基于換相電流時間面積的換相失敗判別方法

李思思，白仕雄，丁志林，王渝紅，李興源，魏巍，何鵬飛

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；

2.四川省電力公司超（特）高壓運行檢修公司，成都 610041）

基于換相電流時間面積的換相失敗判別方法

李思思1，白仕雄2，丁志林2，王渝紅1，李興源1，魏巍1，何鵬飛1

（1.四川大學電氣信息學院，成都 610065；

2.四川省電力公司超（特）高壓運行檢修公司，成都 610041）

換相失敗是高壓直流輸電逆變器最常見的故障之一。文中通過對換相過程的機理分析，用換相電流時間面積這一概念從能量的角度揭示換相過程的物理含義，提出一種可以判別直流系統是否發生換相失敗的指標——換相電流時間面積，并給出相應的判據條件。直流控制方式、控制參數以及故障嚴重程度的不同，換相電流時間面積也不同。應用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件，在CIGRE高壓直流輸電系統標準模型中進行仿真，并與熄弧角判據進行對比驗證，仿真結果證明了理論分析和判據的正確性。

換相失敗；換相電流時間面積；熄弧角；換相角；高壓直流輸電系統；交直流混聯系統

隨著我國電網“西電東送、南北互供、全國聯網”戰略的逐步實施，高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電以其經濟、靈活、快速可控等優點在遠距離大容量輸電及大型電網互聯中發揮著越來越重要的作用[1-2]。高壓直流輸電系統的投入在帶來各種優勢的同時也引入了新的問題，換相失敗就是逆變側換流器所面臨的最常見故障之一。某些情況下換相失敗可以自行恢復，某些情況下換相失敗不能自行恢復便會引發后繼的換相失敗，連續換相失敗可能引起直流輸電系統閉鎖，導致直流傳輸功率中斷，使得整個系統失去穩定，對電網的安全運行造成更大危害。

國內對交流系統故障所引起的直流系統換相研究成果表明[3-5]：逆變側交流系統故障造成交流換相電壓下降及其相位偏移是引起換流器換相失敗的主要原因，換相失敗的判定方法主要有熄弧角判斷法、最小電壓降落法和最小換相電壓時間面積法，有的學者還提出換相失敗臨界阻抗法。文獻[6]將換相電壓在換相過程中與時間軸所圍面積定義為換相電壓時間面積，并用該方法結合換相角μ對換相過程進行分析，研究換相失敗發生機理。文獻[7]詳細分析了換相電壓時間面積與換相失敗的定量關系，指出換相電壓最小面積可以作為衡量換相失敗的指標。文獻[8]提出了換相失敗臨界阻抗，用換相失敗免疫因子來表示系統在故障時抵御換相失敗的能力。然而熄弧角判斷法仍然是評判換相失敗的主要方法。文獻[9-10]以熄弧角γ為研究對象分析了換相失敗的機理及影響換相失敗的因素，認為逆變器換流閥熄弧角γ小于閥固有極限最小熄弧角γmin時便會發生換相失敗。但是熄弧角γ取決于越前觸發角β和換相角μ，其值為β和μ之差。越前觸發角β是由直流控制器決定的，換相角μ跟換相過程有關，因此在特定的直流控制方式下，熄弧角γ取決于換相角μ。

本文從換相過程入手，詳細研究了兩個閥間相互換相的過程，提出了一種能夠從換相過程反映換相失敗的新指標——換相電流時間面積。從能量的角度用換相電流時間面積法分析了兩閥間換相的動態過程及直流電流和換相角μ的關系，從本質上揭示影響換相失敗發生的機理。

1 換相機理與換相失敗

逆變側單橋換流器等值電路如圖1所示。其中Ua、Ub、Uc分別為交流系統三相等值電勢，Lr為交流系統每相等值電抗。

以閥V5向閥V1換相為例，在ωt=α閥V1觸發開通之前閥V5和V6導通。在閥V1開通瞬間，V5、V6和V1三個閥同時導通。根據電路原理，通過電感的電流是連續的，不會突變，因此閥V5向閥V1換相的過程中必需經歷一定的時間，這個時間稱為換相時間，轉換為電角度后即為換相角μ。在換相時間內，逆變橋完成了閥V5向閥V1的換相，閥V1的電流從0變為直流電流Id，閥V5的電流則從Id變為0。閥V5電流變為0時換相結束，閥V5退出導通但并沒有關斷。這是因為閥V5退出導通后仍然需要一定時間用于完成閥內載流子負荷，恢復正向阻斷能力以完成關斷。晶閘管去游離恢復時間為400 μs左右[11]，該恢復時間轉化的熄弧角γmin即為換流閥完全關斷所必須的最小值，一般認為當γ≤10°時發生換相失敗。

根據文獻[12]的定義，換相失敗是指當兩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一直未能進行完畢，這兩種情況在閥電壓轉變為正向時被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相。

換言之，該定義主要闡述了兩種導致換相失敗發生的情況：一是剛退出導通的閥在反向電壓作用期間未能恢復阻斷能力（γ<γmin），當閥電壓轉變為正向時，原退出導通的閥不需要觸發脈沖便重新導通；二是需要退出導通的閥在反向電壓期間未能完成換相過程，該閥沒有被關斷始終保持導通狀態，當閥電壓轉變為正向時則繼續導通。

通過對換相失敗定義的理解，可以發現，影響換相失敗的關鍵并不在于熄弧角γ的大小，而是換相過程中換相角μ的大小。在越前觸發角β一定的情況下，換相角μ的增大，留給熄弧角γ的余裕相應減小，則會增加發生換相失敗的機率；換相角μ的減小，會增大熄弧角γ，反而更不容易發生換相失敗。因此，兩個換流閥間完成換相過程所經歷的換相角μ才是影響換相失敗發生與否的根本因素。

2 換相電流時間面積法與換相失敗關系

2.1 換相電流時間面積指標

兩相換相過程中的能量變化主要體現在兩相電感間電流的相互轉化過程中，若能從能量的角度用電流表現換相過程，則能從本質上揭示換相機理。本文選取換相電流為變量，將直流電流在換相時間內與時間軸所圍面積定義為換相電流時間面積Ait，如圖2陰影部分所示，并研究Ait在換相過程中與換相失敗的關系。圖中：γ為熄弧角，β為越發觸前角，α為觸發角。且滿足：α+β=π，μ+γ=β。

仍然以閥V5向閥V1換相為例，其換相等值電路如圖3所示。兩相換相時，換相過程中的能量轉化過程實際是將閥V5換相電感Lr上儲存的能量轉移到閥V1的電感Lr上去。

圖3中，假定閥V5和閥V1所在回路換相電流為ir，由于Ua大于Ub，所以ir的方向為逆時針方向,根據KVL定理，上半回路的電路方程為

圖2 逆變器兩相換相過程Fig.2 Circuit of irand ucaduring commutation process

圖3 換相等值電路圖Fig.3Equivalent circuit of commutation process

由式（4）知，兩相換相過程在[α，α+μ]內是一個非線性的動態過程，ir在[α，α+μ]內為正弦波，其波形如圖2所示。換相角μ表征了整個換相過程，其值僅取決于換相開始時刻直流電流Id的大小。在此過程中閥V5的電流從Id逐漸減小到0，閥V1的電流則從0增大到Id，閥V5完成了向閥V1換相的過程，同時閥V5處等值電感完成了與閥V1處等值電感間能量的轉換。

在ωt=α+μ時刻，閥V5完成了關斷過程，此時閥V5上電流i5為零，即

由式（6）可知換相角μ的大小與換相開始時刻直流電流Id初值大小有關。由圖2也可看出，換相角μ的大小直接影響換流閥的熄弧角γ大小從而決定單個閥在反向電壓期間是否完成阻斷能力的恢復。

為了從換相過程中分析換相角μ與熄弧角γ的關系，現選擇換相電流為變量，從能量的角度用換相時間電流面積Ait來分析兩相換相過程。閥V5在關斷過程中其電流從Id逐漸變為0。其換相電流時間面積Ait為

逆變器正常運行時，Uac、換相電抗Xr和觸發角α均為已知值，由式（7）可得到Ait、Id和μ三者間的相互關系。由圖2的閥電流曲線知，兩相換相過程經歷μ電角度。逆變器實際運行時，換相過程很快完成，即換相角μ相對很小，因此在[α，α+μ]內，可以近似認為i5呈直線變化，將其線性化處理。線性化后其換相電流時間面積Ait近似為一直角三角形的面積，即

2.2 換相失敗判據條件

根據式（7）可以直接得到直流電流Id初值大小和換相角μ之間的定量關系。高壓直流輸電系統正常運行時，直流電流Id為恒定值。若逆變側外部交流系統發生故障時，換相電壓幅值大小瞬間降低，直流電流Id值瞬間增大，換相電感上聚集的能量增加，單相電感需要更多的時間來完成能量的全部釋放。換相角μ的增大必然會引起換相電流時間面積的增大，當換相角μ增加到最大換相角μmax時，熄弧角γ對應最小值γmin，此時逆變器處于臨界狀態，對應的Aitc即為換相失敗判據的閾值。

換相角最大值μmax由以下公式確定：

由式（10）知，逆變側β越大，μmax也增大，對應極限換相電流時間面積Aitc越大，則實際熄弧角γ增大，逆變器抵御換相失敗的能力越強。

顯然，當AitAitc時，所需換相角μ會超出極限換相角μmax，熄弧角γ值小于最小熄弧角γmin，逆變器發生換相失敗。

因此換相電流時間面積Ait可以作為判斷換相失敗是否發生的判據，該判據為

同時Ait的大小還能夠反映逆變器發生換相失敗的容易程度。Ait值越小，熄弧角γ最大，逆變器發生換相失敗的概率越低；Ait值越接近Aitc，熄弧角γ越小，逆變器越容易發生換相失敗。

3 算例模型

現以PSCAD/EMTDC仿真軟件中的CIGRE標準模型參數為例，分析換相電流時間面積與換相失敗的關系。CIGRE標準模型逆變側各參數如下：直流電流Id=1.0p.u.（2kA），換流母線電壓Uac=1.0p.u.（230kV），換流電壓器變比k=1.0p.u.（230/209.23），單相換相電抗Xr=18%（p.u.）。分別取β=40°、β=50°、β=60°，利用式（9）分別繪得換相過程中閥V5電流i5與換相角μ的關系曲線，如圖4所示。

圖4 換相過程中閥V5電流和換相角關系曲線Fig.4 Curves of Idand μ of V5valve during commutation process

由圖4曲線知，直流電流Id和換相角μ呈正相關變化，換相開始時刻直流電流初值越大，所需換相時間越長。直流電流初值越大，換相電抗上聚集的能量越多，電感間能量的轉化時間相應增加；直流電流一定時，逆變器越前觸發角β越大，其換相所需時間越短，發生換相失敗的概率越低，表明可以用提前觸發的方式預防換相失敗的發生。CIGRE標準模型逆變側穩定運行時，越前觸發角β基本運行在40°左右。從圖中曲線可知，當直流電流初值增大到原始值的1.2p.u.時，換相角μ會達到極限最大值（μmax=30°），逆變器處于臨界換相失敗狀態。

4 換相失敗仿真結果分析

為了進一步驗證換相電流面積法的準確性，現用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件在CIGRE標準模型中模擬故障的發生，系統為基本控制，不加入其它附加控制，故障點設在逆變側母線電壓上。計算結果與仿真結果列于表1。

表1 不同條件下換相電流時間面積、換相角和熄弧角的計算值及仿真值Tab.1 Results of Ait、μ and γ under different conditions

從表1列出了不同故障情況下，不同直流系統控制參數下，Ait，μ和γ的計算值和仿真值。Aitc為μmax對應的極限換相電流時間面積值，Ait為仿真出的μ對應換相電流面積時間值。對比表中數據，計算結果和仿真結果基本一致，表明采用換相電流時間面積判別法得到的結果與用熄弧角判別法結果一致，換相電流時間面積法可以作為反映逆變器是否發生換相失敗的新指標。計算所得Ait值稍稍比實際值大，其理論計算結果稍偏保守，分析其原因，主要因為在近似等效中放大了極限換相電流時間面積Aitc的結果，Aitc的放大從而造成了換相角μ的增大。當β=40°時，Aitc為0.678 1，Ait仿真計算值為0.681 6，計算結果會發生換相失敗，仿真時熄弧角在10°附近波動，認為逆變器處于臨界換相失敗狀態。由表中數據知，熄弧角γ的最大相對誤差出現在β=40°，直流電流為1.176 5（p.u.）的情況下，其相對誤差為1.613 6°，熄弧角γ的計算結果相比實驗仿真結果其相對誤差在2°以內，說明采用電流換相時間面積法的準確性較高。

5 結語

本文從換相機理入手，通過對換相過程的詳細分析，指出兩相換相的實質為換相電感間能量的轉化，從能量的角度提出了換相電流時間面積法。通過實時換相電流時間面積Ait與極限換相電流時間面積Aitc的比較來判斷換相失敗的發生與否，認為換相電流時間面積可以作為評估換相失敗的新指標，并給出了相應的判據條件。換相電流時間面積Ait的值受故障嚴重程度以及直流控制參數的影響。相同條件下，換相電流時間面積Ait小于極限換相電流時間面積Aitc時，逆變器不會發生換相失??；Ait大于Aitc時，則認為逆變器會發生換相失敗。Ait的大小還能夠反映逆變器抵御換相失敗能力強弱的定量指標，Ait越大，逆變器抵御換相失敗的能力越強。

此外，相比于傳統的熄弧角斷別法，換相電流時間面積法揭示了換相過程中直流電流Id初值與換相角μ的關系，從能量的角度對換相失敗進行了闡述。利用系統部分運行參數如直流電流Id的大小、換相角μ的大小，可以判斷逆變器是否發生換相失敗。同時，通過觀察并判斷換相角μ的實時值可以提前對逆變器的狀態作出預測，在外界環境變化時及時啟動其他控制策略在最短的時間內避免換相失敗的發生。

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Current-time Area Method for the Identification of Commutation Failure

LISi-si1，BAIShi-xiong2，DINGZhi-lin2，WANGYu-hong1，LIXing-yuan1，WEIWei1，HEPeng-fei1
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.EHP/UHP O&M Co.，Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，China）

Commutation failure is one of the most frequent faults in HVDC（high voltage direct current）system.Based on the mechanism of commutation，the conception of commutation current-time area is proposed to reflect the energy conversion process.A novel index-commutation current-time area method is proposed to indentify commutation failure. Commutation current-time area is not a fixed constant due to the different DC control strategies，parameters and fault severity.This paper is based on GIGRE HVDC system simulation model，using PSCAD/EMTDC to verify the theoretic analysis and compare the results with extinction angle criterion.The simulation results show the accuracy of the analysis and criteria.

commutation failure；commutation current-time area；extinction angle；commutation angle；HVDC system；AC-DC hybrid system

TM712

A

1003-8930（2013）02-0098-05

李思思（1987—），女，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電。Email：lisisicd@yeah.net

2011-08-08；

2011-10-19

白仕雄（1964—），男，高級工程師，從事超/特高壓交直流混合運行管理方面的工作。Email：baishixiong@163.com

丁志林（1971—），男，高級工程師，從事超/特高壓交直流混合運行管理方面的工作。Email：dingzhilin@163.com