特高壓直流分層接入換相失敗電壓判斷與仿真

李 明,趙書濤,吳成堅,何夢媛,魏 瑤,孟 航

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

特高壓直流分層接入換相失敗電壓判斷與仿真

李 明,趙書濤,吳成堅,何夢媛,魏 瑤,孟 航

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

為了判斷分層接入模式下特高壓直流是否發(fā)生換相失敗，闡述了導(dǎo)致?lián)Q相失敗的原因，根據(jù)電壓跌落后最大直流電流對應(yīng)的熄弧角推導(dǎo)了發(fā)生換相失敗時的電壓臨界值，在CIGRE基礎(chǔ)上搭建了分層接入PSCAD的直流模型，用PSD-BPA在華東電網(wǎng)夏季運行方式下對錫盟-泰州逆變側(cè)進行了實際故障仿真，得到了直流電壓、熄弧角等曲線。仿真分析結(jié)果表明，特高壓直流換相失敗可以通過電壓瞬時跌落值來判斷，熄弧角曲線與理論計算值一致，用高低壓閥組兩個熄弧角的最小值來判斷是否發(fā)生換相失敗是正確的，推導(dǎo)的電壓閾值能為實際工程中換相失敗預(yù)測模塊的整定提供參考。

分層接入；換相失敗閾值；PSD-BPA；換相失敗預(yù)測

目前，隨著中國大規(guī)模西電東送和特高壓直流輸電容量不斷增大，電網(wǎng)接收大量清潔能源的同時也帶來了受端交流電網(wǎng)電壓支撐能力不足和近區(qū)的潮流疏散問題[1]。特高壓直流逆變側(cè)分層接入方式將逆變側(cè)高低壓閾組接入兩個不同電壓等級的交流電網(wǎng)，既增加了受端的電壓支撐能力，也改善了近區(qū)電網(wǎng)的潮流疏散[2-3]。分層接入模式的高低閥組采用獨立控制，交直流系統(tǒng)短路比更大，換相失敗的情況和單層接入不同。由于接入兩個電網(wǎng)，以單層接入的閾值判斷是否發(fā)生換相失敗已經(jīng)不符合實際。對換相失敗的研究主要集中在對后續(xù)控制保護問題的研究[4]、換相失敗的分析及其影響[5-6]等，而對分層接入換相失敗產(chǎn)生機理和其發(fā)生過程的研究比較少。本文根據(jù)單層閥組的換相公式，考慮分層接入的特點，分析了兩種換相失敗的發(fā)生過程，根據(jù)交流電網(wǎng)的耦合特性推導(dǎo)出了分層接入下的換相失敗時的臨界電壓值，并通過仿真算例進行了驗證，該閾值能為換相失敗預(yù)測(CFPREV)模塊整定提供參考。

1 分層接入下的換相失敗分析

1.1 分層結(jié)構(gòu)下?lián)Q相失敗的產(chǎn)生過程分析

分層接入下的換相失敗有兩種：一種是逆變側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生近端金屬性接地時，高低壓閥組的熄弧角都低于7°，會直接導(dǎo)致發(fā)生換相失敗；另一種是交流側(cè)發(fā)生遠(yuǎn)端故障時，故障側(cè)交流電壓下降幅度小，可能出現(xiàn)兩個閥組熄弧角小于7°和大于7°的情況。熄弧角小的閥組會先發(fā)生換相失敗，此閥直流側(cè)短路導(dǎo)致逆變側(cè)直流電壓降為一半。由于整流側(cè)電壓在故障瞬間不會發(fā)生突變，直流電流在整流和逆變側(cè)的巨大壓差下迅速升高，導(dǎo)致?lián)Q相角迅速增加，熄弧角降到7°以下，使這一閥組也發(fā)生換相失敗。假設(shè)鎖相環(huán)能無延時地鎖住電壓故障時的相位，控制系統(tǒng)延時的觸發(fā)脈沖角α不變，有以下公式：

(1)

將換相失敗分為兩個過程：在故障瞬間，平波電抗器、換相電抗的存在導(dǎo)致?lián)Q相電壓E突降時，電流不變，換相角在E的跌落瞬間突增一個角度；隨著逆變側(cè)直流電壓的降低，線路壓差增大，直流電流迅速增加導(dǎo)致?lián)Q相角繼續(xù)增加，當(dāng)直流電流達到最大值時，換相角也到達最大值。除去CFPREV等控制系統(tǒng)的作用，熄弧角在這時達到最小值，如果小于7°就會發(fā)生換相失敗。

1.2 分層結(jié)構(gòu)下發(fā)生換相失敗電壓閾值的確定

CIGRE-WEG-B4工作組定義了交互作用因子(HCIF)來衡量多饋入直流輸電對逆變側(cè)電網(wǎng)影響作用強弱的標(biāo)準(zhǔn)[7]，文獻[8]提出了受端分層接入兩個交流電網(wǎng)的相互間影響為分層交互作用因子(hierarchical connection interaction factor,HCIF)：受端一側(cè)的換流母線i因投入三相電抗器，使該母線電壓下降1%時，另一交流換流母線j的電壓變化率為分層交互作用因子，即

(2)

(3)

低壓換流閥母線電壓變?yōu)?/p>

(4)

分層接入方式下高低壓閥組串聯(lián)忽略閥壓降時，直流電壓為高低壓閥組的直流電壓的疊加，即

(5)

初始狀態(tài)逆變側(cè)高、低壓閥組的觸發(fā)超前角β0相同，整流側(cè)定電流控制逆變側(cè)定電壓，電壓快速跌落瞬間，整流側(cè)輸出的直流電壓尚未發(fā)生變化，有下式[9]：

(6)

聯(lián)立上式直流線路及逆變側(cè)換流閥上流過的最大瞬時直流電流為

(7)

根據(jù)單閥熄弧角公式，可得到逆變站高低壓閥組最小熄弧角為

(8)

當(dāng)熄弧角小于7°時，高低壓閥組會相繼發(fā)生換相失敗。當(dāng)逆變側(cè)所連兩個交流電網(wǎng)的電壓相互作用因子已知時，逆變側(cè)最大熄弧角同逆變側(cè)高壓閥組換流母線呈非線性的正相關(guān)，可通過某閥組電壓瞬時跌落幅值判斷是否會發(fā)生高低壓閥組的換相失敗，即

(9)

圖1 HVDC-CIGRE改造后的分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure after reformation of HVDC-CIGRE

2 仿真與分析

2.1 基于CIGRE_Benchmark的分層接入模型

2.1.1 基于CIGRE的分層接入模型的建立

為了研究分層接入方式下的換相失敗，以國際大電網(wǎng)會議提出的典型的CIGRE_Benchmark系統(tǒng)[11]為例，將逆變側(cè)修改為等值容量和參數(shù)的分層接入系統(tǒng)，兩交流系統(tǒng)通過理想變壓器和串聯(lián)阻抗進行連接：逆變側(cè)兩個交流電源電壓不變，阻抗變?yōu)樵瓉淼?倍；變壓器不變，額定功率由1000 MW變?yōu)?個500 MW，連接阻抗設(shè)為1 Ω，如圖1所示。

2.1.2γ計算值與測量值的對比分析

圖2 γ角輸出值與計算值的對比Fig.2 Comparison between output value of γangle and calculation

因為本例中電壓采用母線電壓測量值，而非開路母線電壓，所以圖2中的γ角曲線經(jīng)過補償后得到。在圖2中，前0.04 s 時，CIGRE在直流啟動階段受到VDCOL模塊的影響，計算出的γ值和測量值有5°左右的誤差。在0.06～0.1 s時的差距主要是由控制系統(tǒng)動態(tài)性能引起的。在0.1～0.3 s時，逐漸進入穩(wěn)態(tài)期，γ角與GMID吻合；故障發(fā)生后，在故障期間內(nèi)計算出的γ最小值與GMID幾乎吻合。由于γ角直接用電氣測量值計算，而GMID和GMIS需要經(jīng)過控制系統(tǒng)的延時，因此γ的波形超前于GMID和GMIS一定的角度。實際直流控制系統(tǒng)添加了極控與閥控的分層控制，會對GMID產(chǎn)生一定的影響，但是與γ差異不會偏差很大。上述分析表明，根據(jù)最大直流電流值推導(dǎo)出的分層接入結(jié)構(gòu)的最小熄弧角有一定的準(zhǔn)確性。

2.2 實際電網(wǎng)仿真

為了檢驗上述電壓判據(jù)在實際系統(tǒng)的適用性，本文對錫盟-泰州±800 kV特高壓直流輸電工程進行了仿真分析。采用錫盟-泰州特高壓直流工程建成后的華東電網(wǎng)2017年實際網(wǎng)架，使用PSD-BPA機電暫態(tài)仿真軟件[12-13]。錫盟-泰州的±800 kV/10 000 MW的特高壓直流雙極分層直流輸電工程的受端電網(wǎng)如圖3所示。泰州換流站正常運行時采用雙極全功率運行，其中正極和負(fù)極分別通過換流變將總功率的1/2送至華東1000 kV特高壓交流電網(wǎng)和500 kV的蘇北交流電網(wǎng)。直流模型采用PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中的新特高壓直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。

圖3 錫-泰特高壓直流分層接入逆變側(cè)地理接線圖Fig.3 Geographical wiring diagram of converter side under Ximeng-Taizhou UHVDC hierarchical access

由圖4(a)可知，當(dāng)接地電阻設(shè)為0.008 Ω時，高壓閥對應(yīng)的交流母線電壓最低值為0.83 p.u.，低壓閥組降到0.92 p.u.。由圖4(b)、(c)可知，高低閥的兩個熄弧角最小值為7.6°(大于7°)，直流功率最小值跌落至1100 MW；在故障電阻設(shè)為0.008 Ω時逆變側(cè)直流電壓雖然降低，但是直流功率不會降到零，未發(fā)生換相失敗。而電壓的最小值未降到臨界值0.745 p.u.，判斷并未發(fā)生換相失敗，這與實際仿真情況相同。

由圖5(a)可知，當(dāng)接地電阻設(shè)為0.003 Ω時，高壓閥對應(yīng)的母線電壓的最低值降至0.68 p.u.，低壓側(cè)的母線電壓的最低值降至0.8 p.u.。由圖5(b)、(c)可知，高低壓閥組的熄弧角最小值已經(jīng)跌至零，直流功率也跌至零，甚至發(fā)生了功率反送的異常情況，判斷高低壓閥組發(fā)生了換相失敗。而這時高壓閥組母線電壓的最低值已經(jīng)低于臨界值0.745 p.u.，根據(jù)判據(jù)認(rèn)為發(fā)生了換相失敗，這與仿真結(jié)果相同。同理，可以驗證另一側(cè)閥組故障時發(fā)生換相失敗的電壓臨界值。圖4和圖5的仿真結(jié)果，驗證了用電壓閾值判斷分層接入結(jié)構(gòu)下的特高壓直流逆變側(cè)是否發(fā)生換相失敗的正確性。

圖4 接地電阻0.008Ω時直流仿真波形Fig.4 DC simulation waveforms when ground resistance is 0.008 Ω

圖5 接地電阻0.003Ω時直流仿真波形Fig.5 DC simulation waveforms when ground resistance is 0.003 Ω

3 結(jié) 論

本文通過計算故障時最小熄弧角，得到了用電壓跌落閾值來判斷換相失敗的方法，并進行了仿真驗證，得到以下結(jié)論：

1)分層接入下兩個熄弧角有差異，通過對分層接入模式下?lián)Q相失敗的發(fā)生過程和不同熄弧角的分析，確定用高低壓閥組兩個熄弧角的最小值來判斷是否發(fā)生換相失敗是正確的。

2)傳統(tǒng)的換相失敗預(yù)測模塊啟動閾值為固定值，而分層接入下高低閥組耦合性相對較小，兩側(cè)故障引起的換相失敗電壓臨界值不同。當(dāng)采用傳統(tǒng)整定值時，過大會引起換相失敗，預(yù)測模塊的頻繁啟動會造成不必要的震蕩，過小會使得預(yù)測換相失敗失效。使用本文的計算方法分別得到高低壓閥組的兩個電壓跌落值，使換相失敗預(yù)測模塊啟動值更加合理。為了留有裕度，可以將電壓跌落閾值乘以一個系數(shù)作為最后整定值。

3)由電網(wǎng)實際仿真可知，在夏季平峰模式下，泰州側(cè)HCIF為0.54，1 000 kV特高壓相對于500 kV交流母線的電氣距離相對較近。增大1 000 kV交流網(wǎng)與500 kV交流網(wǎng)的電氣距離來降低HCIF，可以降低換相失敗的電壓閾值。

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(編輯 侯世春)

Voltage judgment and simulation of commutation failure under UHVDC hierarchical access

LI Ming,ZHAO Shutao,WU Chengjian,HE Mengyuan,WEI Yao,MENG Hang

(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

In order to judge whether the commutation failure occurs in UHVDC under the mode of hierarchical access,the reason of commutation failure is expounded and the voltage threshold at the time of commutation failure is deduced according to the maximum DC current after the voltage drop.Then a DC model of hierarchical access to PSCAD is established based on CIGRE,and the actual failure simulation on Ximeng-Taizhou inverter side is carried out on PSD-BPA under the operating mode of East China Power Grid in summer,thus receiving the curves such as DC voltage and the arc extinguishing angle.The simulation results show that the UHVDC commutation failure can be judged by the instantaneous drop of voltage,the arc extinguishing curve is consistent with the theoretical calculation and the minimum values of the two arc extinguishing angles of the high and low pressure valve sets can be used to determine whether it is correct that commutation failure occurs.Therefore,the deduced voltage threshold can provide a reference for the setting of commutation failure prediction module in the actual engineering.

hierarchical access; commutation failure threshold; PSD-BPA; commutation failure prediction

2017-06-10；

2017-07-10。

李 明(1991—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為特高壓直流輸電控制保護。

TM866

A

2095-6843(2017)04-0335-05