一种考虑交流侧故障的高压直流输电系统可靠性评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统可靠性评估领域，尤其设及基于电流源换流器的高压直流输 电系统的可靠性评估。
【背景技术】
[0002] 随着新能源发电的大规模开发，电源与负荷的空间不对称趋势仍在加剧，电能的 远距离大功率输送需求日渐增加。特（超）高压交流输电解决方案可W部分地满足运种需 求，但是远距离交流输电给系统带来的稳定性问题凸显，运极大地制约着其应用。高压直 流输电（HVDC)无功角稳定性问题，随着输送距离的增加，其经济性也逐渐超过交流输电方 案。另外，随着电力电子设备技术的发展，基于线路换相换流器化CC)的HVDC技术已经日 趋成熟。在此背景下，世界范围内近年来，HVDC工程数目迅速增加。
[0003] 现有的HVDC工程，按其用途可W分为远距离大容量输电、背靠背非同步联网、跨 海送电等。无论哪一种用途的HVDC工程，其强迫停运都将给供受两端的交流系统带来重大 冲击，所W在电网规划中必须要高度重视HVDC工程可靠性的影响。而另一方面，相比于交 流电网的建设，HVDC的发展较晚，运行经验相对匿乏，可靠性评估技术的研究相对落后。因 此，研究HVDC系统的可靠性评估技术显得尤为必要和迫切。
[0004] 高压直流输电系统可靠性的研究开始于二十世纪六十年代末期，加拿大的 R.Billinton教授在1968年发表了该领域的第一篇学术论文，紧接着，国际大电网会议 (CIGR巧也成立了专口的工作组，开始对高压直流输电系统进行可靠性的统计和分析。我国 对高压直流输电系统可靠性的研究开始于上个世纪80年代初，在高压直流输电系统的可 靠性指标、模型、评价方法和综合分析等方面进行了系统的理论研究。
[0005] 对HVDC系统的可靠性评估可W分为解析法和MonteCarlo法，解析法具体又可分 为故障树法、频率和持续时间法及状态枚举等。现有的HVDC系统可靠性评估方法都是基于 固定的元件故障率、修复率和安装率，没有考虑HVDC系统的运行状况，虽然可W给出HVDC 系统的整体的可靠性指标，但无法准确刻画运行中HVDC系统的真实可靠性水平。CIGRE发 布的HVDC系统可靠性报告显示，在实际运行中，基于LCC的HVDC系统的停运超过60 %是由 于交流侧设备或辅助设备故障所致，而现有的HVDC系统可靠性评估却难W掲示和刻画运 一部分的故障。
[0006] 我国HVDC发展迅速，在西电东送和新能源大规模开发中发挥着越来越重要的作 用，交直流混联的大电网局面逐渐形成，仅考虑HVDC换流站内交直流元件故障而不考虑交 流侧系统故障的传统可靠性评估方法已经难W精确刻画交直流混联场景下的HVDC系统的 可靠性，研究考虑交流侧故障的HVDC系统可靠性评估方法显得尤为必要和迫切。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种考虑交流侧故障的高压直流输电系统可靠性评估方 法。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用了 W下技术方案：
[0009] 1)建立交流电网中的输变电设备（架空线和电缆等输电线路W及交流变压器、交 流电抗器、同步发电机、STATCOM等设备）和高压直流输电系统中交流滤波装置、换流变压 器及其他的交流辅助设备的可靠性模型；
[0010] 2)利用所述可靠性模型对所述输变电设备W及所述交流辅助设备的故障特征 (故障位置、故障类型W及故障修复时间）进行抽样，通过时序蒙特卡罗仿真法计算所述输 变电设备W及所述交流辅助设备故障引起换流站连续换相失败的概率、频率和修复时间指 标；
[0011] 3)将高压直流输电系统所并联的交流电网等效为高压直流输电系统的一个虚拟 子系统，该虚拟子系统的可靠性参数由连续换相失败的概率、频率和修复时间指标得到，从 而将交流系统故障的影响统一纳入到高压直流输电系统的可靠性评估中。
[0012] 所述步骤1)具体包括W下步骤：利用两状态模型对所述输变电设备W及所述交 流辅助设备进行建模，所述两状态指运行状态和停运状态，两状态的状态转移率分别由故 障率和平均修复时间求取。
[0013] 所述故障率和平均修复时间根据故障历史数据计算得到。
[0014] 步骤。中，依据换流阀中晶闽管焰弧的机制，利用换相面积来判断交流系统故障 时换相过程是否发生失败。
[001引当IAfKlAmmI时，换流阀无法在换相期间完成换化从而导致换相失败；当 IAfI > IAmmI时，换流阀的换相过程将提前结束，换相过程顺利完成，Af为故障发生后的换 相电压时间面积，Ami。为正常换相需要的最小换相电压时间面积。
[0016] 本发明的有益效果为：
[0017] 1、本发明的方法通过建立换相失败判断依据，对持续换相失败的建模，能够为换 相失败建立精确的可靠性模型。换流站是连接直流系统和交流系统的枢纽点，换流站的换 相失败是交直流可靠性评估中都需要面对的课题，换相失败的可靠性建模为解决交直流输 电系统可靠性互相禪合的难题提供模型基础。
[0018] 2、本发明的方法可W有效地考虑交流系统的故障对HVDC系统可靠性的影响，克 服现有的HVDC系统可靠性评估方法仅计及直流输电系统和换流站设备故障而不能计及交 流侧故障影响的缺点，实现更加合理的可靠性评估，使HVDC系统可靠性评估更加贴合工程 的实际应用，给电网规划和运行方式的安排提供更加有效的依据。
【附图说明】
[0019] 图1为无故障时换相电压面积示意图；
[0020] 图2为交流侧故障时换相电压面积示意图；
[0021] 图3为换相失败可靠性参数评估流程图；
[0022] 图4为HVDC系统子系统划分；
[0023] 图5为HVDC系统状态空间图，图5中，每个框中，左上为换流站，右上为直流输电 线路，左下为状态编号，右下为输送容量的标么值（W额定输送容量为基准值）。CS指换流 站，L指高压直流输电线路，前面数字表示正常运行的数量。A为故障率，y为恢复率。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[00巧]1.交流设备的故障模型
[0026] 本发明依据同类型设备的故障历史数据，进行数据拟合、异常数据剔除和修复，得 到故障设备的故障率、平均修复时间。利用两状态模型对交流设备进行建模，在该模型中， 两状态指运行状态和停运状态，二者的状态转移率分别由故障率和平均修复时间求取。
[0027] 2.交流系统可靠性参数的计算W及换相失败的判断
[0028] 本发明利用时序蒙特卡罗模拟的方法计算交流系统可靠性参数。抽取各元件的状 态持续时间，当元件处于故障状态时，再抽取其故障类型，再利用换相失败的判据来评估故 障后果，得到交流系统可靠性概率性参数。本发明依据LCC换流阀中晶闽管焰弧的机制，利 用换相面积来判断交流系统故障时换相过程是否发生失败。
[002引1)换相失败判据
[0030] 判别换相失败可W通过比较关断角丫与晶闽管固有的最小关断角丫mm的大小， 如果丫 <Ymi。，则换流器换相失败。其中，关断角丫是换流阀关断的时刻与线电压过零点所 夹的电角度，逆变器的换相角的计算公式为：
[00 引]
(1)
[0032] 式中，X,2为逆变器的等值换相电抗；E2为逆变器的换相线电压有效值；Ud2为直流 电压；Id为直流电流。
[0033] 由公式（1)中可W见，逆变器的换相角的计算含有反=角函数较为复杂，不利于 实际应用。同时，换相角的判据并没有掲示换相失败的本质。换相失败的本质是缺乏足够 的时间和反向电压来恢复阻断能力，所W本发明综合恢复阻断能力的时间和反向电压，采 用换相电压面积法作为衡量恢复阻断能力的指标，并在此基础上建立换相失败的判据。
[0034] 图1中的阴影部分A。为正常运行时的换相电压时间面积，它是指换相期间换相线 电压关于时间的积分。图1中a为触发角，y为逆变器的换相角，A为焰弧角，Ot为相 角（《为角速度）。
[0035] 正常情况下，换相电压时间面积的简化计算方法如下式所示：
[0036] A=化山似
[0037] 其中，k为每相等值换相电感，其值近似等于换流变压器漏抗；Id为直流电流。
[003引交流系统发生故障的情况下换相线电压的情况参见图2,其中U。为正常运行时的 换相线电压，4粹为由交流系统故障引起换相线电压相位偏移。而图中的阴影面积Af即为 故障发生后的换相电压时间面积，它是指换相期间换相线电压关于时间的积分。
[0039] 结合图1和图2可W分析得到，当IAfKlAmmI时，换流器无法在换相期间完成换 相，此时的关断角丫将小于最小关断角丫mi。，从而导致换相失败；当IAfI>lAmi」时，换流 器的换相过程将提前结束，此时的关断角T将大于等于最小关断角Tmi。，换相过程顺利完 成。因此，换相电压时间面积的大小可W表征换相的成功与否，故可W得到如下换相失败判 据：
[0040] IAfKlAmmI做
[0041] 式中，Ami。即为正常运行时的最小换相电压时间面积，可根据最小焰弧角Ami。计算 得到；而故障发生后的换相电压时间面积Af可按下式进行计算：
[0042] 4' = ,- ((W +巧+ A界k/((W) (4)
[004引其中Uaf为交流系统故障后a相的线电压，恥为无故障时a相电压的初相角，ti和 t如式妨和式（6)表示：
[0044] (5)
[0045] (6)
[0046] 2)交流系统故障特征采样方法
[0047] 由换相失败的判据可W见，影响由交流系统故障导致的直流系统换相失败的因素 包括故障元件、故障位置、故障类型、故障合闽角、过渡电阻、直流电流、换相电抗、触发越前 角和最小关断角等。其中，直流电流、换相电抗、触发越前角W及最小关断角一般可W认为 是固定不变的，决定换相失败与否的影响因素主要是故障元件、故障位置、故障类型、故障 合闽角W及过渡电阻，而且各个因素之间是互相独立的。下面分别介绍各影响因素的概率 模型。
[004引 （1)故障元件
[0049] 交流系统含有很多元件，不同元件的故障对直流换相失败的影响都是不同的，现 W交流系统中最常见的故障一一线路故障为例进行说明。关于线路的模型，可采用简单的 两状态