本发明涉及高压直流输电，特别涉及一种高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，用于为电网规划和运行提供参考。
背景技术：
1、电网换相换流器型高压直流输电(line commutated converter based highvoltage direct current，lcc-hvdc)具有输送容量大、运行损耗小、功率调节速度快、非同步联网能力强等优点，广泛应用于大容量、远距离输电。换相失败是lcc-hvdc常见的故障之一，交流电网故障可能会引发换相失败。换相失败会引起lcc-hvdc呈现直流电压降低、直流电流增加、传输功率减小等电气特性，若采取措施不当，lcc-hvdc发生多次换相失败而闭锁，受端交流系统出现严重功率缺额，极大影响电网的安全性和稳定性。开展高压直流系统的换相失败抵御能力评估，可以为交直流电网规划和运行提供参考，有利于电网的安全稳定。
2、为定量评估高压直流系统的换相失败抵御能力，现有研究常采用的指标有两种：一种是换相失败概率指标，采用多次仿真的方式，分析lcc-hvdc发生换相失败的概率，常用于对比评估不同换相失败抑制方法的作用效果，但难以直接反映lcc-hvdc抵御换相失败的临界故障严重程度；另一种是换相失败免疫因子(commutation failure immunity index，cfii)指标，在换流母线处设置接地阻抗的短路试验，寻找任意故障时刻下可能引发换相失败的最大接地阻抗，最大接地阻抗对应的故障容量与直流功率的比值定义为换相失败免疫因子，故障容量反映了临界故障严重程度，cfii指标能较好地表征lcc-hvdc对于换相失败的抵御能力。
3、对于换相失败免疫水平快速评估方法的研究，已经取得一定成果，但现有研究均采用准稳态模型，未考虑故障发生后直流控制响应特性的影响，忽略了故障暂态过程，评估准确性有待进一步提高，因此，急需提出一种新的评估方法，准确且快速获取换相失败免疫因子，实现高压直流系统换相失败抵御能力的快速评估。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，解决了现有技术存在的换相失败免疫因子指标无法实现准确且快速获取的技术问题。本发明考虑了直流控制响应特性和故障暂态过程，构建了高压直流系统端口故障等值电路模型，推导不同故障严重程度下逆变站换流母线电压的近似解析计算公式；根据高压直流的系统参数和控制策略，建立了一、二次高压直流回路的数学模型，结合数学模型近似计算了用于换相失败判断的逆变站关断角变化轨迹，提取了关断角变化轨迹的最小值，绘制接地电感与关断角最小值的关系曲线，确定了临界接地电感，根据定义计算了换相失败免疫因子。
2、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
3、高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，包括以下步骤：
4、步骤1：构建高压直流系统端口故障等值电路模型，计算最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值；
5、步骤2：基于系统参数和控制策略，建立高压直流一、二次回路数学模型，求解非线性微分方程组，获得高压直流的各暂态电气量和控制量；
6、步骤3：计算不同接地电感关断角变化的轨迹，并绘制接地电感与最小关断角间的特性曲线；
7、步骤4：基于最小关断角准则，确定临界接地电感，计算换相失败免疫因子。
8、步骤1所述的构建高压直流系统端口故障等值电路模型，具体是：
9、高压直流系统整流站采用定直流电流控制，逆变站采用定关断角控制，构建计及直流控制响应特性的直流附加导纳计算公式，当逆变站的换流母线处发生经三相接地电感的短路故障，将换流母线视为端口，采用戴维南定理，构建计及直流控制响应特性的高压直流系统端口故障等值电路模型，得到端口的戴维南等值电压 ueq，端口处戴维南等值阻抗 zeq对应的等值电感 leq和等值电阻 req，基于等值电路模型，得到最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值 ui，计及直流控制响应特性的直流附加导纳计算公式为：
10、
11、其中，；
12、式中， u是逆变站换流母线电压， ki和 xti分别是逆变站换流变压器的变比和漏抗， z是逆变站的交流系统等值阻抗， idi是lcc-hvdc正常运行时的直流电流；是lcc-hvdc正常运行时逆变站关断角， n为逆变站6脉动阀组个数，j是虚数的虚部符号。
13、 ui的计算公式为：
14、
15、式中， ueq为端口的戴维南等值电压； leq和 req分别为端口处戴维南等值阻抗 zeq对应的等值电感和等值电阻， zf为接地电感 lf对应的接地阻抗， ω为交流电压的角频率；
16、通过改变三相接地电感 lf，改变故障严重程度，计算不同故障严重程度下换流母线电压的暂态变化过程，当 lf越小，故障程度越严重，换流母线电压降落的程度越大；当故障严重程度超过了lcc-hvdc的换相失败抵御能力，逆变站换相失败。
17、步骤2所述的建立高压直流一、二次回路数学模型，具体是：
18、将高压直流的一次回路结构划分为交流区域、阀区域和直流区域，针对每一个区域分别列写换流母线电压降落下的暂态过程数学模型，建立高压直流一次回路数学模型；对高压直流的二次回路中整流站采用的定直流电流控制和逆变站采用的定关断角控制分建立相应的二次回路数学模型；结合高压直流的一、二次回路数学模型，求解非线性微分方程组，获得高压直流的各暂态电气量和控制量；建立的一、二次回路数学模型为：
19、
20、式中， udr和 udi分别为整流站和逆变站的直流电压， idr和 idi分别为整流站和逆变站的直流电流， rd和 c分别为直流线路的等值电阻和电容， ld为直流线路和平波电抗器的电感之和， uc为直流线路等值电容的电压， kr和 xtr分别是整流站换流变压器的变比和漏抗， ki和 xti分别是逆变站换流变压器的变比和漏抗， n为逆变站6脉动阀组个数，为逆变站的超前触发角， ui为最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值， ur整流站换流母线电压有效值， idrm为整流站直流电流测量值， idref整流站直流电流参照值， ti为一阶惯性环节的时间常数， gi为一阶惯性环节的比例系数， kir和 tir分别是定直流电流控制中pi控制器的比例和积分系数，为整流站的触发角，关断角测量值， kγi和 tγi分别是定关断角控制中pi控制器的比例和积分系数，为逆变站关断角参考值，d m/d t表示任意变量 m对于时间 t的微分运算。
21、步骤3所述的计算不同接地电感关断角变化的轨迹，通过求解非线性微分方程组，获得换流母线电压降落下高压直流系统的电气量 idi和逆变站的超前触发角，结合最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值 ui，代入逆变站关断角的计算公式，获得在不同接地电感下逆变站关断角随时间变化的轨迹，选取每次故障期间关断角轨迹中最小值，绘制接地电感与关断角最小值的关系曲线；逆变站关断角的计算公式为：
22、
23、式中， idi为逆变站的直流电流； ui为最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值，为逆变站的超前触发角， ki和 xti分别是逆变站换流变压器的变比和漏抗。
24、步骤4所述的计算换相失败免疫因子，基于最小关断角准则，观察接地电感与关断角最小值的特性曲线，读取临界关断角下的接地电感，基于获取的临界接地电感，计算引起换相失败临界接地阻抗 z fmax及其对应的故障容量 sfault，计算换相失败免疫因子；换相失败免疫因子的计算公式为：
25、
26、式中， zfmax为引起换相失败的临界阻抗， un为换流母线电压的额定值， sfault为最大接地阻抗对应的故障容量， pdc为直流系统传输的有功功率。
27、本发明的有益效果在于：针对换相失败免疫因子指标无法准确且快速获取的难题，提出一种考虑直流控制响应特性和故障暂态过程的高压直流系统换相失败免疫因子快速评估方法。针对实际高压直流工程，建立一、二次回路数学模型，构建相应的lcc-hvdc换相失败分析模型，考虑故障到换相失败发生的暂态过程，定量计算逆变站换流母线电压降落下的各电气量暂态特征，为换相失败免疫因子的快速获取、换相失败抵御能力的快速评估提供了计算模型，同时提出的方法适用于不同临界关断角和系统强度下的换相失败免疫因子快速评估，通用性强，具有较好的换相失败抵御能力评估效果，可以为交直流电网规划和运行提供参考。
1.一种高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，其特征在于：步骤2所述的建立高压直流一、二次回路数学模型，具体是：
3.根据权利要求1所述的高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，其特征在于：步骤3所述的计算不同接地电感关断角变化的轨迹，通过求解非线性微分方程组，获得换流母线电压降落下高压直流系统的电气量idi和逆变站的超前触发角，结合最严重电压降落下的换流母线电压随时间变化的有效值ui，代入逆变站关断角的计算公式，获得在不同接地电感下逆变站关断角随时间变化的轨迹，选取每次故障期间关断角轨迹中最小值，绘制接地电感与关断角最小值的关系曲线；逆变站关断角的计算公式为：
4.根据权利要求1所述的高压直流系统换相失败抵御能力快速评估方法，其特征在于：步骤4所述的计算换相失败免疫因子，基于最小关断角准则，观察接地电感与关断角最小值的特性曲线，读取临界关断角下的接地电感，基于获取的临界接地电感，计算引起换相失败临界接地阻抗zfmax及其对应的故障容量sfault，计算换相失败免疫因子；换相失败免疫因子的计算公式为：
