特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述

戈鵬

（國網(wǎng)內蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

高壓直流輸電具有線路造價低、傳輸功率調節(jié)迅速、能夠實現(xiàn)非同步交流電網(wǎng)互聯(lián)等諸多優(yōu)勢，在遠距離、大容量輸電方面應用廣泛。換相失敗會縮短換流閥運行壽命，將工頻交流引入直流回路中，引起諧振過電壓，還會造成直流傳輸功率波動。連續(xù)換相失敗的發(fā)生可能導致直流閉鎖，造成大范圍停電事故。因此，深入研究換相失敗的發(fā)生機理、影響因素，進而采取措施抑制換相失敗的發(fā)生，對電網(wǎng)安全可靠運行意義重大。

一、換相失敗機理分析

在換流器中，當2 個橋臂之間換相結束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內，如果未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程未能完成，這2 種情況在閥電壓轉變?yōu)檎驎r被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，這一現(xiàn)象稱為換相失敗。本章從器件和系統(tǒng)兩方面分析換相失敗機理，最后給出關斷角穩(wěn)態(tài)計算公式和換相失敗判斷依據(jù)。

（一）器件原因——晶閘管的物理特性

LCC 由晶閘管組成，晶閘管的物理特性是導致?lián)Q相失敗的器件原因。晶閘管為PNPN 四層半導體結構，具有如下特性。

1）當晶閘管承受正向電壓且門極有觸發(fā)電流時晶閘管能夠開通。2）晶閘管導通后，門極就失去了控制作用，若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降至零值附近。晶閘管特殊的PN 結結構使其關斷存在一個過程。在晶閘管關斷時間內，如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管將不受門極控制重新正向導通，晶閘管的這一物理特性是換相失敗發(fā)生的器件原因，也是根本原因。由于晶閘管的物理特性無法改變，基于LCC 的高壓直流輸電系統(tǒng)無法徹底避免換相失敗，只能通過控制保護、增加額外設備等措施降低換相失敗發(fā)生的可能性。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于單個晶閘管的額定電壓、電流遠小于直流系統(tǒng)額定電壓、電流，通常將多個晶閘管串聯(lián)和并聯(lián)組成閥組，再由閥組連接成換流器。直流系統(tǒng)中閥的關斷時間在400μs 左右，對應電角度約為7°，這個角度也稱為閥的最小關斷角γmin。

（二）系統(tǒng)原因——交直流系統(tǒng)電氣量不滿足可靠換相條件

由于整流側和逆變側換流器觸發(fā)角不同，整流側的電氣量一般能夠滿足可靠換相條件，換相失敗多發(fā)生于逆變側。在實際系統(tǒng)中常通過測量關斷角大小判斷換相失敗是否發(fā)生。

二、采用適當?shù)目刂票Ｗo方法

當逆變側發(fā)生故障使得換流母線電壓降低時，容易引發(fā)換相失敗。因此，對換相失敗進行預測或快速檢測交流故障，可使LCC-HVDC 及時采取適當?shù)膿Q相失敗預防措施，降低換相失敗概率或防止發(fā)生連續(xù)換相失敗，幫助系統(tǒng)更快地從故障中恢復。

（一）換相失敗預測技術

隨著對LCC-HVDC 換相失敗問題研究的不斷深入，目前已有較為實用的換相失敗預測技術，且其中一些已在工程中得到實際應用，另外一些可作為未來換相失敗預測方法的技術儲備或改進方向。對于換相失敗而言，關斷角的大小起決定性作用，關斷角是判斷逆變站發(fā)生換相失敗與否最直接的狀態(tài)量。因此，可以通過比較實際角是否大于最小關斷角min 來判斷換相失敗的發(fā)生。但在實際工程中，準確測量角非常困難，所以通常會通過其他預測技術來判斷LCC-HVDC 是否發(fā)生換相失敗。

（二）臨界電壓跌落法

臨界電壓跌落法通過比較故障時換相電壓跌落值與臨界電壓跌落值的大小來判斷是否會發(fā)生換相失敗。

三、換相失敗影響因素分析

（一）最大換相提供面積

換相電壓和積分時刻是最大換相提供面積的主要影響變量，因此可將最大換相提供面積的影響因素分為三類。缺額換相面積表示由于影響因素變化而缺失的換相面積；增補換相面積表示影響因素變化后為完成換相過程而增加的換相面積；不變換相面積則表示影響因素變化前后換相面積保持不變的部分；虛線面積表示影響因素變化前后最大換相提供面積的減小量。直流電流與換相電抗是換相需求面積的主要影響變量，且由于換相電抗為固定參數(shù)，故換相需求面積主要由暫態(tài)直流電流決定。換相需求面積與直流電流大小成正比。當直流系統(tǒng)所傳輸?shù)姆€(wěn)態(tài)功率越大時，其穩(wěn)態(tài)直流電流也越大，直流閥組完成換相過程所需要的關斷面積也越大，因此在這種工況下直流更容易發(fā)生換相失敗。

（二）多饋入直流結構對換相失敗的影響

多饋入結構給交直流混聯(lián)系統(tǒng)的換相失敗問題帶來了新的變化。多饋入直流中某一直流的本地換相失敗問題，但由于多饋入直流系統(tǒng)中直流逆變側不同層閥組間以及不同直流間均存在電氣耦合，系統(tǒng)暫態(tài)特性更為復雜，因而多饋入直流系統(tǒng)中除了故障端閥組的首次、后續(xù)換相失敗問題外，還增加了非故障端閥組的并發(fā)換相失敗問題。多饋入結構對并發(fā)換相失敗的影響因素可以大致分為以下幾個方面。

1.諧波分量耦合

諧波傳遞也是造成多饋入直流系統(tǒng)并發(fā)換相失敗的重要原因。但是諧波因素所產(chǎn)生的影響往往很難準確預知和計算，由此也給工程中的換相失敗分析和控制帶來了較大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段有部分研究基于實驗現(xiàn)象分析了多饋入直流系統(tǒng)中的諧波耦合規(guī)律。文獻指出，由于諧波分量的影響，多饋入直流系統(tǒng)中存在異常換相失敗的現(xiàn)象，即遠端直流發(fā)生同時換相失敗的可能性曲線會隨故障程度增加先增加、后減少、再增加，但文獻沒有進一步分析故障程度不同引起諧波分量變化的具體機理。文獻指出，濾波器的投切作業(yè)可能會引起諧波不穩(wěn)定問題，且由于多饋入直流系統(tǒng)的運行方式較多，濾波器的投切動作組合也較多，在某些工況下會使得諧波分量振蕩放大導致多饋入直流發(fā)生同時換相失敗。但同樣的，文中并沒有給出引發(fā)諧波不穩(wěn)定問題的定量分析。通過傅里葉分解對暫態(tài)過程中換相電壓的諧波分量進行了定量分析，指出低次諧波是造成多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的重要原因，給出了諧波因素的理論分析思路，但方法所依賴的傅里葉分析在工程中缺乏實用性。為增強傅里葉分析在工程中的實用性，文獻提出了滑動窗口傅里葉分析方法，為工程中的諧波分析提供了具有應用價值的解決思路。相較于諧波產(chǎn)生機理的研究，工程中更關注如何采用準確有效的方法對換相電壓的諧波含量進行實時監(jiān)控分析，從而為換相失敗預防控制提供有效指導。因此現(xiàn)階段多饋入直流系統(tǒng)換相失敗研究中，諧波因素的工程實用化分析方法仍是研究中的重點與難點問題。

2.特殊結構影響

在多饋入直流系統(tǒng)中存在分層以及多端單層的特殊結構，其不同饋入端之間的換相失敗耦合作用機制更為復雜。分層及多端單層結構中直流逆變側不同層閥組分別設置了獨立的閥組級控制系統(tǒng)，由于其饋入端交流系統(tǒng)故障暫態(tài)特性不同，其控制響應也不盡相同，在某些情況下控制響應的配合不當會引起非故障層發(fā)生同時換相失敗。例如，由于非故障層交流電壓跌落較輕，其CFPREV 不啟動，但受直流電流增大影響，可能導致其發(fā)生同時換相失敗[33]。除此之外，分層和多端單層結構中逆變側。

閥組為串聯(lián)結構，流過高低端閥組的直流電流是相同的，當某端交流側發(fā)生故障引起故障層閥組換相失敗后，會使直流電流增大并引入諧波分量。當直流電流或諧波分量的大小達到一定程度后可能會引發(fā)非故障層閥組發(fā)生同時換相失敗。目前鮮有研究從此角度對多饋入直流換相失敗進行分析，其具體的影響作用規(guī)律有待進一步探究。

四、換相失敗抑制措施

（一）首次換相失敗的抑制措施

首次換相失敗的主要影響因素包括換相電壓降落幅值、幅值變化速率、故障發(fā)生時刻以及直流電流。由于首次換相失敗發(fā)生的快速性，無功補償裝置和直流控制系統(tǒng)難以在交流系統(tǒng)故障發(fā)生后的極短時間內提高換相電壓幅值或降低直流電流。而交流系統(tǒng)故障發(fā)生時刻具有隨機性，從故障發(fā)生隨機性的角度也難以給出相應的抑制措施。

（二）后續(xù)換相失敗的抑制措施

由于逆變側交流系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時任何措施都無法避免后續(xù)換相失敗，因此，首要問題是盡快切除故障，這也是從電網(wǎng)側抑制后續(xù)換相失敗的最有效措施。此外，后續(xù)換相失敗可以通過電網(wǎng)側進行無功補償和直流系統(tǒng)的調節(jié)控制。

（三）基于觸發(fā)角的抑制方法

現(xiàn)有基于觸發(fā)角控制的換相失敗抑制方法主要是當檢測到可能會引發(fā)換相失敗的交流故障時，按照預設的規(guī)則減小逆變器延遲觸發(fā)角，從而實現(xiàn)提前觸發(fā)。文獻提出的換相失敗預防控制策略廣泛應用在高壓直流輸電工程中，當故障檢測分量超出其閾值時，啟動提前觸發(fā)控制，并將差值轉換為觸發(fā)角的提前量。有提前觸發(fā)換流器時的電壓波形如圖8 所示?？梢娞崆坝|發(fā)能使預計關斷的換流閥在換相過程中承受更大的反向電壓時間面積，有利于換相。然而，提前觸發(fā)也存在一些諸如增大電氣應力、增大無功損耗等不利影響。

（四）基于全控型器件的抑制方法

換相失敗的物理本質是晶閘管缺乏自關斷能力，而采用可以自關斷的全控型器件如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）可以從根本上避免換相失敗的問題?；谌匦推骷膿Q流器如電壓源換流器具有靈活可控的優(yōu)點，完全避免換相失敗的問題。但是采用全控型器件的高壓直流輸電系統(tǒng)建設成本較高，另外電壓等級和傳輸容量受限。因此，在一個相當長的時期內，LCC-HVDC 在遠距離、大容量輸電中的地位仍然無法被取代。可以采用折中型方案，送端整流側采用基于LCC 的換流站，受端逆變側采用基于電壓源換流器的換流站。構建混合直流輸電系統(tǒng)，避免換相失敗的問題。文獻在換流閥和換流變之間串聯(lián)了基于IGBT 器件構成的全橋模塊，其能夠根據(jù)系統(tǒng)的運行工況動態(tài)調節(jié)子模塊的輸出電壓，促進換相過程的順利完成，提高換流閥的換相失敗抵御能力。

（五）基于交流保護優(yōu)化的抑制方法

基于交流保護優(yōu)化的抑制方法（Lc）現(xiàn)有換相失敗的研究對交流保護造成的后續(xù)換相失敗考慮較少。交流故障發(fā)生后，按照現(xiàn)有直流控制系統(tǒng)邏輯，容易引發(fā)直流閉鎖。而交流保護對故障進行切除后，直流系統(tǒng)尚不能恢復正常運行。交流保護中，方向元件、重合閘、死區(qū)保護與失靈保護都有可能使得高壓直流從首次換相失敗演化為連續(xù)換相失敗。文獻分析了換相失敗后直流系統(tǒng)對差動保護的影響。分析結果表明高壓直流換相失敗可能會造成區(qū)內故障時制動量大于動作量，引發(fā)保護的拒動。而通過僅基于幅值的判據(jù)能很好地識別區(qū)內故障，通過與傳統(tǒng)的差動保護判據(jù)相配合，可以避免差動保護據(jù)動。從而可以清除故障，避免連續(xù)換相失敗的發(fā)生。

結論

晶閘管關斷時間內無法阻斷正向電壓是換相失敗發(fā)生的器件原因，交流系統(tǒng)電氣量不滿足可靠換相條件是換相失敗發(fā)生的系統(tǒng)原因。換相失敗主要由逆變側交流系統(tǒng)故障引起，按照換相失敗發(fā)生次序，換相失敗可以分為首次換相失敗和后續(xù)換相失敗2 種，不同換相失敗情況影響因素不同，相應的有效抑制措施也不同。