一種考慮交流側(cè)故障的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估領(lǐng)域，尤其設(shè)及基于電流源換流器的高壓直流輸 電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，電源與負(fù)荷的空間不對(duì)稱趨勢仍在加劇，電能的 遠(yuǎn)距離大功率輸送需求日漸增加。特（超）高壓交流輸電解決方案可W部分地滿足運(yùn)種需 求，但是遠(yuǎn)距離交流輸電給系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性問題凸顯，運(yùn)極大地制約著其應(yīng)用。高壓直 流輸電（HVDC)無功角穩(wěn)定性問題，隨著輸送距離的增加，其經(jīng)濟(jì)性也逐漸超過交流輸電方 案。另外，隨著電力電子設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，基于線路換相換流器化CC)的HVDC技術(shù)已經(jīng)日 趨成熟。在此背景下，世界范圍內(nèi)近年來，HVDC工程數(shù)目迅速增加。
[0003] 現(xiàn)有的HVDC工程，按其用途可W分為遠(yuǎn)距離大容量輸電、背靠背非同步聯(lián)網(wǎng)、跨 海送電等。無論哪一種用途的HVDC工程，其強(qiáng)迫停運(yùn)都將給供受兩端的交流系統(tǒng)帶來重大 沖擊，所W在電網(wǎng)規(guī)劃中必須要高度重視HVDC工程可靠性的影響。而另一方面，相比于交 流電網(wǎng)的建設(shè)，HVDC的發(fā)展較晚，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匿乏，可靠性評(píng)估技術(shù)的研究相對(duì)落后。因 此，研究HVDC系統(tǒng)的可靠性評(píng)估技術(shù)顯得尤為必要和迫切。
[0004] 高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究開始于二十世紀(jì)六十年代末期，加拿大的 R.Billinton教授在1968年發(fā)表了該領(lǐng)域的第一篇學(xué)術(shù)論文，緊接著，國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGR巧也成立了?？诘墓ぷ鹘M，開始對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的統(tǒng)計(jì)和分析。我國 對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究開始于上個(gè)世紀(jì)80年代初，在高壓直流輸電系統(tǒng)的可 靠性指標(biāo)、模型、評(píng)價(jià)方法和綜合分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。
[0005] 對(duì)HVDC系統(tǒng)的可靠性評(píng)估可W分為解析法和MonteCarlo法，解析法具體又可分 為故障樹法、頻率和持續(xù)時(shí)間法及狀態(tài)枚舉等?，F(xiàn)有的HVDC系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法都是基于 固定的元件故障率、修復(fù)率和安裝率，沒有考慮HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，雖然可W給出HVDC 系統(tǒng)的整體的可靠性指標(biāo)，但無法準(zhǔn)確刻畫運(yùn)行中HVDC系統(tǒng)的真實(shí)可靠性水平。CIGRE發(fā) 布的HVDC系統(tǒng)可靠性報(bào)告顯示，在實(shí)際運(yùn)行中，基于LCC的HVDC系統(tǒng)的停運(yùn)超過60 %是由 于交流側(cè)設(shè)備或輔助設(shè)備故障所致，而現(xiàn)有的HVDC系統(tǒng)可靠性評(píng)估卻難W掲示和刻畫運(yùn) 一部分的故障。
[0006] 我國HVDC發(fā)展迅速，在西電東送和新能源大規(guī)模開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作 用，交直流混聯(lián)的大電網(wǎng)局面逐漸形成，僅考慮HVDC換流站內(nèi)交直流元件故障而不考慮交 流側(cè)系統(tǒng)故障的傳統(tǒng)可靠性評(píng)估方法已經(jīng)難W精確刻畫交直流混聯(lián)場景下的HVDC系統(tǒng)的 可靠性，研究考慮交流側(cè)故障的HVDC系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法顯得尤為必要和迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種考慮交流側(cè)故障的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方 法。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了 W下技術(shù)方案：
[0009] 1)建立交流電網(wǎng)中的輸變電設(shè)備（架空線和電纜等輸電線路W及交流變壓器、交 流電抗器、同步發(fā)電機(jī)、STATCOM等設(shè)備）和高壓直流輸電系統(tǒng)中交流濾波裝置、換流變壓 器及其他的交流輔助設(shè)備的可靠性模型；
[0010] 2)利用所述可靠性模型對(duì)所述輸變電設(shè)備W及所述交流輔助設(shè)備的故障特征 (故障位置、故障類型W及故障修復(fù)時(shí)間）進(jìn)行抽樣，通過時(shí)序蒙特卡羅仿真法計(jì)算所述輸 變電設(shè)備W及所述交流輔助設(shè)備故障引起換流站連續(xù)換相失敗的概率、頻率和修復(fù)時(shí)間指 標(biāo)；
[0011] 3)將高壓直流輸電系統(tǒng)所并聯(lián)的交流電網(wǎng)等效為高壓直流輸電系統(tǒng)的一個(gè)虛擬 子系統(tǒng)，該虛擬子系統(tǒng)的可靠性參數(shù)由連續(xù)換相失敗的概率、頻率和修復(fù)時(shí)間指標(biāo)得到，從 而將交流系統(tǒng)故障的影響統(tǒng)一納入到高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估中。
[0012] 所述步驟1)具體包括W下步驟：利用兩狀態(tài)模型對(duì)所述輸變電設(shè)備W及所述交 流輔助設(shè)備進(jìn)行建模，所述兩狀態(tài)指運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)，兩狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率分別由故 障率和平均修復(fù)時(shí)間求取。
[0013] 所述故障率和平均修復(fù)時(shí)間根據(jù)故障歷史數(shù)據(jù)計(jì)算得到。
[0014] 步驟。中，依據(jù)換流閥中晶閩管焰弧的機(jī)制，利用換相面積來判斷交流系統(tǒng)故障 時(shí)換相過程是否發(fā)生失敗。
[001引當(dāng)IAfKlAmmI時(shí)，換流閥無法在換相期間完成換化從而導(dǎo)致?lián)Q相失??；當(dāng) IAfI > IAmmI時(shí)，換流閥的換相過程將提前結(jié)束，換相過程順利完成，Af為故障發(fā)生后的換 相電壓時(shí)間面積，Ami。為正常換相需要的最小換相電壓時(shí)間面積。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] 1、本發(fā)明的方法通過建立換相失敗判斷依據(jù)，對(duì)持續(xù)換相失敗的建模，能夠?yàn)閾Q 相失敗建立精確的可靠性模型。換流站是連接直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的樞紐點(diǎn)，換流站的換 相失敗是交直流可靠性評(píng)估中都需要面對(duì)的課題，換相失敗的可靠性建模為解決交直流輸 電系統(tǒng)可靠性互相禪合的難題提供模型基礎(chǔ)。
[0018] 2、本發(fā)明的方法可W有效地考慮交流系統(tǒng)的故障對(duì)HVDC系統(tǒng)可靠性的影響，克 服現(xiàn)有的HVDC系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法僅計(jì)及直流輸電系統(tǒng)和換流站設(shè)備故障而不能計(jì)及交 流側(cè)故障影響的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更加合理的可靠性評(píng)估，使HVDC系統(tǒng)可靠性評(píng)估更加貼合工程 的實(shí)際應(yīng)用，給電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行方式的安排提供更加有效的依據(jù)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為無故障時(shí)換相電壓面積示意圖；
[0020] 圖2為交流側(cè)故障時(shí)換相電壓面積示意圖；
[0021] 圖3為換相失敗可靠性參數(shù)評(píng)估流程圖；
[0022] 圖4為HVDC系統(tǒng)子系統(tǒng)劃分；
[0023] 圖5為HVDC系統(tǒng)狀態(tài)空間圖，圖5中，每個(gè)框中，左上為換流站，右上為直流輸電 線路，左下為狀態(tài)編號(hào)，右下為輸送容量的標(biāo)么值（W額定輸送容量為基準(zhǔn)值）。CS指換流 站，L指高壓直流輸電線路，前面數(shù)字表示正常運(yùn)行的數(shù)量。A為故障率，y為恢復(fù)率。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[00巧]1.交流設(shè)備的故障模型
[0026] 本發(fā)明依據(jù)同類型設(shè)備的故障歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、異常數(shù)據(jù)剔除和修復(fù)，得 到故障設(shè)備的故障率、平均修復(fù)時(shí)間。利用兩狀態(tài)模型對(duì)交流設(shè)備進(jìn)行建模，在該模型中， 兩狀態(tài)指運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)，二者的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率分別由故障率和平均修復(fù)時(shí)間求取。
[0027] 2.交流系統(tǒng)可靠性參數(shù)的計(jì)算W及換相失敗的判斷
[0028] 本發(fā)明利用時(shí)序蒙特卡羅模擬的方法計(jì)算交流系統(tǒng)可靠性參數(shù)。抽取各元件的狀 態(tài)持續(xù)時(shí)間，當(dāng)元件處于故障狀態(tài)時(shí)，再抽取其故障類型，再利用換相失敗的判據(jù)來評(píng)估故 障后果，得到交流系統(tǒng)可靠性概率性參數(shù)。本發(fā)明依據(jù)LCC換流閥中晶閩管焰弧的機(jī)制，利 用換相面積來判斷交流系統(tǒng)故障時(shí)換相過程是否發(fā)生失敗。
[002引1)換相失敗判據(jù)
[0030] 判別換相失敗可W通過比較關(guān)斷角丫與晶閩管固有的最小關(guān)斷角丫mm的大小， 如果丫 <Ymi。，則換流器換相失敗。其中，關(guān)斷角丫是換流閥關(guān)斷的時(shí)刻與線電壓過零點(diǎn)所 夾的電角度，逆變器的換相角的計(jì)算公式為：
[00 引]
(1)
[0032] 式中，X,2為逆變器的等值換相電抗；E2為逆變器的換相線電壓有效值；Ud2為直流 電壓；Id為直流電流。
[0033] 由公式（1)中可W見，逆變器的換相角的計(jì)算含有反=角函數(shù)較為復(fù)雜，不利于 實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，換相角的判據(jù)并沒有掲示換相失敗的本質(zhì)。換相失敗的本質(zhì)是缺乏足夠 的時(shí)間和反向電壓來恢復(fù)阻斷能力，所W本發(fā)明綜合恢復(fù)阻斷能力的時(shí)間和反向電壓，采 用換相電壓面積法作為衡量恢復(fù)阻斷能力的指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上建立換相失敗的判據(jù)。
[0034] 圖1中的陰影部分A。為正常運(yùn)行時(shí)的換相電壓時(shí)間面積，它是指換相期間換相線 電壓關(guān)于時(shí)間的積分。圖1中a為觸發(fā)角，y為逆變器的換相角，A為焰弧角，Ot為相 角（《為角速度）。
[0035] 正常情況下，換相電壓時(shí)間面積的簡化計(jì)算方法如下式所示：
[0036] A=化山似
[0037] 其中，k為每相等值換相電感，其值近似等于換流變壓器漏抗；Id為直流電流。
[003引交流系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下?lián)Q相線電壓的情況參見圖2,其中U。為正常運(yùn)行時(shí)的 換相線電壓，4粹為由交流系統(tǒng)故障引起換相線電壓相位偏移。而圖中的陰影面積Af即為 故障發(fā)生后的換相電壓時(shí)間面積，它是指換相期間換相線電壓關(guān)于時(shí)間的積分。
[0039] 結(jié)合圖1和圖2可W分析得到，當(dāng)IAfKlAmmI時(shí)，換流器無法在換相期間完成換 相，此時(shí)的關(guān)斷角丫將小于最小關(guān)斷角丫mi。，從而導(dǎo)致?lián)Q相失??；當(dāng)IAfI>lAmi」時(shí)，換流 器的換相過程將提前結(jié)束，此時(shí)的關(guān)斷角T將大于等于最小關(guān)斷角Tmi。，換相過程順利完 成。因此，換相電壓時(shí)間面積的大小可W表征換相的成功與否，故可W得到如下?lián)Q相失敗判 據(jù)：
[0040] IAfKlAmmI做
[0041] 式中，Ami。即為正常運(yùn)行時(shí)的最小換相電壓時(shí)間面積，可根據(jù)最小焰弧角Ami。計(jì)算 得到；而故障發(fā)生后的換相電壓時(shí)間面積Af可按下式進(jìn)行計(jì)算：
[0042] 4' = ,- ((W +巧+ A界k/((W) (4)
[004引其中Uaf為交流系統(tǒng)故障后a相的線電壓，恥為無故障時(shí)a相電壓的初相角，ti和 t如式妨和式（6)表示：
[0044] (5)
[0045] (6)
[0046] 2)交流系統(tǒng)故障特征采樣方法
[0047] 由換相失敗的判據(jù)可W見，影響由交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的直流系統(tǒng)換相失敗的因素 包括故障元件、故障位置、故障類型、故障合閩角、過渡電阻、直流電流、換相電抗、觸發(fā)越前 角和最小關(guān)斷角等。其中，直流電流、換相電抗、觸發(fā)越前角W及最小關(guān)斷角一般可W認(rèn)為 是固定不變的，決定換相失敗與否的影響因素主要是故障元件、故障位置、故障類型、故障 合閩角W及過渡電阻，而且各個(gè)因素之間是互相獨(dú)立的。下面分別介紹各影響因素的概率 模型。
[004引 （1)故障元件
[0049] 交流系統(tǒng)含有很多元件，不同元件的故障對(duì)直流換相失敗的影響都是不同的，現(xiàn) W交流系統(tǒng)中最常見的故障一一線路故障為例進(jìn)行說明。關(guān)于線路的模型，可采用簡單的 兩狀態(tài)