串联电容换相换流器中主要设备电压特性的研究

高 宇，文 俊，李亚男，刘晓霞，谷腾飞，韩民晓

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206;2.国网北京经济技术研究院，北京100052)

0 引言

在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联网等方面，高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电较交流输电具有明显的优势［1］。

由于采用电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)，常规高压直流输电自身存在一些无法避免的缺点:无功需求大、易换相失败、不能对极弱受端系统和无源网络供电等［2］。

基于串联电容换相换流器的高压直流输电(Capacitor Commutated Converters based High Voltage Direct Current，CCC-HVDC)拓扑结构最早由Buseman 于上个世纪五十年代提出［3］。它能够增大逆变器关断角，从而减少换相失败的概率;提高换流器功率因数，因而减少了无功补偿及滤波器组的总容量，同时也减少了无功投切对换流母线电压的冲击，有效提高高压直流输电的运行稳定性［4－10］。

本文以青－藏直流联网工程为基础，将其改造成CCC-HVDC，利用电路理论分析了串联电容、换流变和换流阀的稳态电压特性，并同LCCHVDC 进行比较。利用PSCAD/EMTDC 仿真分析其暂态过电压特性，为CCC-HVDC 以后的改造和应用提供了理论依据。

1 串联电容换相换流器建模

串联电容换相换流器是在常规晶闸管换流器和换流变之间串联一个定值串联电容而构成的。其结构如图1所示:图中12p 为12 脉动换流阀;C为串联电容;T 为换流变;Ld为平波电抗器;Q＆F为无功补偿装置和滤波器。

图1 CCC-HVDC 拓扑结构Fig.1 Topological structure of CCC-HVDC

1.1 稳态数学模型

以图2 中6 脉动串联电容换相逆变器为例分析CCC-HVDC 逆变站数学模型，图中代表无间隙金属氧化物避雷器。

正常情况下6 脉动换流器工作在2－3 工况。“2”状态时，两个导通的换流阀流过的电流为直流电流id，平波电抗器电感值极大，可近似认为id为定值Id，此时，电感相当于短路，串联电容相当于开路。“3”状态时，即将关断的阀电流为ic，导通但未参与换相的阀电流为Id，开始导通的阀电流值由基尔霍夫电流定理确定。在每个电源周期内，每一个换流阀有四种工作状态:开始导通、导通、开始关断、关断，其中开始导通和开始关断过程对应着换流阀正在换相。基于电路理论可以得出［3］

图2 6 脉动CCC-HVDC 逆变站结构图Fig.2 Structure of the 6 pulse inverter on CCCHVDC

(1)串联电容稳态峰值电压

(2)即将关断的阀电流ic

其中:

等值换相电感折算到网侧的计算公式为

式中:μk为换流变短路电压;UT2N为换流变网侧的额定线电压有效值;STN为换流变额定容量。

1.2 EMTDC 仿真模型

在青－藏直流联网工程参数的基础上，保留整流侧LCC-HVDC 部分，逆变侧在换流阀和换流变之间串联电容改造为CCC-HVDC。额定电压±400 kV，额定功率600 MW，额定电流750 A，直流线路电阻Rd=17.79 Ω，整流侧采用定触发角α=15°控制，逆变侧采用定实际关断角γreal=21.3°控制或定视在关断角γapp=12.59°控制，串联电容C=100.66 μF，换流变容量为220 MW，所有故障设置在2.5 s，持续时间0.1 s。

2 串联电容电压特性分析

2.1 串联电容稳态电压特性

串联电容使换流阀的换相电压相位延迟，保证换流阀有足够的关断角，同时发出一定的无功，减少换流站的无功需求。

串联电容在一个电源周期中要经历四个过程，即充电t0～tC、正向电压维持tC～tS、放电tS～tD和反向电压维持tD～t0。其中充电包括换相过程充电和导通充电过程，放电过程包括换相过程放电和导通放电过程，而稳定维持电压就是式(1)中的稳态峰值电压［7、10、14］。串联电容在一个电源周期内的电压波形如图3所示。

图3 串联电容电压波形Fig.3 Voltage waveform of series capacitor

稳态情况下，串联电容峰值电压表达式为式(1)。其峰值电压、发出的无功和产生的相角延迟如表1所示，表中UCm为串联电容峰值电压，Q 为发出的无功，△γ 为换相电压相位延迟角。

表1 串联电容的稳态特性Tab.1 The steady state characteristics of series capacitor

从表中可知，串联电容值越小，串联电容峰值电压越高，同时向直流系统提供的无功越大，换相电压相角延迟效果越好，但是换流阀承受更高的电压。

2.2 串联电容暂态电压特性

暂态电压特性主要指CCC-HVDC 在系统结构和运行方式发生变化时，电压非稳定的变化过程。无论是受端交流系统还是串联电容两侧发生短路故障，都会产生较大的短路冲击电流，使得串联电容瞬间充电，产生电压波动。如表2所示。

表2 不同故障地点及类型时串联电容暂态峰值电压Tab.2 The transient peak voltage of series capacitance on different fault locations and types

当受端交流系统发生三相/单相短路接地故障时，交流侧电压迅速下降，电流迅速增加，串联电容急速充电，之后故障停运电流降为0，串联电容电压经过短暂的冲击后会维持较低的电压，该电压值受运行情况、故障时间因素等影响。故障切除后，各器件的电压都会恢复到初始状态，但恢复快慢不同，串联电容电压需要较为漫长的放电平衡过程，故恢复速度较慢。串联电容在三相短路故障震荡时最大的过电压达到2.76 p.u.，单相短路故障时最大过电压为2.5 p.u.(非故障相)。不对称故障打乱了三相串联电容的平衡性，故障消除后串联电容需要较长时间恢复平衡，故单相短路比三相短路串联电容电压的恢复时间更长，如图4所示。

图4 受端系统短路后串联电容过电压波形Fig.4 Voltage waveform of series capacitor after the short circuit on AC system of the inverter

当发生甩负荷故障时，在电流降为零之前也会有短暂的冲击电流，使得串联电容产生2.67 p.u.的过电压。

串联电容阀侧发生三相短路后，串联电容电流短时间增大到10 倍以上，串联电容会短时间急剧充电，过电压将超过40 p.u.。同一位置单相短路后，峰值电压出现在非故障相，达到1.88 p.u.。

串联电容网侧三相/单相短路后，故障电流和特殊的故障位置使得串联电容充放电过程失稳，经过震荡后串联电容同样会在一个新平衡点进行充放电，该新平衡点随着故障发生时间、故障持续时间和直流运行状态而变化，但充放电幅值不变。震荡过程中串联电容会有很大的过电压，峰值电压能够正向达到6 p.u.，反向超过10 p.u.。是正向过电压还是负向过电压取决于新平衡点的位置，这与是否处于换相过程及换相的阀密切相关，如图5所示。

图5 串联电容阀侧故障后串联电容电压波形Fig.5 Voltage waveform of series capacitor after the short circuit on valve side of the series capacitor

3 换流变电压特性分析

3.1 换流变稳态运行电压

换流变不仅为两个6 脉动换流器提供相差30°的换相电压，为交流和直流系统提供电气的隔离和绝缘，限制阀短路时的故障电流，还能抑制交流浸入直流的雷击冲击电压［1、2、11］。

通过滤波器和无功补偿装置的投切，基本上能保证换流变网测电压稳定，其阀测电压为

式中:uS为交流系统等效到换流变阀测的电压;uL为等值换相电感LT2N两侧的电压，其表达式为

ic为式(2)中换相电流(从Id递减到0)。

“2”状态时没有换相电流，换流变阀侧相电压和电源电压相同，等值换相电感相当于短路。“3”状态时，串联电容的存在使得最终的等值换相电感减小，使得d ic/d t也随之变化。相关电压周期波形如图6所示。其中横坐标为时间，rad，纵坐标为换流变网侧相电压，V。

图6 换流变阀侧对地电压波形Fig.6 Voltage waveform on the valve side of the transformer

换流变稳态电压特性取决于换相电流ic的变化速度，这个变化速度同Id和重叠角μ 相关。如图7所示:换相串联电容的取值越小，最终的等值换相电感越小，Id不变的同时μ 变小，d ic/d t越大，故换流变阀侧要承受更高的对地峰值电压。

图7 换流变阀侧对地峰值电压与串联电容的关系Fig.7 The relationship between the peak voltage on valve side of the transformer and the series capacitor

随着串联电容值的变小，换流变阀侧相电压增大。如果直流电压不变，直流电流的改变会导致等值换相电感LT2N和换相角μ 也相应的改变，LT2Nd ic/dt 会有变化，从而导致换流变阀侧电压的变化。

图8 为串联电容取100.66 μF 时，换流变阀、网侧峰值电压随直流电流变化而变化的趋势。UT1m、UT2m分别为换流变网侧、阀侧的峰值电压。

图8 换流变两侧峰值电压与直流电流的关系Fig.8 The relationship of the peak voltage between the two sides of the transformer and the DC current

从图8 可见，随着直流电流的减小，换流变阀测对地峰值电压增加，如果过载运行，换流变两侧承受的对地峰值电压略有下降。换流变网侧电压变化不大，考虑无功设备的投切，其电压几乎没有变化。

3.2 换流变暂态过电压

暂态部分故障地点分为受端系统，串联电容阀测和网测三个故障地点，故障类型包括单项短路、三相短路和甩负荷故障。由于逆变侧换流母线电压、串联电容电压的变化和短路电流的冲击，换流变两侧电压都会有一定的变化，如表3所示。

表3 不同故障地点及类型时换流变故障暂态峰值电压Tab.3 Transient fault peak voltage of the transformer on different fault locations and types

受端系统三相/单相短路故障时，换流变两侧电压迅速跌落，由于故障点在网侧，明显网侧电压跌落更大，故障切除后恢复过程电压会有冲击。Y-Y 接法的换流变阀侧在恢复过程中过电压为1.1/1.06 p.u.;Y-D 接法换流变阀侧在恢复过程中过电压为1.08/1.08 p.u;网侧在恢复过程中过电压为1.58/1.28 p.u.。

图9 受端系统三相短路后换流变网侧过电压波形(Y-D)Fig.9 Voltage waveform of converter transformer after three phase short-circuit on AC system of the converter

发生甩负荷故障时，换流阀无功需求瞬间降为0，串联电容也不提供额外的无功补偿，但换流站内的无功补偿装置仍然继续运行，过量的无功造成逆变侧换流母线电压升高，换流变阀侧产生1.93 p.u.过电压，网侧产生1.78 p.u.过电压，且受端系统越弱，甩负荷造成的过电压越明显。由于LCC-HVDC 的无功补偿装置比CCC-HVDC 多，因此换流变两侧电压升高更明显。同样故障情况下LCC-HVDC 换流变阀侧产生2.2 p.u.过电压，网侧产生2 p.u.过电压(SCR=2)。

串联电容阀侧三相/单相短路故障时，换流变网侧过电压为3.7/1.17 p.u.，Y/Y 和Y/D 换流变网侧过电压相同，为2.45/1.15 p.u.，故障切除后系统完全紊乱，不能恢复之前稳定运行。

串联电容网侧三相/单相短路故障时，由于算例中串联电容处于一个负的平衡电压进行充放电，导致换流变网侧相电压降低，即使恢复过程中会有一些冲击，电压也很难超过故障前峰值电压，没有过电压问题。阀侧有一些波动，但并不明显。但如果新的平衡点为正值，则过电压将会超过2.0 p.u.。

图10 串联电容网侧单相短路后换流变两侧电压波形Fig.10 Voltage waveform between two sides of the transformer after the single phase short-circuit on network side of series capacitor

4 换流阀电压特性分析

4.1 换流阀稳态运行电压

换流阀是直流输电最重要的设备，由换流阀组成12 脉动环流单元，承担交/直流电力转换的任务，同时直流输电还利用换流阀的快速可控性进行启停的快速操作［1－3］。

6 脉动换流器一个电源周期分为12 个工作过程，每一个过程阀电压uVT都是在电网换相换流器的阀电压的基础上叠加了等值换相电抗和串联电容上的电压，其表达式为

式中:uS为交流系统等值电源电压;uC为串联电容两端电压;uL为等值换相电抗两端电压。以阀1为例，其承受的电压周期波形如图11所示。

图11 流阀周期电压波形Fig.11 Cycle voltage waveform of the valve

串联电容的存在，造成了换流阀电压相位的延迟，从波形上表示为承受反向电压的时间增加了，降低了换相失败的概率。但串联电容也增加了换流阀承受的电压，CCC-HVDC 的换流阀要比LCC-HVDC 承受更高的电压，如表4所示。表中γapp为视在关断角，γreal为实际关断角，UVTmL为LCC-HVDC 的峰值阀电压，UVTmC为CCC-HVDC的峰值阀电压。

表4 换流阀过电压与串联电容取值的关系Tab.4 Relationship between valve voltage and value of the series capacitance

由于逆变侧采用定视在关断角γapp的控制方式，故γapp为定值，青－ 藏直流工程算例中定为12.59°。串联电容值越小，实际关断角γreal越大，换流阀承受的电压也就越大，需要更高级别的耐压措施，改造过程中换流阀的耐压绝缘问题是工程设计中串联电容值不能过小的最大限制。考虑到改造后CCC-HVDC 的阀电压不超过原先LCCHVDC 阀电压的1.1 倍，青－藏直流联网工程改造推荐串联电容值为100.66 μF。

4.2 换流阀暂态过电压

暂态部分故障地点分为受端系统，串联电容阀测和网测三个故障地点，故障类型包括单项短路、三相短路和甩负荷故障。系统不同位置发生短路故障时，换流阀都会有短暂的冲击，其过电压情况如表5所示。

表5 换流阀故障暂态峰值电压Tab.5 Fault transient peak voltage on the valve

对于受端交流系统发生单相/三相短路接地故障时，阀电压会迅速下降，当故障清除后，阀电压逐渐恢复到故障前状态，恢复过程中会有一定过电压，如图12所示，换流阀过电压值为1.15/1.19 p.u.。

图12 受端交流系统短路故障后阀电压波形Fig.12 Voltage waveform of the valve after the short-circuit on AC system of the converter

甩负荷故障时，由于逆变侧母线电压升高，落在阀两侧的电压也会随之升高。CCC-HVDC 阀过电压达到1.99 p.u.，同样情况下LCC-HVDC 阀过电压达到2.2 p.u.。

串联电容阀侧短路时，故障冲击电流非常大。单相/三相短路故障时换流阀的过电压达到1.31/6.0 p.u.，且故障清除后仍然不能恢复到故障前运行状态。其中阀侧三相短路故障过电压过电流巨大，是一定要避免的故障。

5 结论

(1)串联电容取值越小，串联电容稳态电压越高，换流变两侧承受的电压越大，换流阀承受的电压也越大。直流电流越小，串联电容稳态电压越小，换流变两侧承受的电压越大，换流阀峰值电压几乎不变。

(2)相对于LCC-HVDC，CCC-HVDC 一次设备都要承受更高的稳态电压，故障恢复速度也更慢，但是由于无功补偿装置较少，CCC-HVDC 对甩负荷过电压有一定抑制作用。

(3)在各种暂态过电压中，串联电容阀侧三相短路时各设备的过电压问题都是最严重。串联电容过电压为45 p.u.;换流变网侧/阀侧过电压分别达到3.73/2.45 p.u.;换流阀过电压为6 p.u.。除此之外串联电容的故障过电压范围为1.88～2.76 p.u.，换流变最严重的故障过电压为1.93/1.78 p.u.，换流阀的过电压范围为1.15～2.0 p.u.。

(4)相比于其他一次设备，由于串联电容放电平衡的问题，串联电容电压恢复速度都比较慢，且单相故障比三相故障恢复速度更慢。

(5)受端系统三相/单相短路故障后，主要一次设备都会产生一定的工频过电压，但都在可控制范围内，且故障清除后系统都能恢复稳定运行。串联电容附近的短路故障中，所有故障都会造成换相失败，过电压问题较严重，以串联电容阀侧三相短路最恶劣，仅靠技术手段无法抑制如此大过电压，同时故障切除后直流系统很难恢复稳定运行，属于必须要避免的故障类型。

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