基于臨界熄弧角的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗判斷方法

張 嵩，李國慶，姜 濤

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，受端交流系統(tǒng)故障可能引起故障點(diǎn)附近逆變站發(fā)生換相失敗，甚至導(dǎo)致多回直流線路發(fā)生同時或相繼換相失敗。若不能恢復(fù)正常換相功能，將造成大范圍停電的災(zāi)難性后果，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，并不是所有的交流系統(tǒng)故障都能夠引起直流系統(tǒng)換相失敗，這決定于系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性。隨著直流輸電系統(tǒng)的快速建設(shè)和不斷投運(yùn)，建立準(zhǔn)確快速科學(xué)的換相失敗判斷機(jī)制，減少或避免多回直流發(fā)生同時換相故障，指導(dǎo)電網(wǎng)規(guī)劃與安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的理論研究意義。

大量理論研究工作和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，交流系統(tǒng)故障時，逆變器熄弧角減小是導(dǎo)致?lián)Q流閥組換相失敗的根本原因［1-4］。文獻(xiàn)［5］提出了基于臨界多饋入交互作用因子判斷多饋入直流系統(tǒng)換相失敗的方法，該方法只是針對一回直流換流母線發(fā)生三相短路故障，系統(tǒng)中其余直流是否發(fā)生換相失敗的問題，但不能解決系統(tǒng)中的非換流母線節(jié)點(diǎn)三相短路故障是否誘發(fā)多回直流同時換相失敗問題。文獻(xiàn)［6］分析了多饋入短路比與當(dāng)?shù)負(fù)Q相失敗的關(guān)系和多饋入交互作用因子與多回直流發(fā)生同時換相失敗的關(guān)系，但文中研究對象為純直流系統(tǒng)，與實(shí)際電力系統(tǒng)不符合，并不能體現(xiàn)交流系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對換相失敗的影響。文獻(xiàn)［7］基于節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣提出了臨界故障阻抗邊界的概念，利用臨界故障阻抗邊界可以快速直觀地判斷導(dǎo)致直流換相故障的交流故障分布區(qū)域，但文中并沒有進(jìn)一步分析交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時的換相失敗臨界故障阻抗邊界。

本文通過分析逆變站熄弧角與節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的關(guān)系，建立交流系統(tǒng)故障時的熄弧角計算式，以最小熄弧角為判據(jù)，可快速判定交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地故障時多饋入直流輸電系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗。

1 換相失敗機(jī)理

以典型的六橋臂換流電路為例，當(dāng)2個橋臂之間換相結(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，當(dāng)加在該閥上的電壓為正時，立即重新導(dǎo)通，發(fā)生倒換相，使預(yù)計導(dǎo)通的閥重新關(guān)斷，稱之為換相失敗。逆變側(cè)發(fā)生換相失敗的概率遠(yuǎn)大于整流側(cè)，整流側(cè)僅當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時才會換相失?。?-9］，因此對換相失敗的研究和判斷通常是針對于逆變換流器。

在多饋入交直流混合系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)擾動是引起直流換相失敗的主要原因［10-11］。在僅考慮交流系統(tǒng)故障因素的條件下，換流母線電壓跌落是引起換相失敗的主要原因，而熄弧角小于閥固有極限熄弧角是其本質(zhì)。交流系統(tǒng)故障瞬間，換流母線電壓跌落，而變壓器變比調(diào)整以及直流系統(tǒng)控制器動作需要一定的響應(yīng)時間。因此，故障瞬間超前觸發(fā)角和變比保持不變，熄弧角隨換流母線電壓降低而減小，當(dāng)熄弧角小于閥固有極限熄弧角時發(fā)生換相失敗。

以CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型為研究對象，建立六脈動換流器的電磁暫態(tài)模型，對直流系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真。系統(tǒng)電壓等級為500 kv，輸送容量1 000 MW。整流側(cè)和逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路比(Short Circuit Ratio，SCR)為2.5。以三相短路故障為例，假設(shè)t=1 s時，交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地故障，直流系統(tǒng)的電流和電壓波形，見圖1。

圖1 直流系統(tǒng)電流電壓波形圖

從圖1中可以看出，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，直流系統(tǒng)內(nèi)部直流電壓急劇跌落，直流電流瞬時增大，發(fā)生了換相失敗。

在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析中，對于直流系統(tǒng)換相失敗，不僅應(yīng)該研究其發(fā)生的根本機(jī)理，而且期望能夠建立快速準(zhǔn)確的判斷方法，此外，對于多饋入直流輸電系統(tǒng)，還關(guān)注其是否發(fā)生多回直流同時換相失敗。為此本文提出了以最小熄弧角為判據(jù)的直流系統(tǒng)換相失敗判斷方法。

2 三相短路故障換相失敗判據(jù)

多饋入交互作用因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)是CIGRE WG B4-41工作組提出的用于衡量多饋入直流輸電系統(tǒng)中換流站間交互作用強(qiáng)弱的指標(biāo)［12-13］。多饋入交互作用因子MIIFji定義為:當(dāng)換流母線i投入對稱三相電抗器，使得該母線上的電壓下降1% 時，換流母線j的電壓變化率為:

式中:Ui0為投入電抗器前節(jié)點(diǎn)i的線電壓有效值，ΔUj為節(jié)點(diǎn)j的線電壓跌落值。

根據(jù)多饋入交互作用因子的定義和推導(dǎo)過程，定義節(jié)點(diǎn)電壓交互作用因子(voltage inter action factor，VIF)［8］:當(dāng)交流節(jié)點(diǎn)i投入對稱三相電抗器，使得該節(jié)點(diǎn)電壓下降1% 時，換流母線j的電壓變化率即節(jié)點(diǎn)電壓交互作用因子Vji，表達(dá)式為:

式中:Zii為節(jié)點(diǎn)i的自阻抗，Zij為節(jié)點(diǎn)i和換流母線j之間的互阻抗，Ui0和ΔUj的意義與公式(1)中相同。

當(dāng)交流節(jié)點(diǎn)i發(fā)生三相金屬性短路接地故障時，節(jié)點(diǎn)電壓由Ui0降為0，換流母線j的電壓跌落值為:

式中:UiN、UjN分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的額定電壓值。

由此推得，換流母線j電壓值計算公式為:

系統(tǒng)對稱時，逆變器熄弧角表達(dá)式為:

式中:n為變壓器變比;Id為直流電流;XL為換相電抗;UL為換流母線線電壓有效值;β為超前觸發(fā)角。

將式(4)代入式(5)中，逆變器j熄弧角表可以進(jìn)一步表達(dá)為:

進(jìn)行簡化計算時，假設(shè)系統(tǒng)處于理想情況下，認(rèn)為換流母線裝有完善的濾波裝置，能夠使交流電壓波形不畸變保持完整正弦時，不計系統(tǒng)電抗，則換相電抗為換流變壓器的短路電抗，計算公式為:

將式(7)代入式(6)中，可以得到交流節(jié)點(diǎn)i發(fā)生三相短路故障時，逆變器j的熄弧角計算式:

設(shè)換流器最小熄弧角為γmin(大功率可控硅元件的去離子回復(fù)時間約為400 μs，考慮串聯(lián)元件誤差，則一般取換流閥最小熄弧角γmin=10°)，交流節(jié)點(diǎn)i發(fā)生三相金屬性短路接地故障時，若γj≤γmin，則第j回直流發(fā)生換相失敗。

3 仿真分析

采用PTI公司開發(fā)的PSS/E電力系統(tǒng)分析軟件中的動態(tài)仿真功能，對本文所提換相失敗臨界故障阻抗邊界計算方法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，直流系統(tǒng)采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。基于CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型，在IEEE-30節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)中分別以1-4、5-6為首末節(jié)點(diǎn)，建立兩饋入直流輸電系統(tǒng)。初始參數(shù)為:直流功率Pd10=Pd20=PdN=200 MW，直流電壓Ud10=Ud20=UdN=200 kV，換流母線線電壓UL10=146.37 kV，UL20=144.87 kV，換流變壓器漏抗百分比XK1%=XK2%=15%，換流變壓器變比為1，超前觸發(fā)角 β10= β20=38.4°，熄弧角 γ10= γ20=18.4°。

圖2 IEEE-30節(jié)點(diǎn)兩饋入直流系統(tǒng)

根據(jù)本文所述臨界故障阻抗邊界界定步驟，對IEEE-30節(jié)點(diǎn)混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上繪出兩饋入直流系統(tǒng)的臨界故障阻抗邊界，見圖2。

從圖3(a)中可知，24母線位于直流子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2的同時換相失敗區(qū)域內(nèi)，25母線僅位于直流子系統(tǒng)2的臨界故障阻抗邊界內(nèi)。從圖3(b)中可知，3母線位于直流子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2的同時換相失敗區(qū)域內(nèi)，9母線僅位于直流子系統(tǒng)2的臨界故障阻抗邊界內(nèi)。通過對24母線和25母線做三相短路故障仿真、對3母線和9母線做單相短路故障仿真，驗(yàn)證換相失敗臨界故障阻抗邊界計算方法的有效性。

假設(shè)t=2 s時，在24母線處發(fā)生三相金屬性短路接地故障，故障持續(xù)時間為100 ms，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 24母線故障仿真波形

假設(shè)t=2 s時，在25母線處發(fā)生三相金屬性短路接地故障，故障持續(xù)時間為100ms，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 25母線母線故障仿真波形

從圖3和圖4中可以看出:當(dāng)24母線處發(fā)生三相短路故障時，兩個直流系統(tǒng)傳輸功率均跌落為0，發(fā)生同時換相失敗;而25母線處發(fā)生三相短路故障時，直流子系統(tǒng)1傳輸功率僅發(fā)生小范圍跌落，只有直流子系統(tǒng)2發(fā)生換相失敗。由此可見，動態(tài)仿真結(jié)果與本文提出的臨界故障阻抗邊界法計算結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)本文提出的基于臨界故障阻抗邊界的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗判斷方法，以最小熄弧角為判據(jù)，可以快速準(zhǔn)確地判定系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地和單相短路接地故障時能夠?qū)е轮绷飨到y(tǒng)發(fā)生換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域。

(2)直流系統(tǒng)所連交流系統(tǒng)強(qiáng)度越小，其臨界故障阻抗邊界越大，即發(fā)生短路故障時能夠引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域越大;反之，受端系統(tǒng)強(qiáng)度越大，其臨界故障阻抗邊界越小。

(3)直流系統(tǒng)間互聯(lián)阻抗不變的情況下，系統(tǒng)強(qiáng)度的變化主要影響當(dāng)?shù)刂绷髯酉到y(tǒng)的臨界故障阻抗邊界，對其他直流子系統(tǒng)影響較小。

利用臨界故障阻抗邊界判斷多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的方法，可以清晰直觀地判斷和分析故障時能夠?qū)е轮绷飨到y(tǒng)換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域，可以廣泛用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和安全穩(wěn)定運(yùn)行評估，還可以直觀地體現(xiàn)交直流系統(tǒng)間的交互作用。

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