HVDC系统临界换相电压研究

姚江涛?蔺彦斌?张荣辉

摘要：换相失败是HVDC输电系统最常见的故障之一，换相失败与换相电压之间存在着紧密的联系。首先给出了临界换相电压的定义并推导了其表达式，进而详细分析了影响临界换相电压的各种因素。根据影响因素的分析结果提出了减少换相失败发生的措施。最后通过国际大电网会议（CIGRE）标准高压直流输电测试系统验证了结论的正确性。

关键词：换相失败；临界换相电压；系统强度

作者简介：姚江涛（1986-），男，河北邯郸人，国网河北涉县供电公司，助理工程师；蔺彦斌（1986-），男，河北邯郸人，国网河北涉县供电公司，助理工程师。（河北 涉县 056400）

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0258-02

在换相电压反向（具有足够的去游离裕度）之前未能完成换相的故障称为换相失败。换相失败不是由于对换流阀的误操作引起的，而是由于换流阀外部电路的条件引起的。[1]换相失败是HVDC系统中最常见的故障之一，它将导致直流电压下降和直流电流增大。若采取的控制措施不正确，还可能引发后继的换相失败故障，严重时会影响换流设备的正常运行，造成直流功率传输的中断，对整个系统的安全稳定运行产生重大的影响。[1-3]

国内外学者对换相失败进行了大量的研究。[3-8]其中文献[3]分析指出逆变侧交流系统故障是造成换相失败的主要原因，不对称故障时的恢复速度比对称性故障时要快；文献[4]研究了在不同的交流系统故障条件下滤波换相换流器与普通逆变器的换相过程，分析结果指出滤波换相换流器能更好地防止换相失败的发生；文献[5]提出了一种基于正余弦预防换相失败的方法，该方法在电压过零故障时能快速启动，且在三相故障时也有明显的预防效果；文献[6]详细探讨了HVDC输电系统换相失败的检测和恢复策略；文献[7]指出不管换流母线处的电压波形如何，只要是在换相过程中换相电压达到一定的平均值就能完成换相过程；文献[8]基于换相面积的观点给出了故障情况下电压降落△U和不对称故障时电压过零点相移Φ的计算公式，并计算出导致换相失败发生的压降限值。但文中假设逆变侧交流系统是无穷大的，并且故障时电压波形是完整的，这些假设在实际系统中略显苛刻。

本文首先给出了临界换相电压的定义及表达式。基于临界换相电压的角度分析了影响换相失败的因素，分析发现利用临界换相电压的概念能更全面地分析换相失败与系统强度之间的关系。最后通过国际大电网会议（CIGRE）标准高压直流输电测试系统验证了结论的正确性。

一、临界换相电压的研究

三相全波桥式逆变器等效电路如图1所示。图中Lc表示换相电感；ea、eb、ec表示交流母线的电压。

假设图1中交流母线电压为：

（1）

则正常换相过程时，i1、i3的表达式如下所示：[1]

（2）

式（2）中，α表示触发角，Em表示交流母线电压的最大值。文献[8]指出，换相失败主要与交流母线电压幅值相关，与交流不对称故障引起的相位偏移关系不大。因此定义当交流侧故障使得交流母线电压降为，而此电压恰好会引发换相失败故障，称此时的电压为临界换相电压。显然当交流侧故障引起的母线电压低于时就会引发换相失败故障，否则不会引起换相失败。临界换相电压的推导过程如下：

假设交流母线电压幅值Em突然下降，直流控制器尚未动作，即换流器触发角α保持不变。交流侧电压下降前直流侧电流为[1]：

（3）

考慮到整流侧一般为定电流控制，为维持直流电流恒定不变，当逆变侧交流电压下降时，关断角下降至γ，即：

（4）

事实上直流电流将会上升，当直流电流上升到Id使得逆变侧关断角下降至最小允许值γ0时，将会导致换相失败，此时式（4）可以进一步写成：

（5）

把式（5）进一步化简可得：

（6）

式（6）便是临界换相电压的表达式。

二、临界换相电压的影响因素分析

1.临界换相电压影响因素的具体分析

由式（6）可以看出，临界换相电压与触发角α、换相电感LC以及Id'都有关系。下面分别论述各因素对临界换相电压的影响。

（1）对逆变侧而言，触发角α>π/2，因此随着触发角α增大，临界换相电压Em也增大，表示越容易发生换相失败故障。因此从临界换相电压的角度来看，当检测到故障发生时要给触发角控制器一个角度附加量，以提前触发防止换相失败的发生。

（2）换相电感LC增大，临界换相电压Em增大，越容易发生换相失败故障。换相电抗主要由变压器的漏抗组成，因此要减小换相失败发生的几率，就要将绕组之间的短路阻抗设计的小些，但同时又要避免短路电流过大的问题，因此只能适当降低变压器的漏抗。

将以下参数代入式（6）形成图2所示的关系曲线，f=50Hz、Id'=2kA、γ0=0°、α∈（2π/3，35π/36）。

由图2可知，在相同的换相电抗下，随着触发角α的增大，临界换相电压值越大，表示越容易发生换相失败故障；在相同的触发角下，换相电感越大，临界换相电压值越大，越容易引发换相失败故障。

通过临界换相电压的表达式也可以得出：如果故障期间直流电流If达不到Id的大小，则此时换相电压就可以维持在临界电压以上，则换相失败故障就不会发生。显然如果交流侧故障引起的交流电压降落比较低，则此时逆变侧直流电压幅值就较大，进而故障期间直流电流增加就不大；反之故障期间直流电流幅值就很大，很可能大于Id，进而引发换相失败故障。下面从系统强度的角度出发分析系统强度与换相失败的关系。

2.受端系统强度对换相失败的影响

系统强弱反映了系统内组成元件对各种扰动的敏感度。强电力系统对负荷变化扰动不会有显著的电压或功角的变化，但是弱电力系统对一个小扰动都会有巨大的电压或其他量的偏移，将会对系统产生危害。[1]当交流系统发生故障时，如果受端系统较弱，此时交流系统无功提供不足，会导致交流母线压降比较大[2]，进而故障期间的直流电流If就比较大。当If=Id时，表示达到临界换相电压值，从而引发换相失败故障；反之如果系统强度比较大，则在同样的交流侧故障下，交流侧电压下降就相对较低，此时逆变侧直流侧电压就相对较高，进而引起的直流电流增大就较小，不易引发换相失败的发生。这从临界换相电压的角度进一步佐证了提高受端系统的短路比有利于防止换相失败发生这一结论。

通过上面分析可以得出，临界换相电压与换相电抗Lc、触发角α以及交流故障期间直流电流的大小有关。降低换相电抗Lc、减小触发角α以及增强系统强度都对换相失败有预防作用。但在实际工程现场中，变壓器漏抗不易改变；触发角是由控制系统决定的，一般也不宜改变。因此仅从换相失败的角度来看，尽可能地加强受端系统强度是防止换相失败发生的有效措施。

三、仿真验证

CIGRE直流输电标准测试系统是用于HVDC控制研究的标准系统，利用标准模型容易得到普遍性结论，仿真模型如图3所示，其中平波电抗器电感L=0.5968H，由系统强度SCR=Ssc/PdN（PdN表示换流站的额定功率，Ssc表示换流母线的短路容量，且Ssc=Vs2/ZL）的表达式可以计算出此时受端系统强度SCR=2.5。设置故障点为F。

为了更好地说明受端系统强度对换相失败的影响，将换相失败的严重程度进行了分类。对于12脉动换流桥而言，规定如果交流侧故障引发两个换流桥同时发生换相失败，换相失败的程度记作A；只有一个换流桥发生换相失败故障，记作B；无换流桥发生换相失败故障，记作C。在直流输电系统参数不变的情况下，要想改变受端系统强度的大小，最简便的方法就是改变系统阻抗。本次仿真分析就是采用此方法研究受端系统强度SCR对换相失败的影响。表1列出了当过渡电阻50Ω时，逆变侧交流系统在不同的短路比（SCR）情况下对换相失败的影响。

通过表1中编号为1、2、3的比较可以得出以下结论：不同的故障类型对换相失败的影响程度是不同的；但就一种故障类型而言，当短路比（SCR）增大时，换相失败的严重程度逐次降低，甚至不会引发换相失败的发生。这表明增加系统强度有利于防止换相失败的发生。

参考文献：

[1]李兴源.高压直流输电系统的运行与控制[M].北京：科学出版社，2010.

[2]浙江大学直流输电科研组.直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985：181-182.

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，

2004：125-127.

[4]徐政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]许加柱，罗隆福，李季，等.交流系统故障对滤波换相换流器的影响分析[J].电工技术学报，2010，25（1）：144-51.

[6]陈树勇，李新年，余军，等.基于正余弦分量检测的高压直流换相失败预防方法[J].中国电机工程学报，2005，25（14）：1-6.

[7]朱韬析，宁武军，欧开健.直流输电系统换相失败探讨[J].电力系统保护与控制，2008，36（23）：116-120.

[8]G.M.Kristmundsson，D.P.Carroll.The effect of AC system frequency spectrum on commutation failure in HVDC inverter[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1990，5（2）：1121-1129.

（责任编辑：王祝萍）