电容换相换流器直流输电系统稳态及暂态特性

刘耀，谢晨曦，王华伟，李新年

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192;2.北京市电力公司海淀供电局，北京市 100086)

0 引言

传统的高压直流输电系统换流器采用晶闸管作为其阀单元基本元件，因晶闸管无法进行自关断，因此具有自身固有的缺点［1］。为了避免换相失败，一般逆变侧换流阀总要保证熄弧角具有17°或更大的裕度，导致消耗大量的无功功率，需大量的无功补偿及滤波设备。因此，该系统不但投资大，一旦发生甩负荷还会引起无功过剩，可能导致过电压，对于特高压工程情况可能会更恶劣［2-10］;另外，由于换相电压全部由交流电网提供，因此弱交流系统很容易发生换相失败。采用串联电容换相换流器(capacitor commutated converter，CCC)［11-14］技术一定程度上可以克服传统电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的上述缺点。

CCC的结构是将固定电容器串联接入传统换流系统的换流变压器和换流器之间，通过串联电容器来补偿换流器的无功消耗，使当换流器的触发角 (整流)、关断(逆变)角接近于0°甚至为负时，系统仍能稳定运行，从而在无功消耗大大减小的同时避免了换相失败，尤其是CCC的正阻抗特性使CCC技术在长电缆、弱交流系统直流输电中的应用具有很大优势。

本文主要进行3个方面的工作，首先分析CCC在整流侧和逆变侧的作用机理及特性，并根据建立的仿真模型进行仿真验证和分析，得出CCC直流系统的稳态特性并与传统LCC直流系统进行比较;其次研究CCC直流系统抵御换相失败的特性，得出仿真波形并进行分析;最后着重研究CCC直流系统逆变侧的交流故障恢复过程和机理，分析故障恢复过程中发生的后续故障机理，以及串联电容大小对恢复过程的影响。

1 CCC机理及稳态特性

CCC结构示意图如图1所示。

图1 CCC结构示意Fig.1 CCC structure

图1中电源侧三相电压分别为ea、eb、ec，三相电容两侧电压分别为Eaa'、Ebb'、Ecc'，电容阀侧即实际换相电压分别为ea'、eb'、ec'。以图中电流参考方向为正方向，以a相为例，根据电路原理，有相量关系:

式中:w为电网角频率，rad/s;C为串联电容值，F;Ia为电流，A。上式显示实际换相电压为原换相电压(即电网侧实际电压)和电容电压的叠加。此关系式可同时适用于整流侧和逆变侧，区别仅仅在于换相电压与电流的相位关系。根据两侧触发角的不同，对于整流侧，通常电流滞后电压角度为锐角，而逆变侧相应为钝角，据此画出相应的如图2所示的相量图(为反映相同的变量，图中两侧相同相量用了相同标号)，Xc为电容对应的容抗模值。

图2 CCC整流侧/逆变侧相量图Fig.2 Phasor diagram of CCC rectifier and inverter

由图2可见，对于整流侧，实际换相电压ea'相位超前于并且幅值大于原系统换相电压ea;而对于逆变侧，则有实际换相电压ea'相位滞后于并且幅值大于原系统换相电压ea。

由此可见，对于整流侧，实际换相电压的相位前移和幅值增大，可以实现视在触发角减小甚至为0°、为负值的运行工况，而实际换相电压仍然能保证阀可以正常触发，并大大减少换流器无功功率的吸收，甚至可以向交流系统发出无功功率;对于逆变侧，由于实际换相电压的相位滞后和幅值增大，可以实现关断角进一步减小甚至为0°、为负值(也即触发角大于180°)的运行工况，实际换相电压仍然能保证关断阀有足够的、远大于视在关断角的实际关断角，从而在大大降低逆变侧发生换相失败概率的同时，大大减少了换流器无功功率的吸收，甚至可以向交流系统发出无功功率。

为验证CCC直流系统稳态特性，本文基于1000MW，500kV直流系统，建立了CCC直流系统仿真模型，在不同交流系统强度及不同直流功率水平(也即不同电流水平)的工况下进行了稳态特性仿真研究，并将试验结果与同一传统LCC直流系统试验结果进行了对比(均为逆变侧波形);为便于反映CCC直流系统与LCC直流系统特性，模型中无功补偿量为额定功率工况对应量，并且保持不变。研究结果如图3所示，图中Rsc为交流系统短路比。

由图3可见:

(1)无论LCC直流系统还是CCC直流系统，随着直流电流升、降，交、直流电压均呈下降、上升趋势;

图3 CCC直流系统稳态特性Fig.3 Steady-state characteristics of CCC HVDC transmission system

(2)相同短路比情况下，随着直流电流的升降，LCC直流系统比CCC直流系统的交、直流电压下降、上升更快，不利于系统稳定;

(3)随着直流电流增大，LCC直流系统关断角基本不变或略有下降，而CCC直流系统实际关断角增大趋势非常明显，更有利于抵御换相失败故障;

(4)对于CCC直流系统，短路比越大即交流系统越强，交、直流电压下降越慢，系统运行极限越高，越有利于系统保持稳定运行。

图4为仿真模型额定运行工况下实际得到的同一串联电容两侧的电压波形，即原换相电压Vab1和实际换相电压Vab2波形。通过测量二者幅值和过零点相位差可知，实际换相电压幅值大于原换相电压，且实际关断角远比视在关断角大，可使CCC直流系统具有更好的抵御换相失败的能力，进一步验证了前述理论分析的正确性。

图4 CCC换流器与传统直流换相电压比较Fig.4 Comparison of commutation voltage between CCC and conventional HVDC

2 CCC直流系统暂态特性

鉴于CCC直流系统的特性，本文着重对CCC直流系统逆变侧进行故障特性研究。

2.1 CCC直流系统逆变侧抵御换相失败特性

为验证CCC逆变侧抵御换相失败的能力，基于CCC直流系统仿真模型(电容选取原则为使阀电压不超过额定电压的1.1倍)，额定功率运行工况下，在逆变侧交流系统适当远处进行单相瞬时短路试验，并将试验结果与同一传统直流系统试验结果进行对比，仿真结果如图5所示(均为逆变侧波形)。

由仿真波形可见，在逆变侧相同的单相瞬时故障情况下，传统直流系统交、直流电压跌落更厉害(直流电压跌落至0 kV以下)，且直流系统逆变侧发生了换相失败，而CCC直流系统在受到一定扰动后(直流电压跌落至额定值的0.5倍左右)快速恢复了正常运行，并未发生换相失败，且直流电流过冲仅为额定值的1.3倍左右，而传统直流电流过冲约为额定值的2倍，充分体现了CCC抵御换相失败的优越性。研究发现，当故障发生在近端或逆变侧出口时，CCC直流系统也不可避免地发生了换相失败故障，但是由于CCC直流系统逆变侧无功补偿装置少以及正斜率特性，故障时故障电流和交流电压过冲均小于LCC直流系统，也在一定程度上体现了CCC直流系统的优势。

2.2 CCC直流系统逆变侧故障恢复特性

2.2.1 故障仿真及波形

图5 逆变侧单相瞬时短路故障波形Fig.5 Fault waveform of single phase instantaneous short-circuit for inverter side

由于CCC直流系统实际换相电压相位、幅值的变化，使得其具有传统直流系统不具备的特殊性能，对于减少无功补偿装置及预防换相失败具有明显的优越性，但是串联电容的引入也带来了新的问题。如果逆变侧交流系统发生严重瞬时故障(例如出口短路故障)，不但传统直流系统会发生换相失败故障，CCC直流系统也无法避免换相失败的发生。对于传统直流系统，如果故障持续时间不是过长，故障消失后系统一般可以顺利恢复运行，而CCC直流系统在故障后却恢复很慢或根本无法恢复运行，本文将就此问题进行详细分析。

首先，本文基于仿真模型，分别在传统直流系统模型和CCC直流系统模型逆变侧进行了逆变侧出口单相瞬时短路试验。其中，对于CCC直流系统，基于不同的串联电容值进行了多次试验，选取其中3个不同电容值对应的典型波形予以对比分析，最小电容对应阀承受电压极限值(1.1倍额定值)，单相故障仿真结果如图6、7所示，图中由上至下分别为交流电压、直流电压、直流电流和关断角波形，图7中图(a)至图(c)依次为串联电容逐渐减小对应波形。

由图6可知，传统(LCC)直流系统逆变侧交流单相瞬时短路后发生换相失败故障，一定时间后可恢复运行。对于CCC直流系统，由图7(a)可知，当串联电容较大时，电容作用不明显，故障后恢复过程相对于传统直流扰动略大些，但未发生新的后续故障;而由图7(b)、(c)可见，随着电容逐渐减小，作用越来越明显，故障后的恢复过程扰动也越来越大，恢复时间越来越长，甚至后续又发生了新的换相失败故障，暴露了CCC故障后恢复能力的缺陷。

2.2.2 CCC直流系统故障恢复过程分析

基于以上故障仿真结果，图7中，直流电压第1次跌落为逆变侧交流单相瞬时故障所导致，故障消失后，图7(b)、(c)对应的CCC直流系统又发生了后续换相失败故障，本文针对这一后续故障原因进行分析。图8为CCC换相电压及电容电压波形。图中ea'、eb'、ec'分别为电容阀侧即实际换相电压;C1～ C6分别为上述实际三相换相电压线电压过零点;V46、V62、V24、V35、V51、V13分别为阀4、阀6 换相，阀6、阀2换相，阀2、阀4换相，阀3、阀5换相，阀5、阀1换相，阀 1、阀 3 换相;Eaa'、Ebb'、Ecc'分别为三相串联电容两侧电压。

假设当前阀5、阀6处于导通状态，C4点前，当阀5向阀1换相时，C相恰好发生出口单相瞬时短路故障(如图8(a)中粗实线所示)，导致C相实际换相电压ec'降至很低甚至几乎为0，使得ea'＜ ec'，不满足阀1导通条件，导致阀5、阀1换相不成功。

图6 传统直流系统逆变侧交流出口单相短路故障波形Fig.6 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for conventional DC system

图7 CCC直流系统逆变侧交流出口单相短路故障波形Fig.7 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for CCC DC system

图8 CCC换相电压及电容电压Fig.8 Commutation voltage and capacitor voltage of CCC

阀5、阀6继续保持导通状态，从而使得阀5对应的电容电压ecc'由反向最大值继续反向增大，如图8(b)箭头所示;C5点前，阀6向阀2换相，由图8中电位关系可知eb'＞ec'，满足阀2导通条件，阀2顺利导通。此时，由于阀5、阀2同时导通，导致逆变侧直流端短路，直流电压降至0(即对应第1次换向失败波形)，且交流侧三相回路中交流电流由于失去了回路也降至0，故各电容停止充放电过程，保持当前电位不变。故障持续若干周期后消失，直流电压、电流逐渐恢复，假设恢复时阀2、阀3顺利触发导通，至C1点前，触发阀4，由于此前电容电压ecc'比起正常情况下反向幅值有所增大，使得电位ec'也会有所下降，如图8(a)中箭头方向所示。当ec'下降较少，恢复过程中电流过冲不大时，若能够满足ea'＜ec'，且阀4导通后阀2能够有足够长的时间保持反向电压从而保证关断，则阀4导通后直流系统逐步继续恢复正常运行。如果ec'下降幅度较大，导致阀4根本不满足触发条件，或者即使满足阀4导通条件ea'＜ec'，但是换相完成后阀2由于不能承受足够长时间的反向电压，而有可能重新导通，导致阀2、4换相失败。阀2、阀3继续保持导通，至C2点前，阀5承受正向电压触发导通，阀2、阀5同时导通导致直流侧短路，直流电压再次跌落至0，也就出现了后续的再次换相失败故障。如此重复，直至电容电压造成的不对称换相电压影响逐步减小至可忽略时，直流系统才有可能逐步恢复运行。

基于此分析结论，便可解释图7(b)、(c)中，随着电容的减小，系统在故障后恢复过程中发生后续换相失败的次数会增多。由于电容越小，对应的容抗值就越大，电容电压在故障时的增大也就越大，从而对换相电压的影响也就越大，造成后续换相失败的概率就越高，系统恢复所需时间自然就越长。因此，CCC直流系统串联电容C选取合理与否将直接影响直流系统的动态性能和故障恢复过程。

3 结论

本文基于相关理论和仿真模型，针对CCC直流系统的稳态、暂态特性进行了分析，并与常规LCC直流系统进行了对比，着重对CCC抵御换相失败及故障后的恢复过程进行了研究，得出结论:

(1)串联电容的引入使得CCC的 触发角(整流)、关断(逆变)角接近于0°甚至为负时，系统仍能稳定运行，大大减少了系统无功吸收。

(2)CCC直流系统的交、直流电压稳定极限相比传统LCC直流系统大大提高，实际关断角大大增大。

(3)逆变侧远端故障时，CCC直流系统具有更好的抵御换相失败的能力;近端故障时，CCC直流系统直流电流、交流电压过冲均小于常规LCC直流系统。

(4)近端严重故障时，串联电容的不平衡充电导致CCC直流系统的恢复特性不如常规LCC直流系统，可能发生多次后续换相失败故障。

(5)CCC直流系统中串联电容越小，对后续系统的恢复影响越不利，系统恢复时间越长。

对于CCC直流系统故障后不利于系统恢复的情况，将在后续研究中进一步探讨，通过研究采用适当的控制策略解决这一问题，优化提高CCC直流系统的故障恢复特性。

［1］赵畹君，谢国恩，曾南超，等.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］任震，何畅炜，高明振.HVDC系统电容换相换流器特性分析:(I)机理与特性［J］.中国电机工程学报，1999，19(3):55-58.

［3］任震，高明振，何畅炜.HVDC系统电容换相换流器特性分析:(II)无功特性［J］.中国电机工程学报，1999，19(4):4-8.

［4］陕华平，闫礼阳，庞飞，等.±800kV特高压直流输电系统运行检修技术体系［J］.高电压技术，2010，36(9):2212-2218.

［5］张尧，胡烈良.特高压直流输电系统阀组投退策略［J］.高电压技术，2010，36(8):1858-1864.

［6］马为民，杨志栋，李亚男.±800kV特高压直流输电工程共用接地极的可靠性评价［J］.高电压技术，2010，36(2):301-305.

［7］聂定珍，马为民，等.特高压直流换流站阀厅屏蔽效能及设计要求［J］.高电压技术，2010，36(2):313-317.

［8］周会高，许钒.特高压直流输电换流阀运行试验的预期参数［J］.高电压技术，2010，36(1):74-80.

［9］周静，马为民.特高压直流工程的可靠性［J］.高电压技术，2010，36(1):173-179.

［10］马为民，高理迎，李亚男，等.特高压直流输电系统可靠性和可用率研究［J］.中国电力，2007，40(12):14-18.

［11］杨汾艳，徐政.直流输电系统典型暂态响应特性分析［J］.电工技术学报，2005，20(3):45-52.

［12］郭锦艳，文俊.CCC的补偿度对HVDC系统的影响分析［J］.现代电力，2005，22(5):38-4.

［13］Gole A M，Menzies R W.Analysis of certain aspects of forced commutated HVDC converters［J］.IEEE Trans on Power Apparatus System，1981，100(5):2258-2262.

［14］张桂斌，徐政.直流输电技术的新发展［J］.中国电力，2000，33(3):32-35.