基于關斷過程能量的換相失敗判別方法

楊更宇

（國網紹興供電公司，浙江 紹興 312000）

換相失敗是高壓直流輸電逆變器最常見的故障之一。連續的換相失敗容易導致直流傳輸功率中斷，甚至導致系統失穩。

國內外學者對逆變器換相失敗的判據進行了相應的研究，主要方法分為時間－面積法、臨界阻抗法和電流特征法三種。時間－面積法通過比較實際換相過程中的電流／電壓－時間面積與臨界面積的大小，判斷是否發生換相失敗［1－2］；臨界阻抗法利用最小熄弧角作為依據計算系統發生換相失敗的臨界阻抗［3－4］；電流特征法基于換相過程中閥電壓／流或直流電流的特征判斷是否發生換相失?。?－7］。

本文從晶閘管的關斷過程入手，詳細解析了晶閘管關斷過程的數學模型，從關斷過程能量的角度提出了一種換相失敗的新判別指標。

1 晶閘管關斷過程

換相失敗的本質是系統所能提供的關斷角小于晶閘管完成關斷所需的關斷角，則實際關斷過程中晶閘管吸收的能量沒有達到其完成關斷所需吸收的能量。

晶閘管的關斷過程如圖1所示，關斷過程從陽極電流iA減小到0的時刻開始（即換相重疊過程結束），至閥電壓uAK由負變正的時刻結束。圖1中，trr表示反向阻斷恢復時間，tgr表示正向阻斷恢復時間，關斷時間tq＝trr＋tgr，一般為約幾百微秒。正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管將會重新正向導通，而不受門極電流控制而導通，這將導致換相失敗。

圖1 晶閘管關斷過程的閥電流和閥電壓

2 晶閘管關斷過程數學模型

2.1 等效電路

以換相重疊結束的時間為起點，由于晶閘管關斷過程的持續時間只有幾百微秒，因此換相電壓可以用直流電壓源表示。晶閘管關斷過程的等效電路如圖 2 所示［8－9］。

圖2 晶閘管關斷過程等效電路圖

圖中，U0表示加在待關斷晶閘管兩端的換相電壓，L為待關斷晶閘管那一相的換相電感，R、C為待關斷晶閘管的旁路阻尼電阻、電容，電流源ir等效待關斷的晶閘管，表征其反向電流，uAK表示晶閘管閥電壓。

2.2 數學模型及求解

晶閘管關斷過程的反向電流為一分段函數［10］：

式中，k為晶閘管閥電流變化率，ts為閥反向電流達到峰值的時刻，IRM為閥反向電流峰值，τ為閥反向電流衰減時間常數。

因此，需要分別對這兩個階段的電流列寫電路的微分方程，并進行求解。結合圖2，以干路電流i為變量，有：

（1）第一階段

初始條件為：正常運行時，晶閘管處于導通狀態，阻尼電路被短路，阻尼電路上電流為0，電容上無電壓，所以有：

本文所選參數計算得到的特征根是一對負實根，對應的解為：

由式（6）、（7）可知，在晶閘管反向電流增大的過程中，晶閘管仍處于導通狀態，將阻尼電路短路，因此其上電壓為0，干路電流就等于晶閘管反向電流，以恒定斜率增大。

（2）第二階段

初始條件為：由于之前阻尼電路被短路，電容上無電壓，干路電流初始值為反向電流峰值，所以有：

本文所選參數計算得到的特征根是一對共軛復根，對應的解為：

由式（12）可知，在晶閘管反向電流衰減的過程中，晶閘管上的反向電壓由三項組成：第一項是由施加的反壓決定的穩態恒定分量，第二項是由電感、電容、電阻決定的電壓振蕩衰減分量，第三項是晶閘管自身反向電流特性和外電路條件共同決定的電壓衰減分量。

3 基于能量的換相失敗判據

3.1 晶閘管關斷過程吸收能量

晶閘管完成關斷所需的最小時間為：

式中，γmin表示晶閘管的最小關斷角，ω1表示工頻。

結合式（1）、（12）－（13），晶閘管完成關斷過程所需吸收的最小能量為：

設閥電壓由0轉負的時刻為t0，由0轉正的時刻記為t1，利用晶閘管兩端量測的閥電壓、閥電流，對閥電壓、閥電流進行數值積分得到關斷過程中晶閘管實際吸收的能量：

3.2 換相失敗判據

基于關斷過程能量的換相失敗判斷程序需要如下步驟：

（1）獲取電路參數，包括晶閘管阻尼電路電阻、電容、換相電感、晶閘管最小關斷角；

（2）計算反向恢復初始時刻的換相電壓值，Y－Y側的換相電壓直接根據變壓器一次側的線電壓乘以變比得到，Y－△側的換相電壓在Y－Y側換相電壓的基礎上超前或滯后其30°；

（3）檢測反向峰值電流IRM的大??；

（4）通過對反向電流進行擬合，計算時間常數τ；

（5）將以上參數代入式（14）中計算臨界能量W0；

（6）根據式（15）計算晶閘管關斷過程中實際吸收的能量W實際；

（7）比較W實際和W0的大小，當W實際＜ W0時，晶閘管吸收的能量不足以使其恢復正向阻斷能力，則換相失?。划擶實際≥W0時，晶閘管吸收的能量足以使其恢復正向阻斷能力，則換相成功。

4 算例分析

以PSCAD軟件中的Cigre高壓直流輸電系統為基礎進行仿真驗證，仿真系統圖如下圖所示。逆變器為12脈波逆變器，逆變器晶閘管的緩沖電路電阻為 5kΩ，電容為 0.05μF。

圖3 仿真系統示意圖

在逆變側交流母線上設置不同類型的故障，分析每種故障類型下逆變器Y－Y側晶閘管實際吸收的能量和臨界能量的大小關系，仿真結果如附表1所示。由附表1可以看出，當晶閘管關斷過程實際吸收的能量大于其所需的臨界能量時，晶閘管才能換相成功。

同理，在逆變側交流母線上設置不同類型故障，分析每種故障類型下逆變器Y－△側晶閘管實際吸收的能量和臨界能量的大小關系，仿真結果如附表2所示。同樣，由附表2可以看出，當晶閘管關斷過程實際吸收的能量大于其所需的臨界能量時，晶閘管才能換相成功。

5 結論

本文針對高壓直流輸電系統的換相失敗問題，在分析晶閘管關斷過程等效電路的基礎上，提出一種基于關斷過程能量的換相失敗判別方法，通過比較晶閘管關斷過程實際吸收的能量與臨界能量的大小，可以快速判斷換相失敗與否，仿真結果驗證了所提判據的正確性與有效性。

附表1 不同故障類型下逆變器Y－Y側晶閘管換相情況

附表2 不同故障類型下逆變器Y－△側晶閘管換相情況