特高压直流分层接入换相失败电压判断与仿真

李 明,赵书涛,吴成坚,何梦媛,魏 瑶,孟 航

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

特高压直流分层接入换相失败电压判断与仿真

李 明,赵书涛,吴成坚,何梦媛,魏 瑶,孟 航

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

为了判断分层接入模式下特高压直流是否发生换相失败，阐述了导致换相失败的原因，根据电压跌落后最大直流电流对应的熄弧角推导了发生换相失败时的电压临界值，在CIGRE基础上搭建了分层接入PSCAD的直流模型，用PSD-BPA在华东电网夏季运行方式下对锡盟-泰州逆变侧进行了实际故障仿真，得到了直流电压、熄弧角等曲线。仿真分析结果表明，特高压直流换相失败可以通过电压瞬时跌落值来判断，熄弧角曲线与理论计算值一致，用高低压阀组两个熄弧角的最小值来判断是否发生换相失败是正确的，推导的电压阈值能为实际工程中换相失败预测模块的整定提供参考。

分层接入；换相失败阈值；PSD-BPA；换相失败预测

目前，随着中国大规模西电东送和特高压直流输电容量不断增大，电网接收大量清洁能源的同时也带来了受端交流电网电压支撑能力不足和近区的潮流疏散问题[1]。特高压直流逆变侧分层接入方式将逆变侧高低压阈组接入两个不同电压等级的交流电网，既增加了受端的电压支撑能力，也改善了近区电网的潮流疏散[2-3]。分层接入模式的高低阀组采用独立控制，交直流系统短路比更大，换相失败的情况和单层接入不同。由于接入两个电网，以单层接入的阈值判断是否发生换相失败已经不符合实际。对换相失败的研究主要集中在对后续控制保护问题的研究[4]、换相失败的分析及其影响[5-6]等，而对分层接入换相失败产生机理和其发生过程的研究比较少。本文根据单层阀组的换相公式，考虑分层接入的特点，分析了两种换相失败的发生过程，根据交流电网的耦合特性推导出了分层接入下的换相失败时的临界电压值，并通过仿真算例进行了验证，该阈值能为换相失败预测(CFPREV)模块整定提供参考。

1 分层接入下的换相失败分析

1.1 分层结构下换相失败的产生过程分析

分层接入下的换相失败有两种：一种是逆变侧交流电网发生近端金属性接地时，高低压阀组的熄弧角都低于7°，会直接导致发生换相失败；另一种是交流侧发生远端故障时，故障侧交流电压下降幅度小，可能出现两个阀组熄弧角小于7°和大于7°的情况。熄弧角小的阀组会先发生换相失败，此阀直流侧短路导致逆变侧直流电压降为一半。由于整流侧电压在故障瞬间不会发生突变，直流电流在整流和逆变侧的巨大压差下迅速升高，导致换相角迅速增加，熄弧角降到7°以下，使这一阀组也发生换相失败。假设锁相环能无延时地锁住电压故障时的相位，控制系统延时的触发脉冲角α不变，有以下公式：

(1)

将换相失败分为两个过程：在故障瞬间，平波电抗器、换相电抗的存在导致换相电压E突降时，电流不变，换相角在E的跌落瞬间突增一个角度；随着逆变侧直流电压的降低，线路压差增大，直流电流迅速增加导致换相角继续增加，当直流电流达到最大值时，换相角也到达最大值。除去CFPREV等控制系统的作用，熄弧角在这时达到最小值，如果小于7°就会发生换相失败。

1.2 分层结构下发生换相失败电压阈值的确定

CIGRE-WEG-B4工作组定义了交互作用因子(HCIF)来衡量多馈入直流输电对逆变侧电网影响作用强弱的标准[7]，文献[8]提出了受端分层接入两个交流电网的相互间影响为分层交互作用因子(hierarchical connection interaction factor,HCIF)：受端一侧的换流母线i因投入三相电抗器，使该母线电压下降1%时，另一交流换流母线j的电压变化率为分层交互作用因子，即

(2)

(3)

低压换流阀母线电压变为

(4)

分层接入方式下高低压阀组串联忽略阀压降时，直流电压为高低压阀组的直流电压的叠加，即

(5)

初始状态逆变侧高、低压阀组的触发超前角β0相同，整流侧定电流控制逆变侧定电压，电压快速跌落瞬间，整流侧输出的直流电压尚未发生变化，有下式[9]：

(6)

联立上式直流线路及逆变侧换流阀上流过的最大瞬时直流电流为

(7)

根据单阀熄弧角公式，可得到逆变站高低压阀组最小熄弧角为

(8)

当熄弧角小于7°时，高低压阀组会相继发生换相失败。当逆变侧所连两个交流电网的电压相互作用因子已知时，逆变侧最大熄弧角同逆变侧高压阀组换流母线呈非线性的正相关，可通过某阀组电压瞬时跌落幅值判断是否会发生高低压阀组的换相失败，即

(9)

图1 HVDC-CIGRE改造后的分层结构Fig.1 Hierarchical structure after reformation of HVDC-CIGRE

2 仿真与分析

2.1 基于CIGRE_Benchmark的分层接入模型

2.1.1 基于CIGRE的分层接入模型的建立

为了研究分层接入方式下的换相失败，以国际大电网会议提出的典型的CIGRE_Benchmark系统[11]为例，将逆变侧修改为等值容量和参数的分层接入系统，两交流系统通过理想变压器和串联阻抗进行连接：逆变侧两个交流电源电压不变，阻抗变为原来的2倍；变压器不变，额定功率由1000 MW变为2个500 MW，连接阻抗设为1 Ω，如图1所示。

2.1.2γ计算值与测量值的对比分析

图2 γ角输出值与计算值的对比Fig.2 Comparison between output value of γangle and calculation

因为本例中电压采用母线电压测量值，而非开路母线电压，所以图2中的γ角曲线经过补偿后得到。在图2中，前0.04 s 时，CIGRE在直流启动阶段受到VDCOL模块的影响，计算出的γ值和测量值有5°左右的误差。在0.06～0.1 s时的差距主要是由控制系统动态性能引起的。在0.1～0.3 s时，逐渐进入稳态期，γ角与GMID吻合；故障发生后，在故障期间内计算出的γ最小值与GMID几乎吻合。由于γ角直接用电气测量值计算，而GMID和GMIS需要经过控制系统的延时，因此γ的波形超前于GMID和GMIS一定的角度。实际直流控制系统添加了极控与阀控的分层控制，会对GMID产生一定的影响，但是与γ差异不会偏差很大。上述分析表明，根据最大直流电流值推导出的分层接入结构的最小熄弧角有一定的准确性。

2.2 实际电网仿真

为了检验上述电压判据在实际系统的适用性，本文对锡盟-泰州±800 kV特高压直流输电工程进行了仿真分析。采用锡盟-泰州特高压直流工程建成后的华东电网2017年实际网架，使用PSD-BPA机电暂态仿真软件[12-13]。锡盟-泰州的±800 kV/10 000 MW的特高压直流双极分层直流输电工程的受端电网如图3所示。泰州换流站正常运行时采用双极全功率运行，其中正极和负极分别通过换流变将总功率的1/2送至华东1000 kV特高压交流电网和500 kV的苏北交流电网。直流模型采用PSD-BPA暂态稳定程序中的新特高压直流准稳态模型。

图3 锡-泰特高压直流分层接入逆变侧地理接线图Fig.3 Geographical wiring diagram of converter side under Ximeng-Taizhou UHVDC hierarchical access

由图4(a)可知，当接地电阻设为0.008 Ω时，高压阀对应的交流母线电压最低值为0.83 p.u.，低压阀组降到0.92 p.u.。由图4(b)、(c)可知，高低阀的两个熄弧角最小值为7.6°(大于7°)，直流功率最小值跌落至1100 MW；在故障电阻设为0.008 Ω时逆变侧直流电压虽然降低，但是直流功率不会降到零，未发生换相失败。而电压的最小值未降到临界值0.745 p.u.，判断并未发生换相失败，这与实际仿真情况相同。

由图5(a)可知，当接地电阻设为0.003 Ω时，高压阀对应的母线电压的最低值降至0.68 p.u.，低压侧的母线电压的最低值降至0.8 p.u.。由图5(b)、(c)可知，高低压阀组的熄弧角最小值已经跌至零，直流功率也跌至零，甚至发生了功率反送的异常情况，判断高低压阀组发生了换相失败。而这时高压阀组母线电压的最低值已经低于临界值0.745 p.u.，根据判据认为发生了换相失败，这与仿真结果相同。同理，可以验证另一侧阀组故障时发生换相失败的电压临界值。图4和图5的仿真结果，验证了用电压阈值判断分层接入结构下的特高压直流逆变侧是否发生换相失败的正确性。

图4 接地电阻0.008Ω时直流仿真波形Fig.4 DC simulation waveforms when ground resistance is 0.008 Ω

图5 接地电阻0.003Ω时直流仿真波形Fig.5 DC simulation waveforms when ground resistance is 0.003 Ω

3 结 论

本文通过计算故障时最小熄弧角，得到了用电压跌落阈值来判断换相失败的方法，并进行了仿真验证，得到以下结论：

1)分层接入下两个熄弧角有差异，通过对分层接入模式下换相失败的发生过程和不同熄弧角的分析，确定用高低压阀组两个熄弧角的最小值来判断是否发生换相失败是正确的。

2)传统的换相失败预测模块启动阈值为固定值，而分层接入下高低阀组耦合性相对较小，两侧故障引起的换相失败电压临界值不同。当采用传统整定值时，过大会引起换相失败，预测模块的频繁启动会造成不必要的震荡，过小会使得预测换相失败失效。使用本文的计算方法分别得到高低压阀组的两个电压跌落值，使换相失败预测模块启动值更加合理。为了留有裕度，可以将电压跌落阈值乘以一个系数作为最后整定值。

3)由电网实际仿真可知，在夏季平峰模式下，泰州侧HCIF为0.54，1 000 kV特高压相对于500 kV交流母线的电气距离相对较近。增大1 000 kV交流网与500 kV交流网的电气距离来降低HCIF，可以降低换相失败的电压阈值。

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(编辑 侯世春)

Voltage judgment and simulation of commutation failure under UHVDC hierarchical access

LI Ming,ZHAO Shutao,WU Chengjian,HE Mengyuan,WEI Yao,MENG Hang

(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

In order to judge whether the commutation failure occurs in UHVDC under the mode of hierarchical access,the reason of commutation failure is expounded and the voltage threshold at the time of commutation failure is deduced according to the maximum DC current after the voltage drop.Then a DC model of hierarchical access to PSCAD is established based on CIGRE,and the actual failure simulation on Ximeng-Taizhou inverter side is carried out on PSD-BPA under the operating mode of East China Power Grid in summer,thus receiving the curves such as DC voltage and the arc extinguishing angle.The simulation results show that the UHVDC commutation failure can be judged by the instantaneous drop of voltage,the arc extinguishing curve is consistent with the theoretical calculation and the minimum values of the two arc extinguishing angles of the high and low pressure valve sets can be used to determine whether it is correct that commutation failure occurs.Therefore,the deduced voltage threshold can provide a reference for the setting of commutation failure prediction module in the actual engineering.

hierarchical access; commutation failure threshold; PSD-BPA; commutation failure prediction

2017-06-10；

2017-07-10。

李 明(1991—)，男，在读硕士研究生，研究方向为特高压直流输电控制保护。

TM866

A

2095-6843(2017)04-0335-05