直流換相失敗原因及對(duì)策研究

劉 超潘 巖韓 偉

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，河南 鄭州 450051）

0 引言

為了加快轉(zhuǎn)變電力的發(fā)展方式，提升電網(wǎng)大范圍優(yōu)化配置資源的能力，國(guó)家電網(wǎng)公司提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著我國(guó)進(jìn)入特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)階段，“強(qiáng)直弱交”結(jié)構(gòu)中所呈現(xiàn)出的故障復(fù)雜化、全局化特征使換相失敗問(wèn)題日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約90%的換相失敗是由交流故障引起的［1］，而電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱、交流故障切除不及時(shí)也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相電壓出現(xiàn)波動(dòng)，極易引發(fā)換相失敗，從而導(dǎo)致直流閉鎖和功率波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)連鎖故障和電網(wǎng)失穩(wěn)，最終威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。2014年，華東電網(wǎng)某500 kV線路單相故障跳閘重合不成功，導(dǎo)致近區(qū)特高壓直流連續(xù)兩次換相失敗，對(duì)送端長(zhǎng)南線產(chǎn)生約1 600 MW的有功沖擊。綜上所述，提升對(duì)連續(xù)換相失敗的應(yīng)對(duì)能力，對(duì)維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換相失敗的抑制策略進(jìn)行了大量研究，并提出許多行之有效的方案，主要有改造換流器拓?fù)洌?］、增加輔助設(shè)備［4-5］和優(yōu)化控制保護(hù)策略［6-7］三類方法。從應(yīng)用效果來(lái)看，改造換流器拓?fù)淇捎行П苊庵绷鬏旊娤到y(tǒng)出現(xiàn)換相失敗，增加輔助設(shè)備和優(yōu)化控制保護(hù)策略雖在一定程度上提升了換相失敗的抵御能力，但改造換流器拓?fù)浠蛟黾虞o助設(shè)備存在著投資成本高等問(wèn)題，在工程上二者的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，而優(yōu)化控制保護(hù)策略只用調(diào)整軟件即可，經(jīng)濟(jì)性和可操作性的優(yōu)勢(shì)更為凸顯［8］。

1 換相失敗統(tǒng)計(jì)分析

1.1 換相失敗

換相失敗是晶閘管組成的半控型直流換流閥的固有特征。在換流器中，退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用下，一段時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，或在反向電壓期間換相過(guò)程未進(jìn)行完畢，導(dǎo)致在閥電壓變成正向時(shí)，被換相的閥將向原來(lái)預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，這種情況被稱為換相失敗。換相失敗是因換流閥應(yīng)關(guān)斷而未關(guān)斷，導(dǎo)致直流側(cè)短路、交流側(cè)開(kāi)路，從而導(dǎo)致功率出現(xiàn)波動(dòng)。從本質(zhì)上講，換相失敗是由晶閘管是半控型器件這一特性造成的，在現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法完全避免。

1.2 某換流站換相失敗統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某換流站自2005年投運(yùn)以來(lái)，共發(fā)生換相失敗285次，平均每年發(fā)生16.8次，且均為單次換相失敗，并未發(fā)生因連續(xù)換相失敗而導(dǎo)致的直流系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)事件。

對(duì)造成換相失敗的直接原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在285次換相失敗中，263次換相失敗是由站外線路跳閘或交流系統(tǒng)擾動(dòng)造成的，占比為92.3%；21次換相失敗是由站內(nèi)220 kV并聯(lián)電容器投入造成的，占比為7.4%；1次換相失敗是由控保系統(tǒng)故障導(dǎo)致，占比為0.3%。由此可以看出，交流系統(tǒng)故障是引發(fā)該換流站換相失敗的主要原因。

2 換相失敗的影響因素

換相失敗本質(zhì)上是由外部或內(nèi)部因素導(dǎo)致逆變器關(guān)斷角γ過(guò)小，未在線電壓由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)完全關(guān)斷晶閘管操作，出現(xiàn)倒換相現(xiàn)象［9-10］。

關(guān)斷角γ的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：UL為逆變側(cè)交流系統(tǒng)線電壓；Id為直流系統(tǒng)電流；β、γ分別為逆變器的超前觸發(fā)角、關(guān)斷角；Xc為從電源到換流器之間的等值電抗，主要由換流變漏抗組成，為固定值。

2.1 交流系統(tǒng)電壓

為了評(píng)估交流系統(tǒng)電壓的變化對(duì)換相失敗的影響，定義換相面積為換相電壓UL在換相角μ（超前觸發(fā)角β至關(guān)斷角γ）期間對(duì)時(shí)間的積分，剩余換相面積為換相電壓UL在關(guān)斷角γ至最小關(guān)斷角γmin期間內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，換相面積裕度為剩余換相面積與換相面積的比值（見(jiàn)圖1）。當(dāng)剩余換相面積或換相面積裕度小于0時(shí)，則換流閥會(huì)換相失敗。

圖1 換相面積示意圖

換流母線電壓暫降和畸變是影響換相面積的兩大因素。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓降低，從而導(dǎo)致?lián)Q相過(guò)程直接加長(zhǎng)，在觸發(fā)角不變的前提下，造成換相角μ增大、關(guān)斷角γ減小，剩余換相面積減小，如圖2（a）所示；當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓畸變時(shí)，會(huì)使電壓過(guò)零點(diǎn)前移，從而導(dǎo)致最小關(guān)斷角γmin直接前移，剩余換相面積相應(yīng)減小，如圖2（b）所示。

圖2 交流電壓變化對(duì)換相面積的影響

2.2 直流電流

在換相電壓相同的前提下，直流電流越大，換相時(shí)直流電流減小到0所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，即換相角μ越大，在超前觸發(fā)角β一定的情況下，會(huì)使關(guān)斷角γ減小，剩余換相面積減小。換言之，直流電流越大，抵抗交流系統(tǒng)故障的能力越小，也越容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

2.3 超前觸發(fā)角

超前觸發(fā)角β增大（即提前觸發(fā)），關(guān)斷角γ也隨之增大，換相面積也會(huì)相應(yīng)增大。

綜上所述，換相電壓暫降或畸變、直流電流增大、換流器觸發(fā)異常等都會(huì)造成剩余換相面積減小，當(dāng)剩余換相面積小于0時(shí)將出現(xiàn)換相失敗。

3 換相失敗的抑制措施

該換流站自投運(yùn)以來(lái)，換相失敗基本是由換流母線電壓跌落或畸變引起的，加強(qiáng)交流系統(tǒng)是有效避免換相失敗頻發(fā)的根本措施。控制系統(tǒng)影響換相的唯一因素就是觸發(fā)時(shí)刻，優(yōu)化控制參數(shù)可小幅度提高對(duì)換相失敗的抵御能力。

為了抑制該換流站頻發(fā)換相失敗，本研究提出加強(qiáng)交流系統(tǒng)支撐、優(yōu)化并聯(lián)電容器組的投入方式、優(yōu)化直流控制參數(shù)等應(yīng)對(duì)措施。

3.1 加強(qiáng)交流系統(tǒng)支撐

為避免交流系統(tǒng)故障造成的換相失敗，從系統(tǒng)角度考慮，提出了以下兩種方案。

3.1.1 新建調(diào)相機(jī)方案。在該換流站內(nèi)部新建1臺(tái)100 MVA的調(diào)相機(jī)，其約為該換流站額定容量的28%。該方案雖不能增加與主網(wǎng)電氣的聯(lián)系，但母線短路的容量增加，有利于提高該換流站抵御系統(tǒng)故障電壓擾動(dòng)的能力。

3.1.2 交流側(cè)改接入500 kV系統(tǒng)。在換流站內(nèi)部新建1組聯(lián)絡(luò)變壓器，容量為450 MVA，電壓為525/230 kV，將原有的220 kV交流出線斷開(kāi)。該方案將該換流站改接入500 kV系統(tǒng)中，使該換流站與區(qū)域220 kV系統(tǒng)的電氣距離變大，有利于提高該換流站抵抗系統(tǒng)故障電壓擾動(dòng)的能力。

3.2 優(yōu)化并聯(lián)電容器組投入方式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該換流站站內(nèi)220 kV并聯(lián)電容器投入導(dǎo)致的換相失敗占比為7.4%。并聯(lián)電容器組投入時(shí)會(huì)對(duì)換流母線的電壓造成沖擊，建議該換流站的交流濾波器組開(kāi)關(guān)加裝選相合閘裝置，以減小合閘對(duì)換流母線電壓的沖擊，從而降低換相失敗的發(fā)生概率。

3.3 優(yōu)化直流控制參數(shù)

3.3.1 優(yōu)化定關(guān)斷角控制器參數(shù)。將正常運(yùn)行的定關(guān)斷角控制器的關(guān)斷角γ的參考值提高1°～2°。該換流站在正常運(yùn)行時(shí)，逆變側(cè)采用定關(guān)斷角的控制方式，關(guān)斷角定值γ=17°，換相時(shí)超前觸發(fā)角β=37°。根據(jù)換相面積的概念，提高關(guān)斷角γ可增大換相面積裕度，從而降低換相失敗發(fā)生的概率。另外，考慮到要提高關(guān)斷角會(huì)造成無(wú)功損耗的加大等，關(guān)斷角的參考值不宜設(shè)置過(guò)大，建議將正常運(yùn)行的關(guān)斷角參考值提高1°～2°。

3.3.2 優(yōu)化換相失敗預(yù)測(cè)控制（CFPREV）參數(shù)。換相失敗預(yù)測(cè)控制用于防止由交流故障引起的換相失?。?1-12］。包括采用零序檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)單相故障和采用交流電壓α/β轉(zhuǎn)換來(lái)檢測(cè)三相故障。為了提高直流連續(xù)換相失敗的抑制能力，可將換相失敗預(yù)測(cè)控制（CFPREV）環(huán)節(jié)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。降低換相失敗預(yù)測(cè)控制的電壓門(mén)檻值，可在檢測(cè)到故障時(shí)能更快啟動(dòng)，在故障引起換流母線電壓降低或畸變初期就介入觸發(fā)角控制；增大換相失敗預(yù)測(cè)控制的增益系數(shù)，在相同擾動(dòng)的沖擊下，可提高換相失敗預(yù)測(cè)控制啟動(dòng)后逆變側(cè)觸發(fā)角的躍變幅度，在故障引起換流母線電壓降低或畸變的早期就大幅度增加換相裕度。

4 效果分析

從具體措施、應(yīng)用效果、缺點(diǎn)和不足等方面出發(fā)，對(duì)換相失敗的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同換相失敗應(yīng)對(duì)措施效果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)某換流站自投運(yùn)以來(lái)發(fā)生的285次換相失敗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并基于換相面積理論來(lái)分析換相電壓等因素造成換相失敗的機(jī)理。為提高該換流站換相失敗的應(yīng)對(duì)能力，本研究提出加強(qiáng)交流系統(tǒng)支撐、優(yōu)化并聯(lián)電容器投入方式和優(yōu)化直流控制參數(shù)等措施來(lái)應(yīng)對(duì)換相失敗。經(jīng)對(duì)比分析，加強(qiáng)交流系統(tǒng)支撐的應(yīng)用效果雖好，但要進(jìn)行一次系統(tǒng)改造，投資大、改造工期長(zhǎng)，投入產(chǎn)出比不高；優(yōu)化并聯(lián)電容器組投入方式和直流控制參數(shù)具有良好的應(yīng)用效果，建議結(jié)合該換流站的年度檢修對(duì)其進(jìn)行改造。