基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况的等效直流发电机分析方法

摘要

本发明公开了一种基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况的等效直流发电机分析方法，包括以下几个步骤：(1)将直流发电机转子电量等效直流输电系统交流侧电量，以直流发电机输出电量等效直流输电系统直流侧电量，建立直流输电系统换流情况的等效直流电机模型；(2)在等效直流电机模型的基础上，利用旋转相量法，分析直流输电系统换流器工作状态；(3)根据换流器工作状态，合成相关电气量的旋转相量，分析直流输电系统运行特性。本发明旋转相量角度位置明确，可直观判断阀导通情况，且对于直流侧电量变化趋势的分析，只需确定该电气量对应的向量，向量在竖直轴方向的投影即为该电气量对应角度下的幅值，进而能直观的得出直流侧电量波形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况 的等效直流发电机分析方法，可用于换流器工作状态和直流输电系统 运行特性分析，属于特高压直流输电技术领域。

背景技术

2014年国家发改委公布了《能源行业加强大气污染防治工作方 案》，其中提及采用“安全、高效、经济先进输电技术”，“规划建 设12条电力外送通道”。这12条通道中包含5条直流特高压。高压 直流输电在经济性、运行稳定性、非同步联网、控制灵活方面具有显 著优势。未来数十年高压直流输电将在全国迅速建设和发展，其发展 速度之快和输电规模之大意味着高压输电技术对电网的安全稳定发 展具有重要意义。现阶段特高压直流电网建设在我国尚处于起步阶段， 运行经验特别是故障分析经验较少，此时高压直流输电运行特性分析 能力对技术和人才的储备尤其重要。

目前高压直流输电运行特性分析普遍采用直轴坐标。画出三相交 流波形，结合触发脉冲判断换流器的工作情况，在此基础上通过截取、 叠加，表现直流系统相关波形。直流坐标能够清晰地反映电气量变化 趋势，但是作为分析方法他有明显的缺点：首先判断阀导通情况方 法复杂、难以理解，仅仅对于一个三相全桥电路，需要结合六个触发 脉冲及三相波形进行分析；并且截取、叠加等得到波形的方法比较复 杂，分析时容易出错。高压直流输电运行特性的分析理解成为高压直 流输电领域的难点。因此，高压直流输电运行特性分析方法的创新对 提高特高压安全稳定运行运维水平、加强特高压故障分析能力和技术 支撑能力具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种基于旋转相量 法的直流输电整流逆变换相情况的等效直流发电机分析方法，能够直 观判断阀导通情况，且能够直观的得出直流侧电量波形。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况的等效 直流发电机分析方法，包括以下几个步骤：(1)将直流发电机转子电 量等效直流输电系统交流侧电量，以直流发电机输出电量等效直流输 电系统直流侧电量，建立直流输电系统换流情况的等效直流电机模型； (2)在所述等效直流电机模型的基础上，利用旋转相量法，分析直 流输电系统换流器工作状态；(3)根据所述直流输电系统换流器工作 状态，合成相关电气量的旋转相量，分析直流输电系统运行特性。

步骤(1)中，所述等效直流电机模型的建立方法如下：在转子 外端设置与转子同轴旋转的内圆环及外圆环，将所述外圆环与正极电 刷相连接，将所述内圆环与负极电刷相连接；在所述外圆环上标记共 阴极阀组，在所述内圆环上标记共阳极阀组，并分别以所述正极电刷 和负极电刷的位置标记共阴极阀组和共阳极阀组的触发角度；其中， 所述共阴极阀组包括第一换流阀、第三换流阀和第五换流阀，所述共 阳极阀组包括第二换流阀、第四换流阀和第六换流阀，每个阀所占区 域为120°，区域间以黑色实线分割。

当所述共阴极阀组和共阳极阀组的触发角度为0°位置时，两电 刷分别位于y轴正方向和y轴负方向，沿圆周逆时针旋转角度增大。

步骤(2)中，所述直流输电系统换流器工作状态的分析方法如 下：

任何触发角状态下，当圆环中标记着某换流阀的区域旋转至与电 刷相接时，该换流阀收到触发脉冲，换流阀两端承受正压时导通，至 换流阀电压反向而截止；此方法适用于直流输电系统各种运行状态， 包括故障状态；当换流器的触发角介于0°～60°或120°～180°时， 换流阀在与电刷相接时导通，不相接时截止；当换流器的触发角介于 60°～90°或90°～120°时，换流阀同样在与电刷相接时导通，但 由于该触发角下换流器导通状态的不连续性，须增加换流阀电压反向 这一条件作为换流阀截止判据；此方法仅适用于正常运行状态。

步骤(3)中，所述直流输电系统运行特性分析方法如下：

根据换流器工作情况，以直流电机模型中转子旋转角度作为角度 标尺，在各个角度区间内，用交流侧三相电压表示直流侧关键电压， 包括共阴、阳极电压、阀电压、直流侧输出电压，形成表达式；根据 上述表达式，利用直流电机模型中三相旋转相量进行相量叠加，得到 直流侧关键电压量对应的旋转相量；相量旋转过程中，在竖直轴方向 的投影即为该电气量在对应角度下的幅值；以直流侧关键电压表达式 的变化的临界点，作为各个角度区间边界，结合上述步骤，确定各角 度区间内各关键电压变化规律，从而得到高压直流输电运行状态。

本发明的基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况的等效 直流发电机分析方法，建立直流输电系统换流情况的发电机模型，在 此基础上采用旋转相量法分析直流输电整流逆变换相情况。旋转相量 角度位置明确，可以直观判断阀导通情况，且对于直流侧电量变化趋 势的分析，不需进行复杂的波形叠加，只需确定该电气量对应的向量， 向量在竖直轴方向的投影即为该电气量对应角度下的幅值，进而能够 直观的得出直流侧电量波形。该分析方法解决了传统分析方法在换流 过程判断及波形分析上的两大难题，使直流输电换流器模型物理概念 强，且工作状态分析直观、简单。对于理解掌握直流输电整流、逆变、 换相重叠、换相失败等运行特性具有重要意义。

附图说明

图1为整流器电路原理图；

图2为逆变器电路原理图；

图3为直流输电系统换流情况的等效直流电机模型；

图4为t₁时刻三相电压及换流阀3阀电压对应相量位置图；

图5为t₂时刻三相电压及换流阀3阀电压对应相量位置图；

图6为t₃时刻三相电压及换流阀3阀电压对应相量位置图；

图7为t₄时刻三相电压及换流阀3阀电压对应相量位置图；

图8为t₂～t₄区间换流阀3阀电压旋转相量图；

图9为t₆～t₂’区间换流阀3阀电压旋转相量图；

图10为直角坐标系下换流阀3阀电压波形；

图11为t₂～t₃区间U_MN旋转相量图；

图12为t₃～t₄区间U_MN旋转相量图；

图13为直角坐标系下U_MN波形。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明 白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的基于旋转相量法的直流输电整流逆变换相情况的等效 直流发电机分析方法，包括以下几个步骤：

(1)将直流输电系统换流器类比于直流发电机，建立直流输电 系统换流情况的直流电机模型。

利用直流发电机转子在磁场旋转产生直流电的过程模拟直流输 电系统换流器工作状态,建立直流输电系统换流情况的等效发电机模 型，直流电机模型包括定子、转子、两个电刷、六个换流阀等部分。

以直流发电机转子电量等效直流输电系统交流侧电量，以发电机 输出电量等效直流侧电量。该模型与直流发电机结构上不同的是，模 型转子外端连接着两个圆环，圆环伴随着转子同中心共角速度旋转， 其中外圆环标记着共阴极阀的序号1、3、5，内圆环标记着共阳极阀 的序号2、4、6，每个阀所占区域为120°(参见图1-图3)。模型以 电刷位置标记共阴极和共阳极阀组的触发角度，共阴极和共阳极阀组 触发角0°位置分别位于y轴正、负方向(参见图3)，沿圆周逆时针 旋转角度增大。

经过上述4个部分的等效，完成直流输电换流情况的等效发电机 模型的建立。

(2)在直流电机模型的基础上，利用旋转相量法，分析直流输 电系统换流器工作状态。

直流输电系统换流器的工作状态分析从其基本单元——换流阀 入手。换流阀的状态主要与两个因素相关：控制极触发脉冲、阳极对 阴极电压极性。目前直流输电系统普遍采用半控型器件，换流阀在阻 断状态下的导通条件是阳极对阴极为正电压且控制极加触发脉冲；换 流阀没有关断能力，只有借助外回路的能力，当流经换流阀的电流为 零时才能关断。

直流电机模型中，以直流发电机转子电量等效直流输电系统交流 侧电量，并将交流侧电量用三相旋转相量表示，其旋转特性与发电机 转子相似，通过比较三相旋转相量在Y轴上的投影能够确定换流阀 两端压降的方向，结合以发电机电刷标记着收到触发角，得以判断换 流阀状态：

a任何触发角状态下，当圆环中标记着某换流阀的区域旋转至与 电刷相接时，该换流阀收到触发脉冲，换流阀两端承受正压时导通， 至换流阀电压反向而截止。此为通用分析方法，适用于直流输电系统 各种运行状态，包括故障状态。

b对于正常运行状态可直接采用简便分析方法：当换流器的触发 角介于0°～60°或120°～180°时，与电刷相接的圆环处所标示的 序号，即为导通的换流阀的序号，其余换流阀处于截止状态。换言之， 直流电机模型中，换流阀在与电刷相接时导通，不相接时截止。当换 流器的触发角介于60°～90°或90°～120°时，换流阀同样在与电 刷相接时导通，但由于该触发角下换流器导通状态的不连续性，须增 加换流阀电压反向这一条件作为换流阀截止判据。

接着分析下一与电刷相接触或两端承受正压的换流阀，依次类推， 得到换流器工作状态。

(3)根据换流器工作状态，分析直流输电系统运行特性。

根据换流器工作情况，以直流电机模型中转子旋转角度作为角度 标尺，在各个角度区间内，用交流侧三相电压表示直流侧关键电压， 包括共阴、阳极电压、阀电压、直流侧输出电压，形成表达式；

根据上述表达式，利用直流电机模型中三相旋转相量进行相量叠 加，得到直流侧关键电压量对应的旋转相量；相量旋转过程中，在竖 直轴方向的投影即为该电气量在对应角度下的幅值；

以直流侧关键电压表达式的变化的临界点，作为各个角度区间边 界，结合上述步骤，确定各角度区间内关键电压变化规律，从而得到 高压直流输电运行特性。

本发明从思维方式和分析方法上进行创新，将直流输电系统换流 器类比于直流发电机，利用旋转相量法分析直流输电运行特性。参见 图1-图3。

为更加清晰说明该分析方法。选取整流器触发角为60°时，正 常运行状态为例，采用该方法分析整流器运行特性。

设l_a为交流侧A相电压对应的相量，l_ay为l_a在y轴的投影。为 说明方便，从l_a相位为30°开始，每隔60°标记一个时间点，用t_i(i＝1,2……6)表示。

(1)阀导通过程

发电机模型中定子和电刷固定不动(触发角一定时)，圆环随转 子即三相交流电压相量旋转。列举若干典型时刻旋转相量位置见图 4-图7。

阀1自然换相点开始至t₂区间内，正半部分中A、C两相相量投 影l_ay≥l_cy，即阀1两端电压为正，但由于外圆环的阀1区域未与电 刷相接，即没有触发脉冲信号，阀1不能导通。

t₂～t₃时，正半部分a相电压最大，阀1区域转至与电刷相接， 阀1导通；负半部分中c相电压最低，但未与电刷相接，阀6继续保 持导通状态。

t₃～t₄时，正半部分b相电压最大，但由于未与电刷相接，阀3 不能导通，阀1是否继续导通与两端所施电压和负载性质有关，由于 l_ay≥l_cy，则阀1可继续保持导通状态；负半部分中c相电压最低，t₅时阀2区域开始与电刷相接，阀2导通。

t₄时刻，l_ay＝l_cy，阀1达到两端电压为0的临界值，即将被截止， 同时阀3接到触发脉冲即将导通，所以α＝60°是三相整流电路带电 阻性负荷时，直流输出电压、电流连续与否的临界点。

t₄时刻，l_b到达与t₂时刻l_a相同的位置，由于三相对称，此后分 析过程与t₂时刻至t₄时刻相似，不再赘述。

根据上述分析，得到如表1所示工作情况。

表1M和N点电动势交替变换规律

(b)直流侧电气量波形分析

以阀3电压为例，对触发角为60°时的运行特性进行说明。根 据上述阀导通过程，易得各角度区间内阀3电压表达式，如表2。

表2各角度区间内阀3电压变化规律

根据上述表达式，确定旋转过程中，阀3电压对应的相量及其变 化规律：

t₂～t₄时阀3反向截止，两侧电压为U_ba，对应相量l_ba’扫过轨迹 如图8所示，可以看出l_ba’在竖直轴的投影(即U_ba)由负增大至零， 再至正值。

t₄～t₆时，阀3导通，两端电压为0。

t₆～t₂’时，阀3两端电压为U_bc，期间l_bc’所扫过的轨迹如图9阴 影的弧线部分所示。l_ba’在竖直轴的投影减小到负最大值，再增至零。

当t₂’时，各阀的状态进入下一轮导通、截止状态，与第一轮相 同，不再赘述。阀3电压直角坐标系下波形如图10。

下面对直流输出电压U_MN进行分析。根据阀导通过程，各角度 区间内输出电压U_MN表达式，如表3。

表3各角度区间内输出电压U_MN变化规律

由于交流三相互差120°且旋转相量图中导通区域对称，则直流 输出电压U_MN将以120°为整数倍周期；每60°均有阀电压对应的 相量进入或离开阀导通区域，则以60°为区间分析直流电压U_MN波形。 如当t₂～t₃时，U_MN对应旋转相量l_MN＝l_a-l_b，其旋转相量图如图11, 当t₃～t₄时，l_MN＝l_a-l_c，其旋转相量图如图12，即U_MN在上述每个区 间内由正值逐渐减小至0。一个周期内U_MN直角坐标系波形如图13。

可见运用模型分析的步骤为：首先利用等效直流发电机模型判断 换流阀导通情况，得到换流器工作情况，并据此合成直流电气量的旋 转相量，通过其投影得到波形变化趋势，从而分析直流系统运行特性。

本发明利用旋转相量的原理，创新一种新的、直观的、物理概念 强的直流输电系统换流器工作情况及直流侧电量运行特性的分析方 法，其解决了传统分析方法在换流过程判断及波形分析上的两大难题， 为直流输电技术的重点和难点——换相情况分析提供了简单有效的 分析方法，对于理解掌握直流输电整流、逆变、换相重叠、换相失败 运行特性具有重要意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上 述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明 精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。