系统故障和参数变化对感应滤波型直流输电系统换相失败的影响

曾进辉，罗隆福，罗伟原，许加柱，李建英

（1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南省电力检修公司，湖南 长沙 410007）

0 引言

随着直流输电技术的日趋成熟，高压直流输电近年来在我国得到了广泛的应用和发展[1-3]。换相失败是高压直流输电系统最常见的故障之一。我国已出现多例逆变换相失败的案例[4-5]。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[6]。换相失败将直接导致直流侧电压下降和直流电流增大，若未能及时采取控制措施，将会引发连续的换相失败，严重时会导致功率传输中断，影响受端交流电网的运行安全[7-9]。

影响直流输电系统换相失败的主要因素有换流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、越前触发角、不对称故障时换相线电压的过零点相位移、换流阀的触发脉冲控制方式和交流系统的频谱特性等[10-11]。换流变压器结构和滤波方式直接影响直流输电系统的换相电抗和交流母线电压及交流系统的频谱特性，因而对直流输电系统抵御换相失败的能力会有一定影响。采用感应滤波技术的直流输电系统（简称感应滤波型直流输电系统）具有与传统换流变压器不同的变压器结构和滤波方式，因而对其换相失败免疫能力进行研究十分必要。

感应滤波型直流输电系统将传统直流输电系统中安置于交流母线处的无源滤波装置移植到换流变压器阀侧，同时配以新颖的变压器绕组结构，能将特征次谐波抑制于变压器阀侧，从而减少谐波流动，达到降低损耗、减少噪音和振动的效果[12-15]。

文献[16]从换相电抗的角度分析了感应滤波型直流输电系统和传统直流输电系统的不同，得出了感应滤波型直流输电系统在改善换相方面具有独特优越性的结论，但是对换相失败缺少定量的分析和实验研究。文献[17]从换相熄弧角的角度，分析了在新型直流输电系统中阀侧无功补偿度、直流电流和换相电抗等多种因素对逆变侧换相失败的影响，并提出了新系统条件下避免发生换相失败的措施，但是所研究的内容并未体现感应滤波型直流输电系统在换相特性上的独特性，提出的预防措施也缺乏针对性。

以往对换相失败的分析多从换相电压压降和换相熄弧角的角度进行。文献[18]针对直流输电系统的换相失败问题首次提出了换相失败免疫因子CFII（Commutation Failure Immunity Index）的概念，并将该概念应用于单极直流输电系统和多馈入直流输电系统中，更直观地表征了直流输电系统对换相失败的抵御能力。

本文在分析含有感应滤波装置的直流输电系统换相特性的基础上，研究了不同类型系统接地故障下CFII的分布情况，分析了不同的系统参数时新型直流输电系统对换相失败抵御能力的影响，最后通过动模实验验证了理论和仿真分析的结论。

1 换相失败判据及CFII

发生换相失败的最主要原因是交流母线电压跌落，而其本质是逆变器熄弧角γ小于极限熄弧角γmin。本文采用的换相失败判断标准为：换流阀关断角是否小于阀去游离时间对应的最小角度。若是，则会发生换相失败；若不是，则不会发生换相失败。即当熄弧角γ＜10°时就认为发生了换相失败。

CFII是衡量输电系统发生换相失败容易程度的重要指标，其定义如下：

其中，CFII是换相失败免疫指标；Uac是交流线电压额定值；Pdc是直流额定功率；Zfault是发生换相失败的临界阻抗，即因逆变侧交流故障导致熄弧角γ=10°时的故障接地阻抗。式（1）表明，CFII与交流额定线电压、直流传输额定功率和换相失败临界阻抗相关。CFII越大，表明系统逆变侧对换相失败的抵抗能力越强，遭遇系统故障时发生换相失败的概率越小。

根据式（1），对于给定的高压直流系统，其Uac和Pdc均为给定值，要分析感应滤波技术的应用对系统换相失败免疫力的影响，只能分析系统对Zfault的影响。目前尚无法直接通过数学方法计算求得Zfault与系统参数的关系，因此只能通过仿真法进行计算。

2 感应滤波型直流输电系统及其换相特性

2.1 感应滤波型直流输电系统简介

采用感应滤波技术的直流输电系统接线方案见图1。系统主要由新型换流变压器、感应滤波器及12脉动换流器三部分组成。新型换流变压器网侧绕组采用Y型联结，中性点引出接地；阀侧绕组由2套绕组组成，均采用延边三角形联结，每个绕组由延边绕组和公共绕组构成，在公共绕组与延边绕组连接处引出抽头，抽头处接上5、7、11和13次特征谐波滤波器。阀侧2套绕组变比标幺值分别为1∶∠+15°和1∶∠-15°，使得换流桥Ⅰ和Ⅱ的相电压分别前移15°和后移15°，相角差为30°，从而满足换流器12脉动的要求。

感应滤波型直流输电系统采用与CIGRE标准测试系统相同的控制方式，其基本控制方式是：整流侧由定电流控制和αmin限制两部分组成；逆变侧采用定关断角（γ0）控制和定电流控制。此外，整流侧和逆变侧都配有低压限流环节（VDCOL），逆变侧还配有电流偏差控制（CEC）。

2.2 感应滤波型直流输电系统换相特性

虽然无法直接计算Zfault，但是如果直流输电系统逆变侧换相特性改善，则系统发生换相失败的难度增大，逆变侧交流故障导致换相失败时的临界故障接地阻抗会变小，即Zfault变小，从而使CFII增大。下面将重点分析感应滤波型直流输电系统的换相特性。

根据电路定律，通过电感的电流是连续的，不会突变。因此当换相过程从一个阀导通换为另一阀导通时，由于换相回路电感Lr＞0的作用，通过阀的电流不能突变，电流转移不可能瞬间完成，即换相不能瞬时完成。直流输电系统的等值换相电路可用图2简化表示，图中XX、XT和Xr分别代表电源等效电抗、换流变压器漏抗和变压器换相电抗。

传统直流输电系统和感应滤波型直流输电系统的电源等效电抗和换流变压器漏抗基本没有区别，本文重点分析它们在换相电抗上的不同。传统换流变压器的换相电抗即为其短路阻抗，而加入感应滤波装置后，感应滤波装置将吸收5、7、11、13等特征次谐波电流，因此必须考虑谐波电流对换相电抗的影响。图3为含有感应滤波装置的新型换流变压器的等值电路。

假定换相电流iγ=im1+im2+im3，其中im1为换相电流中基波分量，im2为 5、7、11 和 13 次谐波分量，im3为其他次谐波分量。对于含有感应滤波装置的新型换流变压器，基波电流im1仍在回路l1中流通，而im2主要在回路l2中流通。同时，滤波支路存在必然会影响im3的流通回路，使一部分im3在回路l1中流通，而另一部分im3在回路l2中流通。

图1 感应滤波型直流输电系统换流站接线方案Fig.1 Connection scheme of converter in inductive filtering HVDC system

图2 直流输电系统的等值换相电路Fig.2 Equivalent commutation circuit of HVDC transmission system

图3 新型换流变压器的等值电路Fig.3 Equivalent circuit of new converter transformer

由于滤波直流对 5、7、11、13次谐波呈短路状态，而对基波呈容性，换相电流基波及各次谐波流经回路的单相等值电感大小差异很大。而5、7、11和13次谐波换相电感远远小于未接入滤波器时的电感，其他次谐波的换相电感介于两者之间。含有感应滤波装置的新型换流变压器的换相电抗可用式（2）进行计算[19]。

其中，ω0为基波角频率，β1为基波分量占有率，L1为基波流经回路的单相等值电感，β（6k±1）为特征次谐波分量占有率，Lγ（6k±1）为特征次谐波流经回路的单相等值电感。

理论计算和仿真验证表明：新型换流变压器接入滤波器后，换相电抗远远小于未接入滤波器时的电抗，前者不到后者的 1/3[19]。因此，XX+XT+Xr的值变小，即加入感应滤波装置后直流输电系统的总的换相电抗将减小，其换相特性将改善，换相失败免疫能力也增强。下面将通过仿真计算对感应滤波型直流输电系统的换相失败免疫能力进行分析。

3 感应滤波型直流输电系统的换相失败免疫能力仿真研究

为验证含有感应滤波装置的感应滤波型直流输电系统在抵御换相失败上的优势，揭示感应滤波型直流输电系统在不同工况下的换相失败免疫能力，本文在进行实验验证之前采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC基于CIGRE标准测试模型建立了含感应滤波装置的直流输电模型[20]，并对感应滤波型直流输电系统在不同工况下的CFII进行了研究和分析。

3.1 不同故障下感应滤波型直流输电系统的CFII分布

由于换相失败是瞬态事件，因而其发生不仅受到故障水平的影响，也与故障投入的时间点密切相关。为探寻这一规律，本文在PSCAD环境下对新型直流输电系统进行了三相接地故障和单相接地故障实验，每种故障实验均分析了电感性、电阻性和电容性3种故障在不同的时间点投入时的CFII变化情况，如图4、5所示。

图4 三相接地短路时的换相失败免疫因子Fig.4 CFII of three-phase grounding fault

图5 单相接地短路时的换相失败免疫因子Fig.5 CFII of single-phase grounding fault

从图4可以看出，相对于电容性故障和电感性故障，电阻性故障对故障的投入时间点更为敏感，而电感性故障相对于另外2种故障对换相失败具有较低的CFII值，即发生电感性故障时更容易发生换相失败。图5表明在不同类型的单相故障下，CFII对故障投入时间更为敏感，但是和三相接地故障相似，除少数时间点外，电感性故障具有更低的CFII值。对比图4和图5的结果可知，三相接地电感性故障具有最低的换相失败免疫力，即在相同故障水平下，电感性故障更容易导致换相失败，因而可以选择三相接地电感性故障下的CFII作为衡量新型直流输电系统对不同故障的最低免疫力参数。因而对感应滤波型直流输电系统式（1）可以用式（3）代替：

其中，Lmin为导致换相失败的最小三相接地电感。

文献[18]和[21]对CIGRE标准测试模型系统在不同故障情况下CFII的分布情况进行了介绍。文献[18]指出CIGRE标准测试模型系统在三相平衡电感性故障下具有较低的CFII值，其相应的值在13.3%左右波动。结合本文对感应滤波型直流输电系统在不同故障情况下CFII分布情况的分析，可得到感应滤波型直流输电系统和CIGRE标准测试模型系统在CFII分布上的相同之处是：在三相和单相故障下，相比于电阻性故障和电容性故障，电感性接地短路故障是最容易导致换相失败的故障形态。不同之处在于：感应滤波型直流输电系统具有更高的CFII值，在发生三相平衡电感性故障时，CFII在40%左右波动，远高于CIGRE标准测试模型系统的13.3%。因而可以得出结论：加入感应滤波装置后直流输电系统相对于传统直流输电系统具有较好的换相失败免疫力，更不容易受到故障的影响而发生换相失败。

3.2 交流系统强度对CFII的影响

交流系统强度（SCR）也是影响系统换相失败的重要因素。在PSCAD仿真环境中，可以通过改变电源侧的等效戴维南阻抗值来改变系统强度。本文通过改变逆变侧电源的等效阻抗值得到了不同的SCR值，逆变侧交流母线投入电感性故障，投入时间为1.0 s，故障持续0.15 s，得到的CFII与SCR的关系曲线如图6所示。

图6 CFII与逆变侧交流系统强度的关系Fig.6 Relationship between CFII and inverter-side AC system strength

图6表明，感应滤波型直流输电系统对换相失败的免疫能力随着逆变侧交流系统强度的提高呈线性增长趋势，这一特性与传统高压直流输电系统的特性是一致的。

3.3 直流系统参数对CFII的影响

虽然换相失败主要是由交流母线电压下降引起的，但是直流侧的输送功率和阻抗对换相失败也会产生一定的影响。直流侧平波电抗器电感值和直流传输功率（标幺值）对感应滤波型直流输电系统换相失败免疫能力的影响分别如图7和图8所示。

图7 直流侧平波电抗器电感值对CFII的影响Fig.7 Impact of DC-side flat-wave reactor inductance on CFII

图8 直流传输功率对CFII的影响Fig.8 Impact of DC transmission power on CFII

图7表明，随着直流侧平波电抗器电感值的增加，感应滤波型直流输电系统呈增长趋势，但是电感值超过6H以后，增长速度明显变缓，这一特性与传统直流输电系统先增加后降低的趋势[22]有明显区别。

从图 8可以看出，CFII在 Pdc为 0.5～1.2 p.u.这一区间从67%递减到35%，而在Pdc小于0.4 p.u.和大于1.2 p.u.区间基本保持恒定。而传统高压直流输电系统的CFII随着直流输送功率的增加在10%～25%之间变动[22]。从总体上看，2种直流输电系统的直流传输功率越大，CFII越小，系统越容易受外界干扰而发生换相失败，但是感应滤波型直流输电系统的CFII值整体比传统直流输电系统要高。

3.4 无功补偿度K对CFII的影响

阀侧无功补偿度K[15]是感应滤波型直流输电系统设计和运行的一个重要参数，对阀侧线电压、换相电抗、直流侧电压、换相角及换流器功率因数都有一定影响[4]，因而有必要分析K的变化对系统CFII参数的影响。根据感应滤波型直流输电系统设计时的无功分配原则，阀侧5、7、11和13次感应滤波器无功补偿容量为系统无功补偿总量的2/5，即K=0.4，其中，5/7、11/13次双调谐感应滤波器各占无功补偿总量的1/5。因此，本文通过改变投入的逆变侧的阀侧感应滤波器的组数来得到不同的K值，再分析在不同的K值下系统CFII的变化情况。投入不同感应滤波器时CFII的变化情况如表1所示。

表1 投入不同感应滤波器时CFII的变化情况Tab.1 Variation of CFII vs.input of different inductive filters

从表1可以得知，随着投入滤波器数量的减少，K值呈下降趋势，同时CFII也呈下降趋势，当只投入11/13次双调谐滤波器和不投阀侧滤波器时，CFII值已与传统直流输电系统的CFII值（13.3%）相当。但是只投入5/7次双调谐滤波器时，CFII仍然能维持在较高的水平，这是因为在阀侧电流中含量较高的5、7次特征谐波被吸收的缘故。

4 实例分析

4.1 实验平台

为了验证理论和仿真分析的正确性和精确性，本文依托如图9所示的感应滤波型直流输电动态模拟实验系统进行了实验验证。动模实验系统主要参数为：直流侧额定电压Ud=1 000 V，额定功率Pd=100 kW，采用12脉波换流，单极接线；交流系统模拟无穷大电源，两端电源为电压415 V正弦交流电，工频，传统接线方式的换流变压器整流运行，新型换流变压器及其感应滤波系统逆变运行。逆变侧采用定电压控制，整流侧采用定电流控制。

图9 感应滤波型直流输电动模实验系统接线图Fig.9 Connection diagram of inductive filtering HVDC system for dynamic experiment

4.2 换流变压器电压波形

本文测试了图9所示的感应滤波型直流输电动模系统在投入和不投入阀侧感应滤波器时的换流变压器网侧和阀侧的电压波形，波形图如图10和图11所示。

图10和图11表明，感应滤波型直流输电系统中，5、7、11和13次谐波被抑制在换流变压器阀侧，只在变压器阀侧绕组等值漏抗上产生压降，因而网侧电压和阀侧电压波形畸变得到较好改善。同时，从图11（b）可以看出，感应滤波型直流输电系统接入感应滤波器后，相对于传统直流输电系统，换相角μ明显减小，因此系统换相得到改善，系统发生换相失败的概率减少，即CFII得到提高。

图10 未接入滤波器时换流变压器网侧和阀侧线电压波形Fig.10 Waveforms of grid-side and valve-side voltages of transformer without filter

4.3 不同交流系统强度下的CFII

感应滤波型直流输电动模系统的交流系统为模拟无穷大电源，为得到不同等级的逆变侧交流系统强度，实验中通过对无穷大电源串联戴维南等效阻抗来实现。实验中投入故障的电抗为可调铁芯电抗器，其电感值从0.01～10 H可调，能满足实验需求。

故障实验中，通过观测熄弧角是否小于10°来判断系统是否发生换相失败。表2为在不同的逆变侧系统强度下CFII的实测值，与仿真结果基本吻合。

表2 CFII与逆变侧SCR关系实测值Tab.2 Measured relationship between CFII and inverter-side SCR

4.4 不同直流功率下的CFII

实验中通过调节整流侧的电流来调整直流功率，在不同的直流功率下测试系统换相失败的临界电感，然后根据式（8）求得CFII值。实验所得数据见表3，表中Pdc为标幺值。实验结果与仿真结论一致。

表3 CFII与直流传输功率关系实测值Tab.3 Measured relationship between CFII and DC transmission power

4.5 不同无功补偿度K下的CFII

通过改变投入的阀侧感应滤波器组数改变阀侧无功补偿度K，然后根据式（8）求得CFII值。实验所得数据如表4所示。实验结果与仿真结论基本一致。随着投入滤波器的减少，系统的CFII值明显降低。

表4 投入不同感应滤波器时CFII实测值Tab.4 Measured CFII for different inductive filters

5 结论

本文应用PSCAD/EMTDC仿真软件和实验室建立的动模实验平台针对不同类型故障及不同的系统参数对感应滤波型直流输电系统换相失败免疫能力的影响开展了大量的研究工作，得出如下结论。

a.电感性故障是最容易导致感应滤波型直流输电系统发生换相失败的故障类型，感应滤波型直流输电系统对接地故障的换相失败免疫力较传统直流输电系统明显增强。

b.感应滤波技术使感应滤波型直流输电系统具有较传统直流输电系统更好的换相电压波形，换相角明显减小，使得其CFII大幅提高，降低了系统在逆变侧交流母线故障下发生换相失败的风险。

c.仿真和实验表明，感应滤波型直流输电系统对换相失败的免疫能力随着逆变侧交流系统强度增加、直流传输功率降低及阀侧感应滤波器的投入而增强，这对系统运行控制具有重要参考价值。