南瑞直流技术路线换相失败状态量分析_刘羽超.pdf

南瑞直流技术路线换相失败状态量分析刘羽超，尹海涛（中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 ）摘要：为了得到南瑞直流技术路线保护系统中换相失败状态量与换相失败次数的关系，基于保护系统换相失败判据，通过对比换相失败录波，研究各状态量与换流器交、直流侧电流的内在逻辑联系。分析换相失败发生前后换流器的倒换相过程，并从定义出发讨论各阀臂是否正常倒换相。总结出保护系统中换相失败状态量的特点，便于运维人员更充分地运用状态量分析换相失败过程。关键词：高压直流；换相失败；保护系统；状态量中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：刘羽超（），硕士研究生，研究方向为特高压直流输电技术。引言换相失败是直流输电系统中的常见故障，通常发生在逆变站。换相失败的主要原因是交流系统故障，使逆变站交流电压波动，影响换流器的正常换相过程。换相失败过程中，直流电压、直流电流均会出现明显波动，使直流系统的功率无法正常输送至交流电网。对于单一直流输电系统，在交流故障迅速清除以及直流控制保护系统的作用下，换相过程可以在较短时间内恢复正常。随着用电中心的负荷日益增长，越来越多直流落点集中在负荷中心附近，交流系统故障可能同时引发多回直流换相失败，其相互之间的影响更为复杂。如果换相失败导致多回直流闭锁，就将严重威胁受端电网的安全稳定运行。许多文献针对直流换相失败问题展开了研究，从传统换流器结构改善、控制保护系统优化、无功补偿优化等方面提出了抑制换相失败的措施。对于当前普遍采用的常规直流逆变站，其控制保护逻辑考虑了众多因素，远比 仿真模型复杂；其发生换相失败后，仍需要现场运维人员第一时间开展事故处理与录波分析，将现场的实际情况准确地进行总结与反馈。因此，有必要针对现有的直流工程控制保护系统展开研究，明确其中与换相失败有关的各状态量的具体含义，得到它们与换相过程的联系。阀组保护系统中换相失败判据南瑞技术路线的直流系统在实际工程中广泛采用，本文以此为例展开研究。其阀组保护程序中，换相失败判据为：（，）（，（，）且 （，）（）式中，、为直流母线、中性母线电流，针对换相失败，故 （，）（换相失败期间直流侧电流）；为换流桥 交流侧三相电流的实时最大值；为 ；为 ；为 。综上所述，阀组保护判断换相失败有个关键点：直流电流明显大于换流器交流侧电流最大值；直流恢复阶段（交、直流电流均很小时）不满足换相失败判据。图为换相失败过程中相关模拟量和数字量。其中，为交流电压；为 换流桥交流电流；为 换流桥交流电流最大值，对应式（）中的 ；为直流母线电流，对于换相失败，对应电力自动化电工技术 式（）中的 （，）；即为 （，）。图 换相失败波形根据上述个关键点，保护对换相失败的判断集中在电压波动刚发生的一段时间内；而在直流电流降为零以及恢复过程中（如长方形框所示），保护未判为换相失败，是由于 （，）不满足。阀组保护中的换相失败状态量与换相失败有关的状态量包括换相失败状态量 、，它们分别表示换相失败信号、换相失败延时原理信号、换相失败计次原理信号、换相失败状态。这些状态量的值为保护系统计算换相失败次数提供依据。但南瑞程序中的换相失败检测模块已封装，无法查看上述状态量的具体逻辑，故需结合换相失败过程波形，总结上述状态量的规律。图为换相失败发生及恢复过程中，与换相失败判据相关的阀组保护电流、模拟量波形，由此可对各状态量的规律进行总结。图换相失败详细过程波形（）。换相失败信号在判据满足 后置，在不满足判据后置，实时判断直流、交流电流是否满足换相失败判据，非常灵敏，但实时计算存在微小误差。由图可查出，阀组控制系统未使用 信号进行换相失败的判断与控制，也未将其用于录波触发。图南瑞控保系统中 信号（）。换相失败延时原理信号在判据满足 后置，在不满足判据 后置，复归延时较长。若该信号持续时间达到换相失败延时动作一段或二段，则阀组控制将切换系统或跳闸（如图中 和 信号）。由 得到图所示的 （换相失败状态），当同一阀组桥或桥的 置则 置，二者的 同时置则 置。传输至控制系统触发录波、增大触发角，并使控制保护系统发“换相失败被检测到”信号。综上，反映了交、直流电流从首次满足换相失败判据到可靠不满足判据的持续时间；反映了阀组内有换流桥发生换相失败，并决定了“换相失败被检测到”信号的持续时间（至少 ）。图 南瑞控保系统中 信号图 逻辑图（）。换相失败计次原理信号在判据满足 后置，持续 后置，并实时判断交、直流电流是否满足判据。对换相失败特征的判断呈 的脉冲式触发，兼顾实时性和稳定性，但实时计算存在微电工技术电力自动化小误差，同一阀组不同保护的 脉冲次数误差次。若该信号在设定时段内发出的脉冲数达到换相失败次数动作一段或二段，则阀组控制将切换系统或跳闸，如图所示。由于换相失败次数动作定值至少为（单桥切换系统），且保护出口为取，因此误差在可接受范围。综上，反映了交、直流电流满足换相失败判据的次数。图 南瑞控保系统中 信号换相失败状态量与换相过程 、这个状态量均由交、直流电流是否满足换相失败判据所得，下面将进一步分析它们与换相过程的关系。从定义出发，换相失败是指某阀组应该导通而未能成功导通、对应需要关断的阀组未成功关断。在图所示的换流器结构中，电流正方向为直流高压侧流向换流器。图中，框的过程为阀向阀的换相失败（相电流由正降为零后又有增大趋势，对应阀关断未完成而重新导通；相电流由零转为正后无法保持而减小，对应阀收到触发脉冲却未能成功导通），随后阀收到触发脉冲，相的阀、在直流侧导通，三相交流均被短路，故电流为零；框为阀、关断，阀、导通成功完成的过程，由于此前阀未关断在直流侧形成了短路，因此各阀组的导通时间未恢复正常；框为换相恢图换流器结构图 桥换相失败波形复过程，阀、导通的时间长达 （正常为 ），阀导通过程中阀、换相，阀导通过程中阀、换相，但均成功换相。从定义出发，整个过程共发生次换相失败。但交、直流电流尚未恢复正常，多次满足换相失败判据，、按设定程序变化，其置的次数与换相失败次数无直接联系。、置次数虽然与换相失败次数相符，但若换相失败恢复过程（图方框、）发生定义上的第次（甚至多次）换相失败，则 、保持置的时间可能会延长或保持不变，其置的次数未必增加。且由图可知，置无法反映是或桥，还是二桥同时发生换相失败。综上，阀组保护所用个换相失败状态量均不能准确地从定义上反映换相失败的次数与具体位置，而可以从判据上反映换相失败，其特征总结见表。表换相失败状态量含义变量名含义特征作用 换相失败信号实时判断，非常灵敏控制未采用 换相失败计时原理复归延时较长，稳定计时原理出口 换相失败计次原理脉冲式，实时、稳定计次原理出口 换相失败状态同一阀组、桥 的或门输出发信号，提前触发结语本文所得结论概括了南瑞技术路线的直流工程中换相失败状态量的含义、特征及作用，可帮助现场快速而准确地开展换相失败录波分析，进而为优化换相失败判据、降低换相失败造成直流闭锁的概率提供思路。（下转第 页）电力自动化电工技术表系统模型参数模型参数数值光伏阵列开路电压 光伏阵列短路电流 光伏阵列最大功率点电压 光伏阵列最大功率点电流 最大功率点功率 光伏稳压电容 直流母线侧电压 负载等效电阻 开关频率 设置 改进光伏 参数，。设置模糊自抗扰控制参数，观测器带宽 ，控制器带宽 ，补偿因子 。在标况电池温度 条件下进行扰动仿真，光照变化如图所示，光伏发电系统输出功率如图所示。图光照变化图图输出功率变化图由图、图仿真结果可知，改进 控制可以更准确跟踪最大功率点，且提高系统跟踪最大功率点的速度，但当系统光照发生变化时，输出功率易出现较大波动。相较之下，改进后的模糊自抗扰控制可以迅速跟踪光伏最大输出功率，且克服光照变化时的波动问题，具有良好的动态和稳态性能。结语针对传统的光伏 控制不足，本文设计了结合模糊自抗扰 的 光 伏 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 器，对 比 传 统 的 控制和 改进的 控制，结合模糊自抗扰的光伏最大功率点跟踪控制器能够提升系统的响应速度，减小系统的输出功率波动，更准确跟踪最大功率点，提高系统的利用率，有效改善系统的暂态过程，表现出良好的控制性能。参考文献 赵贵龙，曹玲玲，祝龙记基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计电力系统保护与控制，（）：张曦，康重庆，张宁，等 太阳能光伏发电的中长期随机特性分析 电力系统自动化，（）：刘 永 军，万 频，王 东 海，等 自 适 应 模 糊 算 法 在 光 伏 系 统 中的应用太阳能学报，（）：，（）：李彬彬微逆变器光伏并网发电系统的研究与设计哈尔滨：哈尔滨工业大学，（）：牛秋 实，施建 强，惠 子 轩基 于 改 进 型 双 模 糊 控 制 的 光 伏 的研究电源技术，（）：高 志 强，李 松，周 雪 松，等线 性 自 抗 扰 在 光 伏 发 电 系 统 中的应用电力系统保护与控制，（）：，：王述彦，师宇，冯忠绪 基于模糊 控制器的控制方法研究 机械科学与技术，（）：（上接第 页）参考文献 夏嘉航，王晨欣，展瑞琦，等 考虑谐振特性和无功特性的改进型并联电 容 换相 换 流 器 电 力系统 自 动 化，（）：展瑞琦，叶蕴霞，夏嘉航，等混合串联换流阀抑制换相失败的作用原理及动态均压电路参数设计 中国电机工程学报，（）：张朝峰，张伟晨，饶宇飞，等 一种抑制多馈入特高压直流换相失败的投旁通控制策略 电力建设，（）：王渝红，陈立维，曾琦，等 特高压直流分层接入方式下预防换相失败的协调控制策略电力系统保护与控制，（）：陈睿康，李凤婷，尹纯亚，等 基于改进 的直流系统后续换相失败抑制策略电力工程技术，（）：朱仁龙，周小平，罗安，等基于电压时间换相面积预测的换相失败抑制方法 电力系统自动化，（）：徐志，奚鑫泽，卢佳改善直流换相失败的储能 技术仿真研究电工技术，（）：，电力自动化电工技术