基于阀电流特征的高压直流换相失败检测方法

陈光侵, 傅 闯, 张勇军

(1. 广东省绿色能源技术重点实验室, 华南理工大学电力学院, 广东省广州市 510641; 2. 直流输电技术国家重点实验室(中国南方电网科学研究院有限责任公司), 广东省广州市 510663)

0 引言

高压直流输电由于输送容量大、功率快速可控且功率及输电损耗低等优点被广泛应用于长距离和非同步电网互联等场合[1-2]。换相失败是高压直流输电系统最常见的故障之一[3],换相失败会造成直流电压的下降和直流电流的上升,连续换相失败甚至会影响换流设备的正常运行及输送功率中断,对系统的安全稳定运行造成威胁[4]。造成换相失败的主要因素为换相电压降低及相角的前移[5]。快速准确地对换相失败进行检测是保证系统安全稳定运行的重要条件,只有准确迅速检测出换相失败,才能对换相失败迅速做出控制与保护动作策略,才能保证系统安全稳定运行。

目前对换相失败判断与检测,主要分为两类方法:实测型和预测型[6]。实测型是将各个阀电流降为零时刻与对应换相电压过零时刻的时间间隔转化为角度量以获得关断角,进而与极限关断角进行比较判断是否发生换相失败[7];预测型是对三相交流电压进行坐标变换,利用变换后的电压判断交流侧故障是否可能引起换相失败,同时将其与故障前该电压的差值转化为角度值,并从触发延迟角中减去该值以实现提前触发[8-9]。一般来说,实测型对换相失败的判断和检测会更准确,但基于实测关断角与极限关断角的比较法,由于存在一定的盲区,也会存在误动作的问题。

文献[10]详细分析了直流系统中整流器、逆变器在换相电压不对称条件下的具体差异,通过对换流器的换相角和实际熄弧角的计算判断是否发生换相失败,但该方法无论在仿真还是工程实际中,处理临界附近的换相失败情况时容易发生误判。文献[11]提出采用关断角是否小于阀去游离时间对应的最小角度、阀电压是否连续为零、阀电流是否连续三者结合来判断是否换相失败,但此方法偏保守。文献[12]提出采用阀电压持续为零或阀电流持续非零超过1个工频周期的方法判断换相失败,但理论上取一个工频周期作为阈值,依然有盲区的存在。文献[7]指出实测型和预测型的不足,提出了兼备预测和判断换相失败功能的基于数学形态学的换相失败检测新方法,但其门槛值需通过大量的仿真确定,且算法较复杂,实用性不是很强。

本文分析了换相失败的过程和发展,从换相失败的本质出发,提出了一种基于阀电流特征的换相失败判据,并设计了基于阀电流特征的换相失败检测方法,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件上基于CIGRE BENCHMARCK高压直流(HVDC)搭建换相失败检测模块并进行了仿真,仿真结果表明了该方法能准确快速检测判断系统是否发生换相失败。

1 HVDC换相失败及阀电流特征分析

当逆变器两个阀进行换相时,如换相过程未能进行完毕,或预计关断的阀关断后,在承受反向电压期间未能恢复阻断能力,则当承受的电压转为正后将重新导通,即发生了倒换相,同时使预计导通的阀重新关断,这种现象称为换相失败[1]。

6脉动逆变器原理接线如图1所示。

图1 6脉动逆变器原理接线图Fig.1 Principle wiring diagram of 6 pulse inverter

以阀V1对阀V3的换相过程为例,如图2所示,当某种原因导致换相角过大,阀V3触发时(即脉冲P3产生时),至阀V1承受正向电压前,由于阀V1关断的时间很短(严重时甚至未关断),当阀V1开始承受正向电压时,阀V1上还存在剩余截流子,于是在正向电压的作用下,阀V1将在没有触发脉冲的情况下也会重新导通,而阀V3由于承受反压将开始关断,使阀V3向阀V1倒换相,到A点时阀V3关断。倒换相结束后,阀V1和阀V2继续导通,若无故障控制,将按次序导通后面各阀。在阀V4触发导通时,由于阀V1和阀V4同时导通,将造成直流侧短路。在脉冲P5产生时,由于阀V5承受反压而不会导通。直到脉冲P6产生时,阀V4换相至阀V6,此后若不再发生换相失败,直流侧短路将消失,系统将自动恢复正常运行。此过程逆变器反电势将下降持续约240°(对于50 Hz系统,即13.3 ms),而直流侧短路持续约120°+μ,阀V1持续导通约360°-γ。

上述换相失败过程称为一次换相失败,若故障很严重或故障控制不能及时抑制短路电流,逆变器将发生连续两次换相失败或多次换相失败[13-16]。但无论是一次还是多次换相失败,均存在倒换相的过程,而倒换相过程的特征在阀电流波形中表现得最为明显[17]。如图1所示,换相与倒换相过程中,阀V1的电流降低到零并维持很短的时间(即关断角γ),严重时甚至还未降为零,而当阀V1开始承受正向电压,即阀V1再次导通或者当阀V3开始承受反向电压时,阀V1向阀V3换相过程未结束而导致阀V3开始阻断,阀V1上的电流再次增大。当阀V4导通后,由于直流侧短路,使得阀V1上的电流增大速率和增大幅度再次提升,其增大的幅度将由整流器在故障的瞬间处于何种控制决定[18-19],若整流器在故障瞬间处于定触发角控制(模式1),即相当于电压源,如图3(a)所示;若处于定直流电流控制(模式2),即相当于电流源,如图3(b)所示。

图2 高压直流逆变器换相失败波形Fig.2 Waveforms of commutation failure at inverter side in HVDC

图3 逆变器换相失败直流侧短路电流计算电路图Fig.3 Calculation circuit of short-circuit current at DC side during commutation failure occurs at inverter side

若为电压源型,则通过逆变器的故障电流为:

(1)

若为电流源型,则故障电流可按下式计算:

(2)

图4是采用CIGRE BENCHMARCK HVDC参数计算得到的短路电流理论曲线,而实际仿真得到的换相失败直流侧短路电流在两条曲线之间,且更接近电流源型曲线。由图4可知,换相失败直流侧短路开始很短的时间内故障电流能迅速增大到2倍以上。

图4 逆变器换相失败直流侧短路电流计算结果Fig.4 Calculation results of short-circuit current at DC side during commutation failure occuring at inverter side

实际工程中,正常运行时逆变器触发角一般为140°,而换相角约为25°,关断角约为15°,一旦发生故障使得直流电流增大,换相角将同时大幅增大,而关断角将减小,一旦小于换流阀恢复阻断能力的最小时间对应的角度,即最小关断角,将导致换相失败。实际工程中最小关断角为7°左右,仅相当于0.39 ms,如图5(a)所示(情况1)。另外,大多数情况,往往电压过零时而换相过程并未进行完毕即发生倒换相,如图5(b)所示(情况2)。

图5 换相失败期间换流阀电流Fig.5 Valve current during commutation failure period

2 基于阀电流特征的换相失败检测方法

2.1 换相失败判据

综上所述,换相失败的本质过程即为倒换相,通过阀电流波形是否存在极值点、阀电流的大小等特征能非常简便而准确地判断系统是否发生换相失败。因此,阀电流能本质上反映系统是否发生换相失败,且其换相失败过程特征突出,非常适用于对换相失败的检测。因此基于换相失败时阀电流的特征,提出了换相失败的判据:①阀电流波形存在极小值点,且极小值前后衰减和增大的速率达到一定的水平;②极小值点后递增过程阀电流最大值大于正常运行电流;③极小值点后阀电流持续非零时间大于一个换流阀正常持续导通时间。若同时满足以上三个条件,则判定发生了换相失败。

2.2 换相失败检测

2.2.1阀电流极值点及其前后变化速率检测

附录A图A1逻辑为检测是否存在阀电流极值点,并判断到达极小值点前衰减速率最大值是否大于SN及极小值点后递增速率最大值是否大于SP。该功能控制过程如下。

1)阀电流的一阶导数经MAX HOLD功能输出最大值并保持,但当导数值小于0时重置为0,最终输出每个阀电流一阶导数大于零区间的最大值iVP,max(t),如式(3)和式(4)所示。

(3)

iVP,max(t)=

(4)

式中：IV(t)为阀电流；iV(t)为缩放后的阀电流一阶导数；T1为微分器的时间常数。

2)若存在极小值点,则iVP，max(t)即为到t时刻为止极小值点后递增的最大速率,其与设定的SP比较,若大于该值则输出高电平1,即满足极小值点后阀电流递增斜率的要求,否则输出低电平0,其输出信号LVP(t)为：

(5)

3)对极小值点前的衰减过程,先把衰减过程的斜率取反得到衰减速率,经MAX HOLD功能输出最大值并保持,但当iV(t)大于0时重置为0,最终输出每个阀电流一阶导数相反数大于零区间的最大值iVN,max(t),即为极小值点前衰减的最大速率,如式(6)所示。

iVN,max(t)=

(6)

4)极小值点左侧衰减的最大速率,其与设定的SN比较,若大于该值则输出高电平1(即满足极小值点左侧阀电流衰减斜率要求),否则输出低电平0,其输出信号LVN,B(t)为：

(7)

5)将极小值点左侧衰减斜率满足要求输出的高电平保持至极小值点右侧递增速率变成0为止,如式(8)和式(9)所示。

LVN(t)=

(8)

(9)

式中：PiV(t)为判断极值点类型的脉冲信号。

6)将检测极小值点左侧衰减斜率输出的电平LVN(t)与检测右侧递斜率输出的电平LVP(t)经“与”逻辑输出电平LMIN,CF,B(t),若存在左右两侧衰减和递增过程最大速度满足一定水平的极小值点,则输出高电平1,否则输出低电平0,如式(10)所示。

LMIN,CF,B(t)=LVP(t)LVN(t)

(10)

7)将输出的高电平1保持到阀电流降到0为止,即输出阀电流极小值检测的最终信号LMIN,CF(t),如式(11)所示。

LMIN,CF(t)=

(11)

2.2.2阀电流最大值检测

附录A图A2逻辑为检测阀电流最大值LV,MAX(t)是否大于正常情况下换流阀导通时的最大电流IV,NOM。信号LMAX,CF(t)即为该功能模块的最终输出,若大于正常的最大阀电流IV,NOM则输出高电平1,否则输出0,可由式(12)和式(13)表示。

IV,MAX(t)=

(12)

(13)

2.2.3极值点后阀电流持续非零时间检测

附录A图A3逻辑为测量极值点后阀电流持续非零时间并判断是否大于正常情况下一个换流阀正常持续导通时间TV,NOM。该功能控制过程如下。

1)在极小值点左侧衰减过程最大衰减速率满足要求的情况下,阀电流一阶导数大于0开始输出高电平1,其输出信号TA,P(t)为：

(14)

2)将输出的TA,P(t)高电平保持至阀电流降到0为止,其输出信号TA,L(t)为：

TA,L(t)=

(15)

3)将电平TA,L(t)作积分,并且当电平为0时将积分输出TA,I(t)重置为0,即得到其高电平持续的时长，输出TA,I(t)为：

(16)

其中[tCF,tE]如图4所示,同时为信号TA,L(t)高电平区间,也即换相失败持续区间。

4)在阀电流极小值点检测功能输出高电平1的情况下,将积分输出TA,I(t)经过MAX HOLD功能取最大值并维持该值输出,即为换流阀换相失败持续时间TC,B(t),如式(17)所示。

TC,B(t)=

(17)

5)输出的TC,B(t)与正常情况下一个换流阀正常持续导通时间TV,NOM作比较输出换相失败持续时间检测模块的最终信号LTC,CF(t),若大于则输出高电平1,否则输出低电平,如式 (18)所示。

(18)

2.2.4换相失败检测

如附录A图A4所示,把上述三个条件检测逻辑输出的信号经“与”逻辑输出,并经MAX HOLD保持输出LCFi(t)作为最终第i个阀电流换相失败检测输出信号。对12脉动换流器,其由两个分别接于星形/三角形和星形/星形接法的换流变的6脉动换流器串联构成,因此i=D1,D2,…,D6,Y1,Y2,…,Y6。若存在一个阀电流换相失败检测输出为高电平1,则发生换相失败,否则不发生换相失败。

3 仿真验证

本文基于CIGRE BENCHMARK HVDC标准测试模型,在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建换相失败检测模块,在逆变侧交流母线设置不同故障,以验证所提换相失败检测方法的可行性。

换相失败检测模块参数设置如下:T1=0.001 s,SN=0.5 kA/s,SP=0.5 kA/s,IV,NOM=2.2 kA,TV,NOM=0.008 s。

为验证提出的基于阀电流的换相失败检测方法在各种故障下的准确性,本文选取典型的三相故障和单相故障作为实例分析。

3.1 逆变侧交流母线三相短路故障

故障起始时间为3.0 s,持续100 ms,短路接地电感取为0.4 H,仿真结果见附录A图A5和图A6。

由附录A图A5可知,当3.0 s逆变侧交流母线发生三相短路故障,12脉动逆变器换流阀VY3向阀VY5换相时最先发生换相失败,此时t1=3.003 5 s,阀VY3承受的电压开始转为正,而iVY3(t1)=0.23 kA,即阀VY3向阀VY5换相尚未结束即发生倒换相,阀VY3继续导通且流过它的电流增大,而阀VY5由于承受反压而开始关断。直到阀VY6导通,即t2=3.004 8 s时,与星形/星形接法的换流变联结的6脉动换流器将由阀VY3和阀VY6同时导通形成短路,此时逆变侧反电势将比正常降低约一半。当t=t3=3.005 8 s时,此时星形/三角形接法的换流变联结的6脉动换流器中阀VD3向VD5换相失败,而阀VD6也在很短的时间后(即t4=3.006 s)导通,阀VD6导通后,直流侧线路将由于阀VD3、阀VD6、阀VY3和阀VY6同时导通而形成短路,逆变侧反电势将降为零。另外,阀VY6持续导通,直到P2脉冲产生,阀VY6向VY2换相,但由于此时换相角依然很大,当阀VY6开始承受正向电压时,即t5=3.013 8 s,此时iVY6(t5)=0.6 kA,也即换相尚未结束,因此再次发生倒换相。直到t6=3.017 6 s,阀VD6关断,直流侧短路最终消失。

基于阀电流特征的换相失败检测结果如附录A图A6所示,检测到的换相失败的顺序为:阀VY3、阀VD3、阀VY6,显然,与上述分析一致。此外,检测结果与倒换相时刻的偏差见附录A表A1。

由附录A表A1可知,提出的基于阀电流换相失败检测方法在逆变侧交流母线三相故障下,反应时间仅为5～6 ms,表明能迅速为控制与保护系统动作提供支持。

3.2 逆变侧交流母线单相短路故障

设逆变侧交流母线A相短路故障,故障起始时间为3.0 s,持续100 ms,短路接地电感取为0.4 H,仿真结果见附录A图A7和图A8。

由附录A图A7可知,当逆变侧交流母线3.0 s发生A相短路故障后,最先于t1=3.005 5 s由阀VD3向阀VD5换相失败,并于t2=3.006 6 s阀VD6导通后逆变侧直流电压下降约一半。t3=3.007 5 s时阀VY4向阀VY6换相时发生换相失败,且当t4=3.007 7 s阀VY1导通后造成直流侧短路,逆变侧直流电压降为零,并持续至阀VD6向阀VD2换相失败(t5=3.015 2 s)后阀VD2关断(t6=3.019 1 s)为止。

由附录A图A8可知,提出的换相失败检测方法同样检测到了换相失败,其顺序为:阀VD3、阀VY4、阀VD6,显然与上述分析一致。检测结果与倒换相时刻的偏差见附录A表A2。

由附录A表A2可知,提出的基于阀电流特征的换相失败检测方法在逆变侧交流母线单相故障下,反应时间同样仅为5～6 ms,即在单相故障下发生的换相失败,该方法亦能快速准确检测。

4 结语

本文分析了换相失败的机制和过程发展,以及换相失败过程相关电气量波形特征,并提取最能反映换相失败本质的阀电流的特征并提出基于阀电流特征的换相失败判据,设计了基于阀电流特征的换相失败检测方法。选取了典型的逆变侧交流母线三相和单相故障对该方法进行了仿真,验证了该方法准确、有效性的同时,亦能迅速检测到换相失败,可为换相失败的仿真研究工作提供参考和支持。由于已建高压直流工程换流阀桥臂没有配置电流检测装置,该方法还暂时不能直接应用于实际工程,其实用效果还有待进一步的检验。因此,现阶段首先考虑将此方法应用于实际高压直流工程PSCAD/EMTDC和实时数字仿真测试中。如在新建高压直流工程配置有桥臂电流检测装置,则该方法就可以应用于实际高压直流控制保护系统中。另外,本课题组也正在研究不依赖于阀电流检测的换相失败检测新方法。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。