減少直流系統(tǒng)換相失敗措施的研究

于洋　楊勇　程寧　李浩

摘 要：高壓直流輸電常見故障之一是換相失敗故障。它將導(dǎo)致使直流電壓為零、逆變器直流側(cè)短路，直流電流增大、直流系統(tǒng)輸送功率減少，寧東-山東±660kV直流輸電工程是國(guó)家跨區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)工程，額定輸送功率4000MW，約占山東電網(wǎng)有功負(fù)荷的1/12，如果發(fā)生換相失敗，進(jìn)而引發(fā)直流閉鎖，將對(duì)山東電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來重大影響。若換相失敗后控制不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)后繼的換相失敗，最終導(dǎo)致?lián)Q流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側(cè)弱交流系統(tǒng)過電壓等不良后果。通過對(duì)換相失敗動(dòng)作原因分析，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)換相失敗邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：直流輸電系統(tǒng)；換相失敗；措施

引言

高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)最常見的故障之一是換相失敗，它是由逆變器多種故障所引起的，如丟失觸發(fā)脈沖、逆變器換流閥短路、交流系統(tǒng)逆變側(cè)故障等。通過對(duì)換相失敗保護(hù)動(dòng)作的分析研究，提出了相應(yīng)改進(jìn)措施，對(duì)膠東換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 換相失敗基本原理

1.1 換相失敗概念

在換流器中，在反向電壓期間換相過程未進(jìn)行完畢，則在閥電壓變成正向時(shí)，被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，或者退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，這種情況稱為換相失敗。

1.2 換相失敗機(jī)理分析

1.2.1 閥的特性

HVDC系統(tǒng)中的閥是一種可控電子開關(guān)，閥從關(guān)斷轉(zhuǎn)入導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：（1）承受正向電壓（換流閥陽極電壓高于陰極電壓）；（2）控制極對(duì)陰極加能量足夠的正向觸發(fā)脈沖，兩個(gè)條件必須同時(shí)具備，缺一不可。換流閥一旦導(dǎo)通，它只有當(dāng)流經(jīng)換流閥的電流為零時(shí)，它才能關(guān)斷（唯一的關(guān)斷條件），是靠外回路的能力來進(jìn)行關(guān)斷的。

1.2.2 換相過程

即閥5、6導(dǎo)通過渡為閥5、6、1導(dǎo)通，進(jìn)而過渡到6、1導(dǎo)通的過程。以閥5向閥1換相為例說明換相的過程，在整流器中，用α表示在閥1控制極上加觸發(fā)脈沖的時(shí)刻滯后的相位角稱為觸發(fā)延遲角/觸發(fā)角。對(duì)于逆變器，α>90度。換相過程所持續(xù)的時(shí)間，即導(dǎo)通閥開始導(dǎo)通的時(shí)刻，用μ表示如T1到被換向閥截止的這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度稱為換相角；用γ表示被換相閥截止時(shí)刻到其正向電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)之間的電角度稱為關(guān)斷角，或熄弧角。圖1中，T1表示導(dǎo)通閥1開始時(shí)刻，D5表示關(guān)斷閥5時(shí)刻。

用C1～C6表示自然換相點(diǎn)為換流器交流側(cè)相電壓的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)橋臂的編號(hào)相同下標(biāo)1～6。在一個(gè)工頻周期中持續(xù)導(dǎo)通120°+μ電角度的時(shí)間每個(gè)橋臂，繼而關(guān)斷240°-μ電角度的時(shí)間。相當(dāng)于六個(gè)可控的電子開關(guān)換流器實(shí)質(zhì)，按照一定的次序輪流的接到將它的直流側(cè)三相交流電源中的某兩項(xiàng)，從而相互變換完成交流電和直流電之間。

1.3 換相失敗保護(hù)判據(jù)

極保護(hù)測(cè)量換流器高壓側(cè)直流電流IDP，換流器中性線側(cè)直流電流IDNC，以及換流變閥側(cè)電流IacY、IacD。

保護(hù)判據(jù)為：

Y橋：Id-IacY>0.133pu+0.1*Id且IacY<0.65*Id（Y橋）；

D橋：Id-IacD>0.133pu+0.1*Id且IacD<0.65*Id（D橋）。

2 極Ⅰ換相失敗故障分析

某時(shí)刻，山東電網(wǎng)220kV瑯莊II線路發(fā)生故障跳閘，重合不成功，引起交流側(cè)電壓明顯波動(dòng)，導(dǎo)致膠東站雙極發(fā)生換相失敗告警，告警62ms左右復(fù)歸，未引起極控系統(tǒng)切換等嚴(yán)重后果。以極Ⅰ為例，進(jìn)行換相失敗告警分析。從波形上可以看出，由于交流側(cè)發(fā)生故障導(dǎo)致閥2應(yīng)關(guān)斷時(shí)卻未完全關(guān)斷，換流閥3-4向4-5換相時(shí)，通過閥2和閥5形成直流側(cè)短路，直到閥5換相至閥1后，直流短路消失，逐漸自行恢復(fù)正常。由于交流側(cè)電壓擾動(dòng)，最先引起C相電壓跌落，相電壓由正常303kV跌至243kV，導(dǎo)致雙橋換相時(shí)失敗。告警時(shí)刻，換流變Y/D閥側(cè)交流相電流，Ia約為1927A，Ib約為1901A， Ic約為1171A而直流側(cè)Id，約為4600A，根據(jù)保護(hù)判據(jù)公式，計(jì)算IacD為559.44A，I1=Id-IacD=4600-559.44=4040.56A；I2=0.133pu+0.1*Id=0.133×3030+0.1×4600=862.99A；I1大于I2。

由此，保護(hù)判據(jù)滿足，延時(shí)3ms，極Ⅰ極控A、B系統(tǒng)延時(shí)3ms發(fā)出換相失敗告警正確。根據(jù)故障錄波，告警經(jīng)過62ms復(fù)歸。

3 改進(jìn)措施

通過對(duì)根據(jù)膠東換流站投運(yùn)以來雙極換相失敗統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)雙極發(fā)生換相失敗的原因?yàn)椋航涣鱾?cè)系統(tǒng)故障，造成交流電壓波形畸變，交流線電壓過零點(diǎn)提前，因此針對(duì)上述情況，為防止連續(xù)換相失敗的發(fā)生，具體措施如下：

（1）優(yōu)化控制系統(tǒng)換向失敗預(yù)測(cè)功能，降低交流電壓變化和零序電壓變化定值，使得控制系統(tǒng)能夠提前精確檢測(cè)到交流電壓故障，啟動(dòng)增加熄弧角功能，防止受電壓波形畸變影響，線電壓過零點(diǎn)提前，造成換向失敗。

（2）取消換向失敗后直流電壓參考值瞬時(shí)值增加功能，防止換向失敗后發(fā)生連續(xù)換向失敗隱患。將上述經(jīng)過改進(jìn)前后控制功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真對(duì)比驗(yàn)證。經(jīng)過上述程序優(yōu)化后，按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況，在同樣交流系統(tǒng)的干擾下，上述改進(jìn)措施能夠有效抑制換流器換向失敗的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

不容忽視直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生換相失敗對(duì)電網(wǎng)的影響，換相失敗期間，正負(fù)半周很不對(duì)稱逆變器交流側(cè)線電流，即存在直流分量于交流電流中，這將引起變壓器空載損耗增加，造成換流變壓器的直流偏磁，甚至引起零序諧波，嚴(yán)重時(shí)使濾波器跳閘；甚至?xí)斐芍绷鏖]鎖，且發(fā)生連續(xù)換相失敗，則因此在對(duì)換相失敗相關(guān)邏輯程序優(yōu)化的同時(shí)，也可增加靜止無功發(fā)生器STATCOM對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，當(dāng)發(fā)生交流系統(tǒng)故障時(shí)，維持電壓的穩(wěn)定，可以降低直流系統(tǒng)從靜止無功發(fā)生器STATCOM對(duì)暫態(tài)反應(yīng)的靈敏度，而避免換相失敗的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：于洋（1986-），男，漢族，山東煙臺(tái)人，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司助理工程師，主要從事高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)等工作。