HVDC系統(tǒng)臨界換相電壓研究

姚江濤?藺彥斌?張榮輝

摘要：換相失敗是HVDC輸電系統(tǒng)最常見的故障之一，換相失敗與換相電壓之間存在著緊密的聯(lián)系。首先給出了臨界換相電壓的定義并推導(dǎo)了其表達(dá)式，進(jìn)而詳細(xì)分析了影響臨界換相電壓的各種因素。根據(jù)影響因素的分析結(jié)果提出了減少換相失敗發(fā)生的措施。最后通過(guò)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：換相失??；臨界換相電壓；系統(tǒng)強(qiáng)度

作者簡(jiǎn)介：姚江濤（1986-），男，河北邯鄲人，國(guó)網(wǎng)河北涉縣供電公司，助理工程師；藺彥斌（1986-），男，河北邯鄲人，國(guó)網(wǎng)河北涉縣供電公司，助理工程師。（河北 涉縣 056400）

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）15-0258-02

在換相電壓反向（具有足夠的去游離裕度）之前未能完成換相的故障稱為換相失敗。換相失敗不是由于對(duì)換流閥的誤操作引起的，而是由于換流閥外部電路的條件引起的。[1]換相失敗是HVDC系統(tǒng)中最常見的故障之一，它將導(dǎo)致直流電壓下降和直流電流增大。若采取的控制措施不正確，還可能引發(fā)后繼的換相失敗故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響換流設(shè)備的正常運(yùn)行，造成直流功率傳輸?shù)闹袛?，?duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大的影響。[1-3]

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換相失敗進(jìn)行了大量的研究。[3-8]其中文獻(xiàn)[3]分析指出逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障是造成換相失敗的主要原因，不對(duì)稱故障時(shí)的恢復(fù)速度比對(duì)稱性故障時(shí)要快；文獻(xiàn)[4]研究了在不同的交流系統(tǒng)故障條件下濾波換相換流器與普通逆變器的換相過(guò)程，分析結(jié)果指出濾波換相換流器能更好地防止換相失敗的發(fā)生；文獻(xiàn)[5]提出了一種基于正余弦預(yù)防換相失敗的方法，該方法在電壓過(guò)零故障時(shí)能快速啟動(dòng)，且在三相故障時(shí)也有明顯的預(yù)防效果；文獻(xiàn)[6]詳細(xì)探討了HVDC輸電系統(tǒng)換相失敗的檢測(cè)和恢復(fù)策略；文獻(xiàn)[7]指出不管換流母線處的電壓波形如何，只要是在換相過(guò)程中換相電壓達(dá)到一定的平均值就能完成換相過(guò)程；文獻(xiàn)[8]基于換相面積的觀點(diǎn)給出了故障情況下電壓降落△U和不對(duì)稱故障時(shí)電壓過(guò)零點(diǎn)相移Φ的計(jì)算公式，并計(jì)算出導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生的壓降限值。但文中假設(shè)逆變側(cè)交流系統(tǒng)是無(wú)窮大的，并且故障時(shí)電壓波形是完整的，這些假設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)中略顯苛刻。

本文首先給出了臨界換相電壓的定義及表達(dá)式。基于臨界換相電壓的角度分析了影響換相失敗的因素，分析發(fā)現(xiàn)利用臨界換相電壓的概念能更全面地分析換相失敗與系統(tǒng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。最后通過(guò)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

一、臨界換相電壓的研究

三相全波橋式逆變器等效電路如圖1所示。圖中Lc表示換相電感；ea、eb、ec表示交流母線的電壓。

假設(shè)圖1中交流母線電壓為：

（1）

則正常換相過(guò)程時(shí)，i1、i3的表達(dá)式如下所示：[1]

（2）

式（2）中，α表示觸發(fā)角，Em表示交流母線電壓的最大值。文獻(xiàn)[8]指出，換相失敗主要與交流母線電壓幅值相關(guān)，與交流不對(duì)稱故障引起的相位偏移關(guān)系不大。因此定義當(dāng)交流側(cè)故障使得交流母線電壓降為，而此電壓恰好會(huì)引發(fā)換相失敗故障，稱此時(shí)的電壓為臨界換相電壓。顯然當(dāng)交流側(cè)故障引起的母線電壓低于時(shí)就會(huì)引發(fā)換相失敗故障，否則不會(huì)引起換相失敗。臨界換相電壓的推導(dǎo)過(guò)程如下：

假設(shè)交流母線電壓幅值Em突然下降，直流控制器尚未動(dòng)作，即換流器觸發(fā)角α保持不變。交流側(cè)電壓下降前直流側(cè)電流為[1]：

（3）

考慮到整流側(cè)一般為定電流控制，為維持直流電流恒定不變，當(dāng)逆變側(cè)交流電壓下降時(shí)，關(guān)斷角下降至γ，即：

（4）

事實(shí)上直流電流將會(huì)上升，當(dāng)直流電流上升到Id使得逆變側(cè)關(guān)斷角下降至最小允許值γ0時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗，此時(shí)式（4）可以進(jìn)一步寫成：

（5）

把式（5）進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得：

（6）

式（6）便是臨界換相電壓的表達(dá)式。

二、臨界換相電壓的影響因素分析

1.臨界換相電壓影響因素的具體分析

由式（6）可以看出，臨界換相電壓與觸發(fā)角α、換相電感LC以及Id'都有關(guān)系。下面分別論述各因素對(duì)臨界換相電壓的影響。

（1）對(duì)逆變側(cè)而言，觸發(fā)角α>π/2，因此隨著觸發(fā)角α增大，臨界換相電壓Em也增大，表示越容易發(fā)生換相失敗故障。因此從臨界換相電壓的角度來(lái)看，當(dāng)檢測(cè)到故障發(fā)生時(shí)要給觸發(fā)角控制器一個(gè)角度附加量，以提前觸發(fā)防止換相失敗的發(fā)生。

（2）換相電感LC增大，臨界換相電壓Em增大，越容易發(fā)生換相失敗故障。換相電抗主要由變壓器的漏抗組成，因此要減小換相失敗發(fā)生的幾率，就要將繞組之間的短路阻抗設(shè)計(jì)的小些，但同時(shí)又要避免短路電流過(guò)大的問題，因此只能適當(dāng)降低變壓器的漏抗。

將以下參數(shù)代入式（6）形成圖2所示的關(guān)系曲線，f=50Hz、Id'=2kA、γ0=0°、α∈（2π/3，35π/36）。

由圖2可知，在相同的換相電抗下，隨著觸發(fā)角α的增大，臨界換相電壓值越大，表示越容易發(fā)生換相失敗故障；在相同的觸發(fā)角下，換相電感越大，臨界換相電壓值越大，越容易引發(fā)換相失敗故障。

通過(guò)臨界換相電壓的表達(dá)式也可以得出：如果故障期間直流電流If達(dá)不到Id的大小，則此時(shí)換相電壓就可以維持在臨界電壓以上，則換相失敗故障就不會(huì)發(fā)生。顯然如果交流側(cè)故障引起的交流電壓降落比較低，則此時(shí)逆變側(cè)直流電壓幅值就較大，進(jìn)而故障期間直流電流增加就不大；反之故障期間直流電流幅值就很大，很可能大于Id，進(jìn)而引發(fā)換相失敗故障。下面從系統(tǒng)強(qiáng)度的角度出發(fā)分析系統(tǒng)強(qiáng)度與換相失敗的關(guān)系。

2.受端系統(tǒng)強(qiáng)度對(duì)換相失敗的影響

系統(tǒng)強(qiáng)弱反映了系統(tǒng)內(nèi)組成元件對(duì)各種擾動(dòng)的敏感度。強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化擾動(dòng)不會(huì)有顯著的電壓或功角的變化，但是弱電力系統(tǒng)對(duì)一個(gè)小擾動(dòng)都會(huì)有巨大的電壓或其他量的偏移，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。[1]當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如果受端系統(tǒng)較弱，此時(shí)交流系統(tǒng)無(wú)功提供不足，會(huì)導(dǎo)致交流母線壓降比較大[2]，進(jìn)而故障期間的直流電流If就比較大。當(dāng)If=Id時(shí)，表示達(dá)到臨界換相電壓值，從而引發(fā)換相失敗故障；反之如果系統(tǒng)強(qiáng)度比較大，則在同樣的交流側(cè)故障下，交流側(cè)電壓下降就相對(duì)較低，此時(shí)逆變側(cè)直流側(cè)電壓就相對(duì)較高，進(jìn)而引起的直流電流增大就較小，不易引發(fā)換相失敗的發(fā)生。這從臨界換相電壓的角度進(jìn)一步佐證了提高受端系統(tǒng)的短路比有利于防止換相失敗發(fā)生這一結(jié)論。

通過(guò)上面分析可以得出，臨界換相電壓與換相電抗Lc、觸發(fā)角α以及交流故障期間直流電流的大小有關(guān)。降低換相電抗Lc、減小觸發(fā)角α以及增強(qiáng)系統(tǒng)強(qiáng)度都對(duì)換相失敗有預(yù)防作用。但在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中，變壓器漏抗不易改變；觸發(fā)角是由控制系統(tǒng)決定的，一般也不宜改變。因此僅從換相失敗的角度來(lái)看，盡可能地加強(qiáng)受端系統(tǒng)強(qiáng)度是防止換相失敗發(fā)生的有效措施。

三、仿真驗(yàn)證

CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)是用于HVDC控制研究的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)模型容易得到普遍性結(jié)論，仿真模型如圖3所示，其中平波電抗器電感L=0.5968H，由系統(tǒng)強(qiáng)度SCR=Ssc/PdN（PdN表示換流站的額定功率，Ssc表示換流母線的短路容量，且Ssc=Vs2/ZL）的表達(dá)式可以計(jì)算出此時(shí)受端系統(tǒng)強(qiáng)度SCR=2.5。設(shè)置故障點(diǎn)為F。

為了更好地說(shuō)明受端系統(tǒng)強(qiáng)度對(duì)換相失敗的影響，將換相失敗的嚴(yán)重程度進(jìn)行了分類。對(duì)于12脈動(dòng)換流橋而言，規(guī)定如果交流側(cè)故障引發(fā)兩個(gè)換流橋同時(shí)發(fā)生換相失敗，換相失敗的程度記作A；只有一個(gè)換流橋發(fā)生換相失敗故障，記作B；無(wú)換流橋發(fā)生換相失敗故障，記作C。在直流輸電系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，要想改變受端系統(tǒng)強(qiáng)度的大小，最簡(jiǎn)便的方法就是改變系統(tǒng)阻抗。本次仿真分析就是采用此方法研究受端系統(tǒng)強(qiáng)度SCR對(duì)換相失敗的影響。表1列出了當(dāng)過(guò)渡電阻50Ω時(shí)，逆變側(cè)交流系統(tǒng)在不同的短路比（SCR）情況下對(duì)換相失敗的影響。

通過(guò)表1中編號(hào)為1、2、3的比較可以得出以下結(jié)論：不同的故障類型對(duì)換相失敗的影響程度是不同的；但就一種故障類型而言，當(dāng)短路比（SCR）增大時(shí)，換相失敗的嚴(yán)重程度逐次降低，甚至不會(huì)引發(fā)換相失敗的發(fā)生。這表明增加系統(tǒng)強(qiáng)度有利于防止換相失敗的發(fā)生。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）