直流闭锁引发多馈出直流系统换相失败分析∗

尹纯亚，李凤婷†，张增强，余中平

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆乌鲁木齐830011)

0 引言

随着特高压直流输电工程的逐步投运，我国大型能源基地形成了多回直流馈出的网架结构，“强直弱交”特性愈发明显[1].作为直流输电最常见的故障，换相失败后的功率动态特性将会对交流系统安全稳定产生严重影响[2].因此，研究逆变器换相失败机理，对保障交直流混联系统的安全稳定运行具有重要的意义.

针对换相失败影响因素方面，现有研究表明，直流电流上升与逆变侧交流系统电压降低是引起换相失败的主要原因[3]，当交流系统发生短路故障时会导致电压降低[4]，文献[5-8]分别研究了受端电网故障、受端电压畸变、定关断角控制与定电压控制对换相失败的影响；文献[9-11]考虑受端系统故障引起的直流电流变化，分别提出换相失败分析方法.

多回直流的换相失败分析都集中多馈入系统受端系统故障方面，文献[12-13]提出基于临界多馈入交互作用因子的换相失败判别方法；文献[14-17]参照多馈入交互作用因子的定义，分别提出换相失败免疫因子、节点电压影响因子、交直流系统电压耦合作用因子以及临界电压关联因子的概念与计算方法，并基于最小关断角判断标准，提出判别多馈入系统换相失败风险的方法；文献[18]推导出同时换相失败交互因子表征换相失败的边界条件；文献[19]考虑不对称故障时负序分量对换相电压角度偏移的影响，提出一种换相失败风险的快速识别判据.以上研究都是针对多馈入系统展开的研究，且都只考虑逆变侧交流系统故障对换相失败的影响.鲜有对整流侧电压升高引起直流电流增大进而可能导致换相失败进行研究.

本文通过分析换相失败的原因及影响因素，建立换相失败的数学模型，针对多馈出直流系统，分析单回直流闭锁对非故障直流电流的影响以及可能引起换相失败的风险.基于直流标准测试系统搭建两回直流模型进行仿真验证.

1 换相失败

6 脉波换流器的结构如图1所示.该换流器是由VT1∼VT6这6个换流阀组成，并按照VT1∼VT6的导通顺序依次导通，ua、ub、uc分别为交流系统三相电压.

图1 6 脉波换流器示意图Fig 1 Schematic diagram of 6-pulse converter

由于逆变器发生换相失败的概率远大于整流器，整流器只有当触发电路故障时才会换相失败[20].图2展示了逆变器的正常换相过程.图2中，α为逆变器触发角，β为触发超前角，µ为换相重叠角，γ为逆变器关断角.

图2 逆变器换相过程示意图Fig 2 Schematic diagram of commutation process of inverters

晶闸管具有单向可控的特点，可以控制导通，但不能控制关断，为了使晶闸管阀进行关断，就需要给阀施加一个反向电压.当两换流阀正常换相结束后，晶闸管阀需要承受一定的反向电压后才能恢复阻断能力.若刚退出导通的阀未恢复阻断能力，此时施加在阀上的电压转为正向电压时，该刚退出导通的阀组又会导通，称之为换相失败[9].

由图2可以得出α、β、µ与γ的关系为

2 换相失败影响因素分析及数学模型

2.1 换相失败影响因素

逆变侧是通过PI 控制器对β进行控制，换相失败一般发生在故障的初始阶段，考虑到PI控制有一定的延时滞后，可认为故障发生的瞬间β短时间内保持不变[10].

由式(2)可以得出，当触发超前角β不变的情况下，换相重叠角越大，则关断角γ越小，逆变器越容易发生换相失败.

当逆变侧交流系统发生三相对称故障时，三相电压值下降幅度相同，即图3展示了三相对称故障时的换相过程.

图3 三相对称故障时的换相过程Fig 3 The commutation process under three-phase symmetrical faults

由于完成换相所需的电压—时间面积是一个固定值[4]，如图3中的A，当三相电压对称下降，α、β、µ与γ的关系仍然满足式(1)与(2).三相电压对称的下降会使完成换相的电压—时间面积不够，导致完成换相的时间会后延.因此当三相电压对称下降时，换相重叠角会变大，从而引起关断角的降低，可能引发逆变器的换相失败.由图4可以看出，直流电流的增大也会引起换相重叠角的增大，从而导致关断角的降低.

图4 直流电流增大对换相重叠角影响Fig 4 Effect of DC current increase on µ

综上所述，在逆变侧交流系统发生对称故障时，引起逆变器发生换相失败的根本原因是换相重叠角的增大.

2.2 换相失败数学模型

由换相失败影响因素分析可知，关断角是随着换相重叠角的变化而变化.换相重叠角µ的计算公式可表示为[9]

式中kI为逆变侧换流变压器变比，XCI为换相电抗，Id为直流电流，ULI为逆变侧换流母线线电压.由式(3)可知，Id越大，则µ越大；逆变侧换流母线线电压越低，则µ越大，都会导致关断角的降低，都可能导致换相失败.

当逆变侧交流系统发生三相对称故障时，结合式(1)与式(2)关断角与换相重叠角的关系，由式(3)可得关断角的表达式为

当kI=0.612 5，XCI=13.444 5，ULI保持不变为230kV，触发超前角β=40˚时，关断角γ随直流电流Id变化曲线如图5所示.

由图5可以看出，随着直流电流的增大，逆变器关断角呈非线性加速减少的趋势，晶闸管的恢复时间约为400µs，以电角度γ表示，约为7˚，当逆变器换相时关断角γ减少到7˚时，逆变器就会发生换相失败.

图5 关断角随直流电流变化曲线Fig 5 Curve of extinguishing angle with DC current

3 多馈出直流系统换相失败分析

3.1 系统模型

通过多端口网络戴维南等值方法[20]，多馈出交直流系统模型结构如图6所示.

图6 多馈出交直流系统模型Fig 6 A model of multi-outfeed AC/DC hybrid system

图6中E1,···,Ek,···,En为各直流系统对应的整流侧交流系统等值电源；z1,···,zk,···,zn为各直流系统对应的送端交流系统等值阻抗；zk1,···,z1n,···,zkn为整流侧各交流系统换流母线间的耦合阻抗；ULRl,···,ULRk,···,ULRn为整流侧各换流母线线电压；TRl,···,TRk,···,TRn为整流站内换流变压器的变比；zCl,···,zCk,···,zCn为各整流站内交流滤波器与无功补偿装置的等值阻抗；Id1,···,Idk,···,Idn为各直流线路直流电流.

3.2 换相失败分析

直流电流是由线路两端的直流电压决定，已知直流线路电阻Rd、整流侧直流电压UdR、逆变侧直流电压UdI有[10]

α、XCR、TR分别为整流器触发角、换相电抗、换流变压器的变比；ULR为整流侧换流母线线电压，N为单极6脉波桥的数量.

由式(6)可以看出，当整流侧换流母线线电压ULR增大时，会导致整流侧直流电压UdR增大，结合式(5)可知会导致直流电流增大，可能引起逆变器的换相失败.

对于图6所示的多馈出直流系统，若第k条直流发生闭锁，由于换流站内配置的大量无功补偿装置不能快速切除，盈余的无功功率会冲击交流系统引起换流母线k出现暂态过电压.换流母线k与n之间存在耦合电抗zkn，同样会引起换流母线n的换流母线线电压升高，导致直流n的直流电流增大，进而可能引起直流n的逆变器发生换相失败.

3.3 多馈出系统换相失败影响因素分析

直流闭锁后换流母线暂态电压上升幅度∆U与交流系统短路容量SC与盈余无功功率∆Q关系为[21]

由式(8)可得，直流闭锁容量越大、交流系统短路容量越小，都会导致换流母线暂态过电压越大，就会导致其他直流的直流电流也越大，发生换相失败的风险也越大.

直流k与n之间的耦合阻抗zkn越小，说明直流间的耦合作用越大，换流母线k的电压变化对换流母线n的影响也越大，直流n发生换相失败的风险就越大.当zkn为0时，说明直流k与直流n共用一条换流母线，此时发生换相失败的风险最大；若zkn为无穷大，说明换流母线k的电压变化不会影响到换流母线n，直流n不存在换相失败的风险.

综上分析，直流系统间的耦合阻抗、交流系统的短路容量、直流闭锁容量都是影响多馈出直流系统发生换相失败的主要原因.

4 算例分析

本文采用DIGSILENT仿真软件基于CIGRE直流输电标准测试系统搭建两馈出交直流系统，如图7所示.直流输电标准测试系统参数与结构如图8与表1所示.图7为同送端、不同送端的两直流馈出模型，直流1与直流2逆变侧间没有直接电气耦合关系.

图7 双回直流系统结构示意图Fig 7 Schematic diagram of double-circuit DC system

表1 直流输电标准测试系统参数Tab 1 Parameters of DC transmission standard test system

图8 直流输电标准测试系统模型Fig 8 Model of DC transmission standard test system

分别设置直流1在0.1 s闭锁.仿真结果如表2所示.其中算例1∼3为相同交流系统短路容量与闭锁容量、不同耦合阻抗下的仿真结果，算例4∼6为相同耦合阻抗与短路容量、不同闭锁容量下的仿真结果，算例7∼9为相同耦合阻抗与闭锁容量、不同短路容量下的仿真结果.

表2 不同工况下的换相失败仿真结果Tab 2 Simulation results of commutation failure under different operating conditions

算例1工况下直流2的关断角、直流电压、直流电流、直流功率仿真波形如图9∼12所示.算例2工况下直流2的关断角、直流电压、直流电流、直流功率仿真波形如图13∼16所示.

图9 关断角仿真波形Fig 9 The simulation waveform of extinguish angle

图10 直流电压仿真波形Fig 10 The simulation waveform of direct voltage

图11 直流电流仿真波形Fig 11 The simulation waveform of direct current

图12 直流功率仿真波形Fig 12 The simulation waveform of direct power

图13 关断角仿真波形Fig 13 The simulation waveform of extinguish angle

图14 直流电压仿真波形Fig 14 The simulation waveform of direct voltage

图15 直流电流仿真波形Fig 15 The simulation waveform of direct current

图16 直流功率仿真波形Fig 16 The simulation waveform of direct power

从算例1与算例2发生换相失败时的波形图可以看出，直流1闭锁后会导致直流2直流电流大幅度上升，关断角降低，直流2的逆变器发生换相失败，换相失败期间直流电流、直流传输功率降为0，随后在直流系统控制的作用下，直流2恢复正常运行.

从表2不同工况下的换相失败仿真结果可以看出，耦合阻抗越大，直流1与直流2间的相互作用越强，直流2越容易发生换相失败；随着短路容量的增大，直流1闭锁导致的暂态过电压越低，直流2越不容易发生换相失败；随着闭锁容量的增大，直流1闭锁导致的换流母线线电压越大，直流2发生换相失败的风险越大，与前文分析结果相吻合.强直流闭锁对弱直流逆变器的换相失败的影响较大，弱直流对强直流的影响较小.

5 结论

(1)详细分析了逆变器发生换相失败的机理及影响因素，得出逆变器关断角降低是造成换相失败的根本原因.

(2)直流电流增大、逆变侧换流母线线电压降低都会导致关断角降低进而可能引发换相失败，建立了逆变器关断角的数学模型.

(3)分析了直流闭锁可能引起直流电流增大进而导致多馈出直流系统换相失败的原因，得出直流系统间的耦合阻抗、交流系统的短路容量、直流闭锁容量都是影响多馈出直流系统发生换相失败的主要原因.

(4)基于直流标准输电测试系统，在DIGSILENT仿真软件中搭建了两馈出直流系统模型，不同工况下的仿真结果与分析结果吻合.