李曉華 殷珊珊 李潔雯 蔡澤祥 劉對(duì) 譚展鵬

基于閥側(cè)交流最大電流時(shí)序特征的換相失敗檢測(cè)

李曉華 殷珊珊 李潔雯 蔡澤祥 劉對(duì) 譚展鵬

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行中的常見事件，體現(xiàn)了換流器的脆弱性。由于現(xiàn)有檢測(cè)換相失敗的判別方法容易受故障因素、控制調(diào)節(jié)等影響，導(dǎo)致檢測(cè)方法存在靈敏性不足的問題。準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)換相失敗對(duì)系統(tǒng)的控制與保護(hù)極其重要?；诖耍狙芯繌拈y導(dǎo)通狀態(tài)入手，提出一種基于閥側(cè)交流最大電流時(shí)序特征的換相失敗檢測(cè)方案。利用端口交流電流的單邊極性電流與三相交流電流最大值一半的比值構(gòu)造交流最大電流特征量。為減少運(yùn)行工況的影響，以換相兩閥電流的交點(diǎn)為分界點(diǎn)，利用交流最大電流特征量幅值的一半構(gòu)造閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)；對(duì)其在周期時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分求取累積寬度，判別閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)是否異常；根據(jù)換相過程中前導(dǎo)換虛擬導(dǎo)通狀態(tài)超長(zhǎng)和后導(dǎo)換閥虛擬導(dǎo)通狀態(tài)縮短的互鎖關(guān)系判別換相失敗。通過對(duì)功率擾動(dòng)和故障暫態(tài)以及采樣步長(zhǎng)的分析，推導(dǎo)判別換相失敗的閾值，推薦閾值為1.3 ms。基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真和錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了所提換相失敗檢測(cè)方案的有效性。與電流差動(dòng)判據(jù)相比，在不同的故障條件的仿真結(jié)果表明，所提換相失敗檢測(cè)方案受交直流系統(tǒng)工況、故障發(fā)生時(shí)刻、故障嚴(yán)重程度等因素的影響較小，具有較強(qiáng)的魯棒性。所提方案可定位換相失敗的閥，為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)提供更多的時(shí)間裕度。

高壓直流輸電；換相；閥側(cè)電流；閥導(dǎo)通狀態(tài)；時(shí)序特征

晶閘管型換流器是傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)電力變換的核心設(shè)備，由于晶閘管沒有自關(guān)斷能力，極易發(fā)生換相失?。?］。換相失敗后流過換流器的電流激增、直流傳輸功率下降［2-3］，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致直流傳輸中斷，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行極為不利。對(duì)換相失敗準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)出換相失敗有助于為控制系統(tǒng)提供更多的時(shí)間裕度進(jìn)行調(diào)節(jié)［4-5］。

直流控制與保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)交流系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能是制約整個(gè)交直流混聯(lián)系統(tǒng)性能的重要約束。工程中，直流保護(hù)主要是基于閥側(cè)電流的差流特征［6-7］檢測(cè)換相失敗，這也是當(dāng)前公認(rèn)換相失敗的檢測(cè)方法。但差流判據(jù)容易受故障因素的影響［8-9］，導(dǎo)致檢測(cè)換相失敗的靈敏性不足。控制系統(tǒng)是基于直流的關(guān)斷角和電壓電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。關(guān)斷角的響應(yīng)可以反映換相失敗，但關(guān)斷角在量測(cè)時(shí)其算法相對(duì)比較保守［10］，導(dǎo)致檢測(cè)缺乏速動(dòng)性。為準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)換相失敗，文獻(xiàn)［11］利用閥側(cè)交流電流和母線電壓的波形特征判斷換相失?。–F），由于在動(dòng)態(tài)過程中母線電壓與閥電壓特性不一致，導(dǎo)致該檢測(cè)方法具有一定的盲區(qū)。文獻(xiàn)［12］通過檢測(cè)直流的形態(tài)梯度和直流電流的突變量判別換相失敗，該方法雖然算法簡(jiǎn)單，但受故障因素的影響，在嚴(yán)重故障下，電流突變會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確性降低，且閾值不容易確定。文獻(xiàn)［13］從換相失敗定義出發(fā)，利用閥側(cè)交流電流在換相失敗期間出現(xiàn)的倒換相和未成功換相的波形特征判別換相失敗，但在實(shí)際工程中閥側(cè)交流電流的波形特征容易受多因素的影響，其實(shí)用性有待驗(yàn)證。

為從根本上解決現(xiàn)有換相失敗檢測(cè)方案靈敏性問題，亟需從換相失敗的本質(zhì)進(jìn)行研究。換流器發(fā)生換相失敗的核心是閥狀態(tài)發(fā)生了改變，若能夠準(zhǔn)確、可靠地在線檢測(cè)閥狀態(tài)運(yùn)行情況［14］，則可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

本研究利用閥側(cè)交流電流的特征與閥狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，提出了一種換相失敗檢測(cè)方案。利用閥側(cè)交流最大電流相對(duì)關(guān)系的幅值特征與時(shí)序特征，構(gòu)造閥狀態(tài)的檢測(cè)判據(jù)；根據(jù)換相過程中兩閥狀態(tài)超長(zhǎng)和縮短的互鎖關(guān)系，構(gòu)造換相失敗的檢測(cè)判據(jù)。通過仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)故障錄波再現(xiàn)分析，驗(yàn)證本研究提出的方案檢測(cè)換相失敗的有效性和可靠性。

1　換相失敗后閥側(cè)交流電流的特征

閥電流是閥狀態(tài)的直接表現(xiàn)形式。由于電流互感器無法安裝到換流器內(nèi)部［15］，導(dǎo)致不能直接獲取閥電流。為了判別閥狀態(tài)，本研究利用閥側(cè)交流電流的正負(fù)向電流表征流過換流閥的電流（以下稱為：極性電流）。如下式所示：

圖1　不同運(yùn)行狀態(tài)下閥側(cè)交直流電流和極性電流波形

從圖1（b）-（d）可知，不同故障類型下，換相失敗導(dǎo)致閥導(dǎo)通寬度出現(xiàn)加長(zhǎng)或縮短的特征都是一致的。因此，利用交流電流的極性電流追蹤閥導(dǎo)通寬度加長(zhǎng)或縮短的特征，可以反映閥的換相情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的檢測(cè)。

2　換相失敗檢測(cè)原理

基于以上分析，對(duì)換相失敗的檢測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)閥導(dǎo)通狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的檢測(cè)。

2.1　極性電流在換相過程的特征分析

圖2　閥V1向V3換相的等效電路

換相過程中，換相兩閥的電流由下式確定：

換相過程中，兩換相閥的電流與直流電流的關(guān)系為

圖3　改變直流傳輸功率時(shí)的極性交流電流特征

研究發(fā)現(xiàn)，兩換相閥在交點(diǎn)處的電流與直流電流的比例關(guān)系在時(shí)序上保持一致，且正常換相時(shí)極性電流的幅值等于直流電流。

根據(jù)直流線路兩端的電壓，直流電流的表達(dá)式如下：

圖4　陰極閥間換相的電流波形

2.2　換相失敗檢測(cè)的原理

構(gòu)造閥導(dǎo)通狀態(tài)的判別：

3　檢測(cè)方案的閾值選取

換相失敗檢測(cè)原理的核心是利用閥導(dǎo)通寬度的時(shí)序特征實(shí)現(xiàn)對(duì)異常閥狀態(tài)的判別。分析擾動(dòng)和故障下?lián)Q相失敗臨界狀態(tài)下閥導(dǎo)通寬度超長(zhǎng)或縮短的閾值選取。

3.1　正常情況的閾值選取分析

正常情況下，系統(tǒng)由負(fù)載投切等非故障引起的電壓或電流變化微小。而在功率擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)快速調(diào)整觸發(fā)角，這是由非故障引起電量變化最嚴(yán)重的情況。

換流器的換相角正常工作運(yùn)行點(diǎn)小于30°［17］。功率發(fā)生變化時(shí)，功率下降時(shí)，換相角減??；功率增大時(shí)，換相角拉大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化。

在故障初期，電流變化近似為恒斜率，因此，

圖5　功率波動(dòng)時(shí)直流電流和角度的變化

3.2　故障暫態(tài)的閾值選取分析

根據(jù)換相面積的計(jì)算公式，換相電壓幅值降低或過零點(diǎn)前移均不利于換相。根據(jù)最小關(guān)斷角原理，在換相失敗的臨界狀態(tài)下，分析閥導(dǎo)通寬度受電壓幅值降低和過零點(diǎn)前移雙重影響下的差異。

為保證閥導(dǎo)通寬度差異的有效性，在求解過程中需要考慮換相過程交點(diǎn)對(duì)應(yīng)角度（見式（5））的有效取值范圍。故障暫態(tài)不同影響因素下的閥導(dǎo)通寬度差異如圖6所示，面1表示單電壓跌落，線2表示電壓跌落和過零點(diǎn)前移綜合作用，面3表示過零點(diǎn)前移，面4表示電壓跌落有效的臨界面。

圖6　故障暫態(tài)的閥導(dǎo)通寬度差異

圖6中，相比面3，面1中電壓跌落對(duì)閥導(dǎo)通寬度的影響更大。實(shí)際直流工程發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，往往電壓跌落和過零點(diǎn)偏移同時(shí)出現(xiàn)?？紤]兩者的綜合影響（線2），在面4的限制下，選取點(diǎn)的閥導(dǎo)通寬度差異為閥狀態(tài)判別的閾值。

3.3　采樣步長(zhǎng)的閾值影響分析

圖7　考慮采樣步長(zhǎng)的時(shí)閥導(dǎo)通寬度差異

式中，s在直流工程中典型值為100 μs。

通過以上閾值選取的理論分析，經(jīng)大量仿真驗(yàn)證，推薦閾值為1.3 ms。

4　驗(yàn)證

4.1　仿真驗(yàn)證

4.1.1方案有效性驗(yàn)證

圖8　基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的CF檢測(cè)方案

由圖8可知，正常運(yùn)行時(shí)，換流器中6個(gè)閥的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)均為1，表明閥間換相正常。單相故障后，隨著換相失敗的出現(xiàn)（圖8中陰影部分），閥導(dǎo)通寬度發(fā)生變化，根據(jù)閥V3和閥V5異常狀態(tài)的互鎖關(guān)系，檢測(cè)到發(fā)生換相失敗。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本研究提出的檢測(cè)方案的有效性。

表1　故障類型對(duì)閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)方案的影響

由表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的檢測(cè)方案可以檢測(cè)到每個(gè)閥的異常狀態(tài)。利用閥導(dǎo)通超長(zhǎng)和縮短狀態(tài)間的互鎖關(guān)系檢測(cè)換相失敗，避免了出現(xiàn)單點(diǎn)異常閥狀態(tài)而誤判換相失敗的情況。不同故障類型下的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了本研究提出的換相失敗檢測(cè)方案的有效性。

此外，由于本研究提出的檢測(cè)方案利用的是閥導(dǎo)通超長(zhǎng)和縮短的互鎖關(guān)系進(jìn)行判別，當(dāng)檢測(cè)到換相失敗時(shí)，出現(xiàn)異常狀態(tài)的一對(duì)閥便是發(fā)生換相失敗的閥。以上仿真表明本研究提出的檢測(cè)方案具有定位換相失敗閥的能力。

4.1.2方案魯棒性驗(yàn)證

根據(jù)表1-4的分析可知，基于閥導(dǎo)通狀態(tài)的換相失敗檢測(cè)方案在檢測(cè)換相失敗的速度上受故障類型、直流傳送功率、過渡電阻和故障合閘角的影響較小。這說明本研究提出的檢測(cè)方案具有抵御故障因素的能力。與換相失敗保護(hù)判據(jù)檢測(cè)方案相比，本研究提出的檢測(cè)方案具有較好的魯棒性。

表2　直流傳送功率對(duì)兩種檢測(cè)方案的影響

表3　過渡電阻對(duì)兩種檢測(cè)方案的影響

表4　故障合閘角對(duì)兩種檢測(cè)方案的影響

4.1.3極端情況驗(yàn)證

某實(shí)際工程的運(yùn)行參數(shù)為：額定直流功率，在逆變側(cè)交流母線處設(shè)置三相接地故障、過渡電阻為0.001 Ω、故障時(shí)刻為19.107 75 s、故障時(shí)長(zhǎng)為0.025 s。換相失敗保護(hù)判據(jù)與本研究提出的檢測(cè)方案的檢測(cè)性能如圖9所示。圖中CF表示利用換相失敗保護(hù)判據(jù)判別到出現(xiàn)換相失敗的信號(hào)，0表示無換相失敗，1表示出現(xiàn)換相失敗。

圖9　極端情況下基于閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)方案的檢測(cè)性能

據(jù)圖9可知，故障后，換相失敗保護(hù)的判據(jù)無法判斷換相失敗，這是因?yàn)榻恢绷麟娏鞯牟盍髟鲩L(zhǎng)緩慢，始終無法滿足換相失敗保護(hù)的判據(jù)?；陂y狀態(tài)的檢測(cè)方案對(duì)異常閥狀態(tài)可以準(zhǔn)確判別，具有較好的魯棒性。

4.2　故障錄波再現(xiàn)驗(yàn)證

某實(shí)際工程故障錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)的交直流電流波形如圖10第1幅圖所示。利用本研究提出的檢測(cè)方案觀察故障錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)本研究提出的檢測(cè)方案的檢測(cè)性能，其檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10　錄波數(shù)據(jù)下基于閥導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)方案的檢測(cè)性能

5　結(jié)論

本研究提出一種基于閥側(cè)交流最大電流時(shí)序特征的換相失敗檢測(cè)方案，分別通過工程模型仿真和錄波數(shù)據(jù)再現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，主要結(jié)論如下：

（1）正常換相時(shí)，以換相過程中兩換相閥電流交點(diǎn)處為分界線，得到的閥導(dǎo)通寬度為恒定值，避免閥導(dǎo)通寬度在整定方面的問題。

（2）根據(jù)閥導(dǎo)通超長(zhǎng)和縮短狀態(tài)的相互制約的關(guān)系判別換相失敗，避免出現(xiàn)單點(diǎn)異常誤判問題，大大提高了檢測(cè)方案的可靠性。且該檢測(cè)方案能夠準(zhǔn)確定位換相失敗的閥。

（3）本研究提出的檢測(cè)方案判別換相失敗的檢測(cè)速度受故障類型、直流功率、過渡電阻和故障合閘角的影響較小，具有一定的抵御故障因素的能力。

本研究提出的換相失敗檢測(cè)方案為直流控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供了更多時(shí)間裕度；閥狀態(tài)的判別為故障閥的定位和換流器保護(hù)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)方法。

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Commutation Failure Detection Based on Temporal Feature of AC Maximum Current on the Valve-Side

LI Xiaohua YIN Shanshan LI Jiewen CAI Zexiang LIU Dui TAN Zhanpeng

（School of Electric Power Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Commutation failure (CF) is common for the operation of HVDC transmission system, and it reflects the vulnerability of converter. The existing methods for judging CF are subject to influence of fault factors and control adjustments, resulting in the insufficient sensitivity of the methods. Accurate and reliable detection of CF is extremely important to control and protection. Therefore, the paper proposed a detection scheme for CF based on temporal feature of AC maximum current on the valve-side starting from detecting the valve conduction interval. Firstly, the characteristics of AC maximum current was constructed based on the ratio between the unilaterally polarity current of AC current on the converter terminal and the half of the maximum value of the three-phase AC current. Secondly, to reduce the impact of operating conditions, taking the current intersection of two commutating valves currents as the demarcation point, the virtual conducting state of the valve was constructed by using half of the amplitude of the characteristic quantity of AC maximum current, and the accumulated width was calculated by integrating it in a period to determine whether the virtual conducting state of the valve is abnormal.Then, the interlocking relationship between the lengthened and shortened virtual conduction width was used to determine the commutation failure during the commutation process. According to the analysis of power disturbance, fault transiency and the sampling step, the threshold for commutation failure was derived. The recommended threshold value is 1.3 millisecond. Finally, based on the PSCAD / EMTDC electromagnetic transient simulation and wave recorded data, the results show that the proposed detection method is reliable to detect commutation failure. Compared with the detection method based on differential current, the proposed method for detecting commutation failure is less affected by factors, such as operating conditions of AC and DC system, fault moment, and fault severity under different fault conditions. This proposed method can locate the valve of commutation failure and provides more margin for the adjustment of the control system.

LCC-HVDC；commutation；valve-side current；valve conducting state；temporal feature

Supported by the State Grid Smart Joint Fund Program of China（U1766213） and the National Natural Science Foundation of China （51677073）

TM772

1000-565X（2022）07-0108-10

10.12141/j.issn.1000-565X.210810

2021-12-21

國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1766213）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51677073）

李曉華（1975-），女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)故障分析和繼電保護(hù)、高壓直流輸電運(yùn)行的研究. E-mail： eplxh@scut.edu.cn