HVDC換流器故障分析與仿真研究

黃俊伸，張曉紅，呂英飛，鄭全明

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002;2.宜昌電力勘測設(shè)計院，湖北宜昌443002)

特高壓直流輸電技術(shù)符合電力工業(yè)發(fā)展規(guī)律和電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，在中國有廣闊的應(yīng)用前景［1］。而且，中國現(xiàn)已建成一系列 HVDC輸電工程［2］。但是，HVDC故障影響著電網(wǎng)的可靠性，所以需對HVDC輸電過程中的故障進(jìn)行研究［3］?；诖?，本文對換流器閥的短路故障及換流器直流側(cè)短路故障、交流側(cè)單相接地故障、交流側(cè)相間故障進(jìn)行分析研究。

1 換流器故障機(jī)理分析

1.1 閥短路故障

閥短路是換流器內(nèi)部或外部絕緣損壞或被短接造成的故障，這時閥相當(dāng)于在正反向電壓作用下均能導(dǎo)通，是換流器最為嚴(yán)重的一種故障。

逆變器各閥按正常導(dǎo)通時序工作時，不導(dǎo)通的閥在較多時間內(nèi)處于正向阻斷狀態(tài)，因此當(dāng)逆變器的某一閥發(fā)生短路故障時必將與故障閥同半橋的正在導(dǎo)通的閥發(fā)生倒換相。例如:在閥V3導(dǎo)通時閥V1發(fā)生了短路故障，如圖1所示，閥V1與V3之間將發(fā)生倒換相，以后的過程顯然與逆變器的換相失敗故障相同。必須注意，閥短路故障往往屬于持續(xù)性故障，所以故障的后果與多次換相失敗一樣。每個交流周期內(nèi)將重復(fù)出現(xiàn)1次換相失敗，從而降低了逆變器直流平均電壓。

整流器閥短路故障與逆變器不同，由于整流器閥在阻斷期間中的大多數(shù)時間處于反向電壓狀態(tài)下，閥發(fā)生短路故障之后，閥變成在正、反兩個方向隨時都能導(dǎo)通，某閥一旦發(fā)生短路故障，立即與同半橋正在導(dǎo)通的閥構(gòu)成兩相短路，如圖2所示。以閥V1發(fā)生短路故障為例，故障發(fā)生時閥V3、V2正在導(dǎo)通，故障發(fā)生后，由閥V1、V3形成交流兩相短路，圖中虛線箭頭表示短路電流流徑的回路。

圖1 逆變器閥短路示意圖

圖2 整流器閥短路示意圖

閥V5再被觸發(fā)形成了交流三相短路。所以，整流器的閥短路故障引起了整流器閥及有關(guān)回路的過電流。換流閥短路故障是對整流器閥(包含故障閥所在半橋的健全閥，如圖2中的V2、V5)安全威脅極大的一種故障，故障的嚴(yán)重性(這里主要指故障電流的大小)與整流器的運(yùn)行角α、運(yùn)行電流id以及故障發(fā)生時刻有關(guān)。

1.2 換流器直流側(cè)出口短路

換流器直流側(cè)出口短路是指換流器出線至直流線路電抗器之間發(fā)生的短路故障，其嚴(yán)重性僅次于橋臂短路的整流器故障。

整流器直流側(cè)出口短路如圖3所示，與閥短路的最大不同是換流器的閥仍可保持單向?qū)ǖ奶匦浴?脈動換流器來說，假如整流器兩個閥都正常工作，在這個時間內(nèi)發(fā)生了直流側(cè)出口短路，就相當(dāng)于這時會產(chǎn)生兩相交流短路故障;當(dāng)下一個換流器閥開通正常換相時，會形成三相交流短路故障。

逆變換流器的直流側(cè)出口發(fā)生了短路，如圖4所示，此時直流線路的電流增大，但是由于存在直流側(cè)平波電抗器，故障電流變化速度較慢，短路電流很小。因此，當(dāng)逆變換流器發(fā)生直流側(cè)短路時，流過逆變器的電流將會很快降到零，對換流變壓器和逆變器均不構(gòu)成威脅。

1.3 交流側(cè)單相對地短路

交流側(cè)相對地短路是指換流變壓器與換流器之間的連線上發(fā)生單相接地故障。

圖3 整流器的直流側(cè)出口短路

圖4 逆變器直流出口短路圖

整流器交流側(cè)相對地短路如圖5所示，圖5中以W相連接線發(fā)生單相接地為例，由于直流部分也有一點(diǎn)接地，當(dāng)交流連接線發(fā)生接地故障后，c'、k、D三點(diǎn)同電位，整流器總閥V2被短路。這種故障造成的后果與閥短路故障一樣，閥V4、V6將嚴(yán)重過電流。

圖5 整流器交流側(cè)單相接地短路圖

逆變器在工作狀態(tài)時發(fā)生連接線單相接地故障，會構(gòu)成相應(yīng)的橋臂短路故障回路，如圖6所示。逆變器的閥在阻斷期間，大部分時間承受正向電壓，所以一旦發(fā)生連接線的單相接地故障，接地故障相立即與直流接地側(cè)同側(cè)的正在導(dǎo)通的閥進(jìn)行倒換相。圖6所示閥V1、V6正在導(dǎo)通時，W相接地，通過接地處與閥V1進(jìn)行倒換相。當(dāng)故障電流ik=id時，倒換相結(jié)束，故障接地處流過直流電流id，W相接地相當(dāng)于閥V5短路。

圖6 逆變器交流側(cè)單相接地故障圖

1.4 交流側(cè)的相間短路

換流器的交流側(cè)發(fā)生相間短路是指換流器和換流變壓器之間的交流部分發(fā)生相間短路。在交流系統(tǒng)中將會出現(xiàn)兩相短路故障電流，相間短路發(fā)生后，整流器、逆變器的故障過程是不相同的。

相間短路發(fā)生在整流器的交流側(cè)時，整流器的交流側(cè)就會出現(xiàn)兩相短路故障電流，會使整流器的換相電壓失去，其直流電流和電壓以及輸送功率將迅速下降。

相間短路發(fā)生在逆變器的交流側(cè)時，由于逆變器在交流側(cè)失去兩相換相電壓，以及交流側(cè)電壓相位的不正常，就能夠使逆變器發(fā)生換相失敗，其直流回路的電流也會升高，交流側(cè)的電流降低。另一方面，對于受端交流系統(tǒng)相當(dāng)發(fā)生了兩相短路故障，將產(chǎn)生兩相短路電流。

2 基于Matlab/Simulink的HVDC換流器故障仿真

2.1 仿真模型

為了仿真換流器的故障，采用Matlab軟件中的標(biāo)準(zhǔn)模型［4-5］，1個單極12脈沖的 HVDC仿真模型，如圖7所示。

在圖7的仿真模型中，通過1 000 MW(500 kV，2 kA)的直流輸電線路從一個500 kV、5 000 MVA、50 Hz的電力系統(tǒng)EM向另一個345 kV、10 000 MVA、50 Hz的電力系統(tǒng)EN輸送電力。整流橋和逆變橋均由兩個通用6脈沖橋搭建而成。交流濾波器直接接在交流母線上，它包括11次、13次和更高次諧波等單調(diào)支路，總共提供600 Mvar的容量。整個系統(tǒng)在仿真過程中的采樣時間為50 μs。

直流輸電線路(DC line)的參數(shù)如下:

電阻R=0.015 Ω/km;電感L=0.792 mH/km;電容C=14.4 μF/km;線路長度300 km。

電力系統(tǒng)EM側(cè)交流輸電線的參數(shù)如下:

線路電阻 R=26.07 Ω/km;線路電感 L=48.86 mH/km。

電力系統(tǒng)EN側(cè)交流輸電線的參數(shù)如下:

線路電阻 R=6.205 Ω/km;線路電感 L=13.96 mH/km;平波電抗器的電感L=0.5 H。

2.2 HVDC換流器故障的仿真及分析

現(xiàn)對換流器閥短路、交流側(cè)單相接地、交流側(cè)相間短路、直流側(cè)出口短路進(jìn)行仿真分析。各故障的仿真如圖8—圖11所示。

在仿真中做如下說明:

1)上述故障均在換流器整流側(cè)仿真，且仿真模型為單極12脈動HVDC模型。

2)仿真時，故障發(fā)生在t=40 ms，且故障一直持續(xù)。

3)仿真圖中的交流側(cè)三相電壓為整流器交流側(cè)三相母線電壓，交流側(cè)三相電流為整流器的交流側(cè)三相母線電流。

圖7 單極12脈沖HVDC仿真模型

圖8 換流器的閥短路時故障

圖9 換流器的交流側(cè)單相接地短路

圖10 換流器的交流側(cè)發(fā)生相間短路

圖11 換流器的直流側(cè)出口接地短路

4)仿真圖中橫軸為為時間，縱軸為電壓、電流的標(biāo)幺值，其中電壓的標(biāo)幺值為500 kV，直流電流的標(biāo)幺值為2 kA，交流側(cè)電流的標(biāo)幺值為200 A。

由圖8—圖11的仿真分析可知，在換流器發(fā)生故障時，換流器的交流側(cè)母線三相電壓、三相電流和直流線路的電壓、電流均發(fā)生了大的變化。這些變化能反應(yīng)故障的信息，選取換流器交流側(cè)母線的三相電壓、三相電流和直流線路的電壓、電流為故障特征量，得出幾種故障的仿真波形。

3 故障抑制措施

1)在高壓直流輸電系統(tǒng)中配備繼電保護(hù)，保證當(dāng)故障發(fā)生時，快速、可靠地切除故障，方便檢修人員檢修。

2)在換流站設(shè)備檢修期間，重點(diǎn)對晶閘管承受電壓的耐受能力進(jìn)行現(xiàn)場測試和試驗(yàn)，更換掉耐壓不足和明顯絕緣老化的晶閘管，保證晶閘管正常運(yùn)行和符合安全可靠性要求。

3)對長時間投運(yùn)的換流閥定期進(jìn)行診斷性試驗(yàn)和檢測，對發(fā)現(xiàn)換流閥性能比較差的元件進(jìn)行及時撤換，保證直流輸電系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

4)對新?lián)Q過了的晶閘管和原系統(tǒng)其它晶閘管的兼容性進(jìn)行及時評估，避免因各自的恢復(fù)電荷差異過大而造成晶閘管承受過大的電壓。

5)在故障檢修期間，針對散熱片和晶閘管之間的接觸性能等進(jìn)行定期檢查，確保良好的導(dǎo)電性能和通風(fēng)散熱。

6)對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查，確保散熱性能的穩(wěn)定性，減少換流閥絕緣老化程度。

4 結(jié)語

分析了HVDC換流器的幾種短路故障原理，并通過仿真得出故障量的波形。當(dāng)換流器故障發(fā)生時，換流器交流側(cè)母線的三相電壓、三相電流和直流線路的電壓、電流均發(fā)生了很大的變化，反映出換流器故障對輸電系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性造成的極大危害。通過故障原理分析，對換流器故障檢修提供了理論依據(jù)，同時為檢修人員及時修復(fù)故障贏得了時間，進(jìn)而提高了高壓直流輸電線路的可靠性。

［1］朱鳴海.關(guān)于發(fā)展我國特高壓輸電的意見［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1995，19(3):54-57.

［2］黃萬永，霍季安，曾南超，等.跨省電網(wǎng)以直流相聯(lián)是全國聯(lián)網(wǎng)的最佳模式［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23(1):59-62.

［3］DARVENIZA M，POPOLANSKY F，WHITEHEAD E R.Lighting protection ofU HV transmission lines［J］.Electra，1975(41):43286.

［4］于群.Matlab/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.