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

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

特高壓直流輸電技術符合電力工業發展規律和電網技術的發展方向，在中國有廣闊的應用前景［1］。而且，中國現已建成一系列 HVDC輸電工程［2］。但是，HVDC故障影響著電網的可靠性，所以需對HVDC輸電過程中的故障進行研究［3］。基于此，本文對換流器閥的短路故障及換流器直流側短路故障、交流側單相接地故障、交流側相間故障進行分析研究。

1 換流器故障機理分析

1.1 閥短路故障

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

逆變器各閥按正常導通時序工作時，不導通的閥在較多時間內處于正向阻斷狀態，因此當逆變器的某一閥發生短路故障時必將與故障閥同半橋的正在導通的閥發生倒換相。例如:在閥V3導通時閥V1發生了短路故障，如圖1所示，閥V1與V3之間將發生倒換相，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。每個交流周期內將重復出現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時間處于反向電壓狀態下，閥發生短路故障之后，閥變成在正、反兩個方向隨時都能導通，某閥一旦發生短路故障，立即與同半橋正在導通的閥構成兩相短路，如圖2所示。以閥V1發生短路故障為例，故障發生時閥V3、V2正在導通，故障發生后，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，故障的嚴重性(這里主要指故障電流的大小)與整流器的運行角α、運行電流id以及故障發生時刻有關。

1.2 換流器直流側出口短路

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

整流器直流側出口短路如圖3所示，與閥短路的最大不同是換流器的閥仍可保持單向導通的特性。對6脈動換流器來說，假如整流器兩個閥都正常工作，在這個時間內發生了直流側出口短路，就相當于這時會產生兩相交流短路故障;當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出口發生了短路，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平波電抗器，故障電流變化速度較慢，短路電流很小。因此，當逆變換流器發生直流側短路時，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成威脅。

1.3 交流側單相對地短路

交流側相對地短路是指換流變壓器與換流器之間的連線上發生單相接地故障。

圖3 整流器的直流側出口短路

圖4 逆變器直流出口短路圖

整流器交流側相對地短路如圖5所示，圖5中以W相連接線發生單相接地為例，由于直流部分也有一點接地，當交流連接線發生接地故障后，c'、k、D三點同電位，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將嚴重過電流。

圖5 整流器交流側單相接地短路圖

逆變器在工作狀態時發生連接線單相接地故障，會構成相應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，所以一旦發生連接線的單相接地故障，接地故障相立即與直流接地側同側的正在導通的閥進行倒換相。圖6所示閥V1、V6正在導通時，W相接地，通過接地處與閥V1進行倒換相。當故障電流ik=id時，倒換相結束，故障接地處流過直流電流id，W相接地相當于閥V5短路。

圖6 逆變器交流側單相接地故障圖

1.4 交流側的相間短路

換流器的交流側發生相間短路是指換流器和換流變壓器之間的交流部分發生相間短路。在交流系統中將會出現兩相短路故障電流，相間短路發生后，整流器、逆變器的故障過程是不相同的。

相間短路發生在整流器的交流側時，整流器的交流側就會出現兩相短路故障電流，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。

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

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軟件中的標準模型［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EM向另一個345 kV、10 000 MVA、50 Hz的電力系統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支路，總共提供600 Mvar的容量。整個系統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EM側交流輸電線的參數如下:

線路電阻 R=26.07 Ω/km;線路電感 L=48.86 mH/km。

電力系統EN側交流輸電線的參數如下:

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

現對換流器閥短路、交流側單相接地、交流側相間短路、直流側出口短路進行仿真分析。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仿真，且仿真模型為單極12脈動HVDC模型。

2)仿真時，故障發生在t=40 ms，且故障一直持續。

3)仿真圖中的交流側三相電壓為整流器交流側三相母線電壓，交流側三相電流為整流器的交流側三相母線電流。

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 換流器的交流側單相接地短路

圖10 換流器的交流側發生相間短路

圖11 換流器的直流側出口接地短路

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

由圖8—圖11的仿真分析可知，在換流器發生故障時，換流器的交流側母線三相電壓、三相電流和直流線路的電壓、電流均發生了大的變化。這些變化能反應故障的信息，選取換流器交流側母線的三相電壓、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中配備繼電保護，保證當故障發生時，快速、可靠地切除故障，方便檢修人員檢修。

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

3)對長時間投運的換流閥定期進行診斷性試驗和檢測，對發現換流閥性能比較差的元件進行及時撤換，保證直流輸電系統安全可靠穩定運行。

4)對新換過了的晶閘管和原系統其它晶閘管的兼容性進行及時評估，避免因各自的恢復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行定期檢查，確保良好的導電性能和通風散熱。

6)對冷卻系統進行定期檢查，確保散熱性能的穩定性，減少換流閥絕緣老化程度。

4 結語

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。當換流器故障發生時，換流器交流側母線的三相電壓、三相電流和直流線路的電壓、電流均發生了很大的變化，反映出換流器故障對輸電系統可靠性、穩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，同時為檢修人員及時修復故障贏得了時間，進而提高了高壓直流輸電線路的可靠性。

［1］朱鳴海.關于發展我國特高壓輸電的意見［J］.電網技術，1995，19(3):54-57.

［2］黃萬永，霍季安，曾南超，等.跨省電網以直流相聯是全國聯網的最佳模式［J］.電網技術，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電力系統建模與仿真［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［5］王晶，翁國慶，張有兵.電力系統的MATLAB/SIMULINK仿真與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008.