換流變充電擾動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q相失敗故障分析與處理

黃家銘，陳 飛，饒洪林，周雅潔，胡宇洋

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

高壓直流（HVDC）輸電在遠(yuǎn)距離，大功率輸電和異步聯(lián)網(wǎng)中占有越來(lái)越重要的地位[1]。目前，中國(guó)HVDC輸電工程數(shù)量在世界上已名列前茅[2]。寧東工程成功投運(yùn)，對(duì)于西電東送，緩解山東東部供電的緊張起到了舉足輕重的作用。為了提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和功率控制的最大靈活性以及保證設(shè)備的安全，直流輸電采用各種分層控制方式[3]。在直流輸電的極控制級(jí)，整流側(cè)通常配備帶有最小觸發(fā)角限制的定電流控制器；逆變側(cè)通常配有電壓控制器、定電流控制器和定逆變角控制器等極控制系統(tǒng)。極控制系統(tǒng)包含大量的定值參數(shù)，用以完成復(fù)雜的操作控制，眾多參數(shù)只有通過大量的實(shí)驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行才能達(dá)到較為準(zhǔn)確的程度，本文所述換流變壓器充電試驗(yàn)過程中，空載投入換流變壓器時(shí)，勵(lì)磁涌流造成正在運(yùn)行的一極交流電壓畸變，引起該極換相失敗，導(dǎo)致大量無(wú)功消耗這一事例，實(shí)際上為直流輸電的極控制問題[4]。

1 工況描述

在寧東工程極1運(yùn)行過程中，逆變側(cè)換流站進(jìn)行極2換流變充電試驗(yàn)，換流變空投的勵(lì)磁涌流造成逆變側(cè)的C相交流電壓畸變，引起了極1換相失敗。

換相失敗發(fā)生后，逆變側(cè)的控制系統(tǒng)將逆變側(cè)的觸發(fā)角移到120°，增大熄弧角，防止可能再次發(fā)生的換相失敗。隨后按照正常的控制邏輯，此時(shí)逆變側(cè)應(yīng)由電壓控制起作用，使熄弧角向減小的方向移動(dòng)以控制直流電壓上升。當(dāng)熄弧角達(dá)到接近于正常范圍時(shí)，逆變側(cè)的控制方式再由定電壓控制切換到定熄弧角控制，最終使系統(tǒng)恢復(fù)。但是本次換相失敗，逆變側(cè)熄弧角卻沒能在定電壓控制的作用下逐步減小至17°，而是達(dá)到39°后停留了數(shù)秒，致使直流電壓在這段時(shí)間內(nèi)保持在500 kV，之后才逐步上升，與系統(tǒng)的正常恢復(fù)過程存在差異。

在逆變側(cè)出現(xiàn)換相失敗前，極1系統(tǒng)運(yùn)行于定功率模式，整流側(cè)通過直流功率定值保證系統(tǒng)功率恒定。逆變側(cè)換流站換相失敗預(yù)測(cè)功能啟動(dòng)之后，整流側(cè)換流站VDCOL（Voltage Dependent Current Order Limiter,VDCOL，簡(jiǎn)稱低壓限流環(huán)節(jié)）正常動(dòng)作壓低直流電流，協(xié)助逆變側(cè)脫離換相失敗。但由于逆變側(cè)的直流電壓恢復(fù)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，造成整流側(cè)較長(zhǎng)時(shí)間里在42°大觸發(fā)角下運(yùn)行，換流器吸收的無(wú)功功率增加，從而造成相繼投入兩組電容器的情況。

2 分析與處理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的情況，利用RTDS仿真系統(tǒng)，搭建換流變勵(lì)磁涌流模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的過程進(jìn)行仿真，并和現(xiàn)場(chǎng)故障錄波圖進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果如下。

逆變側(cè)極1運(yùn)行，極2換流變充電過程中，換流變壓器的勵(lì)磁涌流對(duì)交流系統(tǒng)電壓產(chǎn)生擾動(dòng)。換流變的磁化是個(gè)反復(fù)過程，所以換流變充電過程中，交流系統(tǒng)電壓的波形周期性衰減振蕩，這個(gè)衰減振蕩過程很長(zhǎng)，達(dá)到幾秒鐘時(shí)間。在這個(gè)衰減振蕩過程中，交流電壓的三相電壓相繼發(fā)生畸變，引起極控系統(tǒng)的換相失敗預(yù)測(cè)功能啟動(dòng)，增大熄弧角。在交流系統(tǒng)充電過程中，該功能反復(fù)啟動(dòng)，由于熄弧角增大之后，為了防止可能的換相失敗，熄弧角的返回速度比較慢，所以形成了現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的持續(xù)大角度運(yùn)行現(xiàn)象，一直到換流變充電過程。

圖1 極2換流變充電極1 RTDS仿真錄波圖Fig.1 Pole2 converter transformer charging pole1 RTDS simulation recorded diagram

圖1 為RTDS仿真的逆變站極2換流變充電時(shí)，極1發(fā)生換相失敗后極1的故障錄波圖。錄波圖中自上到下第一路為交流電壓，第二路為直流電壓，第三路為直流電流，第四路為熄弧角，第五路換相失敗預(yù)測(cè)功能動(dòng)作，從圖1中可以看出由于交流電壓畸變，造成換相失敗預(yù)測(cè)功能反復(fù)啟動(dòng)，形成長(zhǎng)時(shí)間大熄弧角運(yùn)行過程。

圖2 為寧東工程極2換流變充電，極1換相失敗逆變側(cè)換流站故障錄波圖，對(duì)比圖1和圖2可以看出，兩者之間有相同的趨勢(shì)，只是RTDS仿真系統(tǒng)換流充電過程只持續(xù)了1 s左右，持續(xù)時(shí)間短。

圖2 極2換流變充電極1換相失敗仿真錄波圖Fig.2 Pole2 converter transformer charging pole1 commutation failure simulation recorded diagram

極控系統(tǒng)的換相失敗預(yù)測(cè)功能是檢測(cè)單相和三相交流系統(tǒng)電壓的跌落值，如果交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)超過額定電壓的5%，換相失敗預(yù)測(cè)功能啟動(dòng)，增大熄弧角，該過程通過同時(shí)改變熄弧角參考值和瞬時(shí)減小觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)：1、增大熄弧角參考值，增大角度為12°；2、瞬時(shí)減小觸發(fā)角10°。所以如果換相失敗預(yù)測(cè)功能啟動(dòng)，熄弧角最大增加22°。

在進(jìn)行功能性能仿真試驗(yàn)時(shí)，采用換相失敗預(yù)測(cè)判別公式,通過交、直流電流的比較來(lái)預(yù)測(cè)換相失敗。

Y橋換相失敗預(yù)測(cè)：

IDNC-MAX(|IVY_L1|,|IVY_L2|,|IVY_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

D橋換相失敗預(yù)測(cè)：

IDNC-MAX(|IVD_L1|,|IVD_L2|,|IVD_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

滿足上述任一條件超過0.8 ms判故障，1-cos△γ=0.0038（△γ=5°）

上式中，IDNC為直流系統(tǒng)中性線電流，IVY為Y/Y接線換流變閥側(cè)電流，IVD為Y/D接線換流變閥側(cè)電流,L1、L2、L3分別為A、B、C三相。

只考慮到交流系統(tǒng)發(fā)生一次故障情況，沒有考慮到交流系統(tǒng)在換流變充電過程中形成的這種持續(xù)擾動(dòng)的情況，因此仿真波形中故障持續(xù)時(shí)間比真實(shí)工況短；另外在其他直流工程中，換相失敗預(yù)測(cè)功能增加熄弧角參考值為5°左右，交流電壓跌落判據(jù)為20%。所以在極控系統(tǒng)的換相失敗預(yù)測(cè)判斷時(shí)應(yīng)充分考慮持續(xù)擾動(dòng)因素。

綜合上述分析，針對(duì)換流變充電過程的特點(diǎn)對(duì)換相失敗預(yù)測(cè)功能定值參數(shù)擬進(jìn)行以下修改：

（1）交流電壓跌落的判據(jù)由5%改為8%；

（2）換相失敗預(yù)測(cè)功能增大熄弧角參考值的定值由12°改為 7°；

（3）換相失敗預(yù)測(cè)功能瞬時(shí)減小觸發(fā)角的定值由 10°改為 6°。

將換相失敗預(yù)測(cè)功能參數(shù)修改后進(jìn)行RTDS仿真測(cè)試，換流充電過程中換相失敗預(yù)測(cè)功能啟動(dòng)頻率降低，達(dá)到啟動(dòng)條件后，熄弧角增大為21.7°，系統(tǒng)電壓恢復(fù)加快，但仍未達(dá)到正常的控制邏輯要求，這說明上述參數(shù)的修改得到了較好的效果，只是調(diào)整還不到位，鑒于仿真結(jié)果的驗(yàn)證，對(duì)換相失敗預(yù)測(cè)功能參數(shù)依次修改為10%、6°、5°。進(jìn)一步測(cè)試仿真結(jié)果滿足控制邏輯要求[5]。

根據(jù)分析與仿真結(jié)果，提出了換相失敗預(yù)測(cè)功能參數(shù)的意見：依次為10%、6°、5°，系統(tǒng)按照規(guī)程修改后，試運(yùn)行過程未出大量無(wú)功消耗現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于雙極的直流輸電系統(tǒng)，由于直流正、負(fù)極之間存在電磁耦合關(guān)系，一極發(fā)生故障擾動(dòng)健全極的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。變壓器充電試驗(yàn)過程中，空載投入換流變壓器，勵(lì)磁涌流擾動(dòng)正在運(yùn)行的一極的交流電壓畸變，這種雙極之間的電磁耦合關(guān)系是不可回避的，通過合理的控制，使擾動(dòng)盡快恢復(fù)到正常運(yùn)行是直流輸電中日漸積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

通過RTDS仿真，回放了擾動(dòng)過程，對(duì)比了RTDS仿真與換流站逆變側(cè)換流站故障錄波波形，分析出結(jié)果，提出換相失敗預(yù)測(cè)功能定值的修改，進(jìn)一步完善了極控制系統(tǒng)的控制狀態(tài)，不僅有利于換流變充電引起換相失敗后系統(tǒng)的恢復(fù)，對(duì)雙極運(yùn)行時(shí)，一極發(fā)生故障擾動(dòng)健全極仍具有足夠的可靠性與功率控制的靈活性。

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