換流站近端交流線路不同故障點對 高壓直流輸電系統影響機理研究

代書龍，劉百爽，張銳，滕昭林，徐學海，辛亮，周亞樹

（中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

由于高壓直流輸電系統存在輸送容量大、功率調整靈活、節省輸電走廊等眾多優點，被廣泛應用于超高壓、遠距離、大容量直流輸電[1-6]。但交流線路故障現象時有發生，交流故障對直流系統的影響一直都是重點研究內容。高壓直流系統正常運行時，若在交直流側人為制造故障點研究相互之間的影響，不僅接地電阻較難控制，且勢必會對整個系統產生嚴重影響，因此當前對交直流系統故障時相互之間的影響主要通過仿真實現，但當前的研究方法主要是在交流系統母線或直流側設置不同大小的接地電阻后，研究相互影響機理，并取得了豐碩成果[7-9]。然而對于交流線路而言，電抗遠大于電阻，因此通過在換流站交流母線上設置接地電阻的研究方式與系統實際運行情況仍然存在偏差。

本文借助典型高壓直流系統模型，將換流站交流母線與電源點之間阻抗等效為4條交流線路后，計算出其中一條交流線路任何一點發生故障時，換流站交流母線處等效阻抗與故障點距換流站母線之間距離的關系，并借助修改之后的等效模型，對其中一條交流線路不同位置發生不同類型故障進行仿真分析，并對相互之間的影響進行了研究。

1 典型高壓直流系統模型介紹

PSCAD/EMTDC模型庫中的標準直流輸電系統測試模型如圖1所示，該模型為單極系統，大地回線接線方式，系統設備主要參數見表1。整流站配置有定電流控制器以及最小觸發角兩種控制器，正常運行時，整流站為定電流控制，逆變站為定γ角控制，當整流站交流電壓降低時，整流站降低觸發角以便維持電流恒定，若電壓降低幅度較大，觸發角降低至最小值5°時，整流站觸發角維持在最小值運行。逆變站采用定γ角控制，可降低換相失敗發生的概率，當逆變站電壓降低時，換相角增大，逆變站觸發角a相應減小。此外，逆變站配置有電流控制器，電流控制的定值比整流站定值小10%。整流站以及逆變站均配置VDCL（低壓限流），以便在電壓降低時減小直流電流，避免換流器連續發生換相失敗，整流站VDCL電流最小限制值為0.55倍額定值，逆變站VDCL電流最小限制值為0.45倍額定值，詳細控制原理圖如圖2所示[10-11]。

圖1 直流測試系統模型

表1 直流系統主要參數

圖2 直流系統控制原理圖

2 整流站交流故障對直流系統影響

由于換流站送端主要建在大型水電站或火電站附近，受端主要建在負荷中心，因此換流站兩端的交流線路均較短，屬于短距離線路，本研究中采用的交流線路等效電路模型如圖3所示。

圖3 交流線路等效電路圖

為便于分析線路不同位置接地時，相對于換流站母線處等效阻抗的變化規律，將模型中換流站母線與電源之間等效為4條并聯的交流線路，并假設其中一條線路的某個位置發生接地故障，其故障點設置如圖4所示，其中R'為3.737 Ω，經過折算之后的電阻R為1.041 Ω，電抗X為47.41519 Ω，故障點距離換流站母線之間的距離為dx，故障點距離電源點之間的距離為1-dx，可計算出電源點與換流站母線之間的等效阻抗如式(1)所示，根據該式可繪制出距離換流站母線不同位置的交流線路上發生故障時等效阻抗曲線如圖5所示。

圖4 故障點位置示意圖

圖5 不同位置故障時等效阻抗

由圖5可知，交流線路故障點在距換流站母線20%以內時，等效阻抗的增長趨勢隨距離增加而快速增大，距換流站母線30%～95%范圍內故障時，等效阻抗隨故障距離增長趨勢明顯變緩。距離在0%～95%范圍內，等效阻抗增長斜率整體上隨距離增大而減小，當接地距離超過約95%時，距離增加，等效阻抗出現減小趨勢。

2.1 交流線路發生單相金屬接地

為準確分析整流站與電源之間交流線路發生金屬性故障時系統實時發展趨勢，將仿真系統中4條交流線路的其中一條平均分割為8個分段，并分別在每個分段點設置金屬接地故障，以此模擬其中一相線路發生單相金屬接地故障，此時故障回路中將同時存在電阻以及電感，與系統實際故障情況類似，仿真結果如圖6、圖7所示。不難看出，換流站母線處發生接地故障時，直流電流降低幅值最大，故障點遠離換流站母線時，直流電流降低幅度逐漸減小，但當故障點為距母線8/8（即電源母線）處時，直流電流降低幅度僅次于換流站母線處故障時的降低幅度，這一方面是由于電源母線處接地將導致電源電壓大幅降低，另一方面則是由于電源母線處發生接地故障時，換流站母線處等效阻抗存在一定程度的降低導致。

圖6 整流站交流線路單相金屬接地時直流電流變化曲線

圖7 整流站交流線路單相金屬接地時觸發角變化趨勢

由于整流站為定電流控制，當線路發生故障導致直流電流降低時，為了維持直流電流不變，整流站迅速降低觸發角，直流系統控制器反應極其迅速，觸發角降低速率隨直流電流降低速率的增加而增大，觸發角基本在3 ms左右便從19°降低至最小值觸發角5°，觸發角降低至最小值后，若直流電流維持在較低值附近，觸發角將繼續保持在最小值運行，當直流電流回升后，觸發角隨即增大。

2.2 交流線路發生單相不同電阻接地

整流站四條交流線路中的一條線路中點A相發生不同大小的電阻接地時，仿真情況如圖8所示。線路中點通過不同電阻接地，接地電阻將與線路本身的電阻以及電抗疊加，接地電阻越大，引起接地點電壓降低幅度越低，因此接地電阻越大，對直流系統的影響越小，直流電流降低幅度越低。

圖8 整流站交流線路通過不同電阻接地時電流變化曲線

2.3 交流線路發生三相金屬接地

整流站4條交流線路中的其中一條發生三相金屬性接地時，仿真情況如圖9、圖10所示。此時直流電流降低速率明顯高于單相接地故障，換流站母線處接地時直流電流降低速率最快，故障點離換流站母線逐漸變遠時，直流電流降低程度逐漸減小，當電源母線處發生三相接地故障時，直流電流降低幅值僅次于換流站母線發生接地故障，由于電流降幅較大，故障后觸發角基本保持最小觸發角，整流側變為最小觸發角控制時，逆變側VDCL控制器起作用，根據電壓降低幅值限制直流電流，若電壓降低幅值較大，VDCL控制器會將直流電流限制在VDCL控制器的下限0.45倍額定值。

圖9 整流站交流線路發生三相接地時直流電流變化曲線

圖10 整流站交流線路發生三相接地時觸發角變化趨勢

3 逆變站交流故障對直流系統影響

3.1 交流線路發生單相金屬接地

晶閘管需要一定時間完成載流子復合，恢復阻斷能力，其去離子恢復時間在400 μs（約7°電角度）左右[12-13]。考慮測量誤差的存在，本文假設關斷角小于8°時逆變側換流閥發生換相失敗。依然像整流站一樣將換流站母線與負荷之間的阻抗等效為4條交流線路，當4條交流線路中的一條發生單相金屬性接地故障時，仿真情況如圖11～圖13所示。圖13中，0表示沒有發生換相失敗，1表示發生換相失敗。由于接地故障導致逆變站換相電壓降低，逆變站母線處故障后約6 ms便發生換相失敗，交流線路其余位置故障后約8 ms發生換相失敗，逆變側發生換相失敗時，直流電流升高，換流站母線處發生故障時直流電流上升速率最快，其余位置故障點上升速率相差不大。無論逆變側交流線路哪個位置發生故障，由于整流側觸發角的快速調節，直流電流上升所能達到的最大值相差不大。

圖11 逆變站單相接地時直流電流變化曲線

圖12 逆變站單相接地時整流站觸發角變化曲線

圖13 逆變站單相接地時換相失敗情況

3.2 交流線路發生單相不同電阻接地

逆變站4條交流線路中的一條中點經過不同大小的電阻接地時，仿真情況如圖14所示。接地電阻在20Ω以下時，直流電流升高趨勢較明顯且發展趨勢基本一致，但當接地電阻超過100Ω時，對直流電流的影響有限，接地電阻達到200Ω時，對直流電流基本沒有影響。

圖14 逆變站交流線路中點經不同電阻接地直流電流趨勢

3.3 交流線路發生三相金屬接地

逆變站交流系統發生三相接地故障時，仿真情況如圖15所示。故障點距換流站越遠，故障初期直流電流上升速率基本越慢，但受端電源母線發生三相接地故障與距逆變站母線1/4處發生故障時的發展趨勢基本一致，無論哪個位置發生接地故障，直流電流上升幅值基本一致。

圖15 逆變站交流線路三相金屬性接地時直流電流趨勢

4 結束語

交流系統發生故障時，直流系統控制器反應極其迅速，各控制器能嚴格按照設定模式快速做出響應。整流站三相接地故障對直流系統的影響明顯大于單相接地故障，但逆變站三相接地以及單相接地導致的直流電流幅值相差不大。

由于電源與換流站母線之間發生故障時，等效阻抗與故障點距離換流站母線之間的距離并不是簡單的正相關關系，交流線路發生接地故障時，在一定距離范圍內，故障點越靠近換流站母線，對直流系統影響越大，超過該距離時，越靠近換流站母線，對直流系統影響越小。

逆變站母線處發生故障時極易引發換相失敗，當線路接地電阻超過200 Ω時，對直流系統的影響有限。