直流輸電整流器閥故障特征研究

孫福成 周 力

(丹東供電公司，遼寧丹東 118000)

0 引言

自從1954年，世界上第一個直流輸電工程(瑞典本土至Gotland島的20 MW，100 kV，95 km的海底直流電纜輸電工程)投入運營，直流輸電技術的商業化運行已有五十多年的歷史[1]。隨著能源開發、電能傳輸以及電力系統規模不斷擴大，采用直流輸電的必要性與日俱增。同時，由于高壓直流輸電自身所具有的巨大優勢[1-3]，高壓直流輸電在我國得到了飛速發展。

高壓直流輸電系統包括換流器、直流輸電線路和換流站內的交流部分。換流器是整個直流輸電系統的核心，對其故障要高度重視[4]。

本文研究整流器的閥故障，包括誤開通和不開通故障，并且在PSCAD/EMTDC環境下做了仿真研究，分析了這兩種故障的影響。

1 系統模型

PSCAD/EMTDC仿真環境下的高壓直流輸電系統的模型由換流變壓器、交流濾波器、平波電抗器、直流輸電線路以及兩側相應的控制系統構成。該系統圖如圖1所示，系統額定值為直流電壓500 kV，直流功率1 000 MW，直流電流2 kA，為12脈動單極系統，基本控制方式是:整流側由定電流控制和αmin限制兩部分組成;逆變側配有定電流控制和定關斷角(γ0)控制[4]。

2 換流閥故障原理分析

2.1 不開通原理

閥不開通故障是由閥門極控制回路的故障導致觸發脈沖丟失引起。如圖2所示，以整流側換流器閥V3丟失脈沖為例，由于閥V3不開通，使得原來將要退出的閥V1繼續開通，直到閥V4開通，發生直流短路，直流側電壓為零，這一過程一直持續到閥V5開通，直流電壓恢復，歷時120°。逆變側不開通故障比整流側更為嚴重。當觸發脈沖連續丟失時，會導致直流電壓和電流的嚴重振蕩。

2.2 誤開通原理

誤開通即換流站閥在應處于正常阻斷狀態時間內出現了非正常導通現象。

整流器的閥在阻斷期間的大部分時間承受著反向電壓，閥在承受正向電壓的時間內，如果受到過大的正向電壓上升率的作用，或閥的控制極觸發回路發生故障，都有可能造成閥的誤開通[4]。單橋逆變器等效電路圖見圖3。

3 仿真結果及分析

因為對于雙極高壓直流輸電系統，當其中一極發生故障時，另一健全極仍可運行[5]。對于實際高壓直流輸電系統而言，雙極同時發生故障的可能性較小。因此，以單極高壓直流輸電系統整流器發生閥的不開通和誤開通故障為研究對象。由于換流變壓器接線方式對這兩種故障的分析結果影響很小，因此，考慮Y/D接線方式換流變壓器對應的換流器發生誤開通和不開通。故障觸發脈沖設置如圖4a)，4b)，4c)所示。

3.1 單次不開通

在高壓直流輸電系統正常運行狀況下，整流側Y/D接線換流變壓器對應的六脈動橋閥V3丟失觸發脈沖，導致不開通，故障仿真波形如圖5所示。

當整流器閥V3丟失觸發脈沖時，造成閥V1，V3換相失敗，閥V3不能正常開通，閥V1繼續開通，閥V3承受正向電壓，如圖5a)所示與文獻[1]的分析一致。之后，閥V4導通，形成直流短路，故障過程一直持續到閥V5觸發導通后，故障過程結束。

故障過程中，由于整流側閥的不開通，導致換相失敗的發生，整流側直流電壓下降，如圖5b)所示，導致整流側電流下降，使得逆變側電流下降。由于直流電壓電流的降低，直流系統輸送功率降低，會造成整流側交流電壓上升，逆變側交流電壓下降。

控制系統動作，在整流側，降低定電流控制的觸發角整定值(見圖5c))，來提高直流電流，實現定電流控制;逆變側取定電流控制和定關斷角控制整定值中較大的一個作為控制系統整定的觸發越前角。

故障過程中，逆變側始終為定關斷角控制。逆變側由于換相電壓下降，造成換相角增大，為維持定關斷角控制，由式δ=β－γ可知，逆變側觸發越前角整定值增大，以實現定關斷角控制，如圖5d)所示。

在整流側閥不開通的整個故障以及故障恢復的過程之中，高壓直流系統沒有出現大的過電壓和過電流情況，電壓、電流最大為 1.15 pu。

3.2 連續不開通

在正常運行工況下，整流站發生連續丟失觸發脈沖故障，導致連續的不開通故障。故障脈沖設置如圖4b)所示。

當整流側發生觸發脈沖連續丟失時，發生換相失敗，造成直流側短路。其故障開始階段與單次不開通故障的故障過程相同。當連續丟失脈沖時換相失敗故障重復發生，引起線路上電壓和電流的波動，影響高壓直流輸電系統功率的傳輸。波形如圖6所示。

3.3 誤開通

由于高壓直流輸電系統的整流側閥在大部分的時間內承受的都是反向電壓，因此，整流側閥的誤開通故障，只是相當于故障閥的觸發角提前，對整個高壓直流系統電壓和電流的影響及對系統控制的影響都非常小。閥電壓見圖7。

4 結語

本文在PSCAD/EMTDC仿真環境下，研究了高壓直流輸電系統整流器閥的不開通故障和誤開通故障，對故障過程及控制策略進行了分析，并得到以下結論:

1)整流器閥的單次不開通故障，會引起高壓直流系統過電流和過電壓，但對高壓直流系統的運行影響較小，故障消除后系統可以恢復。

2)整流器閥誤開通對高壓直流系統的影響很小。

3)當故障引起高壓直流系統直流電壓和電流的較大變化時，整流側控制系統通過定電流控制與最小觸發角控制來實現系統的恢復，逆變側通過定關斷角和定電流控制之間的切換來使系統恢復。

[1]浙江大學發電教研室直流輸電科研組.直流輸電[M].北京:電力工業出版社，1982.

[2]趙 杰.高壓直流輸電的前沿技術[J].中國電力，2009，38(10):1-6.

[3]王 遂，任 震.高壓直流輸電系統可靠性影響因素分析[J].電力系統及其自動化學報，2010，19(5):24-28.

[4]徐 政.交直流電力系統動態行為分析[M].北京:機械工業出版社，2004.

[5]董曼玲，黎小林，何俊佳，等.特高壓直流輸電系統換流站內部故障電磁暫態響應特性及控制策略[J].電網技術，2010，34(3):5-10.