多馈入高压直流输电系统的换相分析

任丽佳

摘 要：针对多馈式高压直流输电系统中换相失败的现象，分析了几种换相失败的原因，主要包括电压幅值降低和电压在过零点发生漂移等。接着，引入了交流系统强度和故障水平仿真分析换相失败的情况。

关键词：多馈式高压直流系统；换相失败；过零点漂移；交流系统强度

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.077

简言之，换流失败就是在换流设备中，如果换流阀在导通时被退出，但是，反向电压不能及时起到阻断的作用，或者在反向电压阻断的过程中换相没有完成，在换向阀变成正向的时候，被换相的阀使得导通的换向阀退出。目前，高压直流输电作为一种主要的输电方式，在高压直流输电系统中出现换相失败的情况将会造成恶劣的情况。在换相失败时，系统中的功率传输会暂时停止，电压的幅值会降低，而直流的电流将会增大，这会直接导致系统中的功率损耗增加，进而使得用电设备发热，缩短使用寿命。更为严重的是，这种高压输电系统中出现了换相失败的情况，会直接导致系统中出现较严重的扰动现象，对系统的稳定运行造成一定影响。据相关数据显示，在换相失败的过程中，大部分情况都是发生在逆变侧。因此，本文将集中研究直流系统与逆变侧交流系统之间的关系。

多馈入高压直流输电系统中存在一种异常换相失败的情况，它与单馈入的换相失败现象相比更加复杂。相关文献中分析了其中一种情况，并将其归结于电压过零点漂移。但是，经过研究发现，这其中还有其他原因。为此，本文将在多种交流系统强度下进行深入研究。经过研究发现，电压的幅值变化直流对换相失败有直接影响。

1 换相失败的基本原理

换流阀电压的变化是导致换流失败最主要的原因，在这种情况下，会出现电压幅值降低和电压过零点漂移的情况。电压幅值降低所导致的换相失败原理如图1所示。在图1中，α为触发角，γ为熄弧角，μ为换相角，它们之间满足α+γ+μ=π的关系；S1为换相的面积，当故障发生时，在条件没有发生变化的情况下，会导致换相时间变长，换相角μ变成μ?，熄弧角γ变成γ?。

2 多馈入系统常规换相失败现象

与直流系统不同，多馈式高压直流输电系统中存在耦合现象。当发生换相失败的情况时，可能会导致其他系统中的换相失败，这里以2个直流系统为例，具体如图3所示。假设母线Ⅰ发生故障，导致换相器Ⅰ发生故障，那么，通过耦合的作用，这种故障可能会对换相器Ⅱ产生影响，在换相器Ⅰ的影响下，此时换相器Ⅱ也可能會发生故障。这种并发换相失败与故障水平、故障情况和交流系统的强度有直接关系。

从图中可以看出，换相失败不仅与本地有关，还与远端是否发生故障有关。随着本地故障水平的提高，远端发生换相失败的可能性在0.1～0.15之间，呈现增加的趋势，随后在0.2～0.25之间呈现出减小的趋势，最后又开始增加。这说明，远端发生换相故障失败的情况与本地故障水平有密切的关系。

局部故障水平就是换相器的连接母线上遇到故障时的水平。由于感性故障比容性和电阻性引起的故障更严重，并且它更容易引起换相失败，因此，本文主要分析感性故障。当交流系统中的强度发生变化时，也会导致换相失败。这里用nESCR来表示交流系统的强度，即：

（5）

式（5）中：PSCL为交流系统的短路容量；Qf为换流站上的电容器和滤波器无功功率总和；Pdc为直流系统的额定功率。

换相是否成功与交流系统的强度有很大的关系，为了进一步研究，改变交流系统2的电气强度，在这里采用6种交流系统的强度来对比。在每种情况下仿真时，要分别对61种故障水平进行仿真，并且每种都仿真101次。图5是这6种情况下的仿真情况，从图中可以看出，当故障水平小于等于0.1时，换相失败的可能性相差不大；当故障水平大于0.1时，随着故障水平的提高，系统发生换相失败的可能性逐渐增加，在0.48之后必定会失败。

对于多馈入高压直流输电系统来说，系统中耦合关系的改变也会影响换相。为了进一步分析这个问题，分别取耦合阻抗值为7/8，6/8，5/8，4/8，3/8，2/8，1/8，取交流强度为2.5，仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，蓝色曲线是没有改变耦合阻抗时的情况，耦合阻抗分别为3/8，2/8，1/8这几个曲线的情况非常接近，而且更容易发生故障，在0.1左右的时候失败的可能性接近于1.

3 结论

本文主要针对多馈入高压输电系统中的换相失败情况进行了详细的研究和分析，通过分析可知，电压幅值降低和电压过零点漂移都会导致系统换流失败。最后通过改变交流系统强度和耦合阻抗来分析系统，得出影响换流失败的原因。

〔编辑：白洁〕