應用機電暫態程序判斷直流換相失敗的分析

張松濤，陳 陳，周孝法

（1.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240；2.上海市電力公司 檢修公司直流運檢中心，上海 201708）

我國能源分布與地區經濟發展水平很不均衡，重要的煤電、水電基地主要集中于經濟欠發達的西部和西南地區，而負荷中心地區主要位于經濟發達的中部和東部沿海地區。為了緩解中東部地區的負荷壓力，同時也為了促進西北部地區的經濟發展，我國于20世紀70年代后期開始進行大規模的水電和火電外送，形成西電東送和南北互供的全國大聯網格局［1－3］。與傳統交流輸電技術相比，直流輸電具有輸送容量大、損耗小、功率調節迅速而且能夠實現非同步聯網等優點［4］，在西電東送、全國聯網工程中得到廣泛應用。根據國家直流建設規劃，預計到2015年，將有10條直流線路落點華東電網，5條直流線路落點華北電網，7條直流線路落點南方電網［5－6］。屆時，我國將擁有世界上規模最大的交直流混合輸電系統。

換相失敗是直流輸電系統最常見的故障之一，換相失敗會導致直流輸電短時中斷，若換相失敗不能及時消除，可能會出現連續換相失敗，嚴重時甚至會導致直流閉鎖，造成受端系統巨大功率缺額，嚴重危害系統的穩定運行，而機電暫態程序具有模型簡單、仿真規模大和計算時間短的優點，常被用于大型交直流混合電網的仿真研究。

1 直流輸電系統換相失敗概述

1.1 換相失敗的機理

6脈沖橋式電路換相過程，是指直流電流從同一排閥中的一個閥，按正常導通順序轉移到下一個閥的過程，如圖1所示。正常換相時上排閥的導通順序為V1—V3—V5，下排閥的導通順序為V2—V4—V6，任意時刻同一橋臂上的上下兩個閥（如V1和V4，）不能同時導通，否則換流橋直流側將被短路。

圖1 6脈沖橋式整流電路

圖2為逆變側閥V1—V3的正常換相過程，當ωt＜0時，V1處于導通狀態，在ωt＝α時V3觸發導通，此時i1＝id，i3＝0，由于濾波電感Ld的影響，閥電流不能突變，經過換相重疊角μ時間（在此期間上排閥中V1和V3均導通），在ωt＝α＋μ時直流電流i1減小至零，i3變為id，V1關斷，直流電流由i1過渡為i3，即完成了V1到V3的換相。

圖2 逆變站V1—V3正常換相過程

如果換相過程中受到外部擾動，一般為交流電壓的降低、直流電流增大或觸發故障，閥V1電流在eba反向時尚未減小到零而截止，閥3承受反向電壓，電流逐漸減小到零而被關斷，閥1電流增大到直流電流id而繼續導通。當下排閥中V4觸發導通，換流橋被短路，直流電壓變為零，V5無法導通，V1繼續導通直到下一次V1向V3換相，由圖3可以看出，在換相失敗期間V1導通時間為正常運行時的3倍。

圖3 換相失敗時閥電流的變化

由此可見，只要換流閥關斷后處于反向電壓的時間能充分滿足其恢復阻斷能力的要求便可順利完成換相過程，否則便會換相失敗［7］。如圖4所示，閥V1在eba過零點時預計被關斷，但閥電流i1并沒有變為零，即閥V1沒有阻斷，當閥電壓由負變正時，V1又重新導通，發生換相失敗。

圖4 逆變站V1—V3換相失敗過程

1.2 逆變側換相失敗的影響因素

高壓直流的換相失敗大多發生在逆變器，由于整流器的閥在電流關斷后的較長時間內處于反向電壓下，具有足夠的阻斷能力，幾乎不可能發生換相失敗。

直流輸電系統對稱時，逆變器熄弧角的計算公式為：

當逆變側交流系統發生不對稱故障時，換相線電壓過零點前移角度φ時，逆變器的熄弧角的計算公式為：

式中：K為變壓器的變比；UL為逆變器交流側母線線電壓有效值；Id為直流電流；Xc為換流變壓器電抗。

由式（1）、式（2）可知，熄弧角γ的值與交流電壓UL、直流電流Id、超前觸發角β、換流變壓器變比K和漏抗Xc有關，在交流系統發生非對稱故障時，還與電壓過零點偏移角度φ有關，這些因素均直接影響到換相失敗的發生。其中Id和β均為直流系統內部運行參數，K、Xc和UL實際上調節的是換流閥側的交流電壓。

2 交直流系統的機電暫態仿真

機電暫態仿真考慮了電力系統中的機械暫態特性和電磁暫態特性，主要研究電力系統受到大擾動后的暫態穩定和受到小擾動后的靜態穩定性能［8］，仿真采用基波相量原理，計算步長一般取10ms左右［9］。在交直流電力系統的機電暫態仿真中，交流系統和直流系統的計算是相互獨立的。直流閉環控制系統根據反饋出的直流電流、電壓值，計算出換流站的直流觸發角和注入交流系統的功率。因此，直流系統可以看作為換流母線處的變化負荷參與交流系統計算過程。

2.1 機電暫態的直流模型

機電暫態程序采用直流準穩態模型，根據對直流換流站、控制系統和直流輸電線路模擬的程度，機電暫態準穩態直流模型還可分為兩類，一類為直流響應模型，另一類為直流詳細模型。

2.1.1 直流響應模型

直流響應模型只考慮直流控制系統的外部特性，而不考慮詳細的控制系統、換流站內部特性和輸電線路動態特性，認為直流控制系統能夠快速響應，受到擾動后能夠立即過渡到新的穩定狀態，忽略暫態變化過程，直流線路使用電阻表示。響應模型包含了直流系統的一些基本控制，如定電流（功率或電壓）控制，最小觸發角控制、定熄弧角控制和低壓限流環節（VDCOL）等，是一種通用模型，一般用于直流系統規劃研究。常用的直流響應模型包括BPA直流模型、PSS／E程序的CDC4和CDC6模型等。

2.1.2 直流詳細模型

直流詳細模型對直流換流器、直流控制系統和直流輸電線路進行了詳細的模擬，除了直流基本控制以外，還具有動態調節特性的VDCOL環節、電流控制放大器（CCA）、換流站觸發角控制（CFC）和直流附加控制功能（頻率調整、功率調制和緊急功率控制），能夠模擬直流系統本身的動態特性、輸電線路的容性和感性特性以及交直流系統間的相互作用特性［10］，仿真步長較小。詳細模型具有三大特點：一是控制系統詳細，能夠準確計算熄弧角γ值，從而可通過熄弧角判斷換相失敗是否發生；二是直流系統整流側和逆變側的控制是獨立的，能夠模擬直流線路的故障；三是能夠模擬直流系統故障后的恢復過程，而不是按指定恢復速度恢復。直流詳細模型類型不多，其模型一般取自于某些特定的直流工程，常見的詳細模型有PSS／E程序的CDCAB1模型等。

2.2 機電暫態程序的直流換相失敗

由于機電暫態程序模型簡單、仿真步長較大，仿真計算時間短，仿真精度能夠滿足一般交直流系統穩定分析要求，因此機電暫態程序也可用于交直流系統中直流換相失敗的研究。

文獻［11］提出了通過計算換流器的實際熄弧角來判斷換相失敗的方法，并使用EPRI－36算例證實了該方法的準確性。該方法從換相失敗的本質出發，認為逆變器熄弧角小于臨界熄弧角時發生換相失敗，是判斷換相失敗的根本方法。而在機電暫態程序中使用直流響應模型，可以快速算出直流熄弧角，用于換相失敗的初步判斷。

文獻［5］采用機電暫態仿真軟件PSD－BPA，深入研究了華北和華東多饋入直流輸電系統的換相失敗問題，認為當逆變站換流母線電壓低于0.6pu，則換相失敗發生；若故障后母線電壓恢復到0.75pu及以上，則認為恢復換相。該方法使用最小電壓降落法來判斷換相失敗的發生和恢復，0.6pu和0.75pu即為換相失敗和恢復的電壓門檻值，該門檻值來自工程計算經驗，具有較高的可信度，但由于直流控制系統、受端交流系統的強弱以及交流系統的故障類型的不同，直流換相失敗的電壓門檻值并不相同，因此該方法可作為換相失敗的第一判據，能夠直觀、便捷的判斷出換相失敗發生與否。

文獻［12］提出了使用電磁暫態仿真方法整定機電暫態程序直流換相失敗電壓判據的方法。首先將交流網絡進行等值處理，并搭建等值后的PSCAD／EMTDC交直流系統模型，然后設置交流系統三相、單相接地短路故障，通過改變接地電阻的大小，統計換相失敗發生的狀況，得到可用于機電暫態程序判斷換相失敗的換流母線臨界電壓值。該方法能夠獲得準確的換相失敗臨界電壓，為使用機電暫態程序進行交直流系統換相失敗研究提供理論指導，具有一定的工程實用價值，如可以通過短路電流計算獲取換流母線的短路電壓來初步判斷換相失敗發生的可能。

文獻［13］應用文獻［12］的方法確定了±660kV銀東直流換相失敗的臨界電壓，在此基礎上使用機電暫態程序PSS／E，分析了交流系統三相短路故障對直流換相失敗的影響，并與電磁暫態仿真結果進行了比較，驗證了該方法的準確性。

3 機電暫態程序BPA和PSS／E的仿真研究

3.1 BPA和PSS／E程序簡介

BPA和PSS／E是使用較多的主流機電暫態程序。BPA程序的優點是輸出支持漢字，操作簡單，缺點是沒有用戶自定義功能，直流模型不夠豐富；PSS／E程序的優點是仿真規模大于BPA，便于聯網研究、計算功能豐富、直流模型種類較多，缺點是操作不方便、自定義功能復雜。

3.2 BPA和PSS／E仿真對比

研究數據取自于BPA自帶2DC算例，該系統包含4條500kV交流母線，共有5臺發電機（3臺經典二階發電機和1臺水輪發電機），并含有一條單極800kV、輸送容量為1 440MW的直流輸電線路，網絡結構如圖5所示。

3.2.1 潮流計算比較

BPA和PSS／E的潮流數據比對，如表1所示。可以看出，由于BPA和PSS／E對潮流結果的有效位數不同，導致兩者的潮流結果存在較小差異，但誤差均在許可范圍之內，可見這兩個程序對于交直流系統的潮流計算是一致的。

圖5 系統單線圖

表1 BPA與PSS／E潮流比較

3.2.2 暫態分析比較

故障設為SOUTH母線處0s發生三相短路接地，0.1s后故障消失，不切除線路，用BPA暫態程序和PSS／E仿真該故障，結果如圖6所示。

圖6 暫態仿真結果比較圖

圖6表明，故障發生時直流逆變側交流母線電壓迅速降為0，BPA和PSS／E直流系統都發生換相失敗故障，直流電壓也迅速降為0，0.1s故障切除后，由于直流控制系統的差異，BPA模型直流電壓立即恢復，而PSS／E直流模型需要按電壓恢復速率（VRAMP），經過最小旁通時間（TBYPAS）后恢復正常，恢復過程略有差異，但故障母線電壓恢復一致，表明兩個程序在暫態仿真時也具有較好的一致性，同時也表明PSS／E直流模型同樣能夠正確反映直流的動態響應，滿足系統仿真要求。

綜上所述，BPA和PSS／E對于交直流系統的潮流和暫態仿真結果基本一致，均能夠滿足交直流系統研究需求，一般BPA程序常使用電壓判據來判斷換相失敗，而PSS／E常被用于研究換相失敗后的系統響應以及換相失敗的控制措施。

4 結論

1）由于機電暫態程序采用基波相量原理計算，不能獲取系統三相瞬時值，直流模型簡單，不能用于準確模擬換相失敗過程。但是，由于其能夠計算全部的交直流系統，無需進行系統等值，而且計算精度能夠滿足一般穩定計算要求，因此機電暫態仿真程序仍是研究交直流大電網的主要手段，可用于直流換相失敗研究。

2）判斷換相失敗的依據是熄弧角，由于實際應用中不可能獲得每個閥的熄弧角數據，在工程應用中傾向于使用電壓判據。換流母線電壓降落是引起換相失敗的主要原因，其電壓降落門檻值一般來自工程計算經驗，使用電壓判據能夠直觀、便捷和有效地判斷出換相失敗發生與否。如果需要更加精確地確定換相失敗，則需要借助于電磁暫態程序獲得準確的臨界電壓降落值，應用該臨界值的機電暫態換相失敗判斷具有和電磁暫態仿真相當的判斷精度。

3）PSS／E和BPA對于交直流系統的仿真結果基本接近，由于在PSS／E程序中用戶可以設定換相失敗和恢復的電壓闕值，而且PSS／E仿真規模遠遠大于BPA，所以進行交直流混合大電網換相失敗相關問題研究時，建議使用PSS／E程序。

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