【正文】 ................................................................................................................ 53 致謝 ....................................................................................................................................... 59 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 前言 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)環(huán)節(jié)是綜合性的實(shí)踐教學(xué)活動，不僅可使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的知識和技能解決實(shí)際問題，還訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)、鉆研、探索的科學(xué)方法，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主選擇、自主完成工作的機(jī)會。 將小波變換應(yīng)用于高壓直流輸電 (HVDC)系統(tǒng)換相失敗的故障診斷中，基于多尺度分析分別對不同故障情況下的直流電流進(jìn)行 分解，并利用尺度能量和尺度熵這兩種小波處理方法提取故障特征，分別定義兩個故障診斷指標(biāo)作為辨識各種故障的判據(jù)，然后針對這兩個指標(biāo)分別設(shè)置 4 個閾值以診斷直流線路故障和換相失敗故障。其次，本文對 HVDC 輸電系統(tǒng)換相失敗進(jìn)行故障分析，分析研究了換相失敗的發(fā)生機(jī)理及換相失敗的影響因素，介紹了換相失敗的危害 ，提出了換相失敗的預(yù)防控制措施。換相失敗故障的準(zhǔn)確快速診斷是對換相失敗采取有效控制措施的前提。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 摘 要 高壓直流輸電（ HVDC）技術(shù)因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢，在遠(yuǎn)距離大容量輸電和大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)方面取得了十分廣泛的應(yīng)用。換相失敗是 HVDC 輸電系統(tǒng)常見的故障之一，嚴(yán)重影響影響整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 首先本文介紹了 HVDC 輸電系統(tǒng)及其換相失敗故障診斷的研究現(xiàn)狀，指出目前HVDC 換相失敗故障診斷方法存在的不足。 本文基于交直流電網(wǎng)仿真系統(tǒng)PSCAD/EMTDC 仿真平臺建立高壓直流輸電 次系統(tǒng)仿真模型 ， 基于 次系統(tǒng)仿真模型和 特高壓直流輸電 基本控制原理 ， 在分析 特高壓直流輸電 控制系統(tǒng)中重要控制環(huán)節(jié)換流器觸發(fā)控制及換流變壓器分接頭控制的基礎(chǔ)上建立控制系統(tǒng)仿真模型 ， 并針對建立的系統(tǒng)仿真模型和控制系統(tǒng)仿真模型分別進(jìn)行 特高壓直流輸電 系統(tǒng)正常運(yùn)行及瞬時故障和穩(wěn)態(tài)變化的仿真驗(yàn)證 。仿真表明，在不同的 HVDC 系統(tǒng)故障情況下，暫態(tài)信號小波尺度能量和尺度熵的分布都具有一定的規(guī)律性，可分別作為判斷系統(tǒng)故障的有效依據(jù)，提出的判據(jù)能準(zhǔn)確地對換相失敗故障做出診斷。 直流輸電技術(shù)從 20 世紀(jì) 50 年代在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用以來，至今經(jīng)歷了汞弧閥換流 和晶閘管換流時期，目前世界上已有 60 多項(xiàng)直流輸電工程投入運(yùn)行，在遠(yuǎn)距離大容量輸電、海底電纜和地下電纜輸電以及電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工程中得到較大的發(fā)展。比較明顯的是，背靠背非同步聯(lián)網(wǎng)和多端直流輸電工程以及采用新型半導(dǎo)體器件的輕型直流輸電工程，近年來發(fā)展得很快。包括整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障、逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障，以及直流線路發(fā)生短路故障時交直流輸電系統(tǒng)相關(guān)電氣量的變化及其控制器的響應(yīng)特性。 由于水平有限，查閱參考資料又有許多局限性，論文中存在缺點(diǎn)和錯誤在所難免，請批評指正。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步推動了高壓直流 (High Voltage Direct Circuit HVDC)輸電技術(shù)的發(fā)展 ， 這些技術(shù)中有的是對傳統(tǒng) HVDC 輸電技術(shù)的改進(jìn)，有的是采用高級控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的 。特別是隨著晶閘管閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電應(yīng)用越來越廣。目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢，在遠(yuǎn)距離大容量輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、背靠背聯(lián)網(wǎng)、海底及地下電纜輸電及向孤立負(fù)荷送電工程中得到應(yīng)用， HVDC 輸電技術(shù)經(jīng)歷了階躍式的發(fā)展，上世紀(jì) 80 年代，由于聯(lián)網(wǎng)需要，建設(shè)了 14 項(xiàng)背靠背工 程；建成了目前世界上最長的直流線路，即扎伊爾的英加一沙巴工程 (1700km)及電壓等級最高 (? 600KV、輸送容量最大 (3150MW)的巴西伊太普工程，到了 90 年代，世界第一個復(fù)雜的三端 HVDC 工程 (魁北克一新英格蘭工程 )完成，并建成了世界上最長的海纜(250km)HVDC 工程 (瑞典一德國的 BALTIC 工程 )，目前，投入運(yùn)行的 HVDC 輸電工程主要分布在美國、加拿大、印度、日本等國家。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 3 頁 同時，由于通過直流線路互聯(lián)的兩端交流系統(tǒng)可以有各自的頻率，輸送功率也可保持恒定 (恒功率、恒電流等 )，對送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個負(fù)荷，對受端而言，逆變站則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個電源，互相之間的干擾和影響小，運(yùn)行管理簡單方便。提高交流電壓等級已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的大電網(wǎng)、大容量、遠(yuǎn)距離輸電的要求，因此在一定條件下采用高壓直流（ High Voltage Direct Current， HVDC）輸電技術(shù)將更為合理，高壓直流輸電與交流輸電系統(tǒng)相比具有線路造價低、線路有功損耗小、不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制、運(yùn)行靈活、可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)與控制等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 隨著電網(wǎng)高壓直流輸電系統(tǒng)的大量接入，電網(wǎng)具有多直流饋入、交直流混合運(yùn)行、含特高壓直流等特點(diǎn)，高壓直流輸電系統(tǒng)的工作機(jī)理、系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障電氣特征等與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)有比較大差異，有一系列亟待解決的理論和工程難題。 高壓直流 (High Voltage Direct Current, HVDC)與交流輸電相比，具有線路投資較 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 4 頁 低、運(yùn)行靈活多變、不受電力系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制。到目前為止，全世界已成功投運(yùn) HVDC 工程達(dá)上百項(xiàng)，隨著電力需求的不斷增長，將會有越來越多的 HVDC 工程投運(yùn)。由高壓直流輸電的特點(diǎn)可知，在我國發(fā)展 HVDC 輸電是解決電力跨區(qū)輸送較好的方法。隨著國民經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長，還將會有大量的 HVDC 工程在建設(shè)和規(guī)劃中， 2020 年前后西部水電的大部分電力將通過特高壓直流線路向華中和華東地區(qū)輸送，其中金沙江一期的溪洛渡和向家壩水電站。 隨著大量 HVDC 工程的投入使用，其運(yùn)行中的問題也日益突現(xiàn)，其中的換相失敗就會導(dǎo)致直流電流增大，直流電壓下降、輸送功率減少，換流變壓器直流偏磁加劇、換流閥壽命縮短以及逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定等不良后果，是 HVDC 系統(tǒng)中最常見的故障之一。因此 ,深入研究換相失敗發(fā)生的機(jī)理和先進(jìn)的診斷技術(shù)，對保障直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。高壓直流輸電技術(shù)首先是被應(yīng)用到海底電纜輸電系統(tǒng)中，早期的直流輸電工程包括瑞典哥特蘭島工程（于 1954 年投運(yùn)）及意大利撒丁島工程（于 1967 年投運(yùn)），之后高壓直流輸電技術(shù)被應(yīng)用到長距離、大容量輸電系統(tǒng)中，與此對應(yīng)的直流輸電工程包括美國太平洋聯(lián)絡(luò)線工程（于 1970 年投運(yùn)）及納爾遜河工程（于 1973 年投運(yùn)）等。全世界共有約 100 多項(xiàng)直流輸電工程投入了運(yùn)行，電壓等級達(dá)到了177。進(jìn)入 21 世紀(jì)，傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)作為成熟 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 5 頁 的技術(shù)在包括中國、印度、馬來西亞、阿拉伯地區(qū)、澳洲等國家和地區(qū)得到快速發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，將進(jìn)一步推動高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。從 80 年代末以來，我國高壓直流輸電技術(shù)研究和發(fā)展取得了突飛猛進(jìn)的提高，在 1987 年自行研制了浙江舟山海底直流輸電工程，額定電壓 100kV，額定電流 500A，額定容量 50MW，輸送距離 54km。 500kV 葛南直流輸電工程，輸送功率達(dá) 1200MW。中國規(guī)劃建設(shè)177。目前已建成的177。 800kV 直流輸電線路，同時也是世界上第一條177。 800kV 特高壓直流工程是落實(shí)國家“西電東送。 800kV 特高壓直流輸電工程采用雙 12 脈動閥組串聯(lián)接線方式，該接線方式使其運(yùn)行方式更加多樣化，換流器采用 400kV+400kV 的電壓分配方案，送電距離約 1418km，主回路接線方案采用典型的雙極兩端中性點(diǎn)接地的高壓直流輸電系統(tǒng)。到目前為此，全世界共有上百項(xiàng)直流輸電工程投入運(yùn)行，其中大部分電壓等級超過 400kV，最高電壓等級達(dá) 800kv。 HVDC 在我國起步相對較晚，但發(fā)展很快。 2021 年以后，我國又相繼建成了天生橋 廣州、三峽 常州、三峽 廣州、貴州 廣州、高坡 肇 慶、興仁 寶安電壓等級500kV，容量達(dá) 3000MW 的 HVDC 工程。 2021 年 12 月 26 日，由我國自主設(shè)計(jì)和建設(shè)的向家壩 上海 800kV 特高壓直流工程奉賢換流站極 209。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 基于直流輸電技術(shù)應(yīng)用的前景和實(shí)際，直流輸電技術(shù)在我國已得到了較廣泛的研究應(yīng)用。 近 年來我國在高壓直流輸電方面從事的重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目有： 研究制定通用的 HVDC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及 HVDC 工程設(shè)計(jì)規(guī)范； 完善 HVDC 技術(shù)的研究手段，開發(fā) HVDC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件包 ,建立 HVDC 系統(tǒng)的新型數(shù)學(xué)模型和開發(fā)接地極研究的相關(guān)軟件； 直流新技術(shù)的研究。 含多個換流站的電力網(wǎng)中的交直流系統(tǒng)相互作用特性研究，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，批準(zhǔn)號 59707005( 一 )。 供用電網(wǎng)絡(luò)中的諧波擴(kuò)散分析和諧波狀態(tài)估計(jì)，浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 一 )等； 近年來我國在高壓直流輸電方面從事的重大 工程應(yīng)用研究項(xiàng)目有 748： 向廣東送電 1000 萬千瓦系統(tǒng)電氣計(jì)算穩(wěn)定水平校核，國家電力公司戰(zhàn)略規(guī)劃部委托項(xiàng)目， ( 一 )。 三峽一廣東直流輸電工程直流系統(tǒng)對通信干擾的評估，北京網(wǎng)聯(lián)直流輸電工程有限責(zé)任咨詢公司委托項(xiàng)目， ( 一 )。 三峽直流輸電對華東電網(wǎng)次同步振蕩的影響研究，華東電力試驗(yàn)研究院委托項(xiàng)目( 一 )等； HVDC 換相失敗故障診斷現(xiàn)狀 換相失?。?Commutation Failure）是 HVDC 系統(tǒng)中最常見的故障之一，對換相失敗進(jìn) 行快速準(zhǔn)確的診斷是保證 HVDC 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提，國內(nèi)外對高壓直流輸電換相失敗故障診斷已有一些相關(guān)研究。小波 分析分析方法能有效地提取直流電流和直流電壓故障信號的暫態(tài)特征，在非平穩(wěn)信號的處理方面具有較大的優(yōu)勢。采用小波奇異值分解來提取故障信號特征，采用支持向量機(jī)（ SVM）對故障進(jìn)行分類， SVM 算法的核函數(shù)及相關(guān)參數(shù)的選取較為復(fù)雜，參數(shù)選取對故障診斷影響較大；此外，該故障診斷方法無法實(shí)現(xiàn)只采集逆變側(cè)故障直流電流 信號來實(shí)現(xiàn)換相失敗故障診斷，對于交流系統(tǒng)故障引發(fā)的換相失敗診斷，該方法仍需結(jié)合三相交流故障電壓信號才能實(shí)現(xiàn)故障選相，增加了換相失敗故障診斷的難度和算法的復(fù)雜度。通過 PSCAD 建模仿真，詳細(xì)分析了換相失敗故障的特點(diǎn)，并由此研究了換流站逆變側(cè)直流和交流各種故障的仿真。分析發(fā)生換相失敗的危害及其預(yù)防措施。比較了各種故障方式下的高壓直流輸電換相失敗。 （ 2）通過仿真對比驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性。 三、分析研究樣本訓(xùn)練及換相失敗故障診斷具體方法與步驟，分析高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗故障診斷啟動判據(jù)。 （ 1） 交流系統(tǒng)故障類型 A、單相直接接地短路故障 B、單相經(jīng)電阻接地短路故障 C、相間短路故障 D、三相直接接地短路故障 E、三相經(jīng)電阻接地短路故障 （ 2）直流系統(tǒng)故障 A、橋臂 短路故障 B、單橋短路故障 五、 針對上述各種仿真結(jié)果，對 HVDC的換相失敗展開討論。 圖 21 高壓直流輸電系統(tǒng)示意圖 目前 HVDC 直流輸電大多采用兩端輸電系統(tǒng)接線方式分單極接線方式、雙極接線方式、“背靠背 。單極方式通常是采用一根架空導(dǎo)線或者電纜線，以大地或海水作為返回線路組成的直流輸電系統(tǒng)，這種接線方式可以節(jié)省線路投資。“背靠背。 ~ ~ 換 流 變壓器 1 換 流 變壓器 2 Vd1 Vd2 整流器 逆變器 ＋ ＋ － － Id Id 交流電力 系統(tǒng) I 交流 電 力 系 統(tǒng)Ⅱ 換流站 1 （整流站） 換流站 2 （逆變站） 直流線路 直流輸電系統(tǒng)