基于換流站換相失敗預(yù)防控制的分析與處理

殷培峰，孫紅英

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的增長、用電需求不斷增加，采用超遠(yuǎn)距離、超大容量的電力傳輸成為必然，為減少輸電線路的損耗和節(jié)約土地資源，需要一種經(jīng)濟(jì)高效的輸電方式，特高壓直流輸電技術(shù)恰好迎合了這一要求。目前，我國已成為世界上直流輸電線路最多、輸送容量最大的國家。由于直流輸電系統(tǒng)中換流站受交流電壓幅值降低、直流電流突增、交流換相電壓過零點相角偏移等因素的影響，換流站換相失敗的故障時有發(fā)生。特別是在多饋入直流系統(tǒng)中，因換流站之間的相互作用，換相失敗更為敏感［1］。若不采取正確的控制措施，將會導(dǎo)致傳輸功率中斷和增加換流站設(shè)備的應(yīng)力，嚴(yán)重時會導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖。為提高輸電的穩(wěn)定性和電網(wǎng)的安全運行水平，必須采取有效措施，保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運行。

1 換流站換相失敗的因素分析

1.1 逆變器換相相關(guān)的主要參數(shù)

高壓直流輸電系統(tǒng)中大部分的換相失敗故障多發(fā)生在換流器的逆變器中。如圖1為逆變器發(fā)生換相失敗時的電壓波形。其中U表示逆變器交流側(cè)的三相電壓ua、ub、uc的相電壓;Ud為直流側(cè)電壓;α是逆變器觸發(fā)延遲角;β是觸發(fā)超前角;γ是逆變器熄弧角;μ是逆變器換相角。如果熄弧角γ小于γmin時，逆變器發(fā)生換相失敗。γmin為極限熄弧角，其值與晶閘管的參數(shù)、晶閘管承受的電壓與電流有關(guān)，并隨電壓、電流的增大而增大。逆變器的整流電壓平均值可表示為:

圖1中換相失敗發(fā)生在閥⑥向閥②換相的過程中。在此過程中，閥⑥導(dǎo)通為一個周波，是正常運行情況的三倍［2］，在閥⑥與閥③導(dǎo)通的周期內(nèi)，系統(tǒng)直流電壓為零，功率傳輸中斷。

圖1 逆變器發(fā)生一次換相失敗時的電壓波形

1.2 影響逆變器換相失敗的主要因素

若交流系統(tǒng)對稱，逆變器的熄弧角為γ1，若交流系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱故障時，且換相線電壓過零點前移角度φ時［3］，熄弧角為γ2，其表達(dá)式分別為:

由上述公式可看出，當(dāng)逆變器交流側(cè)線電壓UL下降和過零點前移、電流Id增大、觸發(fā)角β過小、逆變器熄弧角γ減小等都有可能使換相失敗，因而高壓直流輸電系統(tǒng)在運行過程中，引發(fā)換相失敗的原因有以下幾方面:

(1)逆變器內(nèi)部故障。晶閘管觸發(fā)電路工作不可靠，不能準(zhǔn)確地為晶閘管提供工作脈沖。如脈沖延遲、脈沖缺失、誤觸發(fā)等。

(2)逆變器閥兩端的交流電壓出現(xiàn)下降;

(3)由于交流系統(tǒng)不對稱故障引起逆變器換相電壓相角前移;

(4)交流系統(tǒng)出現(xiàn)的暫態(tài)過程和諧波造成換相電壓波形畸變;

(5)逆變器閥的控制系統(tǒng)中，存在觸發(fā)超前角β或熄弧角γ的整定值過小。

就多饋入直流輸電系統(tǒng)，如果一個逆變站的換相失敗，會引發(fā)其他逆變站的換相。因此，逆變站之間的電氣耦合關(guān)系會影響到其余逆變站發(fā)生換相失敗的主要因素［4］。另外，換流站交流系統(tǒng)故障的出現(xiàn)地點、故障的嚴(yán)重性也會對多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗具有較大的影響。

2 換流站換相失敗的預(yù)防與處理

換流站換相失敗發(fā)生的基本原因是關(guān)斷角太小。當(dāng)交流系統(tǒng)故障引起換相電壓幅值下降，會導(dǎo)致?lián)Q相裕度減小。要抑制換相失敗，以前的方法是增大換相裕度，但增大換相裕度的同時，也提高了無功功率的消耗。目前抑制換相失敗的方法是通過采用換相失敗預(yù)防控制器(CFPREV)和強迫換相換流器來實現(xiàn)。

2.1 通過換相失敗預(yù)防控制器處理換相失敗

換相失敗預(yù)防控制器(CFPREV)，就是在當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到交流系統(tǒng)故障時立刻提前觸發(fā)，這個附加的相位角實際上增大了換相裕度。圖2為該控制系統(tǒng)的原理圖。其控制系統(tǒng)由兩個并列的部分組成:一部分是用來檢測單相故障的零序檢測器;另一部分是用于abc－αβ變換的三相故障檢測器。

就直流系統(tǒng)出現(xiàn)的不對稱故障中，經(jīng)常發(fā)生的故障是單相故障。此類故障發(fā)生時，在換流站的三相母線電壓中含有零序電壓。按照三相瞬時電壓值理論［5］，圖2中的Z_DIFF信號為:U0=Ua+Ub+Uc。若沒有檢測到更高值，可將最大值保留。若Z_DIFF大于設(shè)定值，從模塊MAX_HOLD中輸出的Z_DIFF信號就是最終的觸發(fā)角。

對于abc－αβ變換的三相交流故障檢測器，在換流站換相預(yù)防控制器中，abc－αβ變換方程是:

其中Uα與Uβ是矢量Uαβ在平面αβ中α軸和β軸的投影。

圖2中的信號ALPHA_BETA_SUM的大小等于旋轉(zhuǎn)矢量Uαβ的幅值，其表達(dá)式為:

若換流站三相電壓是對稱的，則信號ALPHA_BETA_SUM是直流分量。信號ALPHA_BETA_SUM輸出兩路:一路輸送到比較器;另一路作為故障前電壓，傳輸?shù)奖容^器。當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將信號ALPHA_BETA_SUM與濾波后的信號進(jìn)行對比。若兩者相差大于設(shè)定值，可判定逆變器端出現(xiàn)了電壓降［6］。通過選擇Z_AMIN和ABZ_AMIN的最大值，作為控制器的最后輸出AMIN_CFPREV，使觸發(fā)時刻提前，導(dǎo)致?lián)Q相裕度增大。將換相失敗預(yù)防控制系統(tǒng)放在DSP控制器中，以70ms為步長，相當(dāng)于交流系統(tǒng)中相對應(yīng)的1.26°分辨率，確?？刂葡到y(tǒng)對電壓下降有快速反應(yīng)。

圖2 換流站換相失敗預(yù)防控制器模塊

2.2 通過強迫換相換流器預(yù)防換相失敗

對于電網(wǎng)換相換流器，如果關(guān)斷角γ過小，則可能發(fā)生換相失敗故障。隨著直流電流的增加，換相角u變大，更容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗，同時在運行中要消耗大量的無功功率。隨著技術(shù)的發(fā)展，電容器制造水平和質(zhì)量的大幅度提高，提出在換流器和換流變壓器之間串聯(lián)電容器進(jìn)行強迫換相的方法來預(yù)防換相失敗，降低換流器消耗的無功功率。

強迫換相換流器包含電容換相換流器(CCC)，以及可控串聯(lián)電容換流器(CSCC)。電容換相換流器是在換流器和換流變壓器之間串聯(lián)換相電容器而構(gòu)成的?？煽卮?lián)電容換流器是在電容換相換流器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。將串聯(lián)電容器接在換流母線和交流濾波器之間，通過控制反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角，實現(xiàn)電容器電容數(shù)值的改變。

圖3 電容換相換流器電路

如圖3所示。換流器的換相電壓是換流變壓器閥側(cè)電壓與換相電容器兩端電壓的代數(shù)和。換相電容器端電壓Uc與直流電

由此可見，隨著直流電流的增大，換相電容器端電壓變高，同時使換相電壓滯后于換流變閥側(cè)電壓更多。由于換相電容器附加電壓的影響，使CCC的換相電壓滯后換流變閥側(cè)電壓一個角度θ，從而使閥臂上實際的線電壓過零點比交流系統(tǒng)提供的線電壓過零點滯后同一個角度。因此當(dāng)逆變器的觸發(fā)超前角β＜0時，仍有一個足夠大的關(guān)斷角γ來保證換相的順利進(jìn)行［7］。同理，當(dāng)逆變站交流母線電壓降低時，換相電容器上的電壓成正比地減小，換相角u變化不大，關(guān)斷角γ變大。即使換流母線電壓瞬時降到接近于零，換相還有可能成功，因為換相電壓可以全部由電容器上的附加電壓提供。因此CCC在直流電流升高和交流母線電壓降低時，引起換相失敗的可能性很小，從而有效防止換相失敗。

3 結(jié)束語

由于直流輸電換流站受交流電壓幅值降低、直流電流突增、交流換相電壓過零點相角偏移等因素的影響，與弱交流系統(tǒng)相連的逆變器容易發(fā)生換相失敗。尤其是在多饋入直流系統(tǒng)中，因換流站之間的相互作用，換相失敗更為敏感。通過采用換相失敗預(yù)流Id及閥的導(dǎo)通時間+成正比，與換相電容器的電容量C成反比，即可表示為:防控制器和強迫換相換流器有效預(yù)防換相失敗。防止直流輸電系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時產(chǎn)生的直流輸電傳輸功率中斷和增加換流站設(shè)備的應(yīng)力的事故，避免直流系統(tǒng)出現(xiàn)閉鎖。保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運行。

［1］ 何朝榮，李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗的判斷標(biāo)準(zhǔn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(22):19 －23.

［2］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］ DING Hui，HAN Minxiao.User－defined HYDC Reactive Power Control Modeling for System Stability Studies In PSASP［C］.Proceedings of IEE APSC0M2006.Hongkong，2006.

［4］ Ding Hui，Han Minxiao.Detailed Modeling of China－Russia Heihe Backto－Back HVDC Project Using PSCAD/EMTDC［C］.The Proceedings of 3rd International Conference on DRPTNanJing，2008.

［5］ 陳樹勇，李新年.基于正余弦分量檢測的高壓直流換相失敗預(yù)防方法［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(14):1 －6.

［6］ 馬玉龍，肖湘寧.交流系統(tǒng)接地故障對HVDC的影響分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，26(11):144 －149.

［7］ 文俊，張一工.輕型直流輸電—種新一代的HVDC技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(1):47－51.