換流站交流濾波器導(dǎo)致投切換相失敗分析

龔 駿，周為國(guó)，顧立堃

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

在直流輸電系統(tǒng)中，整流器和逆變器在換流的過(guò)程中都要產(chǎn)生大量的諧波，同時(shí)還要消耗大量的無(wú)功功率。為了維持直流系統(tǒng)和換流站連接的交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，換流站需要配置一定數(shù)量的交流濾波器組。通過(guò)對(duì)交流濾波器的投切控制來(lái)實(shí)現(xiàn)濾除諧波、維持交流母線電壓穩(wěn)定以及無(wú)功平衡的目的，但由于種種原因，某些交流濾波器在投切的同時(shí)隨之而來(lái)的就會(huì)出現(xiàn)換相失敗的現(xiàn)象。

本文簡(jiǎn)述交流濾波器的工作原理與特點(diǎn)，以及楓涇站交流濾波器的配置，介紹換相失敗的基本原理。結(jié)合楓涇站的實(shí)際情況，闡述交流濾波器的投切對(duì)換相失敗的影響，并提出改進(jìn)措施。

1 直流輸電產(chǎn)生諧波的原因

晶閘管換流器在運(yùn)行時(shí)，由于晶閘管為半控型器件，所以絕大部分晶閘管換流器均為電流源型換流器，電流源型換流器的直流側(cè)具有較大的電抗，以保證直流側(cè)電流的平滑以及晶閘管的正常換相。但這會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器交流側(cè)輸入電流的波形也變成偏離正弦波的方波或階梯波，從而對(duì)交流電網(wǎng)注入諧波。

目前大部分的高壓直流輸電工程均采用12脈動(dòng)換流閥，其在直流側(cè)產(chǎn)生12k次的諧波，在交流側(cè)產(chǎn)生12k±1的諧波。12脈動(dòng)的換流器是由換相電壓的相位相差30°的兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成，通常30°的相位差是由換流變壓器閥側(cè)線圈采用Y和△接線來(lái)實(shí)現(xiàn)。在分析換流器所產(chǎn)生的特征諧波時(shí)，常常假設(shè)換流器處于理想的換流狀態(tài)，即：交流母線電壓為恒定頻率的理想正弦波，換流變壓器各相的阻抗和變比完全相同，同一個(gè)12脈動(dòng)換流器的Y／Y和Y／△的阻抗和變比完全相同，每周期的12個(gè)脈沖嚴(yán)格按照觸發(fā)角度30°等距觸發(fā)，直流回路的電流為理想的直流。在這些理想狀態(tài)下，Y／△繞組與Y／Y繞組的波形如圖1所示。對(duì)于每一極來(lái)說(shuō)，Y／△換流變與Y／Y換流變疊加出的波形是一個(gè)類似于正弦波形的方波，如果一個(gè)平滑的正弦波進(jìn)入交流系統(tǒng)是不會(huì)產(chǎn)生諧波的，但實(shí)際情況是盡管使用了12脈動(dòng)閥，使得最后疊加出的波形能與正弦波相近，但仍舊是會(huì)有方波的棱角，構(gòu)不成一個(gè)平滑的正弦波，依然會(huì)產(chǎn)生諧波。

圖1 疊加波形

1.1 諧波不穩(wěn)定的概念和發(fā)生過(guò)程

直流輸電引起的諧波不穩(wěn)定是指在換流站附近有擾動(dòng)時(shí)，諧波振蕩不易衰減、甚至放大的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為換流站交流母線電壓嚴(yán)重畸變。發(fā)生諧波不穩(wěn)定時(shí)，諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，對(duì)電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的，特別是對(duì)換流變壓器、電容器和與其串聯(lián)的電抗器等元件將形成很大的威脅，常常使其損壞；而電壓的畸變則會(huì)導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行困難、甚至造成系統(tǒng)閉鎖。諧波不穩(wěn)定的發(fā)生過(guò)程是交直流側(cè)電壓、電流通過(guò)換流站非線性環(huán)節(jié)的相互調(diào)制，構(gòu)成諧波振蕩放大，導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓嚴(yán)重畸變。

1.2 諧波不穩(wěn)定對(duì)換相失敗的影響

在對(duì)換相失敗的研究中，通常考慮的是交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗，而未探討濾波器投切對(duì)換相失敗的影響。實(shí)際上，在執(zhí)行某些方式的交流濾波器投切以后，逆變站諧波產(chǎn)生交互影響，繼而引起諧波不穩(wěn)定，造成逆變站交流母線電壓嚴(yán)重畸變，影響換流器的換相過(guò)程，最終導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

2 交流濾波器工作原理與特點(diǎn)

采用L、C、R元件構(gòu)成的無(wú)源交流濾波器，由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以同時(shí)濾除諧波又發(fā)出無(wú)功，因此是目前采用的抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。但由于ZnN是隨交流系統(tǒng)接線和運(yùn)行方式的變化而變化的，還有可能在某些頻率下與ZnF發(fā)生并聯(lián)諧振，因此完全濾除換流器產(chǎn)生的各次諧波電流是不可能的。

換流站的交流濾波器通常采用不同型號(hào)的多組濾波器統(tǒng)一控制投切的方式來(lái)配置，有些交流濾波器僅做無(wú)功補(bǔ)償作用，有些交流濾波器同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功又濾除諧波，某些換流站還設(shè)置不同濾波次數(shù)的交流濾波器。這些交流濾波器通常由換流站的交流站控系統(tǒng)統(tǒng)一控制，隨直流負(fù)荷與運(yùn)行工況統(tǒng)一控制投切［1］。

3 楓涇站交流濾波器的配置與特點(diǎn)

楓涇換流站交流濾波器無(wú)功補(bǔ)償按總?cè)萘繛? 818 Mvar，按3大組9小組配置（配置圖如圖2所示）每小組容量202 Mvar配置。其中，交流濾波器分為2種：HP與SC。HP為5621、5622、5632、5611、5612共5組；SC又分為SCD型與SC型，SCD型并聯(lián)電容器為帶有串聯(lián)電抗器的并聯(lián)電容器，5633、5623、5613均為SCD型，而SC型并聯(lián)電容器不帶有串聯(lián)電抗器，5631為SC型。這些交流濾波器由站內(nèi)的直流站控系統(tǒng)統(tǒng)一控制，隨直流負(fù)荷與運(yùn)行工況統(tǒng)一控制投切。

4 換相失敗的基本原理

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)中常見的故障之一。在換流器中，退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)阻斷能力或在反向電壓期間換相過(guò)程未進(jìn)行完畢，則在閥電壓變?yōu)檎驎r(shí)，被換相的閥都將向原來(lái)預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，這種情況稱為換相失敗。高壓直流系統(tǒng)中大部分的換相失敗故障都發(fā)生在逆變器中。換相失敗將導(dǎo)致直流電壓下降和直流電流增大，若采取的控制措施不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)后繼換相失敗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖、直流功率傳輸中斷，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。典型的換相失敗原因是交流電壓過(guò)低、故障或磁飽和造成的三相不對(duì)稱等。

圖2 三大組交流濾波器場(chǎng)

換相失敗是晶閘管半控型換流器的特殊故障之一。由于晶閘管換流器僅能觸發(fā)其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷，因此當(dāng)用作逆變運(yùn)行時(shí)，必須通過(guò)交流側(cè)穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓來(lái)配合，通過(guò)電網(wǎng)電壓的反電動(dòng)勢(shì)關(guān)斷需要關(guān)斷的晶閘管閥。如果運(yùn)行時(shí)交流電網(wǎng)電壓突然降低、畸變或缺相，就很可能使應(yīng)該關(guān)斷的晶閘管由于反向電壓不足而關(guān)不斷，或關(guān)閉后又自行導(dǎo)通，一旦該晶閘管同相的另一晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，就形成了直流側(cè)通過(guò)上下兩個(gè)晶閘管短路、直流能量無(wú)法流入交流側(cè)的故障，這就是換相失敗。由于換流變壓器、平波電抗器等阻尼元件的巨大電抗，偶發(fā)的換相失敗并不會(huì)引起直流側(cè)電流猛增，也不會(huì)對(duì)換流閥的工作產(chǎn)生危害，然而換相失敗會(huì)損失一部分直流電能，同時(shí)使換流器承受過(guò)電流應(yīng)力，因此應(yīng)該盡量避免換相失敗的發(fā)生。

通過(guò)設(shè)置換相失敗保護(hù)，一旦檢測(cè)到換相失敗情況，立即通過(guò)減小觸發(fā)角等手段，使所有晶閘管的觸發(fā)時(shí)間前移，就等于增大了晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，提高晶閘管的關(guān)斷能力，這樣就能有效抑制換相失敗，當(dāng)交流擾動(dòng)恢復(fù)后迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。換相失敗的明顯特征是交流相電流降低，而直流電流升高。

換相失敗保護(hù)的報(bào)警段只減小觸發(fā)角，通過(guò)觸發(fā)角的減小，絕大部分情況下?lián)Q相失敗均能短時(shí)期內(nèi)自行恢復(fù)正常。當(dāng)換相失敗持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，才會(huì)啟動(dòng)極控系統(tǒng)切換、直至直流閉鎖的保護(hù)程序，保護(hù)的切系統(tǒng)延時(shí)、閉鎖延時(shí)長(zhǎng)短與換相失敗單位時(shí)間內(nèi)的次數(shù)、直流側(cè)過(guò)電流大小有關(guān)，最大限度地保證換流器正常運(yùn)行。

5 投切交流濾波器導(dǎo)致?lián)Q相失敗原因分析

楓涇站在2011年至2013年期間，通過(guò)手動(dòng)合閘或自動(dòng)合閘，5631并聯(lián)電容器投退多次，其中引起過(guò)數(shù)次單極的換相失敗，僅有幾次在投入濾波器時(shí)無(wú)換相失敗，并且也僅有5631并聯(lián)電容器在投入時(shí)會(huì)引起換相失敗。在投切5631交流濾波器的時(shí)候，時(shí)而發(fā)生換相失敗的情況是因?yàn)?631為SC型并聯(lián)電容器，由于SC型并聯(lián)電容器并不帶有串聯(lián)電抗器，這使得其沒有限制電流突變的能力。由于換流站交流濾波器容量很大，因此在5631投入時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，導(dǎo)致500 k V交流系統(tǒng)電壓波形瞬時(shí)凹陷，從而使換流閥的關(guān)斷電壓降低，此時(shí)若正好有閥處于換相過(guò)程中，由于交流電壓波形凹陷、反向關(guān)斷電壓不足以將導(dǎo)通閥關(guān)斷，其會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，而另一橋臂上的閥扔正常換相，這樣的過(guò)程就會(huì)造成同一相的上下2個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，形成旁通對(duì)，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

5631交流濾波器為什么不設(shè)置串聯(lián)電抗器，主要是因?yàn)閷?duì)于楓涇站這類純換流站，系統(tǒng)阻抗較大，設(shè)計(jì)本意是通過(guò)系統(tǒng)阻抗來(lái)限制投切沖擊電流，從而省去串聯(lián)電抗器，然而這確實(shí)導(dǎo)致了投入時(shí)系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，從而引起換相失?。?］。

6 改進(jìn)建議與設(shè)想

6.1 一次設(shè)備改進(jìn)

由于5631為SC型并聯(lián)電容器，未裝設(shè)有串聯(lián)電抗器的設(shè)計(jì)缺陷使得產(chǎn)生的沖擊電流很大以及引起交流的擾動(dòng)，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。針對(duì)這一情況，可以考慮在5631電容器上再串聯(lián)一個(gè)限流電抗器，將SC型濾波器改為SCD型。在電容器組中串聯(lián)電抗器后，合閘涌流倍數(shù)將大幅度減小，起到抑制合閘涌流，減小交流電壓擾動(dòng)的目的。同時(shí)串聯(lián)電抗器還可以抑制高次諧波和限制短路電流，保護(hù)斷路器。

在實(shí)際情況中，由于受到場(chǎng)地面積的限制以及出于成本的考慮，并不是所有的并聯(lián)電容器都會(huì)裝設(shè)串聯(lián)電抗器，例如楓涇站就由于5631交流濾波器小組前建設(shè)了繼保2室導(dǎo)致沒有充足的空間來(lái)裝設(shè)串聯(lián)電抗器，由此可見一次設(shè)備的改進(jìn)有其實(shí)施的難度。

6.2 極控軟件修改

既然一次設(shè)備的改良有一定困難，那就考慮在控制軟件上進(jìn)行改進(jìn)。直流站控發(fā)令投濾波器，5631開關(guān)收到合閘命令時(shí)，可以在開關(guān)操作箱或測(cè)控屏里接一副接點(diǎn)給極控系統(tǒng)（如圖3所示），通過(guò)修改軟件使得5631濾波器開關(guān)合閘瞬時(shí)給極控一個(gè)增加熄弧角的信號(hào)，從而防止換相失敗。這樣做能有效地保證換流閥從關(guān)斷到其電壓由負(fù)變正的過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使得閥關(guān)斷后處于反向電壓的時(shí)間能夠充分滿足其恢復(fù)阻斷能力的要求，提高了換流器的換相成功率。

圖3 濾波器信號(hào)回路概述圖

7 結(jié)語(yǔ)

在直流輸電系統(tǒng)中，整流器和逆變器在換流過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量諧波，如果不加以控制，將會(huì)影響交、直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以需要通過(guò)加裝濾波器裝置來(lái)有抑制諧波。部分交流濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)由于未安裝電抗器的SC型濾波器，所以投切時(shí)會(huì)有很大的沖擊電流，對(duì)交流電壓產(chǎn)生波動(dòng)或凹陷，可能使換流器發(fā)生不必要的換相失敗。

換流站在建設(shè)交流濾波器時(shí)應(yīng)充分考慮到電網(wǎng)的參數(shù)，同時(shí)在允許的情況下，盡量裝設(shè)串聯(lián)電抗器，避免SC型濾波器的使用，防止對(duì)換流器工作產(chǎn)生影響。但若換流站已經(jīng)建成，則可以從軟件、控制上進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)投切濾波器時(shí)瞬時(shí)增大熄弧角等辦法來(lái)防止換相失敗，提高換流器工作穩(wěn)定性，以避免不必要的換相失敗。

［1］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［2］ 徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述［J］.超高壓技術(shù)，2007（1）：1-10.

XU Zheng，CHEN Hai-rong.Review and applications of VSC HVDC［J］.High Voltage Engineering，2007，33（1）：1-10.