基于Park变换和Teager能量算子的晶闸管逆变器保护新方法.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:国家重点研发计划智能电网技术与装备重点专项():./.基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法金恩淑耿梦炜(东北电力大学电气工程学院吉林 吉林)摘 要:在高压直流输电系统中晶闸管逆变器直流差动保护误动于区外故障以晶闸管逆变器作为研究对象提出了基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法 首先利用 变换分析逆变器交流侧电流建立和直流侧电流的平衡关系提出主判据其次采用逆变器交流侧接地故障的零序电流和逆变器交流侧电流的 能量算子作为辅助判据最后通过 仿真将该保护和传统直流差动保护进行比较 结果表明:该保护可有效解决传统直流差动保护误动于区外故障的问题对于直流差动保护不能动作区内的相间短路故障该保护方法可正确动作关键词:晶闸管逆变器 变换零序电流 能量算子中图分类号:文献标识码:引 言随着输电技术的发展高压直流输电由于线路造价低运行损耗小能够进行远距离大容量输送的优点得到了广泛的应用 高压直流输电系统中的核心设备是换流器它具有整流和逆变的功能 作为交直流系统的换流元件其故障形式和机理同交流系统的元件有着很大的差异因而深入研究换流器保护具有重要作用 直流差动保护作为换流器的主保护在维护换流器安全方面发挥了重要作用换流器是直流输电系统最重要的区域之一在实际运行中 换流器的差动保护会发生误动事故国内外学者对于直流差动保护也做了不少的研究文献对换流器典型的区内外故障电流进行了分析根据保护的电流量之间的关系与变化规律研究了差动保护的动作原理分析了直流差动保护在换流器区内接地故障的动作情况文献对逆变器的交流侧故障进行了分析并指出直流差动保护可能误动于逆变器交流侧区外接地故障 文献分析逆变器交流故障时直流系统的暂态响应中各电气量的主要特征指出逆变器的差动保护不是严格基于基尔霍夫电流定律其判据的不严格性决定了其不能保证绝对的选择性只要交流故障过程中引起其监视的电流不相等逆变器的差动保护有误动的可能性但没有提出针对该问题的解决措施 文献对换流器的交流侧区内区外接地故障进行了分析并指出直流差动保护会误动于交流侧区外的接地故障并针对此提出了辅助判据 文献对换流器的直流差动保护进行动作特性分析指出保护会误动于直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障但并未解决区外短路故障误动的问题 综上所述逆变器的直流差动保护会误动作于交流侧区外接地故障和直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障但提出的解决措施只局限于单一故障不能从根本上解决直流差动保护在区外故障误动作的问题本文以高压直流输电系统的晶闸管逆变器作为研究对象针对直流差动保护的区外误动问题提出了基于 变换和 能量算子的逆变器保护新方法通过仿真验证表明本文所提的保护方法在逆变器区外故障不动作区内故障正确动作对于直流差动保护不能保护的区内相间短路故障本文所提保护可以正确动作 系统建模本文以 直流输电标准系统为研究对象系统主要由换流变压器直流线路和换流器构成如图 所示采用单极大地回线的运行方式直流电压 额定容量为 频率为 短路比为.直流额定电流为 采用十二脉动换流器其换流变分别采用/接线和/接线逆变器的控制方式采用定电流控制和定关断角控制图 高压直流输电系统图.换流器的故障类型及其直流差动保护.换流器的故障类型换流器的保护范围为换流器交流侧电流互感器到换流器直流侧电流互感器之间范围 换流器常见的故障类型如图 所示换流器故障可分为直流侧故障和交流侧故障两类其中:故障、为交流侧区内故障故障、为直流侧区内故障故障、为交图 换流器常见故障类型.流侧区外故障故障、为直流侧区外故障 由于换流器的直流侧中性端接地 故障和 故障属于一种故障统称为 故障.直流差动保护直流差动保护作为换流器的主保护之一利用换流器直流侧高压端电流和中性端电流的差流构成直流差动保护该保护动作于换流器的接地故障保护动作方程为 ().()公式中:为直流侧高压端电流为直流侧中性端电流为保护整定值是直流电流的额定值在 标准 模型中为 直流差动保护应该正确动作于换流器区内的接地故障实际运行中直流差动保护会误动于换流器交流侧区外接地故障、和直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障 以逆变器直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障 为例故障回路如图 所示图 故障回路图.由图 可知逆变器直流侧高压端流入的电流通过故障 进入逆变器的低压桥逆变器高压桥被短路逆变器低压桥正常换相高压桥内部形成环流电流很小接近于 直流侧高压端入口的电流互感器没有线路流入的电流流过减小增大和 之间存在较大的差流直流差动保护误动第 期 金恩淑等:基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法 基于 变换和 能量算子的逆变器保护新方法.基于 变换的保护主判据 变换是将 三相电流投影到旋转的直轴交轴与垂直于 平面的零轴上 变换是分析同步电动机运行最常用的一种坐标变换这种变换也被应用于 高压直流输电系统的故障分析中它能有效检测交流量的变化 变换的等幅值变换为 ()()()()()公式中:为发电机转子直轴与定子 相绕组轴线的夹角交流电流变化为 ()()()公式中:为角速度为交流电流的幅值将公式()和公式()联立得 ()以逆变器 桥为例利用 变换将逆变器 桥交流侧电流进行等幅值转换则有 ()公式中:是将逆变器 桥交流侧电流进行 变换后的值逆变器正常稳态运行时忽略谐波的影响逆变器 桥的电流 与直流侧高压端电流 的关系为 ()当逆变器 桥发生区内故障时电流 与直流侧高压端电流 不符合式()的平衡关系晶闸管逆变器发生 桥区内故障时的保护判据为 ()公式中:为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为逆变器直流侧高压端电流()/为可靠系数取值.为保护整定值按照躲开 桥交流侧区外单相接地短路故障时的最大不平衡电流整定)当发生逆变器中点接地故障 或中点短路故障 后逆变器两侧的电流差小于保护门槛值故障发生后 桥的交流电流变换后的电流 和 桥交流电流变换后的电流 之间存在着较大差值可得保护判据为 ()公式中:为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为 桥交流侧电流进行 变换后的电流值为可靠系数取值.为保护整定值按照躲开 桥交流侧区外单相接地故障时的最大不平衡电流整定由于逆变器交流侧故障会引发换相失败使得直流电流与交流电流不再相等 逆变器交流侧发生故障换流母线电压降低导致交流侧电流增大直流电压降低直流电流迅速增大 当发生逆变器交流侧区外两相短路和交流侧区外接地故障交流电流差大直流电流和交流电流有较大的差流导致保护判据无法区分需要增加新的辅助判据.基于零序电流和 能量算子的辅助判据.基于零序电流的辅助判据正常情况下 桥交流侧电流互感器所测的三相电流对称即满足 当晶闸管逆变器 桥交流侧发生区内接地故障时如图()所示交流侧电流互感器所测的电流为换流变压器二次侧的电流由于换流变压器二次侧无法提供零序电流的流通回路因而交流侧电流互感器所测得的三相电流仍对称满足 当逆变器 桥交流侧发生区外接地故障时如图()所示交流侧电流不在同一回路中此时交流侧电流互感器所测的电流不再对称即交流侧电流互感器的三相电流和不再为 可得辅助判据判断交流侧区外接地故障为 ()公式中:为保护整定值取逆变器交流侧区外接地故障的最小值为可靠系数东北电力大学学报第 卷图 交流侧接地故障回路图.基于 能量算子的保护辅助判据.能量算子非线性信号分析算子 能量算子()由美国科学家 提出具有提取信号瞬时能量简单、跟踪信号变换迅速、时间分辨率高的优点可快速准确地追踪信号的瞬时变化适合对冲击信号进行提取相较于传统的能量算子故障分量经 能量算子处理后瞬时能量与幅值和频率均有关局部特性明显可快速进行故障分析非线性信号()的 能量算子定义为()()()()()公式中:()为原始信号()和()分别为其 阶导数和 阶导数当信号为离散信号时 能量算子定义为()()()()()能量算子仅需要三个采样点有很好的瞬时性故障分量经过瞬间能量 能量算子处理后表现出明显的瞬态阶跃特性更加易于检测与判定.基于 能量算子的保护辅助判据晶闸管逆变器交流侧区外发生两相短路故障时以 桥交流侧区外 短路故障为例故障回路如图 所示形成两个回路分别为回路 和回路回路 中 桥交流侧 相电流和 相电流增大直接流回交流系统回路 中换流桥失去两相正常的换相电压导致换相失败发生直流侧电压下降电流增大逆变器发生区内两相短路时故障回路相似 桥交流侧电流互感器可以测得回路 中的交流电流区外两相短路故障时 桥交流侧电流互感器上测的是回路 中交流电流图 故障回路图.在直流输电标准模型 进行仿真在.发生 故障可得到 桥 相连接阀电流的波形和交流电流波形如图 所示在 桥交流侧区外 短路时发生换相失败逆变器 桥交流侧 相电流随阀关断突降相连接的阀同时导通 相电流同时发生突变相连接的换流阀没有正常导通通过以上分析可知当逆变器交流侧区外发生两相短路故障交流侧电流随着阀门的关断发生突变使故障后交流侧电流发生突变这一特征更加明显令()第 期 金恩淑等:基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法图 桥交流侧区外 短路故障电流波形.对这一电流特征进行提取电流的 能量算子为()()()()()公式中:为逆变器 桥交流侧电流 的瞬时能量图 桥交流侧 短路的 能量算子.桥交流侧区内和区外 短路的故障电流的 能量算子 如图 所示由图()可得当发生交流侧区内 短路时很小最大为.由图()得在 桥交流侧区外 短路时最大为.可见发生交流侧区外两相短路故障时明显高于区内故障利用 桥交流侧区外两相短路故障发生后交流侧电流会发生突变这一特征当 超过整定值保护将拒动()公式中:为逆变器 桥交流侧电流 的瞬时能量为保护的整定值在计及一定的裕度前提下取值为 逆变器 桥的保护逻辑图如图 所示 逆变器 桥和 桥的保护原理类似所得结论相同图 逆变器 桥保护逻辑图.仿真验证为了验证本文所提保护方法有效本文采用直东北电力大学学报第 卷流输电标准模型 进行仿真验证 直流系统电压等级为 额定电流为 容量为 仿真中逆变器设置故障发生时间为.桥电流差的保护门槛值为.交流侧电流差的保护门槛值为.零序电流的保护门槛值为.桥交流侧区内 两相短路故障()发生故障 时逆变器故障电流变化如图 所示左侧从上到下依次为逆变器 桥交流侧电流 桥交流侧电流 右侧从上到下依次为直流侧高压端电流 和中性端电流 故障发生后增大、和 增大图 故障电流波形.直流差动保护在发生故障 时的电流和动作情况如图 由上至下依次为动作电流 和制动电流 直流差动保护动作信号 在 桥交流侧区内 两相短路时和 的差流远小于保护门槛值在发生区内故障 时直流差动保护不动作图 直流差动保护动作电流波形和动作图.发生 故障时本文所提保护方法动作情况如图 所示左侧从上到下依次表示逆变器经过 变换的 桥交流侧电流 和 和经过 变换的 桥交流侧电流 桥交流侧零序电流 桥交流侧电流 能量算子 右侧从上到下依次表示 桥电流差的动作信号 交流侧电流差的动作信号 零序电流的动作信号电流 能量算子的动作信号 和整体保护的动作信号 由图 可知和 之间的差流在故障发生后.超过保护门槛值和 之间的差流在故障后的.超过保护门槛值交流侧零序电流小于门槛值 桥交流侧电流 能量算子小于门槛值本文所提保护在发生故障后的.动作 可见对于传统直流差动保护不能动作的逆变器区内相间短路故障本文所提方法可以正确动作图 故障电流波形和保护动作情况.直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障()发生故障 时逆变器故障电流变化如图 所示左侧从上到下依次是逆变器 桥交流侧电流 桥交流侧电流 右侧从上到下依次是直流侧高压端电流 和中性端电流 故障发生后 桥被短路和 下降到 和 增大直流差动保护在发生故障 时动作情况如图 所示从上到下依次是保护动作电流 和制动电流 直流差动保护的动作信号 故障发生后和 差流在故障发生后超过保护动作的门第 期 金恩淑等:基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法槛值直流差动保护在故障发生后立即动作图 的故障电流波形.图 直流差动保护动作电流波形和动作图.发生 故障时本文所提保护方法动作情况如图 所示左边从上到下依次表示经过 变换的 桥交流侧电流 和 和经过 变换的 桥交流侧电流 交流侧零序电流 桥交流侧电流 能量算子 右边从上到下依次表示 桥电流差的动作信号 交流侧电流差的动作信号 零序电流的动作信号 电流图 故障电流波形和保护动作情况.能量算子动作信号 和整体保护动作信号 由图 可知在逆变器直流侧发生 故障时和 之间差流很小电流 和电流 的电流差为负值小于保护动作的门槛值交流侧零序电流小于门槛值 桥交流侧电流 能量算子小于保护门槛值最终保护不动作 可见传统直流差动保护误动于直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障本文所提保护不动作 结 论直流差动保护的选择性存在问题针对直流差动保护在区外故障误动的问题对逆变器交流侧电流进行 变换得到交流侧电流和直流侧电流的关系提出主判据利用交流侧零序电流和交流侧电流 能量算子分别作辅助判据提出了晶闸管逆变器区内故障保护的新方法并利用 仿真软件进行仿真验证 得出以下结论:)对于直流差动保护不能动作的区内相间短路故障本文所提保护方法能正确动作)直流差动保护误动于交流侧区外接地故障和直流侧出口区外高压端对换流器中点短路故障本文所提保护可以在逆变器区外故障不动作有利于逆变器的安全稳定运行参考文献 高峰谢宁李阮昭等.高压直流输电在我国应用的前景分析.高科技与产业化():.姚良忠吴婧王志冰等.未来高压直流电网发展形态分析.中国电机工程学报():.宋金钊李永丽曾亮等.高压直流输电系统换相失败研究综述.电力系统自动化():.雷朝煜郝良收戴甲水等.高压直流输电线路故障定位研究综述.电力系统保护与控制():.李晓栋徐政胡四全等.种混合直流输电系统的交流故障特性对比.电力自动化设备():.李子欣徐飞赵成勇等.面向高压直流输电的电流源型主动换相换流器研究综述.中国电机工程学报():.刘雷李昊威王胜等.涌流对换流器桥差保护异常动作的影响分析.电力学报():.东北电力大学学报第 卷 束洪春王璇田鑫萃等.交流故障下永富直流换流器差动保护误动风险分析.高电压技术():.邓本飞.换流站一端带电交流刀闸分闸引起高压直流差动保护误动作事故分析.云南电力技术():.李斌善李劲付红茹等.换流站直流差动保护典型隐患分析.青海电力():.姜姝.换流器故障分析与保护原理研究.广州:华南理工大学.余超耘.直流换流器在交流故障下的响应与直流差动保护动作特性分析.广州:华南理工大学.李佳曼.直流保护对交流故障的响应及其出口时序特性研究.广州:华南理工大学.余超耘蔡泽祥李晓华等.换流器直流差动保护动作特性分析与优化.电网技术():.张海强林圣刘磊等.基于直流差动保护动作的送端换流器接地故障定位方案.电网技术():.任晓红万红俞啸等.基于 变换的三电平逆变器开路故障诊断.工矿自动化():.():.王桥梅吴浩杨杰等.基于 能量算子和 的 输电线路故障识别方法.智慧电力():.高淑萍高悦宋国兵等.利用 能量算子瞬时能量的模块化多电平换流器多端柔性直流电网保护方法.西安交通大学学报():.刘波孟祥震迟鹏等.基于 和 能量算子的电缆局部放电辨识.电力工程技术():.王龙蔡潇高敬业等.基于 能量算子瞬时能量的贯通式同相自耦变压器牵引供电系统牵引网纵联保护方案.科学技术与工程():.收稿日期:第一作者:金恩淑()女博士教授主要研究方向:电力系统继电保护.通讯作者:耿梦炜()女在读硕士研究生主要研究方向:电力系统继电保护.():.:第 期 金恩淑等:基于 变换和 能量算子的晶闸管逆变器保护新方法