減少直流系統(tǒng)換相失敗措施的研究

于洋　楊勇　程寧　李浩

摘 要：高壓直流輸電常見故障之一是換相失敗故障。它將導(dǎo)致使直流電壓為零、逆變器直流側(cè)短路，直流電流增大、直流系統(tǒng)輸送功率減少，寧東-山東±660kV直流輸電工程是國家跨區(qū)域電網(wǎng)建設(shè)工程，額定輸送功率4000MW，約占山東電網(wǎng)有功負荷的1/12，如果發(fā)生換相失敗，進而引發(fā)直流閉鎖，將對山東電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來重大影響。若換相失敗后控制不當，還會引發(fā)后繼的換相失敗，最終導(dǎo)致?lián)Q流閥壽命縮短、換流變壓器直流偏磁及逆變側(cè)弱交流系統(tǒng)過電壓等不良后果。通過對換相失敗動作原因分析，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時，對換相失敗邏輯進行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：直流輸電系統(tǒng)；換相失敗；措施

引言

高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)最常見的故障之一是換相失敗，它是由逆變器多種故障所引起的，如丟失觸發(fā)脈沖、逆變器換流閥短路、交流系統(tǒng)逆變側(cè)故障等。通過對換相失敗保護動作的分析研究，提出了相應(yīng)改進措施，對膠東換流站安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 換相失敗基本原理

1.1 換相失敗概念

在換流器中，在反向電壓期間換相過程未進行完畢，則在閥電壓變成正向時，被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，或者退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，這種情況稱為換相失敗。

1.2 換相失敗機理分析

1.2.1 閥的特性

HVDC系統(tǒng)中的閥是一種可控電子開關(guān)，閥從關(guān)斷轉(zhuǎn)入導(dǎo)通必須同時具備兩個條件：（1）承受正向電壓（換流閥陽極電壓高于陰極電壓）；（2）控制極對陰極加能量足夠的正向觸發(fā)脈沖，兩個條件必須同時具備，缺一不可。換流閥一旦導(dǎo)通，它只有當流經(jīng)換流閥的電流為零時，它才能關(guān)斷（唯一的關(guān)斷條件），是靠外回路的能力來進行關(guān)斷的。

1.2.2 換相過程

即閥5、6導(dǎo)通過渡為閥5、6、1導(dǎo)通，進而過渡到6、1導(dǎo)通的過程。以閥5向閥1換相為例說明換相的過程，在整流器中，用α表示在閥1控制極上加觸發(fā)脈沖的時刻滯后的相位角稱為觸發(fā)延遲角/觸發(fā)角。對于逆變器，α>90度。換相過程所持續(xù)的時間，即導(dǎo)通閥開始導(dǎo)通的時刻，用μ表示如T1到被換向閥截止的這段時間所對應(yīng)的電角度稱為換相角；用γ表示被換相閥截止時刻到其正向電壓由負變正的過零點之間的電角度稱為關(guān)斷角，或熄弧角。圖1中，T1表示導(dǎo)通閥1開始時刻，D5表示關(guān)斷閥5時刻。

用C1～C6表示自然換相點為換流器交流側(cè)相電壓的交點，對應(yīng)橋臂的編號相同下標1～6。在一個工頻周期中持續(xù)導(dǎo)通120°+μ電角度的時間每個橋臂，繼而關(guān)斷240°-μ電角度的時間。相當于六個可控的電子開關(guān)換流器實質(zhì)，按照一定的次序輪流的接到將它的直流側(cè)三相交流電源中的某兩項，從而相互變換完成交流電和直流電之間。

1.3 換相失敗保護判據(jù)

極保護測量換流器高壓側(cè)直流電流IDP，換流器中性線側(cè)直流電流IDNC，以及換流變閥側(cè)電流IacY、IacD。

保護判據(jù)為：

Y橋：Id-IacY>0.133pu+0.1*Id且IacY<0.65*Id（Y橋）；

D橋：Id-IacD>0.133pu+0.1*Id且IacD<0.65*Id（D橋）。

2 極Ⅰ換相失敗故障分析

某時刻，山東電網(wǎng)220kV瑯莊II線路發(fā)生故障跳閘，重合不成功，引起交流側(cè)電壓明顯波動，導(dǎo)致膠東站雙極發(fā)生換相失敗告警，告警62ms左右復(fù)歸，未引起極控系統(tǒng)切換等嚴重后果。以極Ⅰ為例，進行換相失敗告警分析。從波形上可以看出，由于交流側(cè)發(fā)生故障導(dǎo)致閥2應(yīng)關(guān)斷時卻未完全關(guān)斷，換流閥3-4向4-5換相時，通過閥2和閥5形成直流側(cè)短路，直到閥5換相至閥1后，直流短路消失，逐漸自行恢復(fù)正常。由于交流側(cè)電壓擾動，最先引起C相電壓跌落，相電壓由正常303kV跌至243kV，導(dǎo)致雙橋換相時失敗。告警時刻，換流變Y/D閥側(cè)交流相電流，Ia約為1927A，Ib約為1901A， Ic約為1171A而直流側(cè)Id，約為4600A，根據(jù)保護判據(jù)公式，計算IacD為559.44A，I1=Id-IacD=4600-559.44=4040.56A；I2=0.133pu+0.1*Id=0.133×3030+0.1×4600=862.99A；I1大于I2。

由此，保護判據(jù)滿足，延時3ms，極Ⅰ極控A、B系統(tǒng)延時3ms發(fā)出換相失敗告警正確。根據(jù)故障錄波，告警經(jīng)過62ms復(fù)歸。

3 改進措施

通過對根據(jù)膠東換流站投運以來雙極換相失敗統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)雙極發(fā)生換相失敗的原因為：交流側(cè)系統(tǒng)故障，造成交流電壓波形畸變，交流線電壓過零點提前，因此針對上述情況，為防止連續(xù)換相失敗的發(fā)生，具體措施如下：

（1）優(yōu)化控制系統(tǒng)換向失敗預(yù)測功能，降低交流電壓變化和零序電壓變化定值，使得控制系統(tǒng)能夠提前精確檢測到交流電壓故障，啟動增加熄弧角功能，防止受電壓波形畸變影響，線電壓過零點提前，造成換向失敗。

（2）取消換向失敗后直流電壓參考值瞬時值增加功能，防止換向失敗后發(fā)生連續(xù)換向失敗隱患。將上述經(jīng)過改進前后控制功能進行實驗室仿真對比驗證。經(jīng)過上述程序優(yōu)化后，按照現(xiàn)場試驗工況，在同樣交流系統(tǒng)的干擾下，上述改進措施能夠有效抑制換流器換向失敗的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

不容忽視直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生換相失敗對電網(wǎng)的影響，換相失敗期間，正負半周很不對稱逆變器交流側(cè)線電流，即存在直流分量于交流電流中，這將引起變壓器空載損耗增加，造成換流變壓器的直流偏磁，甚至引起零序諧波，嚴重時使濾波器跳閘；甚至?xí)斐芍绷鏖]鎖，且發(fā)生連續(xù)換相失敗，則因此在對換相失敗相關(guān)邏輯程序優(yōu)化的同時，也可增加靜止無功發(fā)生器STATCOM對直流系統(tǒng)進行無功補償，當發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，維持電壓的穩(wěn)定，可以降低直流系統(tǒng)從靜止無功發(fā)生器STATCOM對暫態(tài)反應(yīng)的靈敏度，而避免換相失敗的發(fā)生。

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作者簡介：于洋（1986-），男，漢族，山東煙臺人，國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司助理工程師，主要從事高壓直流系統(tǒng)運行、維護等工作。