高壓直流輸電線路故障與換相失敗識(shí)別研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

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(shì)，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(jiàn)的故障之一，嚴(yán)重影響影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。換相失敗故障的準(zhǔn)確快速診斷是對(duì)換相失敗采取有效控制措施的前提。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。其次，本文對(duì)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。本文基于交直流電網(wǎng)仿真系統(tǒng)PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)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(duì)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(shí)故障和穩(wěn)態(tài)變化的仿真驗(yàn)證。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(duì)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(gè)故障診斷指標(biāo)作為辨識(shí)各種故障的判據(jù)，然后針對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)分別設(shè)置4個(gè)閾值以診斷直流線路故障和換相失敗故障。仿真表明，在不同的HVDC系統(tǒng)故障情況下，暫態(tài)信號(hào)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(duì)換相失敗故障做出診斷。關(guān)鍵詞：HVDC系統(tǒng)；換相失?。恍〔ㄗ儞Q；尺度能量；尺度熵；故障診斷 目錄TOC\o"1-3"\h\u10844前言 124858第一章緒論 215532 237821.2選題背景及意義 3321251.3HVDC換相失敗研究現(xiàn)狀 420391.3.1HVDC現(xiàn)狀分析 450181.3.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 688721.3.3HVDC換相失敗故障診斷現(xiàn)狀 715461.4本文所要做的工作 830451第二章高壓直流輸電基本原理 9115182.1HVDC的構(gòu)成及特點(diǎn) 988872.1.1HVDC構(gòu)成 990662.1.2HVDC輸電系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 10162332.2高壓直流輸電原理與分類 121556第三章分析線路故障和換相失敗的機(jī)理 14172313.1HVDC換相過(guò)程 14297843.1.1整流器不可控時(shí)的換相過(guò)程 144540 1610244 17230453.2.1超前角過(guò)小，換相未結(jié)束即出現(xiàn)換相失敗的情況 17258293.2.2超前角偏小，換相結(jié)束后出現(xiàn)換相失敗的情況 189032 1917928 194923 2123996 2112441 2117443.4.2換相失敗的危害 2297143.5換相失敗的預(yù)防與控制措施 22308903.6本章小結(jié) 2428635第四章小波分析基本原理 2532038 2531199 26241584.3、多分辨率分析 2719384.4小波分析提取故障特征 295070第五章線路故障和換相失敗的小波分析 3129632 31126535.1.2PSCAD/EMTDC仿真軟件簡(jiǎn)介 32239485.1.3高壓直流輸電換相失敗仿真模型 35288485.1.4直流輸電線路仿真模型 36235365.2多尺度分析和小波信號(hào)處理 37109055.2.1多尺度分析 37210115.2.2小波尺度能量統(tǒng)計(jì) 384921 39190265.3換相失敗故障診斷方法 40152075.4仿真結(jié)果 41127985.4.1HVDC系統(tǒng)的仿真模型 412538圖5-2HVDC系統(tǒng)仿真模型 42172775.4.2基于小波變換的故障分析 4313675結(jié)論 507074總結(jié)與體會(huì) 5211562參考文獻(xiàn) 53885致謝 59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(dòng)，不僅可使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)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(huì)。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(lái)，至今經(jīng)歷了汞弧閥換流和晶閘管換流時(shí)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。特別是在20世紀(jì)80年代以后，大功率電力電子技術(shù)及微機(jī)控制技術(shù)等高科技的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了直流輸電技術(shù)的應(yīng)用與發(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(lái)發(fā)展得很快。隨著高壓直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的控制方法和特性研究也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，文中對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的控制原理和特性進(jìn)行了介紹，并且基于PSCAD/EMTDC仿真程序研究了CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)在各種故障下的典型響應(yīng)特性。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(shí)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。特別研究了交流系統(tǒng)故障時(shí)直流輸電系統(tǒng)的換相失敗及其恢復(fù)過(guò)程，同時(shí)研究了直流線路短路時(shí)直流輸電控制器的動(dòng)作特性和直流線路的過(guò)電流水平。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(cuò)誤在所難免，請(qǐng)批評(píng)指正。緒論目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離大容量輸電和大區(qū)聯(lián)網(wǎng)兩方面已得到了十分廣泛的應(yīng)用。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(dòng)了高壓直流(HighVoltageDirectCircuitHVDC)輸電技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)中有的是對(duì)傳統(tǒng)HVDC輸電技術(shù)的改進(jìn)，有的是采用高級(jí)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。世界范圍內(nèi)，高壓直流輸電技術(shù)從上世紀(jì)50年代在電力系統(tǒng)中開(kāi)始應(yīng)用，1954年HVDC輸電首次商業(yè)性成功地應(yīng)用于瑞典大陸與哥特蘭島之間的輸電線路，這套系統(tǒng)采用汞弧閥，通過(guò)90公里的水下電纜供給20MW的功率，從此高壓直流輸電得到了穩(wěn)步發(fā)展。特別是隨著晶閘管閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電應(yīng)用越來(lái)越廣。到2000年世界上已有63項(xiàng)直流輸電工程成功投入運(yùn)行，與交流輸電相比，直流輸電具有非同步聯(lián)絡(luò)能力、無(wú)穩(wěn)態(tài)電容電流、線路輸送容量大、網(wǎng)損小、功率容易控制等優(yōu)點(diǎn)。目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)的直流線路，即扎伊爾的英加一沙巴工程(1700km)及電壓等級(jí)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(gè)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(zhǎng)的海纜(250km)HVDC工程(瑞典一德國(guó)的BALTIC工程)，目前，投入運(yùn)行的HVDC輸電工程主要分布在美國(guó)、加拿大、印度、日本等國(guó)家。在我國(guó)，HVDC輸電技術(shù)的發(fā)展，加速了區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程，自1987年自舟山直流輸電工程投入運(yùn)行以來(lái)，已有葛洲壩一南橋、天生橋一廣州、三峽一常州、三峽一廣東、貴州一廣東、嶸泅直流輸電、靈寶背靠背直流輸電工程相繼投入運(yùn)行、此外三峽一上海、貴州一廣東第二回等工程正在緊張建設(shè)之中，由于我國(guó)能源分布和電力消耗的地區(qū)分布不平衡，“西電東送”成為我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的重要舉措，今后我國(guó)的電網(wǎng)將主要分為三大塊，即北部電網(wǎng)(北通道)、中部電網(wǎng)(中通道)和南部電網(wǎng)(南通道)，而今后聯(lián)網(wǎng)主要采用高壓直流或高壓交流(HVAC）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，與HVAC輸電相比，HVDC輸電在遠(yuǎn)距離、大功率輸電方面更具有優(yōu)勢(shì)，如果采用直流高壓(UHVDC)技術(shù)，輸送容量還可以更大，能達(dá)到現(xiàn)有高壓交流輸送功率的6~8倍。同時(shí)，由于通過(guò)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(duì)送端而言，整流站相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個(gè)負(fù)荷，對(duì)受端而言，逆變站則相當(dāng)于交流系統(tǒng)的一個(gè)電源，互相之間的干擾和影響小，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單方便。1.2選題背景及意義隨著電力的需求日益增長(zhǎng)，高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路不斷的增加，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，交流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生了一些弊端，例如：交流輸電線路的走廊寬、造價(jià)高，系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性差等。提高交流電壓等級(jí)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（HighVoltageDirectCurrent，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(jià)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。我國(guó)的水能、煤炭等資源額分布極其不平衡，發(fā)電能源資源的分布和用電負(fù)荷的分布極不均衡，這決定了我國(guó)需要采用高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路進(jìn)行電力跨區(qū)域大規(guī)模輸送，采用HVDC輸電系統(tǒng)是解決這一問(wèn)題的有效途徑；HVDC輸電系統(tǒng)在輸送相同功率時(shí)，線路造價(jià)低，HVDC輸電系統(tǒng)不受穩(wěn)定極限的限制，如果以直流線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，由于直流線路沒(méi)有電抗，從而沒(méi)有穩(wěn)定極限問(wèn)題，使得直流輸電不受輸電距離的限制；HVDC輸電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送功率大小和方向的快速控制和調(diào)節(jié)，直流聯(lián)網(wǎng)的輸送功率可按規(guī)定和需求進(jìn)行控制，HVDC輸電系統(tǒng)通過(guò)控制晶閘管換流器可快速實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)；因此HVDC輸電系統(tǒng)在高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸電工程中得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。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。換相失敗就是HVDC輸電系統(tǒng)中比較突出的問(wèn)題，發(fā)生換相失敗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直流電流劇增、電壓下降、系統(tǒng)輸送功率減少等后果，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)換相失敗進(jìn)行研究，判斷引起高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的原因，保障HVDC系統(tǒng)運(yùn)行安全具有非常重要的意義。高壓直流(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)與交流輸電相比，具有線路投資較低、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?？蓪?shí)現(xiàn)大區(qū)域電網(wǎng)的異步互聯(lián)、可控程度高和線路充電功率較小等優(yōu)勢(shì)，是用于解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。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(zhǎng)，將會(huì)有越來(lái)越多的HVDC工程投運(yùn)。我國(guó)發(fā)電用水能和煤炭資源的分布與用電負(fù)荷的分布極不均衡，資源較豐富的多為西部地區(qū)，而負(fù)荷中心在東部沿海地區(qū)，決定了能源和電力跨區(qū)大規(guī)模流動(dòng)的必然性。由高壓直流輸電的特點(diǎn)可知，在我國(guó)發(fā)展HVDC輸電是解決電力跨區(qū)輸送較好的方法。從1987年首條直流輸電線路投運(yùn)至今，已有數(shù)十條線路相繼投產(chǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長(zhǎng)，還將會(huì)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(guò)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。二期的烏東德和白鶴灘水電站向華東、華中地區(qū)送電,錦屏水電站向華東地區(qū)送電，寧夏和關(guān)中煤電基地向華東地區(qū)送電，呼倫貝爾的煤電基地向京津地區(qū)送電大約需要9條輸電容量為6GW的800kV級(jí)特高壓直流輸電線路。隨著大量HVDC工程的投入使用，其運(yùn)行中的問(wèn)題也日益突現(xiàn)，其中的換相失敗就會(huì)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(jiàn)的故障之一。如果換相失敗后控制不當(dāng)，會(huì)引發(fā)連續(xù)換相失敗，最終導(dǎo)致直流功率中斷，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。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(duì)保障直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。1.3HVDC換相失敗研究現(xiàn)狀1.3.1HVDC現(xiàn)狀分析1928年，具有柵極控制功能的汞弧閥研制成功，這使得高壓直流輸電技術(shù)成為可能。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(zhǎng)距離、大容量輸電系統(tǒng)中，與此對(duì)應(yīng)的直流輸電工程包括美國(guó)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。1972年，將加拿大魁北克和新布輪茲維克非同步連接起來(lái)的伊爾河背靠背直流輸電工程首次全部采用了晶閘管閥，從此以后，新建的直流輸電工程都全部采用了晶閘管換流閥，直流輸電系統(tǒng)得到巨大發(fā)展。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(jí)達(dá)到了±800kV。進(jìn)入21世紀(jì)，傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)作為成熟的技術(shù)在包括中國(guó)、印度、馬來(lái)西亞、阿拉伯地區(qū)、澳洲等國(guó)家和地區(qū)得到快速發(fā)展。目前，HVDC因其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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。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(dòng)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始從事高壓直流輸電技術(shù)研究，60年代在中國(guó)電力科學(xué)研究院建成國(guó)內(nèi)第一個(gè)晶閘管閥模擬裝置，并與1977年改造成一條31kV直流輸電實(shí)驗(yàn)線路，供HVDC系統(tǒng)研究。從80年代末以來(lái)，我國(guó)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。在1989年投運(yùn)了±500kV葛南直流輸電工程，輸送功率達(dá)1200MW。隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，HVDC在中國(guó)有了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。中國(guó)規(guī)劃建設(shè)±800kV電壓等級(jí)高壓直流輸電系統(tǒng)，以將處于西部邊遠(yuǎn)地區(qū)的大規(guī)模水電經(jīng)濟(jì)地輸送到東部的負(fù)荷中心。目前已建成的±800kV云南—廣東特高壓直流輸電工程是我國(guó)第一條±800kV直流輸電線路，同時(shí)也是世界上第一條±800kV直流輸電工程；它始于云南省祿豐縣（楚雄換流站），落于廣東珠江三角洲東部的增城市（穗東換流站），架空線路為雙極設(shè)計(jì)，輸送容量為5000MW；云廣±800kV特高壓直流工程是落實(shí)國(guó)家“西電東送。能源戰(zhàn)略的特高壓直流示范工程；也是世界上第一個(gè)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的特高壓直流輸電工程，是國(guó)家“十一五建設(shè)的重點(diǎn)工程及特高壓直流輸電自主化示范工程；云廣±800kV特高壓直流輸電工程采用雙12脈動(dòng)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)。世界范圍內(nèi)，1882年德國(guó)建成第一條額定電壓等級(jí)1.5kV-2kV的高壓直流線路，雖然該工程由于功耗太大無(wú)實(shí)用價(jià)值，但它開(kāi)創(chuàng)了利用直流輸送電能的歷史，1954年第一條商業(yè)化運(yùn)作的高壓直流輸電線路成功應(yīng)用在瑞典大陸和哥特蘭島之間，該系統(tǒng)采用汞弧閥，額定輸送功率為20MW、線路為90km的水下電纜，1972年加拿大投產(chǎn)了伊爾河直流輸電工程，形成新布朗斯威克省到魁北克省之間的背靠背聯(lián)絡(luò)線，該系統(tǒng)首次采用晶閘管換流器，額定功率320MW，電壓等級(jí)為270kV，隨著晶閘管的制造水平的不斷提高和成本的不斷下降，HVDC工程的發(fā)展速度變得迅速，工程規(guī)模也越來(lái)越大。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(jí)超過(guò)400kV，最高電壓等級(jí)達(dá)800kv。目前，中國(guó)、美國(guó)、加拿大、巴西、新西蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、丹麥、意大利、挪威、瑞典、芬蘭、日本、印度、菲律賓、泰國(guó)、南非等國(guó)家都已建成或正在建設(shè)HVDC工程，還有不少國(guó)家也在規(guī)劃HVDC工程。HVDC在我國(guó)起步相對(duì)較晚，但發(fā)展很快。1987年底我國(guó)投運(yùn)了自行建成的舟山100kV海底電纜直流輸電工程，隨后葛洲壩-上海500kV!1200MW的大功率直流輸電投運(yùn)，大大促進(jìn)了我國(guó)HVDC水平的提高。2000年以后，我國(guó)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(jí)500kV，容量達(dá)3000MW的HVDC工程。2009年12月電壓等級(jí)800kV，輸送容量5000MW的云廣直流輸電工程成功實(shí)現(xiàn)單極投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)在世界電力領(lǐng)域成功邁上了一個(gè)重要的制高點(diǎn)。2009年12月26日，由我國(guó)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?800kV直流系統(tǒng)和直流線路成功升壓至800kV，這標(biāo)志著世界上輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)、電壓等級(jí)最高的HVDC工程全線帶電成功，此外,錦屏-華東800kV直流輸電工程也列入了十一五規(guī)劃中，隨著我國(guó)西電東送力度的加大和全國(guó)幾個(gè)大區(qū)域電網(wǎng)之間的互聯(lián)，將會(huì)有更多的直流輸電工程投入使用，預(yù)計(jì)到2020年左右，我國(guó)將建成世界上罕見(jiàn)的跨區(qū)域和遠(yuǎn)距離傳輸巨大功率的超高壓交、直流混合輸電系統(tǒng)，其運(yùn)行復(fù)雜性和難度在國(guó)際上也是少見(jiàn)的。1.3.2國(guó)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(guó)已得到了較廣泛的研究應(yīng)用。在高校中，浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)、華北電力大學(xué)等單位也開(kāi)展了卓有成效的研究工作，其中浙江大學(xué)開(kāi)展的最早也最深入。近年來(lái)我國(guó)在高壓直流輸電方面從事的重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目有：1、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；2、完善HVDC技術(shù)的研究手段，開(kāi)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(kāi)發(fā)接地極研究的相關(guān)軟件；3、直流新技術(shù)的研究。包括與HVDC相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)，如自動(dòng)可調(diào)交流濾波器與有源直流濾波器，戶外閥技術(shù)、串聯(lián)電容器的換流器技術(shù)(CCC)、深埋接地極技術(shù)及多端直流技術(shù)等以及HVDC先進(jìn)控制技術(shù)等方面的研究；4、輸電與聯(lián)網(wǎng)中的多直流落點(diǎn)問(wèn)題及其對(duì)策，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào)50277034(2003.01一2005.12);5、含多個(gè)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào)59707005(1998.01一2000.12);6、直流輸電系統(tǒng)的非線性控制及對(duì)交流輸電系統(tǒng)的緊急支援，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目即973項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào):G1998020310(1998.01一2003.12);7、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(1999.01一2001.12)等；近年來(lái)我國(guó)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748：1、向廣東送電1000萬(wàn)千瓦系統(tǒng)電氣計(jì)算穩(wěn)定水平校核，國(guó)家電力公司戰(zhàn)略規(guī)劃部委托項(xiàng)目，(2001.01一2001.06);2、溪落渡、向家壩水電站純直流輸電方案重大技術(shù)問(wèn)題研究，國(guó)家電力公司戰(zhàn)略規(guī)劃部委托項(xiàng)目，(2001.08一2001.12);3、三峽一廣東直流輸電工程直流系統(tǒng)對(duì)通信干擾的評(píng)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，(2001.01一2001.12);4、西電東送與全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中的重大技術(shù)問(wèn)題研究，中國(guó)電力咨詢集團(tuán)公司委托項(xiàng)目(2002.10一2003.06);5、三峽直流輸電對(duì)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(1998.01一1998.12)等；1.3.3HVDC換相失敗故障診斷現(xiàn)狀換相失?。–ommutationFailure）是HVDC系統(tǒng)中最常見(jiàn)的故障之一，對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)高壓直流輸電換相失敗故障診斷已有一些相關(guān)研究。HVDC輸電系統(tǒng)換相失敗的過(guò)程同時(shí)伴隨著直流電流和直流電壓的突變，僅僅通過(guò)時(shí)域或頻域分析方法難以識(shí)別出引發(fā)換相失敗的故障原因。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(hào)的暫態(tài)特征，在非平穩(wěn)信號(hào)的處理方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。采用小波分析方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算故障信號(hào)的小波能量來(lái)提取暫態(tài)故障特征，但該方法沒(méi)有充分利用小波能量的各個(gè)尺度下的信息，進(jìn)行換相失敗故障診斷時(shí)仍需要綜合考慮系統(tǒng)直流電流和交流電壓信號(hào)才能區(qū)分各種故障。采用小波奇異值分解來(lái)提取故障信號(hào)特征，采用支持向量機(jī)（SVM）對(duì)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(duì)故障診斷影響較大；此外，該故障診斷方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)只采集逆變側(cè)故障直流電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)換相失敗故障診斷，對(duì)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(hào)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。1.4本文所要做的工作本文深入分析了換相失敗發(fā)生機(jī)理，總結(jié)了現(xiàn)有換相失敗故障診斷經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)中發(fā)生的換相失敗故障的暫態(tài)過(guò)程，本論文進(jìn)行了重點(diǎn)、深入的研究。通過(guò)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。具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：介紹HVDC輸電系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點(diǎn)，分析HVDC輸電系統(tǒng)的換相過(guò)程，總結(jié)影響HVDC輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的各種相關(guān)原因。分析發(fā)生換相失敗的危害及其預(yù)防措施。搭建基于PSCAD/EMTDC的換相失敗仿真模型，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真軟件分析換相失敗發(fā)生過(guò)程。比較了各種故障方式下的高壓直流輸電換相失敗。具體為以下步驟：（1）在合理修正其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了HVDC輸電系統(tǒng)的詳細(xì)仿真模型，并采用PSCAD/EMTDC搭建了該仿真模型。（2）通過(guò)仿真對(duì)比驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性。在新建的HVDC系統(tǒng)中進(jìn)行仿真計(jì)算，比較分析了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與所建系統(tǒng)，從而驗(yàn)證了所建仿真模型的準(zhǔn)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(dòng)判據(jù)。針對(duì)以下多種故障類型，仿真計(jì)算了HVDC的換相失敗。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、單橋短路故障針對(duì)上述各種仿真結(jié)果，對(duì)HVDC的換相失敗展開(kāi)討論。高壓直流輸電基本原理2.1HVDC的構(gòu)成及特點(diǎn)2.1.1HVDC構(gòu)成HVDC系統(tǒng)基本原理如圖2-1所示，包括兩個(gè)換流站（整流站和逆變站）和直流輸電線路，換流站中主要裝有換流器，實(shí)現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。~~~換流變壓器1換流變壓器2Vd1Vd2整流器逆變器＋＋－－IdId交流電力交流電力系統(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)直流輸電系統(tǒng)圖2-1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。換流方式等。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。雙極接線方式有兩根不同極性的導(dǎo)線，可具有大地回路或者中性線回路，當(dāng)一極故障時(shí)，不影響其它極正常運(yùn)行。“背靠背。換流方式是將整流站和逆變站建在一起的直流輸電系統(tǒng)，該方式?jīng)]有直流輸電線路，適用于不同頻率或者相同額定頻率非同步運(yùn)行的兩個(gè)交流系統(tǒng)之間的互聯(lián)。換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心，換流站主要包括：換流橋、換流變壓器、平波電抗器、無(wú)功補(bǔ)償裝置、濾波器等；換流橋主要用于實(shí)現(xiàn)交流與直流的轉(zhuǎn)換，換流變壓器主要用于實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)之間的電壓變換、實(shí)現(xiàn)電絕緣與隔離等功能同時(shí)對(duì)交流系統(tǒng)入侵直流系統(tǒng)的過(guò)電壓起到一定的抑制作用，平波電抗器主要用于抑制直流過(guò)電流的上升速度，實(shí)現(xiàn)濾波、緩沖過(guò)電壓等功能，無(wú)功補(bǔ)償裝置主要用于提高無(wú)功功率、起到電壓調(diào)節(jié)及提高電壓穩(wěn)定性的作用。換流裝置是直流輸電系統(tǒng)的核心，一般由晶閘管組成，擔(dān)負(fù)著整流與逆變的功能；高壓直流輸電系統(tǒng)中對(duì)晶閘管元件有著嚴(yán)格的要求，要求晶閘管元件具有耐壓高、載流能力大等特點(diǎn)，為了節(jié)省占地空間，通常將若干個(gè)元件組成一個(gè)組件，組件中除了若干個(gè)串聯(lián)的可控硅元件外，還包括循環(huán)冷卻系統(tǒng)、散熱器、均勻阻尼電路、元件觸發(fā)控制電路等。換流變壓器的作用是聯(lián)系交流系統(tǒng)與質(zhì)量系統(tǒng)的紐帶，它利用兩側(cè)繞組的磁耦合來(lái)傳輸功率，實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的隔離與電絕緣，避免了交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地故障和直流系統(tǒng)的接地故障造成的元件損壞。高壓直流輸電系統(tǒng)的性能主要受到換流變壓器可靠性的影響，一旦換流變壓器出現(xiàn)故障，就需要很長(zhǎng)的停運(yùn)時(shí)間。平波電抗器可以在直流線路發(fā)生短路時(shí)有效抑制短路電流的上升速度，防止繼發(fā)性換相失敗的發(fā)生；平波電抗器在系統(tǒng)小電流時(shí)起到保持電流連續(xù)的作用，在正常運(yùn)行時(shí)可有效減少直流電流諧波；平波電抗器的選取原則為：減少直流側(cè)交流脈動(dòng)分量、小電流時(shí)保持電流的連續(xù)性、直流短路時(shí)抑制電流的上升速度。2.1.2HVDC輸電系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)1、HVDC輸電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)根據(jù)HVDC輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，在可比條件下哦其優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）HVDC輸電系統(tǒng)在輸送相同功率時(shí)，線路造價(jià)低，此外，HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)線路走廊、鐵塔高度和占地面積等方面均比交流輸電系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)，按同電壓500KV考慮，一條直流輸電線路的走廊為40米，一條500kv交流輸電線路的走廊約為50米，但是一條同電壓的直流輸電線路輸送容量約為交流輸電線路的2倍，直流輸電的線路走廊，其傳輸效率約為交流線路的2倍甚至更多一點(diǎn)；線路有功損耗小，在輸電損耗方面高壓直流輸電系統(tǒng)將比交流輸電系統(tǒng)少，同時(shí)，直流線路沒(méi)有感抗和容抗，因此線路上就沒(méi)有無(wú)功損耗；在電暈損耗方面，直流架空輸電線路平均電暈損耗比交流輸電系統(tǒng)少。（2）HVDC輸電系統(tǒng)不受穩(wěn)定極限的限制，如果以直流線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，由于直流線路沒(méi)有電抗，從而沒(méi)有穩(wěn)定極限問(wèn)題，使得直流輸電不受輸電距離的限制；高壓直流輸電系統(tǒng)本身具有調(diào)制功能，換流站采用的是快速可控的功率器件晶閘管，可方便、快捷、靈活、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)有功潮流的增減和雙向傳送，向交流系統(tǒng)提供功率，頻率及電壓支持。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)要求快速做出反應(yīng)，有利于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。此外，直流輸電系統(tǒng)與系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)相位等無(wú)關(guān)，因此可以采用直流輸電線路連接兩個(gè)頻率不同的交流輸電系統(tǒng)，也可以用來(lái)提高與直流輸電線路并聯(lián)運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）直流輸電的接入不會(huì)增加交流系統(tǒng)的短路容量，直流輸電系統(tǒng)不傳送短路功率，系統(tǒng)定電流控制可快速把短路電流限制在額定電流之內(nèi)，這種隔離作用是系統(tǒng)不會(huì)增減短路容量，從而避免更換更大容量的開(kāi)關(guān)設(shè)備；而交流輸電系統(tǒng)線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)容量的增加會(huì)增大系統(tǒng)短路電流，有可能超過(guò)原有的斷路器的短路容量，引發(fā)設(shè)備的更換。高壓直流輸電系統(tǒng)的定電流控制。措施可快速地把短路電流限制在額定電流之內(nèi)，即使在暫態(tài)過(guò)程中，其短路電流也不會(huì)超過(guò)額定電流的兩倍，高壓直流輸電系統(tǒng)的這種隔離作用，是的相互聯(lián)系的兩個(gè)交流系統(tǒng)都不會(huì)增大短路容量，從而避免了更換大容量的斷路器等開(kāi)關(guān)設(shè)備。（4）HVDC輸電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送功率大小和方向的快速控制和調(diào)節(jié)，通過(guò)直流聯(lián)網(wǎng)的輸送功率可以按規(guī)定和需求進(jìn)行控制，HVDC輸電系統(tǒng)通過(guò)控制晶閘管換流器可快速實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)；通過(guò)高壓直流輸電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)交流系統(tǒng)彼此隔離，因此一側(cè)交流系統(tǒng)故障對(duì)另一次交流系統(tǒng)的影響很小，從而可減少聯(lián)合大電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故的頻率，從而提大電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。（5）HVDC輸電系統(tǒng)可方便進(jìn)行分期建設(shè)及擴(kuò)建，有利于發(fā)揮投資效益。（6）線路故障時(shí)的自防護(hù)能力強(qiáng)，對(duì)于占線路故障80%~90%的單相（或單極）接地而言，直流輸電比之交流輸電具有響應(yīng)快、恢復(fù)時(shí)間短、不受穩(wěn)定制約、可通過(guò)多次自動(dòng)再啟動(dòng)和降壓運(yùn)行來(lái)消除故障并恢復(fù)正常運(yùn)行等多方面的優(yōu)點(diǎn)。2、HVDC輸電系統(tǒng)缺點(diǎn)HVDC輸電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)相比同樣也存在如下一些缺點(diǎn)和不足：（1）HVDC輸電系統(tǒng)換流站設(shè)備昂貴，換流站中的換流裝置包括高電壓、大電流可控硅元件，并附有電容器、電抗器、均壓電阻、冷卻裝置等設(shè)備，設(shè)備投資昂貴。（2）換流設(shè)備需要消耗大量無(wú)功功率，高壓直流輸電系統(tǒng)中整流器和逆變器需要消耗大量的無(wú)功功率，整流器和逆變器消耗的無(wú)功功率分別約為有功功率的30%~50%和40%~60%。（3）換流設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生大量的諧波污染，諧波污染會(huì)在直流側(cè)和交流側(cè)產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，使發(fā)電機(jī)和電容器組設(shè)備發(fā)熱、導(dǎo)致?lián)Q流器控制裝置工作不穩(wěn)定、造成通信系統(tǒng)干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為防止諧波污染需加裝濾波裝置。（4）換流設(shè)備過(guò)載能力小，高壓直流輸電系統(tǒng)中換流起的設(shè)計(jì)運(yùn)行持續(xù)過(guò)負(fù)載能力和短時(shí)過(guò)負(fù)載能力都較小，高壓直流輸電系統(tǒng)如果需要具備更大的過(guò)負(fù)載能力就必須在設(shè)備選型時(shí)預(yù)先考慮，從而會(huì)增大投資；（5）目前，高壓直流斷路器發(fā)展技術(shù)不夠成熟，限制了多端直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展；由于高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流不像交流電流那樣有過(guò)零點(diǎn)，因此高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流中直流電流比較難以熄弧，通常是采用閉鎖換流器的觸發(fā)控制脈沖，從而使電流降為零，起到開(kāi)關(guān)的功能，在多端輸電系統(tǒng)中不如交流輸電方便。（6）控制裝置復(fù)雜，雖然直流輸電系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和控制，但控制裝置復(fù)雜，需采用雙重化措施，以保證可靠性。（7）以大地或者海水作為回路時(shí)會(huì)對(duì)沿途的金屬構(gòu)件、金屬管道等產(chǎn)生腐蝕。HVDC輸電系統(tǒng)可靠性得到大力改善，換流站費(fèi)用逐步降低，換流技術(shù)日趨成熟，控制裝置的復(fù)雜性也逐步得到解決，這些都為HVDC輸電技術(shù)廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)提供了條件。高壓直流輸電系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)、海底電纜輸電系統(tǒng)、不同頻率的兩個(gè)交流系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)等場(chǎng)合。2.2高壓直流輸電原理與分類高壓直流輸電簡(jiǎn)單講就是利用換流站將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再以直流電的形式進(jìn)行傳輸?shù)囊环N電流傳輸方式。常用于海底電纜輸電，非同步運(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的連絡(luò)等方面。在遠(yuǎn)距離傳輸方面直流輸電比交流輸電具有更好的經(jīng)濟(jì)性。具體如圖2-1所示，工作原理：有交流電力系統(tǒng)I送出交流功率給整流站的交流木锨，經(jīng)換流變壓器1，送到整流器，把交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率，然后由直流線路把直流功率輸送給逆變站內(nèi)的逆變器，逆變器姜直流功率變換成交流功率，再經(jīng)換流變壓器2送入受端的交流電力系統(tǒng)Ⅱ。高壓直流輸電分兩大類：1、單極線路方式；A、單極線路方式；采用一根導(dǎo)線或電纜線，以大地或海水作為返回線路組成的直流輸電系統(tǒng)。B、單極兩線制線路方式；將返回線路用一根導(dǎo)線代替的單極線路方式。0。方案。2、雙極線路方式；雙極兩線中性點(diǎn)兩端接地方式；+V和-VB、雙極兩線中性點(diǎn)單端接地方式；故C、雙極中性點(diǎn)線方式；回路，D、“背靠背”（back-to-back）換流方式。分析線路故障和換相失敗的機(jī)理本章介紹了高壓直流系統(tǒng)中換流器的換相過(guò)程以及換相失敗故障，包括引起換相失敗故障的具體原因，隨后介紹了換流器的控制模式，為后面分析換相失敗故障對(duì)交流系統(tǒng)保護(hù)的影響打下基礎(chǔ)。3.1HVDC換相過(guò)程本節(jié)以6脈動(dòng)換流器為例來(lái)說(shuō)明整流器和逆變器的換相過(guò)程，6脈動(dòng)換流器接線如圖3-1所示。圖3-1脈動(dòng)換流器接線圖3-1中晶閘管換流閥有如下特：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?；換流閥的導(dǎo)通條件是正極對(duì)負(fù)極為正電壓且必須加觸發(fā)脈沖；換流閥控制極無(wú)關(guān)斷能力，只有當(dāng)流經(jīng)它的電流為零時(shí)才能關(guān)斷。3.1.1整流器不可控時(shí)的換相過(guò)程假設(shè)換相電抗，換流閥均不可控，換流閥通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流均忽略不計(jì),，，為工頻正弦電壓。C3C3C5C2C4C6圖3-2換相過(guò)程電壓波形圖圖3-2示出了換相過(guò)程電壓波形圖，圖中，在c1時(shí)刻后,a相電壓最高,換流閥V1、V3和V5中的閥V1導(dǎo)通，b相電壓最低，閥V6處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出的直流電壓為。到c2時(shí)刻，c相電壓最低，此時(shí)閥V2導(dǎo)通而V6截止，輸出電壓為。在c3時(shí)刻后，b相電壓最高，閥V1向V3換相，輸出電壓為。如此往復(fù)，換流器時(shí)刻都只有兩個(gè)閥導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間為工頻周期的1/3，阻斷2/3工頻周期。6脈動(dòng)整流器的理想空載直流電壓可用式(3-1)表示。(3-1)式(3-1)中，為閥側(cè)繞組空載線電壓有效值。3.1.2計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊的換相過(guò)程當(dāng)計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊時(shí)，換相過(guò)程電壓波形將如圖3-4所示：C3C5C3C5C2C4C6圖3-3計(jì)及觸發(fā)角和重疊角的換相電壓波形圖如圖3-3所示，當(dāng)換流閥可控時(shí)，在c1時(shí)刻后，閥V1并不會(huì)立刻導(dǎo)通，只有收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)才導(dǎo)通，假設(shè)觸發(fā)信號(hào)較c1晚角度才到來(lái)，此時(shí)閥V1才開(kāi)始導(dǎo)通，這一角度稱為觸發(fā)角。計(jì)及觸發(fā)角后,整流器的空載直流電壓將變?yōu)槭剑?-2）。（3-2）當(dāng)=時(shí)，換流閥不具備導(dǎo)通條件。計(jì)及換相電抗后，當(dāng)V1向V3換相時(shí)，由于電感的續(xù)流作用，即使觸發(fā)脈沖已經(jīng)到來(lái)，V1也不會(huì)立即截止，這時(shí)V1和V3將同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，持續(xù)一定角度后，V1截止V3導(dǎo)通，換相過(guò)程結(jié)束，其余閥換相過(guò)程類似。這一角度稱為換相角，是換流器運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù)。此時(shí)換流器輸出的直流電壓由式(3-3)表示。(3-3)式(3-3)中，。換相角可用式（3-4）表示。=（3-4）如果不計(jì)換相角當(dāng)時(shí)，將反號(hào)，整流器輸出功率，可作為逆變器運(yùn)行。計(jì)及換相角后，輸出的直流電壓如式(3-5)所示。（3-5）（3-6）于是有，（3-7）式（3-7）中，。當(dāng)存在一個(gè)觸發(fā)角使得=0。如果觸發(fā)角值超過(guò)，,就會(huì)由整流過(guò)程向逆變過(guò)程轉(zhuǎn)變。由于閥的單向?qū)щ娦?換流器中的電流不可能反向。Ud的反向即導(dǎo)致功率反向，因此對(duì)于逆變側(cè)來(lái)說(shuō)，其必須有交流電壓支持逆變器換相。逆變器的直流電壓和它的電流方向相反，叫做反壓或背壓，就像直流電機(jī)那樣。對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō),其觸發(fā)角，稱為觸發(fā)超前角。還規(guī)定從閥關(guān)斷到閥上電壓由負(fù)變正的過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間用表示，它稱為逆變器的關(guān)斷角。3.2.1超前角過(guò)小，換相未結(jié)束即出現(xiàn)換相失敗的情況以圖3-1電路為例，分析閥1向閥3換相失敗的過(guò)程，如圖3-4所示。圖3-4中，i1和i3分別為閥1和閥3中的電流，是換相電流曲線，。閥1向閥3換相的時(shí)候，當(dāng)閥3被觸發(fā)導(dǎo)通以后換相開(kāi)始。因?yàn)楦哂?，所以通過(guò)閥1的電流減少，通過(guò)閥3的電流增加。在改變方向前（即時(shí)刻），閥1的電流在未能減少到零，所以不能完成關(guān)斷。當(dāng)過(guò)零點(diǎn)之后，閥1的電流將會(huì)增加，此時(shí)閥3向閥1倒換相，閥3電流將會(huì)減小，最終為零，因而閥3關(guān)斷。而閥1將會(huì)繼續(xù)開(kāi)通，這樣就會(huì)造成換相失敗，又稱為一次換相失敗。然而閥4開(kāi)始導(dǎo)通，因?yàn)殚y1依然導(dǎo)通，故形成a相的上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，致使逆變器的直流側(cè)發(fā)生短路。到閥5觸發(fā)時(shí)，因?yàn)殚y5兩端承受反向電壓，因此閥5不能導(dǎo)通。只有當(dāng)閥4向閥6換相后，直流電路才消失，逆變器直流電壓開(kāi)始恢復(fù)正常。 i1 i1 i3 i3 圖3-4換相失敗示意圖（閥1對(duì)閥3換相失?。┰谏鲜龅囊淮螕Q相失敗過(guò)程中，閥1導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)周波(是正常運(yùn)行情況的三倍)。在閥1和閥4同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間里(即)，逆變器直流電壓持續(xù)為零，所以直流系統(tǒng)無(wú)功率送出。由于整流器閥在電流關(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，所以僅當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)，整流器才會(huì)發(fā)生換相失敗。直流輸電系統(tǒng)中大部分換相失敗都發(fā)生在逆變器，換相失敗是逆變器最常見(jiàn)的故障。3.2.2超前角偏小，換相結(jié)束后出現(xiàn)換相失敗的情況在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，以閥1對(duì)閥3的換相過(guò)程為例，如果閥3觸發(fā)時(shí)刻觸發(fā)超前角不夠大，或者換相角較大，以致?lián)Q相結(jié)束后閥1的關(guān)斷角小于關(guān)斷所需要的角度(時(shí)間)，則由于閥1元件內(nèi)還有剩余載流子，因此在正向電壓作用下即使不加觸發(fā)也會(huì)重新開(kāi)通，閥3已取得的電流又將倒換相到閥1。到A時(shí)刻，倒換相結(jié)束，閥3關(guān)斷。倒換相結(jié)束后逆變橋仍有閥1,閥2導(dǎo)通著。如果沒(méi)有故障控制，仍按原來(lái)次序觸發(fā)的話，則在P4時(shí)刻閥2和閥4開(kāi)始換相，這時(shí)由于閥1和閥4同時(shí)導(dǎo)通，造成了直流側(cè)短路。在C1~C2間隔內(nèi)，閥5承受反向電壓，因此觸發(fā)不能使其導(dǎo)通，閥1仍導(dǎo)通。當(dāng)閥4換相到閥6以后，直流短路消失，逆變器直流電壓開(kāi)始逐漸恢復(fù)正常。如果閥1和閥3再次換相時(shí)不再次發(fā)生換相失敗的故障，就能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。故障過(guò)程中逆變器反電壓下降歷時(shí)大約，上述過(guò)程為一次換相失敗。在上面的分析中假定直流電抗器的電感值非常大，所以故障過(guò)程中逆變器直流電流保持不變。實(shí)際上，由于直流電抗器的電感為有限值，線路上存在電容，整流器定電流調(diào)節(jié)裝置有延時(shí)等原因，直流電流有個(gè)增大的過(guò)程。由上述分析可知，一次換相失敗以后，流經(jīng)逆變器的直流電流必將增加，因而有可能造成兩次連續(xù)的換相失敗。下面將對(duì)連續(xù)換相失敗的過(guò)程進(jìn)行分析。例如在閥3換相失敗后，接著又發(fā)生閥2對(duì)閥4的換相失敗，那么在閥4向閥2倒換相完成后，直流電流流經(jīng)閥1，閥2，和變壓器a,c兩相繞組。在前半個(gè)周期中，變壓器線電壓e.l。與整流器提供的直流電壓同向，所以在直流回路和變壓器繞組中，故障電流都很快的增大。在B-C4時(shí)間間隔內(nèi)，逆變器的直流電壓反向約，在這過(guò)程中，即使分別對(duì)閥5，閥6發(fā)出觸發(fā)脈沖，但由于這兩個(gè)閥都處在反向電壓作用下，所以都不能開(kāi)通，而閥1和閥2則靠直流電抗器的作用一直開(kāi)通著。過(guò)C4點(diǎn)以后才逐步恢復(fù)正常。如果在下一個(gè)周期中閥3和閥4不再發(fā)生換相失敗，則將自行恢復(fù)正常運(yùn)行。這種故障稱為兩次連續(xù)換相失敗。在兩次連續(xù)換相失敗中，除了有較大的故障電流外，由于閥1和閥2連續(xù)導(dǎo)通長(zhǎng)達(dá)基波的一個(gè)周期左右，直流電流流經(jīng)換流變壓器，將造成換流變壓器的直流偏磁。此外，由于交流電壓被加到直流回路上，有可能在線路電容與電感元件之間造成基波頻率的諧振過(guò)電壓。在閥3換相失敗以后，雖然閥4與閥2換相成功，但是由于故障期中，直流電流增大有一個(gè)過(guò)程，閥6與閥4的換相有可能會(huì)失敗。這種故障稱為兩次不連續(xù)換相失敗。高壓直流輸電系統(tǒng)包括換流器、直流輸電線路和換流站的交流部分，其中任何一部分發(fā)生故障，都會(huì)影響整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行，換相失敗是逆變器最常見(jiàn)的故障，在每一個(gè)單橋中，當(dāng)處于同一半橋中的兩個(gè)橋臂之間的換相結(jié)束后，剛退出運(yùn)行的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)正向阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過(guò)程一直未能進(jìn)行完畢，在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)，該閥將會(huì)不觸發(fā)而再次導(dǎo)通，與剛觸發(fā)導(dǎo)通的閥發(fā)生反換相，這個(gè)過(guò)程就是換相失敗。換相失敗使得逆變器在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生直流反電壓降低,直流電流增大，由于整流器閥在電流關(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，所以僅當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)，整流器才會(huì)發(fā)生換相失敗，直流輸電系統(tǒng)中大部分換相失敗都發(fā)生在逆變器，換相失敗是逆變器最常見(jiàn)的故障，因此,本文著重研究逆變器的換相失敗。換相失敗是發(fā)生在HVDC逆變側(cè)最常見(jiàn)的一種故障，在換流器中兩個(gè)換流閥換相結(jié)束后，剛退出運(yùn)行的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，未能恢復(fù)阻斷能力，在閥電壓變?yōu)檎龝r(shí)，該閥在沒(méi)有觸發(fā)脈沖的情況下，也會(huì)重新導(dǎo)通，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。換相失敗的根本原因是關(guān)斷角過(guò)小引起的，它與其它因素之間的關(guān)系表為：（3-8）由式（3-8）可見(jiàn)，角決定于和角。其中換相角決定于多個(gè)因素，可表示為：（3-9）式(2-9)中，為直流電流；為換相電抗；為逆變站閥側(cè)的交流線電壓的有效值；為觸發(fā)超前角。于是有，（3-10）式(3-10)中參數(shù)意義與式(3-9)中的相同，式(3-10)只適用于交流電壓是對(duì)稱的。當(dāng)用交流母線線電壓的有效值來(lái)表示式(2-10)時(shí)，設(shè)換流變壓器的變比為k，則式(3-10)變?yōu)椋海?-11）當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障，此時(shí)換相電壓不再對(duì)稱，設(shè)換相線電壓過(guò)零點(diǎn)前移角度為時(shí)，關(guān)斷角的計(jì)算公式變?yōu)椋海?-12）式(3-12)中其它參數(shù)意義與式(3-9)中的相同。換相失敗的原因不是因?yàn)殚y的任何誤操作，而是因?yàn)殚y的外電路條件引起的，由上式(3-9)、式(3-10)、式(3-11)和式(3-12)可以看出，引起換相失敗的原因主要有;(1)關(guān)斷角過(guò)??；(2)受端交流電壓下降較多；(3)直流電流增大；(4)觸發(fā)超前角過(guò)??；(5)交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障引起的線電壓過(guò)零點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)；(6)交流系統(tǒng)的頻譜特性。換相失敗具有以下特點(diǎn)：1)換相的兩個(gè)閥發(fā)生倒換相,倒換相之后使己經(jīng)退出導(dǎo)通的閥又導(dǎo)通；2)在一次換相失敗中,使得接在交流同一相上的一對(duì)閥同時(shí)導(dǎo)通形成了直流短路；3)在兩次連續(xù)換相失敗故障中,將有工頻交流電壓加到直流線路上。使直流諧波加劇，同時(shí)使直流短路電流上升更多。造成換相失敗的原因是換流閥運(yùn)行的關(guān)斷角小于其固有極限關(guān)斷角，與換相失敗相關(guān)的因素主要有：換流母線電壓、換流變壓器變比、直流電流、換相電抗、超前觸發(fā)角、不對(duì)稱故障時(shí)換相線電壓的過(guò)零點(diǎn)相位移、換流閥的觸發(fā)脈沖控制方式、交流系統(tǒng)的頻譜特性等。換流母線電壓的下降、超前觸發(fā)角的減小以及直流電流和換相電抗的增大都會(huì)使關(guān)斷角減小，容易導(dǎo)致?lián)Q相失??；通過(guò)調(diào)整換流變壓器分接頭可以避免靜態(tài)時(shí)關(guān)斷角過(guò)小，使逆變器的關(guān)斷角保持在一定的范圍內(nèi)，從而減少換相失敗的發(fā)生機(jī)會(huì)；當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，交流線電壓的過(guò)零點(diǎn)將會(huì)移動(dòng)，當(dāng)過(guò)零點(diǎn)前移時(shí)，關(guān)斷角會(huì)變小，容易發(fā)生換相失??；等間隔觸發(fā)脈沖控制方式不直接依賴于同步電壓，能獨(dú)立地產(chǎn)生等相位間隔觸發(fā)信號(hào)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與分相觸發(fā)脈沖控制方式相比，它能減少換相失敗的發(fā)生；交流系統(tǒng)的頻譜影響故障后換相電壓的波形，從而影響逆變器的換相。3.4.2換相失敗的危害一次換相失敗對(duì)HVDC系統(tǒng)影響不大，且在大多情況下是可以自愈的，但當(dāng)發(fā)生兩次甚至連續(xù)換相失敗時(shí)，將對(duì)HVDC產(chǎn)生很大的影響，具體表現(xiàn)為以下幾方面：(1)兩次不連續(xù)的換相失敗會(huì)延長(zhǎng)直流短路時(shí)間，使HVDC系統(tǒng)受到更大的擾動(dòng)，兩次連續(xù)的換相失敗會(huì)把工頻交流引入到直流回路中，并將在直流回路中引起自由振蕩，可能會(huì)在直流系統(tǒng)中引起諧振過(guò)電壓；(2)連續(xù)換相失敗將使HVDC系統(tǒng)將停運(yùn)，直到故障切除，由于直流輸電功率都較大，它的切除將可能影響交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；(3)發(fā)生換相失敗后，對(duì)應(yīng)閥的導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，影響換流閥和其他設(shè)備的運(yùn)行壽命，甚至?xí)p壞換流閥和設(shè)備；(4)換相失敗期間，逆變側(cè)交流電流中存在直流分量，將造成換流變壓器的直流偏磁，引起變壓器空載損耗增加，甚至引起嚴(yán)重的零序諧波使斷路器誤跳閘；(5)換相失敗會(huì)造成直流電流上升，整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器增大觸發(fā)角以限制直流電流，此時(shí)整流器所需的無(wú)功功率將增大，會(huì)導(dǎo)致整流側(cè)換相電壓下降。而在逆變側(cè)，直流功率將降為零，逆變器所需無(wú)功功率也變?yōu)榱?，多余的無(wú)功功率流入交流系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)的弱交流系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓；(6)在交流系統(tǒng)故障期間，HVDC系統(tǒng)應(yīng)該輸送盡可能多的功率，且在交流故障切除后使直流功率盡快恢復(fù)，以緩解交流系統(tǒng)功率的不平衡，而換相失敗是導(dǎo)致直流功率不能快速恢復(fù)的主要原因，因?yàn)檫^(guò)快的直流功率恢復(fù)可能造成后繼的換相失敗和交流系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)；(7)換相失敗還會(huì)影響直流系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)，后果嚴(yán)重。3.5換相失敗的預(yù)防與控制措施換相失敗是直流系統(tǒng)逆變側(cè)最常見(jiàn)的故障，不過(guò)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中采取適當(dāng)?shù)拇胧行Q相失敗是可以預(yù)防的具體措施如下：(1)維持換相電壓穩(wěn)定，采用無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)直流系統(tǒng)尤其是聯(lián)于弱交流系統(tǒng)的直流系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，增大系統(tǒng)有效短路比，可以降低系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)反應(yīng)的靈敏度，維持電壓的穩(wěn)定，不同的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備性能不同，換流站無(wú)功補(bǔ)償裝置的配置應(yīng)根據(jù)交流系統(tǒng)情況適當(dāng)選擇；(2)限制暫態(tài)直流電流的上升速度，暫態(tài)直流電流的驟增容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗，當(dāng)逆變器發(fā)生換相失敗，逆變側(cè)的直流電壓為零時(shí)，相當(dāng)于直流線路末端短路，造成直流電流上升，若直流電流上升較快，容易造成繼發(fā)性換相失敗，采用較大的平波電抗器可以限制暫態(tài)的直流電流，為抑制線路電容的放電電流，逆變側(cè)平波電抗器的電感通常比整流側(cè)的大些；降低換流變壓器的短路電抗，換流變壓器短路電抗的降低可以減小換相電抗，從而使換相時(shí)的關(guān)斷角變大，減小換相失敗的發(fā)生，換流變壓器的短路阻抗是換相阻抗的一部分，當(dāng)換流器換相失敗時(shí)，換流變壓器副邊短路，此時(shí)故障電流主要是由變壓器短路阻抗限制，如果換流變壓器的短路阻抗過(guò)小，故障電流很大，這對(duì)換流變壓器和換流器是很不利的，因此換流變壓器短路阻抗也不宜過(guò)小，一般在15%左右；(4)采取適當(dāng)?shù)目刂品绞?，一般有兩種控制方式：一種是換流器等間隔觸發(fā)脈沖控制方式，它不直接依賴同步電壓，能獨(dú)立地產(chǎn)生等相位間隔觸發(fā)信號(hào)，使得系統(tǒng)在逆變器交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)仍有較強(qiáng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，減少逆變器換相失敗的可能性；一種是逆變器實(shí)測(cè)式定關(guān)斷角控制方式，它將實(shí)際測(cè)定的各閥關(guān)斷角與關(guān)斷角整定值進(jìn)行比較，如果某個(gè)閥的關(guān)斷角小于關(guān)斷角整定值，立即將下一個(gè)閥的觸發(fā)角增大，使逆變器運(yùn)行在恒定關(guān)斷角以維持足夠的換相裕度，以減少換相失敗的概率；(5)改善交流系統(tǒng)的頻譜特性。逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后發(fā)生換相電壓的波形與交流系統(tǒng)的頻譜密切相關(guān)，通過(guò)改變交流系統(tǒng)的頻譜特性，使故障后換相電壓的波形含有高頻振蕩成分，則換相過(guò)程的電壓時(shí)間面積增加，有利于逆變器換相成功；(6)采用人工換相。傳統(tǒng)的依賴于交流系統(tǒng)的電壓換相，稱為自然換相。為了換相成功，自然換相的觸發(fā)角只能在之間，而人工換相則可以使換流器在周期內(nèi)的任意期望點(diǎn)換相。人工換相的基本原理是利用附加的接線和設(shè)備把一定波形的附加電壓迭加到原有的正弦換相電壓上，雖然逆變器仍運(yùn)行在，但當(dāng)閥退出導(dǎo)通之后，能有足夠的時(shí)間處于反向電壓作用下，以保證阻斷能力的恢復(fù)，減少換相失敗發(fā)生的概率。人工換相主要有三種方法：利用輔助閥的人工換相；利用迭加諧波電壓的單步人工換相和采用電容換相換流器的人工換相。3.6本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)換相失敗機(jī)理的分析，得到了導(dǎo)致?lián)Q相失敗的原因，包括關(guān)斷角過(guò)小、逆變側(cè)交流線電壓下降較多、直流電流突然增大、觸發(fā)超前角過(guò)小和交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障引起的線電壓過(guò)零點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)等。一次換相失敗通常是能自愈的，連續(xù)換相失敗則會(huì)對(duì)換流閥和其它設(shè)備產(chǎn)生不好的影響，甚至損壞設(shè)備，威脅整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。雖然換相失敗是直流系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，但它是可以預(yù)防和控制的，采取措施維持換相電壓穩(wěn)定、限制暫態(tài)直流電流的上升速度、降低換流變壓器的短路電抗、改善交流系統(tǒng)的頻譜特性和采取適當(dāng)?shù)目刂品绞揭约安捎萌斯Q相都能減少換相失敗發(fā)生的幾率。第四章小波分析基本原理小波分析在提取非平穩(wěn)信號(hào)的特征時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在提取過(guò)程中小波基和分解層數(shù)的選擇會(huì)對(duì)分析產(chǎn)生負(fù)面影響，使用中還需結(jié)合其它技術(shù)對(duì)故障特征進(jìn)行量化。奇異值分解提取信號(hào)故障特征時(shí)可以直接用奇異值量化故障特征，有利于故障的識(shí)別，但奇異值分解的求解過(guò)程對(duì)矩陣維數(shù)有較大的依賴性。本章提出了小波-奇異值分解提取信號(hào)特征的技術(shù)，它克服了小波分析對(duì)小波基和分解層數(shù)的依賴性。應(yīng)用小波-奇異值量化換相失敗故障電流信號(hào)的特征后，建立了基于小波-奇異值和SVM的換相失敗診斷模型。傅立葉分析是把信號(hào)分解到一組相互正交的正弦波上的，也就是基函數(shù)，我們可以把基函數(shù)看成是度量信號(hào)某些特征的一把尺子，傅立葉分析度量的就是信號(hào)的頻譜特性，但由于正弦波這把尺子過(guò)于規(guī)則，有時(shí)候不能十分精確地表達(dá)信號(hào)蘊(yùn)含的信息，而在小波分析中，尺子換成了規(guī)則程度更低的小波函數(shù)，更能有效地表達(dá)信號(hào)中的信息成分，小波也由此而得名。Morlet等人提出小波變換，用速降的振蕩函數(shù)的平移和伸縮代替窗口函數(shù)，這里稱為母小波或基本小波，稱為分析小波或連續(xù)小波，可由按式（4-1）生成。（4-1）式(4-1)中,其中a為伸縮系數(shù)，b為平移系數(shù)。將任意空間中的函數(shù)在小波基下進(jìn)行展開(kāi)，該函數(shù)的連續(xù)小波變換可表示為：（4-2）式(4-2)中，稱為小波變換系數(shù)，基本小波須滿足如下允許性條件：（4-3）式（4-3)中，為的傅立葉變換。由式(3-2)可見(jiàn)，小波系數(shù)是尺度a和位置b的函數(shù)，蘊(yùn)含著各個(gè)尺度和位置上的信息，有利于信號(hào)特征的提取。信號(hào)f(t)在某一尺度a、位置b上的小波變換系數(shù)，實(shí)質(zhì)上表征的是在b位置處，時(shí)間段上經(jīng)過(guò)中心頻率為帶寬為的帶通濾波器的頻率分量大小。隨著尺度的變化,帶通濾波器的中心頻率及帶寬都發(fā)生變化。當(dāng)分析低頻信號(hào)時(shí)，其時(shí)間窗增大，濾波中心頻率和帶寬減??；而分析高頻信號(hào)時(shí)，其時(shí)間窗減小，濾波中心和帶寬增大。這正好符合實(shí)際問(wèn)題中高頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，低頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的自然規(guī)律，可以很好地反應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻特性，對(duì)分析非平穩(wěn)信號(hào)非常有利。一維連續(xù)小波變換的逆變換為：（4-4）其中為式(4-3)中定義的允許性條件。對(duì)于連續(xù)小波分析來(lái)說(shuō)，尺度a、時(shí)間t和位置b都是連續(xù)的，而實(shí)際采集到的信號(hào)都是離散的，必須對(duì)其進(jìn)行離散小波分析。所謂離散小波分析是指對(duì)尺度和位置進(jìn)行離散化，而不是通常意義上的時(shí)間離散化。通常，尺度a和位置b選擇冪級(jí)數(shù)的形式，即為了方便起見(jiàn),總是假定，對(duì)應(yīng)的離散小波為：（4-5）信號(hào)的離散小波變換系數(shù)為：（4-6）信號(hào)重構(gòu)可由式(4-7)表示。（4-7）實(shí)際應(yīng)用中通常取，即相當(dāng)于連續(xù)小波只在尺度上進(jìn)行了二進(jìn)制離散,而位移仍連續(xù)變化，這類小波稱為二進(jìn)小波,表示為：（4-8）二進(jìn)小波介于連續(xù)小波與離散小波之間，它仍具有連續(xù)小波變換的時(shí)移共變性，這是它特有的優(yōu)點(diǎn)。存在函數(shù)，如果函數(shù)族滿足條件式(4-9)，則稱是正交小波，其中的定義見(jiàn)式(4-10)，并稱之為Kronecker函數(shù)。這時(shí)，對(duì)任何函數(shù)或信號(hào)，可得式(4-11)所示的小波級(jí)數(shù)展開(kāi)式，其中的系數(shù)，由式(4-12)給出，稱為小波系數(shù)。（4-9）（4-10）（4-11）（4-12）4.3、多分辨率分析1988年Mallat在構(gòu)造正交小波時(shí)提出了多分辨分析概念，從函數(shù)分析的角度給出了正交小波的數(shù)學(xué)解釋，在空間的概念上形象地說(shuō)明了小波的多分辨率特性。形象一點(diǎn)說(shuō)，多分辨分析就是要構(gòu)造一組函數(shù)空間，每組空間的構(gòu)成都有一個(gè)統(tǒng)一的形式，而所有空間的閉包則逼近。在每個(gè)空間中，所有的函數(shù)都構(gòu)成該空間的標(biāo)準(zhǔn)化正交基。那么，如果對(duì)信號(hào)在這類空間上進(jìn)行分解，就可以得到相互正交的時(shí)頻特性。而且由于空間數(shù)目是無(wú)限可數(shù)的，可以很方便地分析我們所關(guān)心的信號(hào)的某些特性。以下簡(jiǎn)要介紹一下多分辨分析的理論。定義：空間中的多分辨分析是指滿足如下性質(zhì)的一個(gè)空間序列；(1)單調(diào)一致性：，對(duì)任意，(2)漸進(jìn)完全性：，，(3)伸縮完全性：，（4）平移不變性：，（5）Riesz基存在性：存在，使得構(gòu)成的的Riesz基。關(guān)于Riesz基的具體說(shuō)明如下：若是的Riesz基，則存在常數(shù)A，B，且使得：（4-13）對(duì)所有雙無(wú)限可平方和序列，即（4-14）成立。滿足上述條件的函數(shù)空間集合成為一個(gè)多分辨分析，如果生成一個(gè)多分辨分析，那么稱為一個(gè)尺度函數(shù)。若是的Riesz基，那么存在一種方法可以把轉(zhuǎn)化為的標(biāo)準(zhǔn)化正交基。這樣，我們只要能找到構(gòu)成多分辨分析的尺度函數(shù)，就可以構(gòu)造出一組正交小波。多分辨分析構(gòu)造了一組函數(shù)空間，這組空間是相互嵌套的，即(4-15)相鄰的兩個(gè)函數(shù)空間的差就定義了一個(gè)由小波函數(shù)構(gòu)成的空間，即（4-16）對(duì)，所以對(duì)，都有，也就是說(shuō)可以展開(kāi)成上的標(biāo)準(zhǔn)化正交基，由于，那么就可以展開(kāi)成（4-17）這就是著名的雙尺度差分方程，雙尺度差分方程奠定了正交小波變換的理論基礎(chǔ)，對(duì)于任何尺度的，它在j+1尺度正交基上的展開(kāi)系數(shù)是一定的，為我們提供了一個(gè)很好的構(gòu)造多分辨分析的方法。4.4小波分析提取故障特征利用小波分析信號(hào)的奇異性位置及奇異性大小，需要引入小波變換極大值點(diǎn)同信號(hào)突變點(diǎn)之間的關(guān)系。在某一尺度下,如果存在一點(diǎn)使得（4-18）則稱點(diǎn)是局部極值點(diǎn)，且在上有一過(guò)零點(diǎn)。如果對(duì)的某一領(lǐng)域內(nèi)的任意點(diǎn)b，有（4-19）則稱為小波變換的模極大值點(diǎn)。尺度空間中所有的模極大值點(diǎn)的連線稱為極大值線。函數(shù)在某一點(diǎn)奇異，那么在該點(diǎn)的小波變換與該點(diǎn)的李氏指數(shù)存在內(nèi)在的聯(lián)系。Mallat證明了以下結(jié)論，如果函數(shù)在區(qū)間的小波變換滿足式(4-20)，則在區(qū)間具有一致的李氏指數(shù)，式中K是一個(gè)與小波有關(guān)的常數(shù)。于是可知，當(dāng)李氏指數(shù)>0時(shí)，小波變換的模極大值將隨尺度的增大而增大；當(dāng)<0時(shí)，小波變換的模極大值隨尺度的增大而減??；當(dāng)=0時(shí)，則小波變換的模極大值與尺度無(wú)關(guān)。（4-20）一般來(lái)講，函數(shù)在某一點(diǎn)的Lipschitz指數(shù)表征了該點(diǎn)的奇異性大小，越大，該點(diǎn)的光滑度越高；越小，該點(diǎn)的奇異性越大。當(dāng)小波函數(shù)可看作平滑函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)時(shí)，信號(hào)小波變換模的局部極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于信號(hào)的突變點(diǎn)(或邊緣)；當(dāng)小波函數(shù)可看作某一平滑函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)時(shí)，信號(hào)小波變換模的過(guò)零點(diǎn)，也對(duì)應(yīng)于信號(hào)的突變點(diǎn)(或邊緣)。因此，采用檢測(cè)小波變換系數(shù)模的過(guò)零點(diǎn)和局部極值點(diǎn)的方法可以檢測(cè)信號(hào)的邊緣位置。比較來(lái)說(shuō)，用局部極值點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)更具有優(yōu)越性。如圖4-1所示.有小波分析最后一層細(xì)節(jié)系數(shù)可以清楚看出信號(hào)的突變點(diǎn)，這一特點(diǎn)可以用來(lái)確定故障發(fā)生時(shí)刻。小波分析僅僅給我們一個(gè)感官判斷依據(jù),并沒(méi)有對(duì)故障特征進(jìn)行量化，不利于故障診斷。因此，出現(xiàn)了很多用小波系數(shù)來(lái)量化故障特征的研究，比較成功的是用小波能量統(tǒng)計(jì)。將小波分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合，充分發(fā)揮二者優(yōu)點(diǎn)，既能達(dá)到信息融合的目的，又能更為有效地分析突變信號(hào)。不同信號(hào)在時(shí)頻分布上的差異表現(xiàn)為不同頻段的能量分布的差異。線路故障和換相失敗的小波分析對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)(HVDC)故障'快速準(zhǔn)確的診斷是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素.只有正確診斷出故障的類型和原因，才能迅速制定相應(yīng)的控制保護(hù)策略，以減少故障對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響.換相失敗是HVDC系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障之一，它將導(dǎo)致直流電壓下降和直流電流增大，連續(xù)的換相失敗故障將影響換流設(shè)備的正常運(yùn)行，造成直流功率傳輸中斷，嚴(yán)重威脅整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。換相電壓幅值下降和相角前移是引發(fā)逆變器換失敗的主要原因。逆變器內(nèi)部觸發(fā)電路的故，如脈沖延遲、脈沖丟失、誤觸發(fā)等也會(huì)引起換相敗。與直流線路發(fā)生短路故障的暫態(tài)過(guò)程相似，換失敗的過(guò)程也伴隨著直流電壓和電流的突變，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)域或頻域分析方法難以對(duì)這些故障行辨識(shí)。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)用于辨不同類型的換相失敗如單次換相失敗、連續(xù)換相敗、多次換相失敗等，但該方法是針對(duì)逆變器中單問(wèn)提出的，整個(gè)故障診斷系統(tǒng)基于多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配合和大量樣本的訓(xùn)練，難以在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)。小波變換是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支?；谛〔ㄗ儞Q的故障診斷方法能有效地檢測(cè)到非平穩(wěn)信號(hào)的瞬時(shí)、奇異成分，可用于在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此小波變換在電力系統(tǒng)暫態(tài)信號(hào)檢測(cè)與分類、濾波與去噪、諧波分析、繼電保護(hù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。將小波技術(shù)引人HVDC系統(tǒng)的故障診斷研究，通過(guò)對(duì)故障信號(hào)的小波變換，提取各小波層的系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，從而判斷故障的類型.但逆變側(cè)交流母線的短路故障往往會(huì)造成逆變器換向電壓下降e..U，只有當(dāng)e..U大于某個(gè)值時(shí)，直流系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生換相失敗故障。所以在研究時(shí)不應(yīng)簡(jiǎn)單地將這兩種故障分別討論，而應(yīng)該綜合考慮兩者之間的關(guān)系。本文中研究了HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗和直線路短路故障的動(dòng)態(tài)行為，利用多尺度小波變換時(shí)域頻域都具有表征信號(hào)局部特