基于換相電流時(shí)間面積的換相失敗判別方法

李思思，白仕雄，丁志林，王渝紅，李興源，魏巍，何鵬飛

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；

2.四川省電力公司超（特）高壓運(yùn)行檢修公司，成都 610041）

基于換相電流時(shí)間面積的換相失敗判別方法

李思思1，白仕雄2，丁志林2，王渝紅1，李興源1，魏巍1，何鵬飛1

（1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；

2.四川省電力公司超（特）高壓運(yùn)行檢修公司，成都 610041）

換相失敗是高壓直流輸電逆變器最常見的故障之一。文中通過對(duì)換相過程的機(jī)理分析，用換相電流時(shí)間面積這一概念從能量的角度揭示換相過程的物理含義，提出一種可以判別直流系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗的指標(biāo)——換相電流時(shí)間面積，并給出相應(yīng)的判據(jù)條件。直流控制方式、控制參數(shù)以及故障嚴(yán)重程度的不同，換相電流時(shí)間面積也不同。應(yīng)用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，在CIGRE高壓直流輸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模型中進(jìn)行仿真，并與熄弧角判據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了理論分析和判據(jù)的正確性。

換相失??；換相電流時(shí)間面積；熄弧角；換相角；高壓直流輸電系統(tǒng)；交直流混聯(lián)系統(tǒng)

隨著我國(guó)電網(wǎng)“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電以其經(jīng)濟(jì)、靈活、快速可控等優(yōu)點(diǎn)在遠(yuǎn)距離大容量輸電及大型電網(wǎng)互聯(lián)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。高壓直流輸電系統(tǒng)的投入在帶來各種優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也引入了新的問題，換相失敗就是逆變側(cè)換流器所面臨的最常見故障之一。某些情況下?lián)Q相失敗可以自行恢復(fù)，某些情況下?lián)Q相失敗不能自行恢復(fù)便會(huì)引發(fā)后繼的換相失敗，連續(xù)換相失敗可能引起直流輸電系統(tǒng)閉鎖，導(dǎo)致直流傳輸功率中斷，使得整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成更大危害。

國(guó)內(nèi)對(duì)交流系統(tǒng)故障所引起的直流系統(tǒng)換相研究成果表明[3-5]：逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障造成交流換相電壓下降及其相位偏移是引起換流器換相失敗的主要原因，換相失敗的判定方法主要有熄弧角判斷法、最小電壓降落法和最小換相電壓時(shí)間面積法，有的學(xué)者還提出換相失敗臨界阻抗法。文獻(xiàn)[6]將換相電壓在換相過程中與時(shí)間軸所圍面積定義為換相電壓時(shí)間面積，并用該方法結(jié)合換相角μ對(duì)換相過程進(jìn)行分析，研究換相失敗發(fā)生機(jī)理。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了換相電壓時(shí)間面積與換相失敗的定量關(guān)系，指出換相電壓最小面積可以作為衡量換相失敗的指標(biāo)。文獻(xiàn)[8]提出了換相失敗臨界阻抗，用換相失敗免疫因子來表示系統(tǒng)在故障時(shí)抵御換相失敗的能力。然而熄弧角判斷法仍然是評(píng)判換相失敗的主要方法。文獻(xiàn)[9-10]以熄弧角γ為研究對(duì)象分析了換相失敗的機(jī)理及影響換相失敗的因素，認(rèn)為逆變器換流閥熄弧角γ小于閥固有極限最小熄弧角γmin時(shí)便會(huì)發(fā)生換相失敗。但是熄弧角γ取決于越前觸發(fā)角β和換相角μ，其值為β和μ之差。越前觸發(fā)角β是由直流控制器決定的，換相角μ跟換相過程有關(guān)，因此在特定的直流控制方式下，熄弧角γ取決于換相角μ。

本文從換相過程入手，詳細(xì)研究了兩個(gè)閥間相互換相的過程，提出了一種能夠從換相過程反映換相失敗的新指標(biāo)——換相電流時(shí)間面積。從能量的角度用換相電流時(shí)間面積法分析了兩閥間換相的動(dòng)態(tài)過程及直流電流和換相角μ的關(guān)系，從本質(zhì)上揭示影響換相失敗發(fā)生的機(jī)理。

1 換相機(jī)理與換相失敗

逆變側(cè)單橋換流器等值電路如圖1所示。其中Ua、Ub、Uc分別為交流系統(tǒng)三相等值電勢(shì)，Lr為交流系統(tǒng)每相等值電抗。

以閥V5向閥V1換相為例，在ωt=α閥V1觸發(fā)開通之前閥V5和V6導(dǎo)通。在閥V1開通瞬間，V5、V6和V1三個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)電路原理，通過電感的電流是連續(xù)的，不會(huì)突變，因此閥V5向閥V1換相的過程中必需經(jīng)歷一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為換相時(shí)間，轉(zhuǎn)換為電角度后即為換相角μ。在換相時(shí)間內(nèi)，逆變橋完成了閥V5向閥V1的換相，閥V1的電流從0變?yōu)橹绷麟娏鱅d，閥V5的電流則從Id變?yōu)?。閥V5電流變?yōu)?時(shí)換相結(jié)束，閥V5退出導(dǎo)通但并沒有關(guān)斷。這是因?yàn)殚yV5退出導(dǎo)通后仍然需要一定時(shí)間用于完成閥內(nèi)載流子負(fù)荷，恢復(fù)正向阻斷能力以完成關(guān)斷。晶閘管去游離恢復(fù)時(shí)間為400 μs左右[11]，該恢復(fù)時(shí)間轉(zhuǎn)化的熄弧角γmin即為換流閥完全關(guān)斷所必須的最小值，一般認(rèn)為當(dāng)γ≤10°時(shí)發(fā)生換相失敗。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]的定義，換相失敗是指當(dāng)兩個(gè)橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程一直未能進(jìn)行完畢，這兩種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相。

換言之，該定義主要闡述了兩種導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生的情況：一是剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用期間未能恢復(fù)阻斷能力（γ<γmin），當(dāng)閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)，原退出導(dǎo)通的閥不需要觸發(fā)脈沖便重新導(dǎo)通；二是需要退出導(dǎo)通的閥在反向電壓期間未能完成換相過程，該閥沒有被關(guān)斷始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)則繼續(xù)導(dǎo)通。

通過對(duì)換相失敗定義的理解，可以發(fā)現(xiàn)，影響換相失敗的關(guān)鍵并不在于熄弧角γ的大小，而是換相過程中換相角μ的大小。在越前觸發(fā)角β一定的情況下，換相角μ的增大，留給熄弧角γ的余裕相應(yīng)減小，則會(huì)增加發(fā)生換相失敗的機(jī)率；換相角μ的減小，會(huì)增大熄弧角γ，反而更不容易發(fā)生換相失敗。因此，兩個(gè)換流閥間完成換相過程所經(jīng)歷的換相角μ才是影響換相失敗發(fā)生與否的根本因素。

2 換相電流時(shí)間面積法與換相失敗關(guān)系

2.1 換相電流時(shí)間面積指標(biāo)

兩相換相過程中的能量變化主要體現(xiàn)在兩相電感間電流的相互轉(zhuǎn)化過程中，若能從能量的角度用電流表現(xiàn)換相過程，則能從本質(zhì)上揭示換相機(jī)理。本文選取換相電流為變量，將直流電流在換相時(shí)間內(nèi)與時(shí)間軸所圍面積定義為換相電流時(shí)間面積Ait，如圖2陰影部分所示，并研究Ait在換相過程中與換相失敗的關(guān)系。圖中：γ為熄弧角，β為越發(fā)觸前角，α為觸發(fā)角。且滿足：α+β=π，μ+γ=β。

仍然以閥V5向閥V1換相為例，其換相等值電路如圖3所示。兩相換相時(shí)，換相過程中的能量轉(zhuǎn)化過程實(shí)際是將閥V5換相電感Lr上儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到閥V1的電感Lr上去。

圖3中，假定閥V5和閥V1所在回路換相電流為ir，由于Ua大于Ub，所以ir的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向,根據(jù)KVL定理，上半回路的電路方程為

圖2 逆變器兩相換相過程Fig.2 Circuit of irand ucaduring commutation process

圖3 換相等值電路圖Fig.3Equivalent circuit of commutation process

由式（4）知，兩相換相過程在[α，α+μ]內(nèi)是一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)過程，ir在[α，α+μ]內(nèi)為正弦波，其波形如圖2所示。換相角μ表征了整個(gè)換相過程，其值僅取決于換相開始時(shí)刻直流電流Id的大小。在此過程中閥V5的電流從Id逐漸減小到0，閥V1的電流則從0增大到Id，閥V5完成了向閥V1換相的過程，同時(shí)閥V5處等值電感完成了與閥V1處等值電感間能量的轉(zhuǎn)換。

在ωt=α+μ時(shí)刻，閥V5完成了關(guān)斷過程，此時(shí)閥V5上電流i5為零，即

由式（6）可知換相角μ的大小與換相開始時(shí)刻直流電流Id初值大小有關(guān)。由圖2也可看出，換相角μ的大小直接影響換流閥的熄弧角γ大小從而決定單個(gè)閥在反向電壓期間是否完成阻斷能力的恢復(fù)。

為了從換相過程中分析換相角μ與熄弧角γ的關(guān)系，現(xiàn)選擇換相電流為變量，從能量的角度用換相時(shí)間電流面積Ait來分析兩相換相過程。閥V5在關(guān)斷過程中其電流從Id逐漸變?yōu)?。其換相電流時(shí)間面積Ait為

逆變器正常運(yùn)行時(shí)，Uac、換相電抗Xr和觸發(fā)角α均為已知值，由式（7）可得到Ait、Id和μ三者間的相互關(guān)系。由圖2的閥電流曲線知，兩相換相過程經(jīng)歷μ電角度。逆變器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，換相過程很快完成，即換相角μ相對(duì)很小，因此在[α，α+μ]內(nèi)，可以近似認(rèn)為i5呈直線變化，將其線性化處理。線性化后其換相電流時(shí)間面積Ait近似為一直角三角形的面積，即

2.2 換相失敗判據(jù)條件

根據(jù)式（7）可以直接得到直流電流Id初值大小和換相角μ之間的定量關(guān)系。高壓直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，直流電流Id為恒定值。若逆變側(cè)外部交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換相電壓幅值大小瞬間降低，直流電流Id值瞬間增大，換相電感上聚集的能量增加，單相電感需要更多的時(shí)間來完成能量的全部釋放。換相角μ的增大必然會(huì)引起換相電流時(shí)間面積的增大，當(dāng)換相角μ增加到最大換相角μmax時(shí)，熄弧角γ對(duì)應(yīng)最小值γmin，此時(shí)逆變器處于臨界狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的Aitc即為換相失敗判據(jù)的閾值。

換相角最大值μmax由以下公式確定：

由式（10）知，逆變側(cè)β越大，μmax也增大，對(duì)應(yīng)極限換相電流時(shí)間面積Aitc越大，則實(shí)際熄弧角γ增大，逆變器抵御換相失敗的能力越強(qiáng)。

顯然，當(dāng)AitAitc時(shí)，所需換相角μ會(huì)超出極限換相角μmax，熄弧角γ值小于最小熄弧角γmin，逆變器發(fā)生換相失敗。

因此換相電流時(shí)間面積Ait可以作為判斷換相失敗是否發(fā)生的判據(jù)，該判據(jù)為

同時(shí)Ait的大小還能夠反映逆變器發(fā)生換相失敗的容易程度。Ait值越小，熄弧角γ最大，逆變器發(fā)生換相失敗的概率越低；Ait值越接近Aitc，熄弧角γ越小，逆變器越容易發(fā)生換相失敗。

3 算例模型

現(xiàn)以PSCAD/EMTDC仿真軟件中的CIGRE標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)為例，分析換相電流時(shí)間面積與換相失敗的關(guān)系。CIGRE標(biāo)準(zhǔn)模型逆變側(cè)各參數(shù)如下：直流電流Id=1.0p.u.（2kA），換流母線電壓Uac=1.0p.u.（230kV），換流電壓器變比k=1.0p.u.（230/209.23），單相換相電抗Xr=18%（p.u.）。分別取β=40°、β=50°、β=60°，利用式（9）分別繪得換相過程中閥V5電流i5與換相角μ的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 換相過程中閥V5電流和換相角關(guān)系曲線Fig.4 Curves of Idand μ of V5valve during commutation process

由圖4曲線知，直流電流Id和換相角μ呈正相關(guān)變化，換相開始時(shí)刻直流電流初值越大，所需換相時(shí)間越長(zhǎng)。直流電流初值越大，換相電抗上聚集的能量越多，電感間能量的轉(zhuǎn)化時(shí)間相應(yīng)增加；直流電流一定時(shí)，逆變器越前觸發(fā)角β越大，其換相所需時(shí)間越短，發(fā)生換相失敗的概率越低，表明可以用提前觸發(fā)的方式預(yù)防換相失敗的發(fā)生。CIGRE標(biāo)準(zhǔn)模型逆變側(cè)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，越前觸發(fā)角β基本運(yùn)行在40°左右。從圖中曲線可知，當(dāng)直流電流初值增大到原始值的1.2p.u.時(shí)，換相角μ會(huì)達(dá)到極限最大值（μmax=30°），逆變器處于臨界換相失敗狀態(tài)。

4 換相失敗仿真結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證換相電流面積法的準(zhǔn)確性，現(xiàn)用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件在CIGRE標(biāo)準(zhǔn)模型中模擬故障的發(fā)生，系統(tǒng)為基本控制，不加入其它附加控制，故障點(diǎn)設(shè)在逆變側(cè)母線電壓上。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果列于表1。

表1 不同條件下?lián)Q相電流時(shí)間面積、換相角和熄弧角的計(jì)算值及仿真值Tab.1 Results of Ait、μ and γ under different conditions

從表1列出了不同故障情況下，不同直流系統(tǒng)控制參數(shù)下，Ait，μ和γ的計(jì)算值和仿真值。Aitc為μmax對(duì)應(yīng)的極限換相電流時(shí)間面積值，Ait為仿真出的μ對(duì)應(yīng)換相電流面積時(shí)間值。對(duì)比表中數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，表明采用換相電流時(shí)間面積判別法得到的結(jié)果與用熄弧角判別法結(jié)果一致，換相電流時(shí)間面積法可以作為反映逆變器是否發(fā)生換相失敗的新指標(biāo)。計(jì)算所得Ait值稍稍比實(shí)際值大，其理論計(jì)算結(jié)果稍偏保守，分析其原因，主要因?yàn)樵诮频刃е蟹糯罅藰O限換相電流時(shí)間面積Aitc的結(jié)果，Aitc的放大從而造成了換相角μ的增大。當(dāng)β=40°時(shí)，Aitc為0.678 1，Ait仿真計(jì)算值為0.681 6，計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生換相失敗，仿真時(shí)熄弧角在10°附近波動(dòng)，認(rèn)為逆變器處于臨界換相失敗狀態(tài)。由表中數(shù)據(jù)知，熄弧角γ的最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在β=40°，直流電流為1.176 5（p.u.）的情況下，其相對(duì)誤差為1.613 6°，熄弧角γ的計(jì)算結(jié)果相比實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果其相對(duì)誤差在2°以內(nèi)，說明采用電流換相時(shí)間面積法的準(zhǔn)確性較高。

5 結(jié)語

本文從換相機(jī)理入手，通過對(duì)換相過程的詳細(xì)分析，指出兩相換相的實(shí)質(zhì)為換相電感間能量的轉(zhuǎn)化，從能量的角度提出了換相電流時(shí)間面積法。通過實(shí)時(shí)換相電流時(shí)間面積Ait與極限換相電流時(shí)間面積Aitc的比較來判斷換相失敗的發(fā)生與否，認(rèn)為換相電流時(shí)間面積可以作為評(píng)估換相失敗的新指標(biāo)，并給出了相應(yīng)的判據(jù)條件。換相電流時(shí)間面積Ait的值受故障嚴(yán)重程度以及直流控制參數(shù)的影響。相同條件下，換相電流時(shí)間面積Ait小于極限換相電流時(shí)間面積Aitc時(shí)，逆變器不會(huì)發(fā)生換相失??；Ait大于Aitc時(shí)，則認(rèn)為逆變器會(huì)發(fā)生換相失敗。Ait的大小還能夠反映逆變器抵御換相失敗能力強(qiáng)弱的定量指標(biāo)，Ait越大，逆變器抵御換相失敗的能力越強(qiáng)。

此外，相比于傳統(tǒng)的熄弧角斷別法，換相電流時(shí)間面積法揭示了換相過程中直流電流Id初值與換相角μ的關(guān)系，從能量的角度對(duì)換相失敗進(jìn)行了闡述。利用系統(tǒng)部分運(yùn)行參數(shù)如直流電流Id的大小、換相角μ的大小，可以判斷逆變器是否發(fā)生換相失敗。同時(shí)，通過觀察并判斷換相角μ的實(shí)時(shí)值可以提前對(duì)逆變器的狀態(tài)作出預(yù)測(cè)，在外界環(huán)境變化時(shí)及時(shí)啟動(dòng)其他控制策略在最短的時(shí)間內(nèi)避免換相失敗的發(fā)生。

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Current-time Area Method for the Identification of Commutation Failure

LISi-si1，BAIShi-xiong2，DINGZhi-lin2，WANGYu-hong1，LIXing-yuan1，WEIWei1，HEPeng-fei1
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.EHP/UHP O&M Co.，Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，China）

Commutation failure is one of the most frequent faults in HVDC（high voltage direct current）system.Based on the mechanism of commutation，the conception of commutation current-time area is proposed to reflect the energy conversion process.A novel index-commutation current-time area method is proposed to indentify commutation failure. Commutation current-time area is not a fixed constant due to the different DC control strategies，parameters and fault severity.This paper is based on GIGRE HVDC system simulation model，using PSCAD/EMTDC to verify the theoretic analysis and compare the results with extinction angle criterion.The simulation results show the accuracy of the analysis and criteria.

commutation failure；commutation current-time area；extinction angle；commutation angle；HVDC system；AC-DC hybrid system

TM712

A

1003-8930（2013）02-0098-05

李思思（1987—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姟mail：lisisicd@yeah.net

2011-08-08；

2011-10-19

白仕雄（1964—），男，高級(jí)工程師，從事超/特高壓交直流混合運(yùn)行管理方面的工作。Email：baishixiong@163.com

丁志林（1971—），男，高級(jí)工程師，從事超/特高壓交直流混合運(yùn)行管理方面的工作。Email：dingzhilin@163.com