直流輸電整流器閥故障特征研究

孫福成 周 力

(丹東供電公司，遼寧丹東 118000)

0 引言

自從1954年，世界上第一個直流輸電工程(瑞典本土至Gotland島的20 MW，100 kV，95 km的海底直流電纜輸電工程)投入運(yùn)營，直流輸電技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)行已有五十多年的歷史[1]。隨著能源開發(fā)、電能傳輸以及電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，采用直流輸電的必要性與日俱增。同時，由于高壓直流輸電自身所具有的巨大優(yōu)勢[1-3]，高壓直流輸電在我國得到了飛速發(fā)展。

高壓直流輸電系統(tǒng)包括換流器、直流輸電線路和換流站內(nèi)的交流部分。換流器是整個直流輸電系統(tǒng)的核心，對其故障要高度重視[4]。

本文研究整流器的閥故障，包括誤開通和不開通故障，并且在PSCAD/EMTDC環(huán)境下做了仿真研究，分析了這兩種故障的影響。

1 系統(tǒng)模型

PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下的高壓直流輸電系統(tǒng)的模型由換流變壓器、交流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路以及兩側(cè)相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)圖如圖1所示，系統(tǒng)額定值為直流電壓500 kV，直流功率1 000 MW，直流電流2 kA，為12脈動單極系統(tǒng)，基本控制方式是:整流側(cè)由定電流控制和αmin限制兩部分組成;逆變側(cè)配有定電流控制和定關(guān)斷角(γ0)控制[4]。

2 換流閥故障原理分析

2.1 不開通原理

閥不開通故障是由閥門極控制回路的故障導(dǎo)致觸發(fā)脈沖丟失引起。如圖2所示，以整流側(cè)換流器閥V3丟失脈沖為例，由于閥V3不開通，使得原來將要退出的閥V1繼續(xù)開通，直到閥V4開通，發(fā)生直流短路，直流側(cè)電壓為零，這一過程一直持續(xù)到閥V5開通，直流電壓恢復(fù)，歷時120°。逆變側(cè)不開通故障比整流側(cè)更為嚴(yán)重。當(dāng)觸發(fā)脈沖連續(xù)丟失時，會導(dǎo)致直流電壓和電流的嚴(yán)重振蕩。

2.2 誤開通原理

誤開通即換流站閥在應(yīng)處于正常阻斷狀態(tài)時間內(nèi)出現(xiàn)了非正常導(dǎo)通現(xiàn)象。

整流器的閥在阻斷期間的大部分時間承受著反向電壓，閥在承受正向電壓的時間內(nèi)，如果受到過大的正向電壓上升率的作用，或閥的控制極觸發(fā)回路發(fā)生故障，都有可能造成閥的誤開通[4]。單橋逆變器等效電路圖見圖3。

3 仿真結(jié)果及分析

因?yàn)閷τ陔p極高壓直流輸電系統(tǒng)，當(dāng)其中一極發(fā)生故障時，另一健全極仍可運(yùn)行[5]。對于實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)而言，雙極同時發(fā)生故障的可能性較小。因此，以單極高壓直流輸電系統(tǒng)整流器發(fā)生閥的不開通和誤開通故障為研究對象。由于換流變壓器接線方式對這兩種故障的分析結(jié)果影響很小，因此，考慮Y/D接線方式換流變壓器對應(yīng)的換流器發(fā)生誤開通和不開通。故障觸發(fā)脈沖設(shè)置如圖4a)，4b)，4c)所示。

3.1 單次不開通

在高壓直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下，整流側(cè)Y/D接線換流變壓器對應(yīng)的六脈動橋閥V3丟失觸發(fā)脈沖，導(dǎo)致不開通，故障仿真波形如圖5所示。

當(dāng)整流器閥V3丟失觸發(fā)脈沖時，造成閥V1，V3換相失敗，閥V3不能正常開通，閥V1繼續(xù)開通，閥V3承受正向電壓，如圖5a)所示與文獻(xiàn)[1]的分析一致。之后，閥V4導(dǎo)通，形成直流短路，故障過程一直持續(xù)到閥V5觸發(fā)導(dǎo)通后，故障過程結(jié)束。

故障過程中，由于整流側(cè)閥的不開通，導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生，整流側(cè)直流電壓下降，如圖5b)所示，導(dǎo)致整流側(cè)電流下降，使得逆變側(cè)電流下降。由于直流電壓電流的降低，直流系統(tǒng)輸送功率降低，會造成整流側(cè)交流電壓上升，逆變側(cè)交流電壓下降。

控制系統(tǒng)動作，在整流側(cè)，降低定電流控制的觸發(fā)角整定值(見圖5c))，來提高直流電流，實(shí)現(xiàn)定電流控制;逆變側(cè)取定電流控制和定關(guān)斷角控制整定值中較大的一個作為控制系統(tǒng)整定的觸發(fā)越前角。

故障過程中，逆變側(cè)始終為定關(guān)斷角控制。逆變側(cè)由于換相電壓下降，造成換相角增大，為維持定關(guān)斷角控制，由式δ=β－γ可知，逆變側(cè)觸發(fā)越前角整定值增大，以實(shí)現(xiàn)定關(guān)斷角控制，如圖5d)所示。

在整流側(cè)閥不開通的整個故障以及故障恢復(fù)的過程之中，高壓直流系統(tǒng)沒有出現(xiàn)大的過電壓和過電流情況，電壓、電流最大為 1.15 pu。

3.2 連續(xù)不開通

在正常運(yùn)行工況下，整流站發(fā)生連續(xù)丟失觸發(fā)脈沖故障，導(dǎo)致連續(xù)的不開通故障。故障脈沖設(shè)置如圖4b)所示。

當(dāng)整流側(cè)發(fā)生觸發(fā)脈沖連續(xù)丟失時，發(fā)生換相失敗，造成直流側(cè)短路。其故障開始階段與單次不開通故障的故障過程相同。當(dāng)連續(xù)丟失脈沖時換相失敗故障重復(fù)發(fā)生，引起線路上電壓和電流的波動，影響高壓直流輸電系統(tǒng)功率的傳輸。波形如圖6所示。

3.3 誤開通

由于高壓直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)閥在大部分的時間內(nèi)承受的都是反向電壓，因此，整流側(cè)閥的誤開通故障，只是相當(dāng)于故障閥的觸發(fā)角提前，對整個高壓直流系統(tǒng)電壓和電流的影響及對系統(tǒng)控制的影響都非常小。閥電壓見圖7。

4 結(jié)語

本文在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，研究了高壓直流輸電系統(tǒng)整流器閥的不開通故障和誤開通故障，對故障過程及控制策略進(jìn)行了分析，并得到以下結(jié)論:

1)整流器閥的單次不開通故障，會引起高壓直流系統(tǒng)過電流和過電壓，但對高壓直流系統(tǒng)的運(yùn)行影響較小，故障消除后系統(tǒng)可以恢復(fù)。

2)整流器閥誤開通對高壓直流系統(tǒng)的影響很小。

3)當(dāng)故障引起高壓直流系統(tǒng)直流電壓和電流的較大變化時，整流側(cè)控制系統(tǒng)通過定電流控制與最小觸發(fā)角控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恢復(fù)，逆變側(cè)通過定關(guān)斷角和定電流控制之間的切換來使系統(tǒng)恢復(fù)。

[1]浙江大學(xué)發(fā)電教研室直流輸電科研組.直流輸電[M].北京:電力工業(yè)出版社，1982.

[2]趙 杰.高壓直流輸電的前沿技術(shù)[J].中國電力，2009，38(10):1-6.

[3]王 遂，任 震.高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性影響因素分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010，19(5):24-28.

[4]徐 政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]董曼玲，黎小林，何俊佳，等.特高壓直流輸電系統(tǒng)換流站內(nèi)部故障電磁暫態(tài)響應(yīng)特性及控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(3):5-10.