应用机电暂态程序判断直流换相失败的分析

2013-08-31张松涛周孝法

电力与能源 2013年1期

张松涛，陈陈，周孝法

（1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.上海市电力公司检修公司直流运检中心，上海 201708）

我国能源分布与地区经济发展水平很不均衡，重要的煤电、水电基地主要集中于经济欠发达的西部和西南地区，而负荷中心地区主要位于经济发达的中部和东部沿海地区。为了缓解中东部地区的负荷压力，同时也为了促进西北部地区的经济发展，我国于20世纪70年代后期开始进行大规模的水电和火电外送，形成西电东送和南北互供的全国大联网格局［1－3］。与传统交流输电技术相比，直流输电具有输送容量大、损耗小、功率调节迅速而且能够实现非同步联网等优点［4］，在西电东送、全国联网工程中得到广泛应用。根据国家直流建设规划，预计到2015年，将有10条直流线路落点华东电网，5条直流线路落点华北电网，7条直流线路落点南方电网［5－6］。届时，我国将拥有世界上规模最大的交直流混合输电系统。

换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，换相失败会导致直流输电短时中断，若换相失败不能及时消除，可能会出现连续换相失败，严重时甚至会导致直流闭锁，造成受端系统巨大功率缺额，严重危害系统的稳定运行，而机电暂态程序具有模型简单、仿真规模大和计算时间短的优点，常被用于大型交直流混合电网的仿真研究。

1 直流输电系统换相失败概述

1.1 换相失败的机理

6脉冲桥式电路换相过程，是指直流电流从同一排阀中的一个阀，按正常导通顺序转移到下一个阀的过程，如图1所示。正常换相时上排阀的导通顺序为V1—V3—V5，下排阀的导通顺序为V2—V4—V6，任意时刻同一桥臂上的上下两个阀（如V1和V4，）不能同时导通，否则换流桥直流侧将被短路。

图1 6脉冲桥式整流电路

图2为逆变侧阀V1—V3的正常换相过程，当ωt＜0时，V1处于导通状态，在ωt＝α时V3触发导通，此时i1＝id，i3＝0，由于滤波电感Ld的影响，阀电流不能突变，经过换相重叠角μ时间（在此期间上排阀中V1和V3均导通），在ωt＝α＋μ时直流电流i1减小至零，i3变为id，V1关断，直流电流由i1过渡为i3，即完成了V1到V3的换相。

图2 逆变站V1—V3正常换相过程

如果换相过程中受到外部扰动，一般为交流电压的降低、直流电流增大或触发故障，阀V1电流在eba反向时尚未减小到零而截止，阀3承受反向电压，电流逐渐减小到零而被关断，阀1电流增大到直流电流id而继续导通。当下排阀中V4触发导通，换流桥被短路，直流电压变为零，V5无法导通，V1继续导通直到下一次V1向V3换相，由图3可以看出，在换相失败期间V1导通时间为正常运行时的3倍。

图3 换相失败时阀电流的变化

由此可见，只要换流阀关断后处于反向电压的时间能充分满足其恢复阻断能力的要求便可顺利完成换相过程，否则便会换相失败［7］。如图4所示，阀V1在eba过零点时预计被关断，但阀电流i1并没有变为零，即阀V1没有阻断，当阀电压由负变正时，V1又重新导通，发生换相失败。

图4 逆变站V1—V3换相失败过程

1.2 逆变侧换相失败的影响因素

高压直流的换相失败大多发生在逆变器，由于整流器的阀在电流关断后的较长时间内处于反向电压下，具有足够的阻断能力，几乎不可能发生换相失败。

直流输电系统对称时，逆变器熄弧角的计算公式为：

当逆变侧交流系统发生不对称故障时，换相线电压过零点前移角度φ时，逆变器的熄弧角的计算公式为：

式中：K为变压器的变比；UL为逆变器交流侧母线线电压有效值；Id为直流电流；Xc为换流变压器电抗。

由式（1）、式（2）可知，熄弧角γ的值与交流电压UL、直流电流Id、超前触发角β、换流变压器变比K和漏抗Xc有关，在交流系统发生非对称故障时，还与电压过零点偏移角度φ有关，这些因素均直接影响到换相失败的发生。其中Id和β均为直流系统内部运行参数，K、Xc和UL实际上调节的是换流阀侧的交流电压。

2 交直流系统的机电暂态仿真

机电暂态仿真考虑了电力系统中的机械暂态特性和电磁暂态特性，主要研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能［8］，仿真采用基波相量原理，计算步长一般取10ms左右［9］。在交直流电力系统的机电暂态仿真中，交流系统和直流系统的计算是相互独立的。直流闭环控制系统根据反馈出的直流电流、电压值，计算出换流站的直流触发角和注入交流系统的功率。因此，直流系统可以看作为换流母线处的变化负荷参与交流系统计算过程。

2.1 机电暂态的直流模型

机电暂态程序采用直流准稳态模型，根据对直流换流站、控制系统和直流输电线路模拟的程度，机电暂态准稳态直流模型还可分为两类，一类为直流响应模型，另一类为直流详细模型。

2.1.1 直流响应模型

直流响应模型只考虑直流控制系统的外部特性，而不考虑详细的控制系统、换流站内部特性和输电线路动态特性，认为直流控制系统能够快速响应，受到扰动后能够立即过渡到新的稳定状态，忽略暂态变化过程，直流线路使用电阻表示。响应模型包含了直流系统的一些基本控制，如定电流（功率或电压）控制，最小触发角控制、定熄弧角控制和低压限流环节（VDCOL）等，是一种通用模型，一般用于直流系统规划研究。常用的直流响应模型包括BPA直流模型、PSS／E程序的CDC4和CDC6模型等。

2.1.2 直流详细模型

直流详细模型对直流换流器、直流控制系统和直流输电线路进行了详细的模拟，除了直流基本控制以外，还具有动态调节特性的VDCOL环节、电流控制放大器（CCA）、换流站触发角控制（CFC）和直流附加控制功能（频率调整、功率调制和紧急功率控制），能够模拟直流系统本身的动态特性、输电线路的容性和感性特性以及交直流系统间的相互作用特性［10］，仿真步长较小。详细模型具有三大特点：一是控制系统详细，能够准确计算熄弧角γ值，从而可通过熄弧角判断换相失败是否发生；二是直流系统整流侧和逆变侧的控制是独立的，能够模拟直流线路的故障；三是能够模拟直流系统故障后的恢复过程，而不是按指定恢复速度恢复。直流详细模型类型不多，其模型一般取自于某些特定的直流工程，常见的详细模型有PSS／E程序的CDCAB1模型等。

2.2 机电暂态程序的直流换相失败

由于机电暂态程序模型简单、仿真步长较大，仿真计算时间短，仿真精度能够满足一般交直流系统稳定分析要求，因此机电暂态程序也可用于交直流系统中直流换相失败的研究。

文献［11］提出了通过计算换流器的实际熄弧角来判断换相失败的方法，并使用EPRI－36算例证实了该方法的准确性。该方法从换相失败的本质出发，认为逆变器熄弧角小于临界熄弧角时发生换相失败，是判断换相失败的根本方法。而在机电暂态程序中使用直流响应模型，可以快速算出直流熄弧角，用于换相失败的初步判断。

文献［5］采用机电暂态仿真软件PSD－BPA，深入研究了华北和华东多馈入直流输电系统的换相失败问题，认为当逆变站换流母线电压低于0.6pu，则换相失败发生；若故障后母线电压恢复到0.75pu及以上，则认为恢复换相。该方法使用最小电压降落法来判断换相失败的发生和恢复，0.6pu和0.75pu即为换相失败和恢复的电压门槛值，该门槛值来自工程计算经验，具有较高的可信度，但由于直流控制系统、受端交流系统的强弱以及交流系统的故障类型的不同，直流换相失败的电压门槛值并不相同，因此该方法可作为换相失败的第一判据，能够直观、便捷的判断出换相失败发生与否。

文献［12］提出了使用电磁暂态仿真方法整定机电暂态程序直流换相失败电压判据的方法。首先将交流网络进行等值处理，并搭建等值后的PSCAD／EMTDC交直流系统模型，然后设置交流系统三相、单相接地短路故障，通过改变接地电阻的大小，统计换相失败发生的状况，得到可用于机电暂态程序判断换相失败的换流母线临界电压值。该方法能够获得准确的换相失败临界电压，为使用机电暂态程序进行交直流系统换相失败研究提供理论指导，具有一定的工程实用价值，如可以通过短路电流计算获取换流母线的短路电压来初步判断换相失败发生的可能。

文献［13］应用文献［12］的方法确定了±660kV银东直流换相失败的临界电压，在此基础上使用机电暂态程序PSS／E，分析了交流系统三相短路故障对直流换相失败的影响，并与电磁暂态仿真结果进行了比较，验证了该方法的准确性。

3 机电暂态程序BPA和PSS／E的仿真研究

3.1 BPA和PSS／E程序简介

BPA和PSS／E是使用较多的主流机电暂态程序。BPA程序的优点是输出支持汉字，操作简单，缺点是没有用户自定义功能，直流模型不够丰富；PSS／E程序的优点是仿真规模大于BPA，便于联网研究、计算功能丰富、直流模型种类较多，缺点是操作不方便、自定义功能复杂。

3.2 BPA和PSS／E仿真对比

研究数据取自于BPA自带2DC算例，该系统包含4条500kV交流母线，共有5台发电机（3台经典二阶发电机和1台水轮发电机），并含有一条单极800kV、输送容量为1 440MW的直流输电线路，网络结构如图5所示。

3.2.1 潮流计算比较

BPA和PSS／E的潮流数据比对，如表1所示。可以看出，由于BPA和PSS／E对潮流结果的有效位数不同，导致两者的潮流结果存在较小差异，但误差均在许可范围之内，可见这两个程序对于交直流系统的潮流计算是一致的。

图5 系统单线图

表1 BPA与PSS／E潮流比较

3.2.2 暂态分析比较

故障设为SOUTH母线处0s发生三相短路接地，0.1s后故障消失，不切除线路，用BPA暂态程序和PSS／E仿真该故障，结果如图6所示。

图6 暂态仿真结果比较图

图6表明，故障发生时直流逆变侧交流母线电压迅速降为0，BPA和PSS／E直流系统都发生换相失败故障，直流电压也迅速降为0，0.1s故障切除后，由于直流控制系统的差异，BPA模型直流电压立即恢复，而PSS／E直流模型需要按电压恢复速率（VRAMP），经过最小旁通时间（TBYPAS）后恢复正常，恢复过程略有差异，但故障母线电压恢复一致，表明两个程序在暂态仿真时也具有较好的一致性，同时也表明PSS／E直流模型同样能够正确反映直流的动态响应，满足系统仿真要求。

综上所述，BPA和PSS／E对于交直流系统的潮流和暂态仿真结果基本一致，均能够满足交直流系统研究需求，一般BPA程序常使用电压判据来判断换相失败，而PSS／E常被用于研究换相失败后的系统响应以及换相失败的控制措施。

4 结论

1）由于机电暂态程序采用基波相量原理计算，不能获取系统三相瞬时值，直流模型简单，不能用于准确模拟换相失败过程。但是，由于其能够计算全部的交直流系统，无需进行系统等值，而且计算精度能够满足一般稳定计算要求，因此机电暂态仿真程序仍是研究交直流大电网的主要手段，可用于直流换相失败研究。

2）判断换相失败的依据是熄弧角，由于实际应用中不可能获得每个阀的熄弧角数据，在工程应用中倾向于使用电压判据。换流母线电压降落是引起换相失败的主要原因，其电压降落门槛值一般来自工程计算经验，使用电压判据能够直观、便捷和有效地判断出换相失败发生与否。如果需要更加精确地确定换相失败，则需要借助于电磁暂态程序获得准确的临界电压降落值，应用该临界值的机电暂态换相失败判断具有和电磁暂态仿真相当的判断精度。

3）PSS／E和BPA对于交直流系统的仿真结果基本接近，由于在PSS／E程序中用户可以设定换相失败和恢复的电压阙值，而且PSS／E仿真规模远远大于BPA，所以进行交直流混合大电网换相失败相关问题研究时，建议使用PSS／E程序。

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