基于换相电流时间面积的换相失败判别方法
2013-07-05李思思白仕雄丁志林王渝红李兴源魏巍何鹏飞
李思思，白仕雄，丁志林，王渝红，李兴源，魏巍，何鹏飞
（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；
2.四川省电力公司超（特）高压运行检修公司，成都 610041）
基于换相电流时间面积的换相失败判别方法
李思思1，白仕雄2，丁志林2，王渝红1，李兴源1，魏巍1，何鹏飞1
（1.四川大学电气信息学院，成都 610065；
2.四川省电力公司超（特）高压运行检修公司，成都 610041）
换相失败是高压直流输电逆变器最常见的故障之一。文中通过对换相过程的机理分析，用换相电流时间面积这一概念从能量的角度揭示换相过程的物理含义，提出一种可以判别直流系统是否发生换相失败的指标——换相电流时间面积，并给出相应的判据条件。直流控制方式、控制参数以及故障严重程度的不同，换相电流时间面积也不同。应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，在CIGRE高压直流输电系统标准模型中进行仿真，并与熄弧角判据进行对比验证，仿真结果证明了理论分析和判据的正确性。
换相失败；换相电流时间面积；熄弧角；换相角；高压直流输电系统；交直流混联系统
随着我国电网“西电东送、南北互供、全国联网”战略的逐步实施，高压直流HVDC（high voltage direct current）输电以其经济、灵活、快速可控等优点在远距离大容量输电及大型电网互联中发挥着越来越重要的作用[1-2]。高压直流输电系统的投入在带来各种优势的同时也引入了新的问题，换相失败就是逆变侧换流器所面临的最常见故障之一。某些情况下换相失败可以自行恢复，某些情况下换相失败不能自行恢复便会引发后继的换相失败，连续换相失败可能引起直流输电系统闭锁，导致直流传输功率中断，使得整个系统失去稳定，对电网的安全运行造成更大危害。
国内对交流系统故障所引起的直流系统换相研究成果表明[3-5]：逆变侧交流系统故障造成交流换相电压下降及其相位偏移是引起换流器换相失败的主要原因，换相失败的判定方法主要有熄弧角判断法、最小电压降落法和最小换相电压时间面积法，有的学者还提出换相失败临界阻抗法。文献[6]将换相电压在换相过程中与时间轴所围面积定义为换相电压时间面积，并用该方法结合换相角μ对换相过程进行分析，研究换相失败发生机理。文献[7]详细分析了换相电压时间面积与换相失败的定量关系，指出换相电压最小面积可以作为衡量换相失败的指标。文献[8]提出了换相失败临界阻抗，用换相失败免疫因子来表示系统在故障时抵御换相失败的能力。然而熄弧角判断法仍然是评判换相失败的主要方法。文献[9-10]以熄弧角γ为研究对象分析了换相失败的机理及影响换相失败的因素，认为逆变器换流阀熄弧角γ小于阀固有极限最小熄弧角γmin时便会发生换相失败。但是熄弧角γ取决于越前触发角β和换相角μ，其值为β和μ之差。越前触发角β是由直流控制器决定的，换相角μ跟换相过程有关，因此在特定的直流控制方式下，熄弧角γ取决于换相角μ。
本文从换相过程入手，详细研究了两个阀间相互换相的过程，提出了一种能够从换相过程反映换相失败的新指标——换相电流时间面积。从能量的角度用换相电流时间面积法分析了两阀间换相的动态过程及直流电流和换相角μ的关系，从本质上揭示影响换相失败发生的机理。
1 换相机理与换相失败
逆变侧单桥换流器等值电路如图1所示。其中Ua、Ub、Uc分别为交流系统三相等值电势，Lr为交流系统每相等值电抗。
以阀V5向阀V1换相为例，在ωt=α阀V1触发开通之前阀V5和V6导通。在阀V1开通瞬间，V5、V6和V1三个阀同时导通。根据电路原理，通过电感的电流是连续的，不会突变，因此阀V5向阀V1换相的过程中必需经历一定的时间，这个时间称为换相时间，转换为电角度后即为换相角μ。在换相时间内，逆变桥完成了阀V5向阀V1的换相，阀V1的电流从0变为直流电流Id，阀V5的电流则从Id变为0。阀V5电流变为0时换相结束，阀V5退出导通但并没有关断。这是因为阀V5退出导通后仍然需要一定时间用于完成阀内载流子负荷，恢复正向阻断能力以完成关断。晶闸管去游离恢复时间为400 μs左右[11]，该恢复时间转化的熄弧角γmin即为换流阀完全关断所必须的最小值，一般认为当γ≤10°时发生换相失败。
根据文献[12]的定义，换相失败是指当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相。
换言之，该定义主要阐述了两种导致换相失败发生的情况：一是刚退出导通的阀在反向电压作用期间未能恢复阻断能力（γ<γmin），当阀电压转变为正向时，原退出导通的阀不需要触发脉冲便重新导通；二是需要退出导通的阀在反向电压期间未能完成换相过程，该阀没有被关断始终保持导通状态，当阀电压转变为正向时则继续导通。
通过对换相失败定义的理解，可以发现，影响换相失败的关键并不在于熄弧角γ的大小，而是换相过程中换相角μ的大小。在越前触发角β一定的情况下，换相角μ的增大，留给熄弧角γ的余裕相应减小，则会增加发生换相失败的机率；换相角μ的减小，会增大熄弧角γ，反而更不容易发生换相失败。因此，两个换流阀间完成换相过程所经历的换相角μ才是影响换相失败发生与否的根本因素。
2 换相电流时间面积法与换相失败关系
2.1 换相电流时间面积指标
两相换相过程中的能量变化主要体现在两相电感间电流的相互转化过程中，若能从能量的角度用电流表现换相过程，则能从本质上揭示换相机理。本文选取换相电流为变量，将直流电流在换相时间内与时间轴所围面积定义为换相电流时间面积Ait，如图2阴影部分所示，并研究Ait在换相过程中与换相失败的关系。图中：γ为熄弧角，β为越发触前角，α为触发角。且满足：α+β=π，μ+γ=β。
仍然以阀V5向阀V1换相为例，其换相等值电路如图3所示。两相换相时，换相过程中的能量转化过程实际是将阀V5换相电感Lr上储存的能量转移到阀V1的电感Lr上去。
图3中，假定阀V5和阀V1所在回路换相电流为ir，由于Ua大于Ub，所以ir的方向为逆时针方向,根据KVL定理，上半回路的电路方程为
图2 逆变器两相换相过程Fig.2 Circuit of irand ucaduring commutation process
图3 换相等值电路图Fig.3Equivalent circuit of commutation process
由式（4）知，两相换相过程在[α，α+μ]内是一个非线性的动态过程，ir在[α，α+μ]内为正弦波，其波形如图2所示。换相角μ表征了整个换相过程，其值仅取决于换相开始时刻直流电流Id的大小。在此过程中阀V5的电流从Id逐渐减小到0，阀V1的电流则从0增大到Id，阀V5完成了向阀V1换相的过程，同时阀V5处等值电感完成了与阀V1处等值电感间能量的转换。
在ωt=α+μ时刻，阀V5完成了关断过程，此时阀V5上电流i5为零，即
由式（6）可知换相角μ的大小与换相开始时刻直流电流Id初值大小有关。由图2也可看出，换相角μ的大小直接影响换流阀的熄弧角γ大小从而决定单个阀在反向电压期间是否完成阻断能力的恢复。
为了从换相过程中分析换相角μ与熄弧角γ的关系，现选择换相电流为变量，从能量的角度用换相时间电流面积Ait来分析两相换相过程。阀V5在关断过程中其电流从Id逐渐变为0。其换相电流时间面积Ait为
逆变器正常运行时，Uac、换相电抗Xr和触发角α均为已知值，由式（7）可得到Ait、Id和μ三者间的相互关系。由图2的阀电流曲线知，两相换相过程经历μ电角度。逆变器实际运行时，换相过程很快完成，即换相角μ相对很小，因此在[α，α+μ]内，可以近似认为i5呈直线变化，将其线性化处理。线性化后其换相电流时间面积Ait近似为一直角三角形的面积，即
2.2 换相失败判据条件
根据式（7）可以直接得到直流电流Id初值大小和换相角μ之间的定量关系。高压直流输电系统正常运行时，直流电流Id为恒定值。若逆变侧外部交流系统发生故障时，换相电压幅值大小瞬间降低，直流电流Id值瞬间增大，换相电感上聚集的能量增加，单相电感需要更多的时间来完成能量的全部释放。换相角μ的增大必然会引起换相电流时间面积的增大，当换相角μ增加到最大换相角μmax时，熄弧角γ对应最小值γmin，此时逆变器处于临界状态，对应的Aitc即为换相失败判据的阈值。
换相角最大值μmax由以下公式确定：
由式（10）知，逆变侧β越大，μmax也增大，对应极限换相电流时间面积Aitc越大，则实际熄弧角γ增大，逆变器抵御换相失败的能力越强。
显然，当Ait
因此换相电流时间面积Ait可以作为判断换相失败是否发生的判据，该判据为
同时Ait的大小还能够反映逆变器发生换相失败的容易程度。Ait值越小，熄弧角γ最大，逆变器发生换相失败的概率越低；Ait值越接近Aitc，熄弧角γ越小，逆变器越容易发生换相失败。
3 算例模型
现以PSCAD/EMTDC仿真软件中的CIGRE标准模型参数为例，分析换相电流时间面积与换相失败的关系。CIGRE标准模型逆变侧各参数如下：直流电流Id=1.0p.u.（2kA），换流母线电压Uac=1.0p.u.（230kV），换流电压器变比k=1.0p.u.（230/209.23），单相换相电抗Xr=18%（p.u.）。分别取β=40°、β=50°、β=60°，利用式（9）分别绘得换相过程中阀V5电流i5与换相角μ的关系曲线，如图4所示。
图4 换相过程中阀V5电流和换相角关系曲线Fig.4 Curves of Idand μ of V5valve during commutation process
由图4曲线知，直流电流Id和换相角μ呈正相关变化，换相开始时刻直流电流初值越大，所需换相时间越长。直流电流初值越大，换相电抗上聚集的能量越多，电感间能量的转化时间相应增加；直流电流一定时，逆变器越前触发角β越大，其换相所需时间越短，发生换相失败的概率越低，表明可以用提前触发的方式预防换相失败的发生。CIGRE标准模型逆变侧稳定运行时，越前触发角β基本运行在40°左右。从图中曲线可知，当直流电流初值增大到原始值的1.2p.u.时，换相角μ会达到极限最大值（μmax=30°），逆变器处于临界换相失败状态。
4 换相失败仿真结果分析
为了进一步验证换相电流面积法的准确性，现用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件在CIGRE标准模型中模拟故障的发生，系统为基本控制，不加入其它附加控制，故障点设在逆变侧母线电压上。计算结果与仿真结果列于表1。
表1 不同条件下换相电流时间面积、换相角和熄弧角的计算值及仿真值Tab.1 Results of Ait、μ and γ under different conditions
从表1列出了不同故障情况下，不同直流系统控制参数下，Ait，μ和γ的计算值和仿真值。Aitc为μmax对应的极限换相电流时间面积值，Ait为仿真出的μ对应换相电流面积时间值。对比表中数据，计算结果和仿真结果基本一致，表明采用换相电流时间面积判别法得到的结果与用熄弧角判别法结果一致，换相电流时间面积法可以作为反映逆变器是否发生换相失败的新指标。计算所得Ait值稍稍比实际值大，其理论计算结果稍偏保守，分析其原因，主要因为在近似等效中放大了极限换相电流时间面积Aitc的结果，Aitc的放大从而造成了换相角μ的增大。当β=40°时，Aitc为0.678 1，Ait仿真计算值为0.681 6，计算结果会发生换相失败，仿真时熄弧角在10°附近波动，认为逆变器处于临界换相失败状态。由表中数据知，熄弧角γ的最大相对误差出现在β=40°，直流电流为1.176 5（p.u.）的情况下，其相对误差为1.613 6°，熄弧角γ的计算结果相比实验仿真结果其相对误差在2°以内，说明采用电流换相时间面积法的准确性较高。
5 结语
本文从换相机理入手，通过对换相过程的详细分析，指出两相换相的实质为换相电感间能量的转化，从能量的角度提出了换相电流时间面积法。通过实时换相电流时间面积Ait与极限换相电流时间面积Aitc的比较来判断换相失败的发生与否，认为换相电流时间面积可以作为评估换相失败的新指标，并给出了相应的判据条件。换相电流时间面积Ait的值受故障严重程度以及直流控制参数的影响。相同条件下，换相电流时间面积Ait小于极限换相电流时间面积Aitc时，逆变器不会发生换相失败；Ait大于Aitc时，则认为逆变器会发生换相失败。Ait的大小还能够反映逆变器抵御换相失败能力强弱的定量指标，Ait越大，逆变器抵御换相失败的能力越强。
此外，相比于传统的熄弧角断别法，换相电流时间面积法揭示了换相过程中直流电流Id初值与换相角μ的关系，从能量的角度对换相失败进行了阐述。利用系统部分运行参数如直流电流Id的大小、换相角μ的大小，可以判断逆变器是否发生换相失败。同时，通过观察并判断换相角μ的实时值可以提前对逆变器的状态作出预测，在外界环境变化时及时启动其他控制策略在最短的时间内避免换相失败的发生。
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Current-time Area Method for the Identification of Commutation Failure
LISi-si1，BAIShi-xiong2，DINGZhi-lin2，WANGYu-hong1，LIXing-yuan1，WEIWei1，HEPeng-fei1
（1.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.EHP/UHP O&M Co.，Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，China）
Commutation failure is one of the most frequent faults in HVDC（high voltage direct current）system.Based on the mechanism of commutation，the conception of commutation current-time area is proposed to reflect the energy conversion process.A novel index-commutation current-time area method is proposed to indentify commutation failure. Commutation current-time area is not a fixed constant due to the different DC control strategies，parameters and fault severity.This paper is based on GIGRE HVDC system simulation model，using PSCAD/EMTDC to verify the theoretic analysis and compare the results with extinction angle criterion.The simulation results show the accuracy of the analysis and criteria.
commutation failure；commutation current-time area；extinction angle；commutation angle；HVDC system；AC-DC hybrid system
TM712
A
1003-8930（2013）02-0098-05
李思思（1987—），女，硕士研究生，研究方向为高压直流输电。Email：lisisicd@yeah.net
2011-08-08；
2011-10-19
白仕雄（1964—），男，高级工程师，从事超/特高压交直流混合运行管理方面的工作。Email：baishixiong@163.com
丁志林（1971—），男，高级工程师，从事超/特高压交直流混合运行管理方面的工作。Email：dingzhilin@163.com
