HVDC系統臨界換相電壓研究

姚江濤?藺彥斌?張榮輝

摘要：換相失敗是HVDC輸電系統最常見的故障之一，換相失敗與換相電壓之間存在著緊密的聯系。首先給出了臨界換相電壓的定義并推導了其表達式，進而詳細分析了影響臨界換相電壓的各種因素。根據影響因素的分析結果提出了減少換相失敗發生的措施。最后通過國際大電網會議（CIGRE）標準高壓直流輸電測試系統驗證了結論的正確性。

關鍵詞：換相失敗；臨界換相電壓；系統強度

作者簡介：姚江濤（1986-），男，河北邯鄲人，國網河北涉縣供電公司，助理工程師；藺彥斌（1986-），男，河北邯鄲人，國網河北涉縣供電公司，助理工程師。（河北 涉縣 056400）

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0258-02

在換相電壓反向（具有足夠的去游離裕度）之前未能完成換相的故障稱為換相失敗。換相失敗不是由于對換流閥的誤操作引起的，而是由于換流閥外部電路的條件引起的。[1]換相失敗是HVDC系統中最常見的故障之一，它將導致直流電壓下降和直流電流增大。若采取的控制措施不正確，還可能引發后繼的換相失敗故障，嚴重時會影響換流設備的正常運行，造成直流功率傳輸的中斷，對整個系統的安全穩定運行產生重大的影響。[1-3]

國內外學者對換相失敗進行了大量的研究。[3-8]其中文獻[3]分析指出逆變側交流系統故障是造成換相失敗的主要原因，不對稱故障時的恢復速度比對稱性故障時要快；文獻[4]研究了在不同的交流系統故障條件下濾波換相換流器與普通逆變器的換相過程，分析結果指出濾波換相換流器能更好地防止換相失敗的發生；文獻[5]提出了一種基于正余弦預防換相失敗的方法，該方法在電壓過零故障時能快速啟動，且在三相故障時也有明顯的預防效果；文獻[6]詳細探討了HVDC輸電系統換相失敗的檢測和恢復策略；文獻[7]指出不管換流母線處的電壓波形如何，只要是在換相過程中換相電壓達到一定的平均值就能完成換相過程；文獻[8]基于換相面積的觀點給出了故障情況下電壓降落△U和不對稱故障時電壓過零點相移Φ的計算公式，并計算出導致換相失敗發生的壓降限值。但文中假設逆變側交流系統是無窮大的，并且故障時電壓波形是完整的，這些假設在實際系統中略顯苛刻。

本文首先給出了臨界換相電壓的定義及表達式。基于臨界換相電壓的角度分析了影響換相失敗的因素，分析發現利用臨界換相電壓的概念能更全面地分析換相失敗與系統強度之間的關系。最后通過國際大電網會議（CIGRE）標準高壓直流輸電測試系統驗證了結論的正確性。

一、臨界換相電壓的研究

三相全波橋式逆變器等效電路如圖1所示。圖中Lc表示換相電感；ea、eb、ec表示交流母線的電壓。

假設圖1中交流母線電壓為：

（1）

則正常換相過程時，i1、i3的表達式如下所示：[1]

（2）

式（2）中，α表示觸發角，Em表示交流母線電壓的最大值。文獻[8]指出，換相失敗主要與交流母線電壓幅值相關，與交流不對稱故障引起的相位偏移關系不大。因此定義當交流側故障使得交流母線電壓降為，而此電壓恰好會引發換相失敗故障，稱此時的電壓為臨界換相電壓。顯然當交流側故障引起的母線電壓低于時就會引發換相失敗故障，否則不會引起換相失敗。臨界換相電壓的推導過程如下：

假設交流母線電壓幅值Em突然下降，直流控制器尚未動作，即換流器觸發角α保持不變。交流側電壓下降前直流側電流為[1]：

（3）

考慮到整流側一般為定電流控制，為維持直流電流恒定不變，當逆變側交流電壓下降時，關斷角下降至γ，即：

（4）

事實上直流電流將會上升，當直流電流上升到Id使得逆變側關斷角下降至最小允許值γ0時，將會導致換相失敗，此時式（4）可以進一步寫成：

（5）

把式（5）進一步化簡可得：

（6）

式（6）便是臨界換相電壓的表達式。

二、臨界換相電壓的影響因素分析

1.臨界換相電壓影響因素的具體分析

由式（6）可以看出，臨界換相電壓與觸發角α、換相電感LC以及Id'都有關系。下面分別論述各因素對臨界換相電壓的影響。

（1）對逆變側而言，觸發角α>π/2，因此隨著觸發角α增大，臨界換相電壓Em也增大，表示越容易發生換相失敗故障。因此從臨界換相電壓的角度來看，當檢測到故障發生時要給觸發角控制器一個角度附加量，以提前觸發防止換相失敗的發生。

（2）換相電感LC增大，臨界換相電壓Em增大，越容易發生換相失敗故障。換相電抗主要由變壓器的漏抗組成，因此要減小換相失敗發生的幾率，就要將繞組之間的短路阻抗設計的小些，但同時又要避免短路電流過大的問題，因此只能適當降低變壓器的漏抗。

將以下參數代入式（6）形成圖2所示的關系曲線，f=50Hz、Id'=2kA、γ0=0°、α∈（2π/3，35π/36）。

由圖2可知，在相同的換相電抗下，隨著觸發角α的增大，臨界換相電壓值越大，表示越容易發生換相失敗故障；在相同的觸發角下，換相電感越大，臨界換相電壓值越大，越容易引發換相失敗故障。

通過臨界換相電壓的表達式也可以得出：如果故障期間直流電流If達不到Id的大小，則此時換相電壓就可以維持在臨界電壓以上，則換相失敗故障就不會發生。顯然如果交流側故障引起的交流電壓降落比較低，則此時逆變側直流電壓幅值就較大，進而故障期間直流電流增加就不大；反之故障期間直流電流幅值就很大，很可能大于Id，進而引發換相失敗故障。下面從系統強度的角度出發分析系統強度與換相失敗的關系。

2.受端系統強度對換相失敗的影響

系統強弱反映了系統內組成元件對各種擾動的敏感度。強電力系統對負荷變化擾動不會有顯著的電壓或功角的變化，但是弱電力系統對一個小擾動都會有巨大的電壓或其他量的偏移，將會對系統產生危害。[1]當交流系統發生故障時，如果受端系統較弱，此時交流系統無功提供不足，會導致交流母線壓降比較大[2]，進而故障期間的直流電流If就比較大。當If=Id時，表示達到臨界換相電壓值，從而引發換相失敗故障；反之如果系統強度比較大，則在同樣的交流側故障下，交流側電壓下降就相對較低，此時逆變側直流側電壓就相對較高，進而引起的直流電流增大就較小，不易引發換相失敗的發生。這從臨界換相電壓的角度進一步佐證了提高受端系統的短路比有利于防止換相失敗發生這一結論。

通過上面分析可以得出，臨界換相電壓與換相電抗Lc、觸發角α以及交流故障期間直流電流的大小有關。降低換相電抗Lc、減小觸發角α以及增強系統強度都對換相失敗有預防作用。但在實際工程現場中，變壓器漏抗不易改變；觸發角是由控制系統決定的，一般也不宜改變。因此僅從換相失敗的角度來看，盡可能地加強受端系統強度是防止換相失敗發生的有效措施。

三、仿真驗證

CIGRE直流輸電標準測試系統是用于HVDC控制研究的標準系統，利用標準模型容易得到普遍性結論，仿真模型如圖3所示，其中平波電抗器電感L=0.5968H，由系統強度SCR=Ssc/PdN（PdN表示換流站的額定功率，Ssc表示換流母線的短路容量，且Ssc=Vs2/ZL）的表達式可以計算出此時受端系統強度SCR=2.5。設置故障點為F。

為了更好地說明受端系統強度對換相失敗的影響，將換相失敗的嚴重程度進行了分類。對于12脈動換流橋而言，規定如果交流側故障引發兩個換流橋同時發生換相失敗，換相失敗的程度記作A；只有一個換流橋發生換相失敗故障，記作B；無換流橋發生換相失敗故障，記作C。在直流輸電系統參數不變的情況下，要想改變受端系統強度的大小，最簡便的方法就是改變系統阻抗。本次仿真分析就是采用此方法研究受端系統強度SCR對換相失敗的影響。表1列出了當過渡電阻50Ω時，逆變側交流系統在不同的短路比（SCR）情況下對換相失敗的影響。

通過表1中編號為1、2、3的比較可以得出以下結論：不同的故障類型對換相失敗的影響程度是不同的；但就一種故障類型而言，當短路比（SCR）增大時，換相失敗的嚴重程度逐次降低，甚至不會引發換相失敗的發生。這表明增加系統強度有利于防止換相失敗的發生。

參考文獻：

[1]李興源.高壓直流輸電系統的運行與控制[M].北京：科學出版社，2010.

[2]浙江大學直流輸電科研組.直流輸電[M].北京：水利電力出版社，1985：181-182.

[3]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，

2004：125-127.

[4]徐政.交直流電力系統動態行為分析[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]許加柱，羅隆福，李季，等.交流系統故障對濾波換相換流器的影響分析[J].電工技術學報，2010，25（1）：144-51.

[6]陳樹勇，李新年，余軍，等.基于正余弦分量檢測的高壓直流換相失敗預防方法[J].中國電機工程學報，2005，25（14）：1-6.

[7]朱韜析，寧武軍，歐開健.直流輸電系統換相失敗探討[J].電力系統保護與控制，2008，36（23）：116-120.

[8]G.M.Kristmundsson，D.P.Carroll.The effect of AC system frequency spectrum on commutation failure in HVDC inverter[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5（2）：1121-1129.

（責任編輯：王祝萍）