基于换流母线电流负序二次谐波分量的换相失败检测方法

孟祥宇, 李晓华, 李昊, 王玉麟

(华南理工大学 电力学院,广东 广州 510641)

0 引 言

基于线路换相换流器的高压直流输电(line commutated coverter-high voltage direct current, LCC-HVDC)由于输送容量大和功率调节灵活等优点而被大规模应用［1］。晶闸管换流器是LCC-HVDC的核心设备,因其不具有自关断能力,易发生换相失败［2］。换相失败是LCC-HVDC系统最常见的故障之一,它会使直流电压跌落,严重时甚至会使传输功率中断,对直流系统的安全稳定运行造成威胁［3］。准确、可靠地检测出换相失败能够为控制保护系统提供状态监测结果,方便其更有区分度地做出对应的处理。

当前换相失败的检测方法主要分为实测型和预测型两类［4］。通常情况下,实测型测量方法拥有更高的准确性。但是在实际工程中,很多情况下无法实现对关断角的直接测量［5］,并且会存在一定的盲区,测量误差较大,存在误动的风险［6］。文献［7］通过检测阀电流的极小值点以及后续阀电流增大且导通时间延长的特征来检测换相失败,但在极端情况下特征量丢失严重,存在盲区。文献［8］利用交流极性电流追踪阀导通宽度的加长或缩短来判断换相失败,能够实现对换相失败较为可靠的判定,但是过程繁琐,门槛值适应性低。文献［9］通过检测阀电压持续为零或阀电流持续非零的时间是否超过一个工频周期来判断换相失败,但易受环境干扰,响应较慢。

为此,本文首先分析了高压直流输电系统换相失败的发展过程,选取换流母线电流负序二次谐波分量为特征量并分析了它的影响因素,提出了一种基于负序二次分量大小来检测换相失败的新方法,最后在仿真平台PSCAD上基于工程模型验证该方法的有效性。

1 换相失败时换流母线电流的特征及分析

1.1 换相失败的特征量提取

换相失败时的波形特征如图1所示。图1(a)为发生换相失败时逆变侧交流母线电流波形图。换相失败时,电流对称性被破坏,波形畸变较严重,与未发生换相失败时有根本性区别,可用负序分量和谐波分量作为特征量研究换相失败的检测方法。在发生和未发生换相失败时负序基波、二次谐波分量波形如图1(b)所示,两种情况下负序分量有明显区别,并且负序二次分量区别更加显著,波形特征质量更高。

1.2 负序二次谐波分量的产生原因

换流器正常运行时,各阀按照周期循环交替导通,换流器出口电流在时间和空间上均具有对称性。换相失败时,交替导通的对称性被破坏,产生不对称分量,该分量会通过换流变压器传递到交流母线,引起交流侧电气量的不对称。换相失败时换流阀的导通时间宽度会发生变化,换流器出口波形发生畸变,产生较多的谐波。由于发生倒换相形成旁通对,直流侧发生短路,故障量通过换流器传递到交流侧时以二次谐波的形式叠加到原本交流故障的基波量上,因此可在交流侧检测到大量的二次谐波分量,该分量可以从电气量上反映电路拓扑的变化。由于不对称故障本身也会产生负序分量,因此选择更难判断的不对称故障,以交流侧a相发生接地短路故障为例,分析故障过程。

若故障未导致换相失败,系统故障为纯交流故障,由对称分量法可得其复合序网,算得负序电流为:

(1)

式中:Uf|0|为基本相相电压;Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)为系统正负零序阻抗;Zf为过渡阻抗。负序电流和过渡阻抗呈负相关,其大小与交流故障严重及不对称程度有关。最大边界值I2(2)0_max取决于未引起换相失败情况下的最小过渡阻抗,记作Zf0_min,它受系统短路比(KSCR)影响。

若故障导致换相失败,以阀3向阀5换相为例分析换相失败的具体过程:

阶段一:初始状态下阀3、阀4导通,此时尚未倒换相,复合序网和负序电流的形式与未发生换相失败时相同。当阀5的触发脉冲到来时,阀5向阀3倒换相。之后阀4向阀6换相,阀3、阀6构成旁通对,直流侧短路,与交流侧隔离,负序电流由故障本身提供。第一阶段的负序电流取决于交流故障本身,与故障的类型和严重程度有关。

阶段二:阀5向阀1换相,由于旁通短路,阀1导通失败。之后阀6向阀2换相,阀2导通,而由于旁通对的存在阀6未能关断,此时阀3、阀4、阀6同时导通,相当于在换流器出口处发生两相金属短路,整体可等效为交流故障叠加两相短路的复杂故障。图2为换相失败过程复杂故障等效回路图。如图2(a)所示,故障类型为串联-并联型双重故障,特殊项均为a相,移相变压器变比取1。可将复合序网图化简并得到负序电流如式(2)所示。

图2 换相失败过程复杂故障等效回路图

(2)

式中:Uf|0|为基本相相电压;Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)为系统正负零序阻抗;ZT(1)、ZT(2)为变压器正负序阻抗;Zf为过渡阻抗。

之后阀2向阀4换相,阀6由于旁通关断失败,阀2、阀3、阀6同时导通,如图2(b)所示。同样可等效为交流故障叠加两相短路的复杂故障,两相短路故障的特殊相为c相,移相变压器的比为:n2(1)=a,n2(2)=a2,n2(0)=1。化简复合序网图并得到负序电流如式(3)所示。

(3)

式中各物理量与式(2)相同。第二阶段时出现同一侧桥臂有多个阀同时导通的情况,可等效为在换流器出口处发生两相金属短路,负序电流的大小取决于换相失败和交流故障的严重程度;负序电流和过渡阻抗呈负相关,且远大于阶段一。换相失败时负序电流的最小边界值I2(2)1_min取决于引起换相失败的最大过渡阻抗,记作Zf1_max。同样地,它也受系统短路比影响。

之后阀3向阀5换相,旁通对消失,本次换相失败结束,后续换相逐渐恢复正常。

综上,发生换相失败时,同侧桥臂多个阀同时导通导致交流侧两相金属短路,交流母线产生大量的负序分量。由于基波分量直接反映交流故障,二次谐波分量更能反映直流故障,可将负序二次谐波分量作为特征量构造新的换相失败检测判据。

2 基于负序二次谐波分量的换相失败检测方法

2.1 负序二次谐波分量的影响因素

由上文分析可知,换相失败时会产生负序二次谐波分量,它的大小由换相失败的严重程度决定,它主要受故障类型、过渡阻抗和故障时刻影响。

常见的交流故障类型有单相接地、两相接地、三相短路和相间短路四种。图3为不同影响因素下负序二测谐波分布情况 。每种故障类型下发生和未发生换相失败时,负序二次分量的分布如图3(a)所示,它集中地分布在两个区域,分别对应着发生和未发生换相失败的情况。换相失败时相间短路的负序二次谐波分量相对较大。设置不同故障时刻的三相短路故障,得到负序二次分量以及发生换相失败情况如图3(b)所示,它随着故障时刻呈周期循环分布,且按照发生和未发生换相失败集中分布在两个区间上。设置不同过渡电感、电阻的三相短路故障,得到负序二次分量分布以及发生换相失败情况如图3(c)、3(d)所示,它随着阻抗的增大呈现出分段连续单调上升的特点。

图3 各种因影响素下负序二测谐波分布图

综上,故障类型、过渡阻抗、故障时刻,即不同换相失败的程度,都会对负序二次谐波分量产生影响。在各种故障条件下,负序二次谐波分量都能明显地区别换相失败的发生情况,是一个良好的特征指标。

对于特征量的边界,可通过各种故障条件下,发生与未发生换相失败时负序二次分量的分布范围来确定。设置各种条件下的故障,负序二次分量分布如图4所示。它集中地分布在两个区域,分别对应着发生和未发生换相失败的情况。这两个区域无交集,相隔较远,且边界差别明显。

图4 负序二次谐波分布图

2.2 换相失败实用判据构造

以负序二次分量为特征量可构造换相失败的判据:当换流母线电流负序二次谐波分量大于临界门槛值时判定为发生换相失败。需整定出能够自适应各种系统环境的门槛值,取负序二次分量在未发生换相失败时上边界I2(2)0_max和发生换相失败时下边界I2(2)1_min的平均值作为门槛值,可得I2(2)th=0.112 77。由前文分析可知,边界值受系统短路比影响。标准模型的原始短路比为2.5,设置短路比为2、3.5、4.5、5,发生和未发生换相失败的情况下,负序二次分量的分布情况如图5所示。

图5 不同短路比下负序二次谐波分量分布图

不同短路比下负序二次分量依然拥有良好的判定性能。可算得不同短路比下的门槛基准值,其波动并不大,可将计算结果近似拟合,所得拟合曲线如图6所示。该曲线是一条斜率为正的直线,并且其斜率非常小,图像近乎平缓。可知门槛值的近似计算公式为:

图6 短路比拟合曲线

I2(2)th=AKSCR+B

(4)

式中:KSCR为系统短路比;A、B为常数,A=0.003 45,B=0.108 64。负序二次分量判据能够适应各种系统环境,门槛值稳定,鲁棒性强。

3 仿真验证

为验证检测方法的有效性,现利用PSCAD建立某直流工程模型,该工程模型为双12脉波直流系统,额定功率为3 000 MV,额定直流电流为3 kA,逆变侧交流电源电压为525 kV,逆变侧短路比为10,由式(4)算得此时门槛值为0.143 14。

在逆变侧交流母线分别设置四种类型故障,故障时刻为3.135 s,每种故障类型下分别设置应发生和未发生换相失败情况过渡电感。结果如图7所示,其中左半侧对应发生换相失败情况,右半侧对应未发生换相失败情况,上半侧为负序二次谐波分量,下半侧为阀电流,可反映换相失败的实际发生情况。各种故障类型下,本文所提出的判据均能够准确地检测出换相失败的发生情况,从而验证了该方法的有效性。

图7 工程模型下换相失败检测情况

4 结束语

本文分析了换相失败的过程中负序二次分量的变化特征及产生原因;研究了与换相失败发展过程之间的关系,并依据此提出了一种基于换流母线电流负序二次谐波分量的换相失败检测方法;分析了特征量的影响因素并给出了门槛值的整定方法。研究表明,所提方法具有较强的自适应性和鲁棒性。最后用工程模型验证了所提检测方法的有效性。该方法判定方式简单易测,有着非常高的应用价值,可为后续换相失败的控制抑制及提高保护系统适应性提供有效的状态识别手段。