華東多直流饋入系統換相失敗仿真研究

李新年，李 濤，劉 耀，王晶芳，龐廣恒，陳樹勇，雷 霄，楊 鵬

(1．北京交通大學電氣工程學院，北京市100044;2．中電普瑞科技有限公司，北京市100192;3．中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引 言

換相失敗［1-2］是采用半控元件晶閘管組成的換流器處于逆變工作狀態時一種常見的瞬時故障過程，逆變站近區發生交流系統故障，易造成換流母線電壓大幅跌落，直流系統發生瞬時換相失敗難以避免。2013年落點華東地區的直流已有6 回，包括葛洲壩—南橋、龍泉—政平、宜都—華新、團林—楓涇4 回三峽電站送出的±500 kV 直流輸電系統，復龍—奉賢和錦屏—蘇州2 回四川送出的±800 kV 特高壓直流輸電系統。華東地區多個直流逆變站落點密集，各回直流之間以及直流與交流之間的相互作用將更為復雜，可能會導致多個直流同時換相失敗，給整個交直流系統帶來沖擊。2012 和2013年出現過交流故障導致華東地區葛南、宜華、林楓、復奉4 回直流同時發生換相失敗，引起受端交流系統有功、無功和電壓瞬間大幅度波動，對交流系統產生一定沖擊，由于事故發生時華東電網正處于迎峰度夏階段，系統短路容量水平較高，隨著故障的消失，交直流系統可以恢復正常運行。多直流饋入系統換相失敗對交直流輸電系統的影響日益成為值得關注的問題［3-9］。

近年來研究主要針對多直流饋入系統［10-15］，但研究中直流控制大多采用簡化模型［16-23］，導致換相失敗及其恢復過程與實際工程存在一定差異。近2年雖然利用與工程一致的直流控制保護仿真模型進行換相失敗研究，但均為單饋入直流輸電模型。

本文在電磁暫態程序中根據華東電網2013年夏季高峰方式電力系統分析軟件(Bonnevile Power Administration，BPA)動態等值數據，建立了華東電網多直流饋入輸電系統研究模型，采用了與直流工程控制保護一致的詳細模型，研究了華東地區交流系統發生單相和三相故障時，交直流系統的動態性能和相互影響:包括換相失敗持續時間，直流恢復時間以及逆變站與交流系統交換無功功率在故障及其恢復期間的變化規律，研究結果可為調度運行提供技術參考。

1 華東電網動態等值

隨著電網的不斷發展，電網的規模越來越大，而電磁暫態仿真程序受到計算速度的限制，規模又不能太大，因此進行電磁暫態分析時一般根據研究需要對原網進行等值，在保持系統動態性能的前提下，簡化系統網絡。本文采用PSD_BPA 對華東電網2013年夏大數據進行了動態等值，等值電網保留了宜都—華新、葛洲壩—南橋、團林—楓涇、復龍—奉賢、錦屏—蘇州、龍泉—政平6 回直流;保留了上海電網的500 kV雙環網，以及上海至江蘇、上海至安徽的500 kV省際聯絡線。等值網節點約80個，其中等值機19 臺、保留機組4 臺、保留線路約110條。

等值網與原網的節點母線電壓偏差不超過0.5%，線路潮流誤差不超過3%;另外，通過保留線路的三相永久故障，比較了等值網與原始網的動態響應性能。圖1 給出了亭衛—遠東交流三相永久性線路故障下原網和等值網的BPA 有功功率響應曲線。由圖1 可以看出，等值網故障后的動態性能與原網基本一致。

圖1 亭衛—遠東500 kV 交流線路三相永久性故障BPA 波形Fig.1 BPA wave of Tingwei-Yuandong 500 kV three-phase AC line faults

2 仿真建模

根據等值后的華東2013年夏季高峰方式，在EMTDC 程序［21］上建立了華東多直流饋入系統研究模型。其中錦屏—蘇州、葛洲壩—南橋、團林—楓涇、復龍—奉賢采用了與實際工程一致的直流控制保護模型，首次實現了南瑞、許繼和ABB 公司多種技術路線直流控制保護詳細模型的有效結合，而受電網規模限制宜都—華新和龍泉—政平采用相對簡化的控制保護模型，但直流模型中均包含與工程一致的換相失敗預測邏輯，可以進行換相失敗過程的詳細研究。

發電機采用詳細電磁暫態模型，包括勵磁調節器、調速器和電力系統穩定器(power system stabilization，PSS);交流負荷由恒阻抗、恒電流和恒功率負荷組成;輸電線路采用Bergeron 模型。

為驗證模型的有效性，選取了8月8 日上海外高橋三廠出線路橋5138 線C 相故障，導致復奉、林楓、宜華、葛南4 回直流同時發生換相失敗的案例，在電磁暫態模型上進行了故障再現。

從圖2 給出顧路—外高橋C 相故障葛洲壩—南橋仿真和現場的對比波形上看，直流電壓、直流電流以及觸發角在故障和恢復過程中仿真與現場波形基本一致，仿真模型可以精確反映換相失敗及其恢復的動態過程。

圖2 顧路—外高橋單相故障葛洲壩—南橋直流波形(圖中Ud 為直流電壓，Id 為直流電流，α 為觸發角)Fig.2 Wave of Gezhouba-Nanqiao HVDC in Gulu-Waigaoqiao single-phase AC line faults

3 仿真研究

基于研究模型，對復奉、宜華、林楓、葛南、錦蘇、龍政6 回直流落點華東電網情況下，發生交直流系統故障時的各回直流換相失敗及恢復情況進行了研究。主要研究內容包括:(1)受端交流線路單相故障;(2)受端交流線路三相故障;(3)逆變站丟失脈沖故障。最后根據研究結果給出了單相和三相交流線路故障可能導致華東6 回直流同時發生換相失敗的區域。

3.1 交流線路單相故障

華東地區換流站出線、上海環網和江蘇地區500 kV交流線路上進行單相永久性接地故障試驗。計算中葛南、宜華、林楓、復奉、龍政、錦蘇直流均采用整流側定電流控制、逆變側預測型關斷角控制，采用文［15］提出的利用換流變閥側電流判別是否發生換相失敗，研究結果見表1 ～3。

表1 華東地區單相交流故障時直流換相失敗持續時間Table 1 DC commutation failure duration caused by single-phase AC fault in the East China Power Grid ms

表2 華東地區單相故障時逆變側換流母線最低電壓Table 2 Inverter bus minimum voltage during single-phase fault in the East China Power Grid pu

表3 華東地區單相故障時直流恢復時間Table 3 DC power recovery time for single-phase fault in the East China Power Grid ms

從研究結果可見，在上海和江蘇地區主要保留線路上發生單相永久性故障時，會導致葛南、宜華、林楓、復奉、錦蘇5 回直流逆變器發生換相失敗，部分線路會導致6 回直流同時換相失敗。一般交流故障后，換相失敗預防功能(commutation failure prediction，CFPREV)迅速啟動(見圖3)，立即減小逆變站觸發角，從而增大換相裕度，避免發生連續換相失敗。換相失敗持續時間根據逆變站與故障點的電氣距離遠近不同，換流母線電壓的跌落情況不同而不同，為10 ～103 ms，政平站與其他5 回直流的落點距離相對較遠，因此在上海環網發生交流線路故障時，龍政直流發生換相失敗的次數較少。在換相失敗期間，直流電流上升，直流電壓下降甚至反向，導致直流輸送功率瞬時下降至0，甚至有時反向最低可降至－1.0 pu，直流功率為0 的時間一般不超過100 ms。從故障清除算起，恢復到故障前輸送功率90%的時間為27 ～220 ms。

圖3 熟南—石牌500 kV 交流線路單相永久性故障錦屏—蘇州特高壓直流的仿真波形Fig.3 Jinping-Suzhou UHVDC simulation waveform during Shunan-Shipai single-phase AC line faults

重合于故障時，直流一般會再次發生換相失敗，對系統的擾動比發生單相瞬時故障時要強烈，表現在換相失敗的時間和故障后恢復的時間要略長一些。發生單相永久故障后，交直流系統都能保持穩定。圖3 給出了熟南—石牌交流線路單相永久性故障錦屏—蘇州特高壓直流的仿真波形。

為掌握華東地區交流線路發生單相故障導致華東地區6 回直流同時換相失敗的區域(用粗線標記)，為調度運行提供參考，對華東地區主要的交流線路進行仿真計算，并給出華東地區單相故障導致華東地區6 回直流同時換相失敗的線路(見圖4)。從圖4 中可以看出:導致華東地區6 回直流同時換相失敗的線路有茅山—斗山、斗山—熟南、熟南—石牌、石牌—黃渡、徐行—黃渡、泗涇—黃渡、黃渡—宜華、晉陵—張家港、張家港—熟北、惠泉—梅里、梅里—木瀆、木瀆—同里。

圖4 華東地區單相故障導致6 回直流同時換相失敗的區域Fig.4 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by single-phase fault in the East China Power Grid

3.2 交流線路三相故障

在華東地區換流站出線、上海環網和江蘇地區500 kV 交流線路上進行三相永久性接地故障試驗，研究結果見表4 ～6。

表4 華東地區三相故障時直流換相失敗持續時間Table 4 Commutation failure duration during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

從研究結果可見，在上海地區保留線路上發生三相故障時，部分線路會導致6 回直流同時換相失敗，換相失敗持續時間為10 ～108 ms，在逆變器換相失敗期間，直流電流上升，直流電壓下降甚至反向，導致直流的輸送功率瞬時下降至0。恢復到故障前輸送功率90%的時間，從故障清除算起，為7 ～245 ms，從研究結果上看:500 kV 交流線路三相永久故障，交直流系統均保持穩定。三相永久性故障典型波形見圖5。

表5 華東地區三相故障時逆變側換流母線最低電壓Table 5 The minimum converter voltage during three-phase AC fault in the East China Power Grid pu

表6 華東地區單相故障時直流恢復時間Table 6 DC power recovery time during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

逆變站與交流系統交換無功功率在故障及其恢復期間的變化，可分為3 種情況:

第1 類為換流站出口交流線路故障。由于換流母線三相電壓降至0 附近，所以在故障期間交換無功功率在0 附近;由于故障期間直流換相失敗，在電流調節器和低壓限流環節(voltage dependent current order limiter，VDCOL)作用下，直流電流大幅下降甚至降至0 附近;當故障清除后，直流電流在VDCOL 的作用下，隨著直流電壓的恢復逐漸上升，而換流母線電壓在故障清除后可快速恢復，此時逆變站交流濾波器發出無功功率一般會大于換流器消耗無功功率，短時向交流系統注入大量無功功率，持續時間大于50 ms。直流額定功率下，特高壓直流向交流系統注入無功功率為3 000 Mvar，常規直流注入無功功率為1 400 Mvar。

圖5 亭衛—遠東交流三相故障復龍—奉賢特高壓直流的仿真波形Fig.5 Fulong-Fengxian UHVDC simulation waveform during Tingwei-Yuandong three-phase AC line faults

第2 類為逆變站附近交流線路故障。換流母線電壓跌落導致直流逆變器發生換相失敗，換相失敗期間直流消耗無功功率增加，持續時間約50 ms，特高壓直流從交流系統吸收無功功率為2 500 Mvar，常規直流一般從交流系統吸收無功功率為1 200 Mvar，隨后在直流電流調節器和VDCOL 的作用下，直流電流下降，換流器消耗無功功率大幅下降。故障清除后，直流電流在VDCOL 的作用下隨著直流電壓的恢復逐漸上升，此時逆變站交流濾波器發出無功功率大于換流器消耗無功功率，短時向交流系統注入大量無功功率，持續時間大于50 ms，直流額定功率下，特高壓直流最大注入無功功率為2 500 Mvar，常規直流最大注入無功功率為1 100 Mvar，一般比第1 類向交流系統注入的無功功率略小。

第3 類為逆變側遠端交流線路故障。若交流故障引起換流母線電壓下降幅度較大導致直流發生換相失敗，此種情況與第2 類相似。若交流故障沒有導致直流發生換相失敗，則在交流故障期間，由于交流擾動引起換相失敗預防功能啟動，瞬時減小逆變側觸發角，引起直流電壓下降，導致逆變站觸發角增大，直流電流上升，導致換流器消耗的無功功率上升;直流額定功率下，交流擾動期間，特高壓直流最大吸收無功功率為2 700 Mvar，常規500 kV 直流吸收的無功功率最大為1 500 Mvar。圖6 給出華東地區三相故障導致華東地區6 回直流同時換相失敗的區域(用粗線標記)，從圖6 中可以看出:導致華東地區6 回直流同時換相失敗的線路主要集中在上海雙環網和上海至江蘇的聯絡線上。由于受端地區交流線路發生三相故障，導致各換流站換流母線電壓下降幅度更大，因此三相故障導致6 回直流同時換相失敗的范圍明顯大于單相故障。

圖6 華東地區三相故障導致6 回直流同時換相失敗的區域Fig.6 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by three-phase fault in the East China Power Grid

3.3 丟失脈沖故障

引起直流輸電系統發生換相失敗的原因除了受端交流系統故障外，還有直流系統自身的原因，如逆變站控制系統觸發異常［22-24］。為掌握華東地區多回直流集中落點的情況下，某一直流逆變器發生丟失脈沖故障是否會導致多回直流同時換相失敗，為多直流饋入系統的運行提供技術支持。在模型中分別研究了葛南、龍政、宜華、林楓、復奉、錦蘇直流逆變側單極發生丟失單次和丟失多次脈沖故障后，是否會引發其他直流發生換相失敗。由于葛南與林楓直流線路采用同塔架設，根據文獻［24］關于同塔架設直流線路對換相失敗的影響，同塔直流輸電系統某一極發生丟失脈沖故障可能會導致同塔的另一回直流發生換相失敗，因此葛南和林楓直流分別考慮了極1 和極2 丟失脈沖的情況，其他直流僅考慮了極1 丟失脈沖的情況。

從表7 研究結果看:林楓極I、極II 逆變器Y 橋分別發生丟脈沖故障，林楓雙極雙橋均發生換相失敗。葛南雙極雙橋均發生換相失敗。其余4 回直流均未發生換相失敗，典型波形如圖7 所示。葛南極I、極II 逆變器Y 橋分別發生丟脈沖故障，葛南故障橋換相失敗，其余橋未發生換相失敗，林楓未發生換相失敗，其余4 回直流均未發生換相失敗。由此可以看出雖然林楓和葛南直流線路同塔架設，由于葛南直流額定輸送電流1 200 A 遠小于林楓直流的3 000 A，因此在故障過程中，林楓直流對葛南直流的影響更大。

表7 逆變站發生丟失多次脈沖故障對華東地區其他直流的影響Table 7 Influence of multiple misfire faults in the inverter on other HVDC in East China Power Grid

圖7 楓涇站極1 丟失脈沖故障華東地區6 回直流仿真波形Fig.7 DC simulation waveform of six circuits in the East China Power Grid after misfire fault of pole 1 in Fengjing Station

4 結 論

基于華東2013年夏季高峰方式電磁暫態模型，對復奉、宜華、林楓、葛南、錦蘇、龍政6 回直流落點華東電網的情況下，發生交直流系統故障時的各回直流換相失敗及恢復情況進行研究，得出如下結論。

(1)在上海、江蘇地區保留線路上發生單相和三相故障時，一般均會導致多回直流逆變器發生換相失敗，部分線路會導致6 回直流同時換相失敗。換相失敗的時間根據直流與故障點的電氣距離遠近不同，換流母線電壓的跌落情況不同而不同，為10 ～108 ms，直流恢復時間為7 ～245 ms。計算中的任意一回500 kV 交流線路故障，保護正確動作，交直流系統均保持穩定。

(2)通過上海和江蘇主要保留線路的仿真研究，對交流故障導致華東直流發生換相失敗的風險進行了分析，給出了可能導致華東地區6 回直流同時換相失敗的區域，研究分析了換相失敗及其恢復期間逆變站與交流系統交換無功功率的變化規律。

(3)林楓極I 或極II 逆變器發生丟失脈沖故障時，林楓雙極均發生換相失敗，葛南雙極均發生換相失敗，其余4 回直流均未發生換相失敗。而南橋和其他4 回直流發生丟失脈沖故障時，僅導致本回直流發生換相失敗，不會引起華東其他5 回直流發生換相失敗。

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