关断角差值中的最大值，并根据所述的最大值，选择自适应换相失败预防控制系数；换相失败预防控制系数为换相失败预防控制器中故障严重程度与提前触发量之间的比例系数。

步骤4，获取所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压有效值，并与稳定运行时的换流母线电压有效值进行比较，判断故障点近区逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况是否最严重，若是，则进入步骤5；否则进入步骤8；

步骤5，获取所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压瞬时值，对各直流系统逆变阀组进行实时故障检测，计算各直流系统逆变阀组独立的触发角相移量；

步骤6，根据各所述的触发角相移量，判断是否有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动，若是，则进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7，选择步骤3所述的自适应换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发；

步骤8，选择逆变阀组稳定运行时的换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发。

下面以河南电网为例对本发明的方法进行详细说明，馈入河南电网的两条直流分别为天中特高压直流系统与青海-河南特高压直流系统。

天中直流为常规的单层馈入结构，逆变阀组均馈入中州换流站；青海-河南直流为多端单层馈入结构，高压阀组馈入驻马店换流站，低压阀组馈入驻马店 500kV母线。为表述方便，天中直流简称为直流系统1，青海-河南直流的高压阀组简称逆变阀组2，青海-河南直流的低压阀组简称逆变阀组3。

本实施例中，以直流系统1的逆变阀组作为故障点近区的逆变阀组，逆变阀组2、逆变阀组3作为故障点远区的逆变阀组。具体控制方法包括：

步骤1，获取逆变阀组2、逆变阀组3的关断角实时测量值；

步骤2，分别将逆变阀组2、逆变阀组3稳定运行时的关断角和实际运行时的关断角相减，得到逆变阀组2、逆变阀组3的关断角差值；

步骤3，根据逆变阀组2、逆变阀组3的关断角差值中的最大值，选择自适应换相失败预防控制系数，即：

若关断角差值的最大值大于5电角度，则所述自适应换相失败预防控制系数为0.05；

若所述关断角差值的最大值大于2.5电角度且小于5电角度，则所述自适应换相失败预防控制系数为0.65；

否则，所述自适应换相失败预防控制系数保持0.1。

步骤4，获取直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3实际运行时的换流母线电压有效值，并分别与直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3与稳定运行时的换流母线电压有效值进行比较，判断自身逆变侧交流系统的电压跌落情况是否最严重。具体包括：

分别将直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3稳定运行时的换流母线电压有效值和实际运行时的换流母线电压有效值相减，得到电压有效值差值；

如果直流系统1逆变阀组的电压有效值差值大于逆变阀组2的电压有效值差值，同时大于逆变阀组3的电压有效值差值，则判定直流系统1自身逆变侧交流电网的电压跌落情况最严重。

如果判定直流系统1自身逆变侧交流电网的电压跌落情况最严重，则进入步骤5，否则进入步骤8。

步骤5，获取直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3实际运行时的换流母线电压瞬时值，分别对直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3进行实时故障检测，并根据故障严重程度，分别计算直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3独立的触发角相移量。

其中，实时故障检测包括不对称故障检测与对称故障检测。

步骤6，根据直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3的触发角相移量，判断是否有电压跌落导致对应的直流系统换相失败预防控制启动，具体包括：

实时监测直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3的触发角相移量；

当监测到直流系统1、逆变阀组2、逆变阀组3中任何一个触发角相移量发生变化时，则判定有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动，否则，判定没有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动。

若判断有电压跌落导致对应直流系统换相失败预防控制启动，则进入步骤7；否则进入步骤8。

步骤7，选择步骤3所述的自适应换相失败预防控制系数，传输至故障线路逆变阀组的触发控制系统，启动自适应换相失败预防协调控制，以实现换相失败预防控制器的提前触发；

步骤8，选择逆变阀组稳定运行时的换相失败预防控制系数，实现对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发。

进一步地，步骤5中，不对称故障检测是根据三相电压瞬时值之和，由三相零序电压判断交流系统是否发生不对称故障，具体为：

首先测量三相零序电压3U₀＝U_a+U_b+U_c，

如果三相零序电压3U₀低于设定的阈值，则判定没有发生不对称故障；否则判定发生不对称故障；

式中，3U₀为三相电压瞬时值的零序电压，U_a、U_b、U_c分别为换流母线的A 相、B相和C相电压瞬时值。

在上述实施例的基础上，优选的，所述对称故障检测是将换流母线的三相电压瞬时值变换至U_αβ两相静止坐标系下，并根据U_αβ两相静止坐标的均方根判断交流故障，具体为：

首先计算U_αβ，即：

如果U_αβ大于设定的阈值，则判定没有发生对称故障；否则判定发生对称故障；

式中，U_α为两相静止坐标系下α相坐标，U_β为两相静止坐标系下β相坐标， U_αβ为U_α和U_β的均方根。

本发明的换相失败预防控制实施例采用协调控制，特高压直流多馈入系统换相失败预防协调控制根据逆变阀组2、逆变阀组3的关断角下降值自适应地调节直流系统1的换相失败预防协调控制输出(即关断角相移量)，从而避免故逆变阀组2、逆变阀组3发生换相失败。

实施例2：

本实施例2提供了一种特高压直流多馈入系统换相失败预防控制系统，包括：

关断角差值测量模块，用于获取故障点远区直流系统的所有逆变阀组的关断角实时测量值，并将各所述逆变阀组稳定运行时的关断角与所述关断角实时测量值相减，得到各逆变阀组对应的关断角差值；

换相失败预防控制系数选择模块，用于根据各关断角差值中的最大值，选择自适应换相失败预防控制系数；

电压使能模块，用于根据所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压有效值，判断故障点近区的逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况是否最严重；

换相失败预防控制模块，用于根据所有逆变阀组实际运行时的换流母线电压瞬时值，对各直流系统逆变阀组进行实时故障检测，计算各直流系统逆变阀组独立的触发角相移量；

换相失败预防控制使能模块，用于根据各直流系统逆变阀组的触发角相移量的变化情况，判断是否有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动；

协调控制模块，用于在故障点近区的逆变阀组自身逆变侧交流系统的电压跌落情况最严重，并且同时有电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动时，启动自适应换相失败预防控制，选择所述的自适应换相失败预防控制系数，对故障点近区的逆变阀组进行换相失败预防控制的提前触发。

其中，所述电压使能模块包括：

减法单元，用于将所有逆变阀组稳定运行时的换流母线电压有效值和实际运行时的换流母线电压有效值相减，得到电压有效值差值；

比较单元，用于将故障点近区逆变阀组的电压有效值差值与故障点远区逆变阀组的电压有效值差值进行比较，如果故障点近区逆变阀组的电压有效值差值大于故障点远区所有逆变阀组的电压有效值差值，则判定故障点近区逆变阀组自身逆变侧交流电网的电压跌落情况最严重。

进一步地，所述换相失败预防控制使能模块，包括：

换相失败预防控制使能子单元，用于检测触发角相移量变化情况，当检测到所述触发角相移量发生变化时，输出一个阶跃信号；

单稳态触发保持单元，用于在检测到换相失败预防控制使能子单元发出的阶跃信号后，单稳态触发保持；

或逻辑单元，用于接收单稳态触发保持单元的输出信号，当至少有一个单稳态触发保持单元输出高电平信号时，判断电压跌落导致直流系统换相失败预防控制启动。

如图2所示，1为关断角差值测量模块，2为电压使能模块，3为换相失败预防控制使能模块，4为协调控制模块，5为换相失败预防控制系数选择模块， VOLAble是电压使能模块的输出，CFPAble是换相失败预防控制使能模块的输出，CO_able代表VOLAble和CFPAble都为1时，协调控制模块有效的使能信号。

γ_sta2、γ_sta3分别为逆变阀组2、逆变阀组3稳定运行时的关断角；γ₂、γ₃分别为逆变阀组2、逆变阀组3的关断角实时测量值；_Δγ₁、_Δγ₂分别为逆变阀组2、逆变阀组3的关断角差值；_Δγ_max为逆变阀组2、逆变阀组3关断角差值的最大值； A-CFPREVk为根据关断角差值的最大值选择的自适应换相失败预防控制系数； CFPREVksta为直流系统1的逆变阀组稳定运行的自适应换相失败预防控制系数。

其中，CO_able为协调控制模块4的控制信号，A-CFPREVk为协调控制模块4的A口的输入信号，CFPREVksta为协调控制模块B口的输入信号，若 CO_able为1，则其选择的自适应换相失败预防控制系数为A口的A-CFPREVk；否则最终的自适应换相失败预防控制系数为B口的CFPREVksta。

电压使能模块2中，V_sta1、V_sta2、V_sta3分别为稳定运行时直流系统1与逆变阀组2、逆变阀组3逆变侧交流母线的电压有效值；V_rms1、V_rms2、V_rms3分别直流系统1与逆变阀组2、逆变阀组3实际运行时逆变侧交流母线的电压有效值；电压使能模块2的比较单元中，若a端输入大于或等于b端口输入，则输出的 VOLAble为1。

换相失败预防控制使能模块，包括三个换相失败预防控制使能子单元(2-1、 2-2、2-3)，分别检测直流系统1与逆变阀组2、逆变阀组3的触发角相移量 CFPREV1、CFPREV2、CFPREV3，本实施例中，当触发角相移量CFPREV1、 CFPREV2、CFPREV3发生变化时，对应的换相失败预防控制使能子单元会分别产生一个阶跃信号，所产生的三个阶跃信号分别经200ms单稳态触发保持单元接入或逻辑元件，所述或逻辑元件输出换相失败协调控制使能信号，具体为：

若三个单稳态触发保持单元的输出至少一个是高电平信号，则换相失败协调控制使能信号为1。在电压使能与换相失败预防控制使能信号均为1的时候，协调控制使能才为1。

换相失败预防控制系数选择模块5，用于自适应换相失败预防控制系数 A-CFPREVk的切换，本实施例中，若关断角差值的最大值_Δγ_max大于5电角度，则所述自适应换相失败预防控制系数A-CFPREVk为0.05；

若关断角差值的最大值A-CFPREVk大于2.5电角度且小于5电角度，则自适应换相失败预防控制系数A-CFPREVk为0.65；

否则，自适应换相失败预防控制系数A-CFPREVk保持0.1。

本发明实施例采用协调控制，在直流系统1近区交流系统设置三相接地故障，特高压直流多馈入系统换相失败预防协调控制根据逆变阀组2、3的关断角下降值自适应地调节直流系统1的换相失败预防协调控制输出，从而避免故逆变阀组 2、3发生换相失败。

本发明实施例的一个应用场景可以是：

在直流系统1近区交流系统设置三相接地故障，故障接地电抗为0.18H，故障持续时间为0.1s，在该故障情景下对比有无协调控制的效果。

通过本实施例的协调控制方式，降低了直流系统1的换相失败预防协调控制输出，减小了直流系统1对逆变侧交流系统的无功需求，从而有益于青海-河南直流系统的换相。图3(a)和图3(b)为有无协调控制情况下逆变阀组2、逆变阀组3的关断角对比，由图3(a)可知，通过协调控制避免了逆变阀组2的连续两次换相失败，由图3(b)可知，通过协调控制同时避免了逆变阀组3的连续两次换相失败。

图4(a)为有无协调控制的情况下，直流系统1的关断角对比；图4(b)为有无协调控制器的情况下，直流系统1传输的直流功率对比。由图4(a)和4(b)可知，有无协调控制，直流系统1关断角以及直流传输功率的波形没有较大的不一致，协调控制不会明显降低直流系统1的换相失败抑制效果。

图5为有无协调控制下，青海-河南直流系统传输的直流功率。由图5可知，由于协调控制避免的青海-河南直流系统的两次连续换相失败，该直流系统传输的直流功率跌落情况明显改善，该直流系统传输的直流功率最低仅降至5500MW，与稳态传输直流功率相比仅下降31.25％。综合以上的分析，协调控制有效地改善了青海-河南直流系统的换相失败抑制效果，避免了其发生两次换相失败，也因此降低了该直流系统传输功率的跌落量，减小了对受端交流系统的功率缺额。

本申请的采用协调控制的方式，根据故障远区逆变阀组的关断角下降值自适应地调节故障近区逆变阀组的换相失败预防协调控制输出，从而达到避免故障远区逆变阀组发生换相失败的效果。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。