特高壓直流輸電系統(tǒng)逆變站換相失敗對整流站的影響及其保護配置策略優(yōu)化建議

禹佳，孫文，李琨，劉俊杰

(國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處，四川宜賓644000)

特高壓直流輸電系統(tǒng)逆變站換相失敗對整流站的影響及其保護配置策略優(yōu)化建議

禹佳，孫文，李琨，劉俊杰

(國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處，四川宜賓644000)

換相失敗是特高壓直流輸電系統(tǒng)最常見的動態(tài)故障之一。以賓(宜賓)—金(金華)特高壓直流發(fā)生的任一橋換相失敗造成的異常擾動為例，理論分析其成因，詳述換相失敗后整流側(cè)交流系統(tǒng)頻率、電壓、無功的暫態(tài)特性，進而研究對400 V負(fù)荷(主泵軟啟動器、外冷風(fēng)機、換流變壓器冷卻器)的后續(xù)影響;并試著剖析了區(qū)域電網(wǎng)間多回特高壓直流系統(tǒng)同時換相失敗對同一送端電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。最后結(jié)合CFPREV(換相失敗預(yù)測)邏輯模塊分析了宜賓站換相失敗保護策略，并提出合理的優(yōu)化建議。

特高壓直流輸電;暫態(tài)特性;多回直流;同時換相失敗;400 V負(fù)荷;CFPREV

0 引言

換相失敗是逆變器和交流系統(tǒng)故障發(fā)生后的物理過程。絕大多數(shù)換相失敗是由交流電壓擾動引起，并且在目前設(shè)備情況下是不可避免的，它因此成為區(qū)域性互聯(lián)直流輸電系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象之一。據(jù)全國換流站多年運行經(jīng)驗，換相失敗多發(fā)生在逆變側(cè)。如果換相失敗后控制不當(dāng)，會引發(fā)多次連續(xù)換相失敗，最終可能會導(dǎo)致直流傳輸功率的中斷。且在目前形勢下，特高壓直流系統(tǒng)大密度接入交流電網(wǎng)，直流輸電系統(tǒng)眾多，送出、流入的直流系統(tǒng)并存，交直流電網(wǎng)混聯(lián)，使得交直流系統(tǒng)間的影響應(yīng)該更受關(guān)注，因此研究換相失敗對直流輸電影響具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

1 換相失敗過程的理論分析

實際工程中，整流站和逆變站是12脈動換流閥，等效為兩個相位相差30°的6脈動橋。正常情況下觸發(fā)角與觸發(fā)越前角有如下關(guān)系［1］。

式中:β為觸發(fā)越前角;α為觸發(fā)角。

換相角μ的計算公式如式(2)。

式中:Id為直流電流;Xr為換相電抗;E為換相電壓;γ為熄弧角。換相角與觸發(fā)越前角和熄弧角的關(guān)系如式(3)所示。

在逆變器運行過程中，以閥V1對閥V3的換相過程為例，如圖1波形所示。

圖1 逆變器換相過程

如果閥V3觸發(fā)時刻P3的越前角β3不夠大，或換相角μ13較大，以致?lián)Q相結(jié)束后閥V1的熄弧角γ1小于關(guān)斷所需要的角度(時間)，則過了C6點后，由于閥V1元件內(nèi)還有剩余載流子，因此在正向電壓作用下即使不加觸發(fā)也會重新開通，閥V3已取得的電流又將倒換相到閥V1，倒換相結(jié)束時刻，閥V3關(guān)斷。

倒換相結(jié)束后逆變器仍有閥V1和閥V2導(dǎo)通著，如果沒有故障控制，仍按原來的次序觸發(fā)以后各閥，則在P4時刻閥V2與閥V4開始換相，這時由于閥V1和閥V4同時導(dǎo)通，造成了直流側(cè)短路。直到閥V6導(dǎo)通后，直流短路才消失，逆變器直流電壓開始逐漸恢復(fù)正常。如果閥V1和閥V3再次換相時不發(fā)生換相失敗的故障，就能自行恢復(fù)正常運行，可以計算出發(fā)生換相失敗到自行恢復(fù)，持續(xù)約100 ms以上，故障過程中逆變器反電壓下降歷時240°［1］。

因此，逆變器運行中熄弧角γ非常重要，它的大小將影響閥是否可以成功關(guān)斷。由上述分析及公式(3)，可以得知造成換相失敗的原因有:

1)逆變器的換相電壓下降。在觸發(fā)越前角β不變的情況下，換相電壓的降低增大了換相時間和換相角μ，從而使γ減小。

2)逆變器側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障。這種故障會引起作為換相電壓的交流線電壓的過零點移動;當(dāng)過零點前移時，γ角就減小。

3)直流電流Id增大，使換相所需時間增加，也就是相應(yīng)的換相角μ增大，所以γ也隨之減小。

4)觸發(fā)越前角β過小，整定的熄弧角γ過小，或者由于觸發(fā)脈沖異常(不觸發(fā)或誤觸發(fā))導(dǎo)致閥不能按正常次序進行換相。

2 逆變站換相失敗導(dǎo)致整流站異常擾動實例

夏季等大負(fù)荷運行期間，交流電網(wǎng)因跳閘、雷擊等原因極易出現(xiàn)擾動，造成逆變站換相失敗。自2014年7月3日至2015年7月3日受華東交流系統(tǒng)擾動影響，金華換流站共發(fā)生30多次換相失敗。

2.1 逆變站換相失敗對整流站直流系統(tǒng)的影響

逆變站出現(xiàn)換相失敗擾動時，查看整流站故障錄波，擾動時整流站的直流系統(tǒng)波形如圖2所示。

圖2 7月15日金華站換相失敗時宜賓站直流系統(tǒng)波形

通過以上故障錄波以及前面分析可知，換相失敗對直流的影響主要表現(xiàn)為:換相失敗發(fā)生時整流側(cè)直流電壓急劇降低、直流電流增加，整流側(cè)α角增大至73.6°，波動持續(xù)100 ms左右。

一般而言，逆變側(cè)電網(wǎng)的交流擾動時間相對于換相時間是較長的，同時在直流落點較多的華東地區(qū)直流與直流、直流與交流之間的電磁耦合及線路參數(shù)的不平衡是復(fù)雜多變的。目前特高壓直流是同塔雙回直流線路，當(dāng)一極發(fā)生擾動時，產(chǎn)生的暫態(tài)分量可能會影響到其他正常運行的另一極導(dǎo)線上。

一方面，同屬一回直流的一極直流線路故障，可能導(dǎo)致另一極發(fā)生換相失敗。比如:賓金直流極Ⅰ線路故障，可能會引發(fā)極Ⅱ換相失敗。

圖3 賓金直流極I發(fā)生故障導(dǎo)致極II發(fā)生雙橋換相失敗

另一方面，兩條直流受端落地點相距較近，電氣距離也近，若一條直流發(fā)生故障，可能會引發(fā)另一條直流發(fā)生換相失敗。比如:由于南橋站與奉賢站落地點較近，葛—南直流發(fā)生故障，可能會引發(fā)復(fù)—奉直流逆變側(cè)奉賢站發(fā)生換相失敗。

綜上所述，逆變側(cè)換相失敗會對整流側(cè)直流系統(tǒng)帶來如下影響:

1)逆變站發(fā)生換相失敗后，直流系統(tǒng)會出現(xiàn)電流過沖。整流側(cè)直流電壓急劇降低、直流電流增加，整流側(cè)α角增大，波動持續(xù)100 ms左右。

2)換相失敗后直流電壓下降嚴(yán)重、直流電流增加，造成的交流系統(tǒng)波動可能會引發(fā)雙橋換相失敗或連續(xù)換相失敗。

3)對于同塔雙回特高壓直流而言，因其復(fù)雜的電磁耦合及分布參數(shù)，若一極發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致另一極發(fā)生換相失敗。

4)對于直流落點密集的東部地區(qū)，若受端電網(wǎng)發(fā)生較為嚴(yán)重的故障，容易引發(fā)同一區(qū)域多條直流逆變站同時發(fā)生換相失敗，進而影響跨區(qū)域電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)。

2.2 逆變站換相失敗對整流站交流系統(tǒng)的影響

逆變側(cè)換相失敗時，整流站直流功率出現(xiàn)大范圍波動，受此影響整流站交流系統(tǒng)頻率和電壓也出現(xiàn)擾動。

2.2.1 換相失敗對整流站交流系統(tǒng)頻率的影響

換相失敗后，直流系統(tǒng)整流器吸收的有功功率會突然變化，這成為整流站交流系統(tǒng)頻率波動的擾動源。一般而言，整流側(cè)交流系統(tǒng)頻率波動大致可分為3個階段。

圖4 7月15日金華站換相失敗時宜賓站交流頻率特性

第1階段(T1－T2):直流系統(tǒng)換相失敗后，在整流器定電流控制器和VDCL等輔助控制器的作用下，直流系統(tǒng)功率逐漸降低，交流系統(tǒng)頻率上升;第2階段(T2－T3):換相失敗故障過程消失后，輸送功率迅速恢復(fù)，交流頻率逐漸降低;第3階段(T3以后):直流輸送功率逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)頻率逐步由暫態(tài)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。

2.2.2 換相失敗對整流站無功電壓的影響

同時，對直流系統(tǒng)而言，交流系統(tǒng)相當(dāng)于一個恒定的功率源，不僅要進行有功的傳遞，還要獲取足夠的無功來支撐換流閥的工作。正常情況下直流系統(tǒng)吸收的無功為

發(fā)生換相失敗后，隨著直流系統(tǒng)有功的突變，在相關(guān)控制器的作用下，整流站吸收的無功也會相應(yīng)發(fā)生邊變化。逆變站發(fā)生換相失敗后，整流站交流系統(tǒng)無功平衡遭到破壞，一般會經(jīng)過5個階段才能再次達(dá)到平衡。

圖5 7月15日金華站換相失敗時系統(tǒng)無功特性

第1階段(T1之前):由于換相失敗，系統(tǒng)有功短時間內(nèi)突變，整流站交流濾波器投切有個過程，導(dǎo)致系統(tǒng)無功來不及變化;第2階段(T1－T2):隨著交流濾波器的投切，整流站系統(tǒng)吸收的無功隨著有功的增大而增大;第3階段(T2－T3):在定電流控制器作用下，整流站吸收的無功隨著有功的減小而增大;第4個階段(T3－T4):在控制器及VDCL的作用下，整流站吸收的無功隨著有功的增大而減小;第5階段(T3以后):直流恢復(fù)過程中，整流站吸收的無功隨著有功的增大而增大，并恢復(fù)至正常水平。

由以上分析可知，換相失敗后，隨著直流系統(tǒng)有功的突變，整流站交流系統(tǒng)的無功也會發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致整流站交流系統(tǒng)無功平衡遭到破壞，進而會引起交流系統(tǒng)電壓波動。如7月15日錄波顯示宜賓站交流500 kV系統(tǒng)電壓最低至435 kV，最高至617 kV，擾動幅度在－13%～23.4%。

7月15日金華站發(fā)生換相失敗后整流站受500 kV系統(tǒng)影響，站用電系統(tǒng)也受到了明顯擾動，400 V母線電壓最低至314 V，最高至476 V，擾動幅度在－22%～19%，如圖7所示。

圖6 7月15日宜賓站500 kV母線電壓波形

圖7 7月15日宜賓站400 V母線電壓波形

其實換相失敗引起的交流擾動會影響到整流站400 V母線電壓并非偶然。表1匯總了數(shù)次換相失敗對整流站400 V電壓擾動。

表1 金華站換相失敗時宜賓站400 V母線電壓波動范圍

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，換相失敗對400 V電壓的擾動是客觀真實存在的;而400 V母線所帶的一些負(fù)荷，雖然屬于低壓設(shè)備，但卻與高壓直流輸電的安全穩(wěn)定運行息息相關(guān)。如若內(nèi)水冷主泵軟啟動器故障，可能會導(dǎo)致直流閉鎖的后果，因此，換相失敗對整流站400 V電壓的影響也是不容忽視的。表2是對宜賓站重要400 V負(fù)荷的定值梳理。

內(nèi)水冷系統(tǒng)主泵軟啟動器有直流過壓保護和欠壓保護，從表2可以看出內(nèi)水冷主泵軟啟動器設(shè)置有一段過壓定值438 V、延時2 s，設(shè)置有兩段欠壓定值分別為338 V、延時2 s;298 V、延時100 ms。當(dāng)換相失敗過程中，若400 V母線電壓擾動異常，將會造成軟啟動器過壓保護或欠壓保護正確動作。

表2 宜賓站重要400 V負(fù)荷定值保護單

極I外水冷風(fēng)機變頻器直流過壓保護定值為756 V，欠壓保護定值為320 V，換算成交流電壓，分別為560 V和237 V;即使考慮變頻器電壓測量誤差10%的情況，定值雖然可以躲過電壓波動，但也應(yīng)該加強監(jiān)視。極II外水冷風(fēng)機變頻器直流過壓保護定值為770 V，欠壓保護定值為405 V，換算成交流電壓，分別為570 V和300 V;若變頻器電壓測量有5%的誤差，在逆變站發(fā)生交流擾動時存在欠壓導(dǎo)致風(fēng)機變頻器故障的隱患。

換流變壓器冷卻器電源切換裝置電壓監(jiān)視繼電器過壓保護動作值440 V、返回值為418 V，欠壓動作值340 V、返回值357 V，保護延時均為100 ms。逆變站換相失敗引起交流電壓擾動時，換流變壓器兩路交流電源可能會出現(xiàn)故障，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器冷卻器全停。

綜上所述，換相失敗對整流側(cè)交流系統(tǒng)的影響如下:

1)逆變站換相失敗時間長度、時間點不同，對整流站交流系統(tǒng)的影響程度也不一樣，但受端電網(wǎng)交流擾動影響送端換流站的情況沒有改變;

2)逆變側(cè)發(fā)生換相失敗后，直流系統(tǒng)吸收的有功功率先減小后增大，整流側(cè)交流系統(tǒng)頻率經(jīng)歷一個先增大后減小的波動過程;

3)大負(fù)荷情況下若逆變站發(fā)生連續(xù)換相失敗，導(dǎo)致整流站交流電網(wǎng)異常波動，可能會使逆變和整流側(cè)雙雙發(fā)生換相失敗，這樣就有可能使逆變和整流側(cè)陷入互相擾動的惡性循環(huán)中;

4)對站內(nèi)400 V重要負(fù)荷電源定值整定時，除考慮備自投及過壓、欠壓保護外，還應(yīng)考慮換相失敗時對400 V母線電壓的交流擾動因素。

3 CFPREV邏輯介紹及保護策略優(yōu)化建議

3.1 換相失敗預(yù)測功能

通過第2節(jié)的分析可知，換相失敗故障對交、直流及站用電系統(tǒng)造成的影響是深遠(yuǎn)而惡劣的，也是不可避免的過程;即便如此仍希望有一種控制功能極早預(yù)測到換相失敗，以便服務(wù)于后續(xù)保護策略。換相失敗預(yù)測邏輯是專門針對交流電網(wǎng)故障的一種預(yù)防性控制功能，其主要目的是在交流系統(tǒng)輕微故障時避免換流器出現(xiàn)換相失敗等異常情況。預(yù)測器在檢測到扭曲的換相電壓時會立即命令增加熄弧角。在持續(xù)的換相失敗時，則會由換相失敗保護在預(yù)設(shè)的延時后啟動換流器跳閘。換相失敗預(yù)測邏輯如圖8所示［3］。

圖8 換相失敗預(yù)測邏輯

邏輯提供了3種檢測手段來進行換相失敗功能的預(yù)測，取3種檢測手段的最大值作為角的增量，具體說明如下:

1)將三相電壓相加求取零序電壓，如果零序電壓超過設(shè)定值則增加一定角度，該手段主要用于判別單相電壓故障。檢測A/B/C三相交流電壓，計算出零序電壓;當(dāng)零序電壓的絕對值大于電壓參考值時，認(rèn)為檢測到交流系統(tǒng)故障，并在之后的一段時間窗口內(nèi)，將零序電壓絕對值的最大值經(jīng)過增益系數(shù)計算輸出。

2)通過變換來檢測三相電壓故障。當(dāng)三相電壓均故障的情況下，變換輸出值小于穩(wěn)態(tài)情況下的變換輸出值。

當(dāng)矢量模變化時，經(jīng)過一定時間低通濾波后的矢量模與矢量模的差值大于參考值時，認(rèn)為檢測到交流系統(tǒng)故障，并在之后的一段時間窗口內(nèi)，將矢量模差值的最大值經(jīng)過增益系數(shù)計算輸出。其中，矢量檢測作為換相失敗預(yù)測的啟動檢測邏輯，只有在矢量檢測到交流電壓的波動(僅電壓跌落時不會啟動)后，才會開放換相失敗預(yù)測邏輯出口。

最后，將零序電壓檢測和矢量檢測的輸出取最大值，做進一步計算轉(zhuǎn)換為需增加的熄弧角，通過增加熄弧角來延長可控硅恢復(fù)正向電壓阻斷能力的時間，達(dá)到避免換相失敗的目的。

3)通過交、直流電流的比較來預(yù)測換相失敗。

3.2 換相失敗保護

以下分析均以賓金直流為例。賓金直流換流器保護配置圖如圖9所示。

圖9 賓金直流換流器保護配置圖

3.2.1 換相失敗保護判據(jù)

I_Dnom=5 000 A

I_Dmax=max(I_DCIP、I_DC2P、I_DCIN、I_DC2N)I_ Dmax－(I_VY max，I_VD max)＞［0．1×I_D max+ 0．07×I_Dnom］且0．65×I_D max＞(I_VY max，I_VD max)延時2 ms，展寬30 ms，任一橋換相失敗告警。

3.2.2 目前換相失敗保護配置策略

單橋換相失敗配置策略:Y橋或者D橋滿足判據(jù)，且二者不同時發(fā)生，并且沒有交流低電壓閉鎖時，延時660 ms，S閉鎖，即發(fā)生單橋換相失敗;延時40 ms或者檢測到換相失敗仍繼續(xù)，跳交流斷路器，延時410 ms，S閉鎖，即發(fā)生單橋換相失敗。

任一橋換相失敗保護配置策略:慢速段檢測展寬時間2.53 s，延時7.002 s，切換控制系統(tǒng);延時10.002 s，Y閉鎖，跳交流斷路器;快速段檢測展寬時間530 ms，延時1.802 s，切換控制系統(tǒng);延時2.602 s，Y閉鎖，跳交流斷路器。

3.3 換相失敗保護策略優(yōu)化建議

在目前策略下，結(jié)合特高壓直流實際運行情況可知，特高壓直流在4 000 MW功率以上時，若發(fā)生換相失敗引起2次功率波動后，系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定;但如果發(fā)生3次及以上類似功率波動過程后，電網(wǎng)有可能穩(wěn)定破壞。建議對換相失敗保護進行優(yōu)化。

1)建議直流運行在4 000 MW以上增加雙極換相失敗加速段。

2)建議極控檢測本極在運閥組均發(fā)生連續(xù)任一橋換相失敗，將本極動作信號置位并發(fā)給對極。極控檢測本極動作信號和對極動作信號同時滿足，閉鎖本極。

3)在增加雙極換相失敗加速段后，建議直流雙極功率高于4 100 MW，開放雙極換相失敗加速段跳閘功能;直流雙極功率低于4 000 MW，閉鎖雙極換相失敗加速段跳閘功能。

4 結(jié)語

以賓金直流換相失敗為例，分析了逆變側(cè)換相失敗對整流側(cè)交、直流系統(tǒng)的影響，提出以下建議:

1)任一橋發(fā)生換相失敗的保護策略及安穩(wěn)裝置的配合隨著電網(wǎng)的發(fā)展還有進一步研究優(yōu)化的空間。若閥組中任一橋發(fā)生換相失敗，為防止陷入互相擾動的惡性循環(huán)中，建議換相失敗保護定值加快閉鎖該閥組時間。

2)在目前的保護配置策略及安穩(wěn)裝置的配置策略下，若復(fù)奉、賓金、錦蘇特高壓直流同時換相失敗，直流系統(tǒng)被退回的有功功率會在同一送端電網(wǎng)(四川電網(wǎng))產(chǎn)生較大的擾動，影響安全穩(wěn)定運行。鑒于此，若檢測到多條特高壓直流同時發(fā)生換相失敗，建議對處于在同一送端的多條直流啟動安控裝置的同時進行遠(yuǎn)方切機。

3)直流系統(tǒng)在4 000 MW以上時，建議保護邏輯增加雙極換相失敗加速段程序。

4)建議直流系統(tǒng)中對400 V負(fù)荷(主泵軟啟動器、風(fēng)機變頻器、換流變壓器冷卻器)保護整定值考慮換相失敗導(dǎo)致的擾動因素。

5)在發(fā)生換相失敗后，建議送端電網(wǎng)降低系統(tǒng)的電氣量(頻率、電壓)的暫態(tài)波動幅度，這樣有利于直流系統(tǒng)快速恢復(fù)。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［2］劉振亞.特高壓電網(wǎng)(第1版)［M］.北京:中國經(jīng)濟出版社，2005.

［3］國網(wǎng)運行分公司編組特高壓直流換流站崗位培訓(xùn)教材:二次系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2012.

禹佳(1983)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術(shù);

孫文(1980)，本科，工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術(shù);

李琨(1985)，本科，助理工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術(shù);

劉俊杰(1989)，本科，助理工程師，研究方向為特高壓直流輸電技術(shù)。

Commutation failure is one of the most common dynamic faults in ultra－h(huán)igh voltage direct current(UHVDC) transmission system.Taking the abnormal disturbance caused by commutation failure on any bridge of Bin(Yibin)－Jin(Jinhua)UHVDC transmission system for example，the reasons are analyzed in theory，and the transient characteristics of frequency，voltage and reactive power of AC system in rectifier side after commutation failure are described in detail.Furthermore，the subsequent impact on 400 V load(soft starter for main pump，air cooling machine，cooler of converter transformer) is studied.And the influence of simultaneous commutation failure in multi－circuit UHVDC transmission system interconnecting regional power grids on the stability of the same power supply system is explored.Finally，combined with the logic module of CFPREV(commutation failure prediction)，the protection policy for commutation failure of Yibin station is analyzed and the reasonable optimization suggestions are proposed.

UHVDC transmission system;transient characteristic;multi－circuit UHVDC transmission system;simultaneous commutation failure;400 V load;CFPREV

TM72

A

1003－6954(2015)06－12－06

2015－08－21)