一种分层接入直流换相失败预防控制整定方法及装置与流程

本发明涉及一种电力系统的模拟与计算领域的方法，具体涉及一种分层接入直流换相失败预防控制整定方法及装置。

背景技术：

特高压分层接入(1000kv及500kv交流电网)方式在提高受端系统电压支撑能力、引导潮流合理分布方面具有明显优势。目前，特高压直流输电系统的换相失败预防控制策略，对预防故障后电压恢复过程中逆变侧再次发生换相失败起到了良好的作用。然而，直流受端单一层面的故障造成另一层面交流电压下降幅度不大的情况下，目前换相失败预防控制策略往往并不能使另一层面避免换相失败的发生，甚至出现由于控制策略不当导致换相失败的情况。

若在交流母线电压降低时迅速提高关断角定值，使直流系统短时运行在较低的触发角下，给换相角的增大留出足够的裕度，是可以使实际计算出的关断角不降低到较低的值，从而不发生换相失败的。目前各类换相失败预防控制策略即为通过检测电压或电流变化量，通过一定逻辑运算处理，给出不同情况下的关断角定值。

换相失败预防控制采用两种检测手段来进行检测与控制，取两种种检测手段的最大值，经过自保持环节输出作为关断角γ角的增量。

影响换相失败预防控制效果的参数包括以下几个方面：

(1)电压变化量的幅值系数acf和aαβ_cf

电压变化量幅值系数的减小会使换相失败预防控制在更大电压范围内满足判剧而启动，对于换相失败后电压恢复过程中关断角定值的提升是有好处的。然而，在一些电压收到微小扰动的情况下，过于灵敏的换相失败预防控制会带来关断角的频繁增大，而关断角与换流器消耗的无功满足以下公式：

其中：γ为关断角，ud为直流电压，ud0为直流理想空载电压，id为直流电流，xr逆变侧等效电抗；

关断角的增加会造成逆变侧换流器吸收消耗无功功率增加，无功的波动不利于交流系统的电压稳定；而对于换相失败后系统的恢复仍可以通过其他参数的调整达到快速稳定的目的，故不对acf和aαβ_cf原有参数进行调整。

(2)换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf

换相失败预防控制增益与关断角定值之间的关系满足：

δγ＝cos^-1(1-gcf×udiff)

δγ＝cos^-1(1-gαβ_cf×uαβ_diff)

其中，udiff和uαβ_diff为延时时间，δγ为关断角定值增量。

由上式可知，gcf和gαβ_cf一定程度上的增大会使计算得到的关断角定值增量δγ增加，对于分层接入直流的无交流故障的阀组在故障期间不发生换相失败有益。同时考虑换流器吸收无功与关断角的关系，应控制增益带来的关断角定值增大的幅度。

(3)自保持环节时间常数tcf

当电压变化量满足换相失败预防控制的启动判剧，δγ会迅速为关断角定值提升一定角度，然而若在故障后系统恢复过程中，电压缓慢提升到不满足判剧时马上退出关断角定值的增加，极易造成一次新的换相失败的发生。因此，通过自保持环节可以使预防控制平缓退出，有效降低换相失败的次数。常规特高压直流采用的自保持环节时间常数tcf较小，易使非故障阀组在恢复过程中发生换相失败，故应适当增大tcf，使关断角保持时间延长，有利于分层接入直流的无交流故障的阀组在故障期间不发生换相失败。结合上述原理及直流系统相关参数，tcf的取值应在原非分层参数基础上适当增加，不同直流略有不同。

(4)两电压层面换相失败预防控制的协同

传统换相失败预防控制均通过检测换流阀所连交流母线的电压变化来作为启动依据，而在分层接入模型条件下，逆变侧换流器所连交流母线的电压等级不同，一个层面发生交流故障造成的电压降低对另一层面的影响程度也不同，电压下降程度低的层面可能不会达到启动换相失败预防控制的阈值；但是逆变侧阀组的串联使不同层面的直流电流相同，某一层面的阀组发生换相失败，会使直流电流大幅增加，将直接导致无故障层面的阀组发生换相失败。因此，在原来逆变侧两个层面电压等级各自计算出δγ后，对两个δγ计算最大值，作为两个层面共同的δγ，可以有效防止无故障层面换流阀发生换相失败。

虽有各类常规直流换相失败预防控制的分析，但是对于直流分层接入换相失败预防控制参数的确定方法却少有研究。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种分层接入直流换相失败预防控制整定方法及装置。

一种分层接入直流换相失败预防控制整定方法，

构建机电-电磁混合仿真算例，所述算例包括获取的特高压直流分层接入的机电侧数据和搭建的特高压直流分层接入的电磁侧模型；

设置故障，找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式；

根据故障形式利用机电-电磁混合仿真算例，选择适用于分层接入系统的换相失败预防控制的参数；

根据所述换相失败预防控制的参数形成换相失败预防控制策略。

进一步的，所述机电侧数据包括：潮流的收敛性、节点电压的偏差值、线路潮流、下注功率和电力系统的稳定。

进一步的，所述电磁侧模型包括：搭建分层接入直流一次系统模型和搭建分层接入直流控制系统模型。

进一步的，所述搭建分层接入直流一次系统模型包括：

搭建一次系统，按照所述特高压直流分层接入的实际结构，将整流侧和逆变侧双极的交流滤波器、16组换流变压器、用16组六脉桥搭建的4组双十二脉动换流桥、直流滤波器、接地极、平波电抗器和直流线路依次搭建，并按照直流工程参数填写；

搭建直流逆变侧结构，分别接入两个电压等级的交流系统，两层系统的稳态运行电压分别为所接入交流系统的基准电压；

按照常规直流结构搭建整流侧结构。

进一步的，所述搭建分层接入直流控制系统模型包括：

采用定电流控制和低电压限电流控制搭建整流侧结构；

采用定电流控制、定关断角控制、定电压控制和低电压限电流vdcol控制搭建逆变侧结构；

在逆变侧按照搭建换相失败预防控制逻辑，所述逻辑中的参数采用常规特高压直流系统中换相失败预防控制的参数。

进一步的，所述设置故障，找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式包括：

在直流落点两个电压等级层面交流近区分别设置直流逆变侧交流线路n-1故障，并在多次仿真中逐步减小故障电阻，增加故障的严重程度，直至找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式。

进一步的，所述根据故障形式利用机电-电磁混合仿真算例，选择适用于分层接入系统的换相失败预防控制的参数包括：

(1)仿真观测仅更改换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf对非故障层面换流阀换相失败的影响；

(2)仿真观测仅更改换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响；

(3)同时更改换相失败预防控制的两个参数控制增益gαβ_cf和自保持环节时间常数tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响。

进一步的，所述步骤(1)包括：

根据故障形式，以参数0.2为起点，以0.05为梯度依次增加换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf两项参数得值；

通过仿真观测换相失败的次数，直至确定换相失败不再发生时的换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf的取值。

进一步的，所述步骤(2)包括：

根据故障形式，以参数0.00001为起点，以0.00005为梯度依次增加换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf的值；

通过仿真观测换相失败的次数，直至确定换相失败不再发生时的自保持环节时间常数tcf的取值。

进一步的，所述步骤(3)包括：

根据故障形式，通过同时调整参数控制增益gαβ_cf和自保持环节时间常数tcf的值；

通过仿真观测换相失败的次数，使直流系统能够更快进入稳态，确定此时参数控制增益gαβ_cf和自保持环节时间常数tcf的取值为此直流分层接入系统的换相失败预防的参数。

一种分层接入直流换相失败预防控制整定装置，所述装置包括：

模型搭建模块，用于根据机电侧数据和电磁侧模型构成机电-电磁混合仿真算例；所述算例包括获取的特高压直流分层接入的机电侧数据和搭建的特高压直流分层接入的电磁侧模型；

故障模块，用于设置故障，找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式；

确定模块，用于分析换相失败预防控制逻辑中影响关断角的因素，选择适用于分层接入系统的换相失败预防控制的参数；

执行模块，用于根据所述换相失败预防控制的参数形成换相失败预防控制策略。

进一步的，所述模型搭建模块包括：

采集子模块，用于获取的特高压直流分层接入的机电侧数据；

分层接入直流一次系统模型子模块，用于搭建分层接入直流一次系统模型；

分层接入直流控制系统模型子模块，用于搭建分层接入直流控制系统模型。

进一步的，故障模块，用于，

在直流落点两个电压等级层面交流近区分别设置直流逆变侧交流线路n-1故障，并在多次仿真中逐步减小故障电阻，增加故障的严重程度，直至找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式。

进一步的，确定模块，用于，

(1)仿真观测仅更改换相失败预防控制增益对非故障层面换流阀换相失败的影响；

(2)仿真观测仅更改换相失败预防控制自保持环节时间常数对非故障层面换流阀换相失败的影响；

(3)同时更改换相失败预防控制的两个参数控制增益和自保持环节时间常数对非故障层面换流阀换相失败的影响。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案采用机电-电磁混合仿真的手段，直流系统搭建在电磁侧，考虑了分层直流的详细结构，克服了传统机电模型仿真方法不能准确模拟换相失败过程的缺陷。

2、本发明提供的技术方案采用机电-电磁混合仿真的手段，将直流以外的大电网搭建在机电侧，考虑了直流和外部交流系统的相互影响，克服了传统电磁暂态仿真需要进行外部等值而造成仿真规模减小，准确性降低的缺陷。

3、本发明提供的技术方案可优化换相失败预防控制的参数，有效抑制分层接入方式的特高压直流输电系统逆变侧因为一个交流电网故障对另一个无交流故障电网所连接的阀组运行的影响，保证无交流故障的阀组可稳定运行，不会发生换相失败。

4、本发明提供的技术方案具有广泛适应性，手段简单，速度快，适用于不同分层接入方式的特高压直流输电系统工程的换相失败预防控制参数优化。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明提供的特高压直流分层接入交流系统示意图；

图3为本发明提供的特高压直流分层接入方式示意图；

图4是本发明提供的换相失败预防控制逻辑框图；

图5是本发明提供的换相失败预防控制参数优化前后非故障层面逆变侧关断角仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种分层接入直流换相失败预防控制整定方法，通过机电-电磁仿真手段，针对现有分层接入直流工程应用的逆变侧换相失败预防控制提出一种改进的控制策略，可有效抑制分层接入方式的特高压直流输电系统逆变侧因为一个交流电网故障对另一个无交流故障电网所连接的阀组运行的影响，保证无交流故障的阀组稳定运行，研究成果可指导大型交直流混联系统仿真分析人员进行直流控制性能调整，具有较高的实际应用价值。流程图如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤1：搭建特高压直流分层接入的交直流混联系统计算所需的机电侧潮流和稳定数据。

所述步骤1包括：

步骤1-1：搭建特高压直流分层接入的交直流混联系统计算所需的大电网，基于机电暂态计算形式开展；

步骤1-2：利用潮流计算软件进行潮流初步计算，保证潮流的收敛性；检查节点电压水平，保证节点电压的偏差值符合《电力系统电压和无功电力技术导则》中的相关规定；检查线路潮流水平，保证线路潮流不超过线路自身的热稳极限；检查变压器下注功率，保证下注功率不超过变压器的额定容量；

步骤1-3：利用稳定计算软件进行稳定初步计算(主要是根据已有软件计算)，保证电力系统在小扰动或单一故障情况下能够保持稳定。

步骤2：搭建特高压直流分层接入的电磁侧详细模型，模型包含分层接入直流一次系统和控制系统，及换相失败预防控制逻辑。所述步骤2包括：

步骤2-1：采用的基础元件包括(不限于)：三相rlc元件、单相rlc元件、晶闸管元件、输电线路元件、三相\单相故障元件、三相两绕组变压器元件；一次系统建模按照实际结构将整流侧和逆变侧双极的交流滤波器、16组换流变压器、用16组六脉桥搭建的4组双十二脉动换流桥、直流滤波器、接地极、平波电抗器、直流线路依次搭建，并按照直流工程参数填写，其中：直流系统采用双12脉动2*400kv换流器，单极额定直流功率为5000mw，额定直流电流为6.25ka，换流器逆变侧关断角均为17°，受端两层系统的稳态运行电压分别为525kv、1050kv；直流逆变侧分别接入525kv和1050kv母线；整流侧结构与常规直流相同；

步骤2-2：搭建分层接入直流控制系统模型，整流侧采用定电流控制、低电压限电流控制，逆变侧采用定电流控制、定关断角控制、定电压控制、低电压限电流vdcol控制；另外，在逆变侧搭建换相失败预防控制逻辑，如图4所示。逻辑中的参数采用常规特高压直流系统中换相失败预防控制参数。

换相失败预防控制采用两种检测手段来进行检测与控制，取两种检测手段的最大值，经过自保持环节输出作为关断角γ角的增量δγ′，作为关断角在故障期间的增加量，使定关断角控制的定值短时增加，预防故障发生后电压恢复阶段换相失败的发生。

步骤3：形成机电-电磁混合仿真算例，确保无故障情况下的稳定运行。所述步骤3包括：

步骤3-1：设置机电-电磁混合仿真接口，形成机电-电磁混合仿真算例，其中特高压直流分层接入模型在电磁侧，其余电网在机电侧；

步骤3-2：在无故障条件下，混合仿真算例能够稳定运行，观测到直流系统单极直流功率、直流电流、换流器逆变侧关断角均达到整定值，受端两层系统的稳态运行电压分别为所连接母线的基准电压。

步骤4：在直流落点两个电压等级层面分别设置直流逆变侧交流母线n-1故障，找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式。

所述步骤4中，在直流落点两个电压等级层面分别设置直流逆变侧交流母线n-1故障，并在多次仿真中逐步减小故障电阻，意在增加故障的严重程度，则故障层面逆变侧交流电压的降低将影响非故障层面的交流电压，加大引发非故障层面直流换流阀发生换相失败的可能性；直至找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式。

步骤5：修正换相失败预防控制逻辑中影响关断角的几种因素：电压变化的幅值系数、控制增益、自保持环节时间常数。所述步骤5中，分层接入直流换相失败预防控制参数优化包括：换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf，自保持环节时间常数tcf。

通过机电-电磁混合仿真手段，按照如下步骤对上述参数进行调整并仿真确定是否能够有效抑制分层接入方式的特高压直流输电系统逆变侧因为一个交流电网故障对另一个无交流故障电网所连接的阀组运行的影响：

步骤5-1：仿真观测仅更改换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf对非故障层面换流阀换相失败的影响。设置步骤4所确定的故障形式，以传统参数0.2为起点，对换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf两项参数以0.05为梯度依次增加，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，直至完全避免非故障层面换流阀换相失败的发生。

步骤5-2：仿真观测仅更改换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响。设置步骤4所确定的故障形式，以传统参数0.00001为起点，对换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf参数以0.00005为梯度依次增加，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，直至完全避免非故障层面换流阀换相失败的发生。

步骤5-3：同时更改换相失败预防控制的两个参数gαβ_cf和tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响。步骤5-1和5-2为单独调整某一参数的情况下进行换相失败预防的方式，而通过两个参数小幅度的同时调整，可以达到最佳的效果，使直流系统能够更快进入稳态。换相失败预防控制参数优化前后非故障层面逆变侧关断角仿真曲线如图5所示，可见参数优化效果明显。

步骤6：提出改进的控制策略，有效抑制分层接入方式的特高压直流输电系统逆变侧因为一个交流电网故障对另一个无交流故障电网所连接的阀组运行的影响。

采用图2、图3中直流分层接入系统及交流系统作为示例，搭建特高压直流分层接入的交直流混联系统计算所需的机电侧潮流和稳定数据，具体结构图如图2所示。搭建特高压直流分层接入的电磁侧详细模型，具体结构图如图3所示。直流系统采用双12脉动2*400kv换流器，单极额定直流功率为5000mw，额定直流电流为6.25ka，换流器逆变侧关断角均为17°，受端两层系统的稳态运行电压分别为525kv、1050kv；直流逆变侧分别接入525kv和1050kv母线；整流侧结构与常规直流相同；电磁侧模型包含分层接入直流一次系统和控制系统，及换相失败预防控制逻辑；形成机电-电磁混合仿真算例，确保无故障情况下的稳定运行，观测到直流系统运行在指定的工况下。

在直流落点两个电压等级层面分别设置直流逆变侧交流母线n-1故障，找到引发非故障层面换流阀发生换相失败的故障形式，为525kv逆变侧交流母线上的三相短路接地故障，故障接地电阻为0.00001欧姆，则可认为此故障为金属性接地故障。

通过机电-电磁混合仿真手段，按照如下方法对上述参数进行调整并仿真确定是否能够有效抑制分层接入方式的特高压直流输电系统逆变侧因为一个交流电网故障对另一个无交流故障电网所连接的阀组运行的影响：

1.仿真观测仅更改换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf对非故障层面换流阀换相失败的影响。设置步骤4所确定的故障形式，以传统参数0.2为起点，对换相失败预防控制增益gcf和gαβ_cf两项参数以0.05为梯度依次增加，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，直至完全避免非故障层面换流阀换相失败的发生。

通过增大参数gαβ_cf的值，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，当gαβ_cf＝0.35，可以完全避免1050kv侧换相失败的发生。

2.仿真观测仅更改换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响。设置步骤4所确定的故障形式，以传统参数0.0001为起点，对换相失败预防控制自保持环节时间常数tcf参数以0.00005为梯度依次增加，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，直至完全避免非故障层面换流阀换相失败的发生。

通过增大参数tcf的值，通过仿真可知换相失败的次数逐渐减少，当tcf＝0.00025时，可以完全避免1050kv侧换相失败的发生。

3.同时更改换相失败预防控制的两个参数gαβ_cf和tcf对非故障层面换流阀换相失败的影响。通过两个参数小幅度的同时调整，可以达到最佳的效果，使直流系统能够更快进入稳态。

如图5所示，当gαβ_cf和tcf使用原始参数，在525kv换流母线上发生三相接地故障后，故障消失电压恢复过程中，1050kv层面换流阀发生4次换相失败，系统恢复时间长达1.6s；当gαβ_cf参数调整为0.2，同时tcf调整为0.0001时，1050kv层面换流阀发生2次换相失败，系统恢复时间为1.2s；当gαβ_cf参数调整为0.25，同时tcf调整为0.0001时，1050kv层面换流阀在电压恢复过程中完全不会发生换相失败，系统恢复时间仅为0.6s。两个参数的调整均幅度更小，故障后系统恢复的速度也更为迅速。将此gαβ_cf和tcf的结果作为此直流分层接入系统的换相失败预防控制的参数。

基于机电-电磁混合仿真的直流分层接入系统换相失败预防控制参数确定方法实现比较方便，概念清晰，在实际电网中得到了应用和验证。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。