基于谐波畸变率的直流换相失败预测和控制方法

李猷民，姜建平，武守远，王 睿

(1.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018) (2.北京中电泰瑞科技有限公司，北京 100096)

高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)具有经济、灵活、快速可控等优点，在远距离大容量输电及大型电网互联中发挥着重要的作用。然而，由于晶闸管不具备自关断能力，容易出现换相失败的问题。换相失败将引起直流电流短时增大，对换流阀产生较大冲击，还会造成直流功率的损失，而发生连续换相失败时，易引起直流系统闭锁，威胁电网的安全[1-3]。

交流系统故障是引发直流换相失败的主要原因，对于多馈入直流系统，此类故障还可能导致多个直流换流站同时发生换相失败[4-6]。此外，变压器励磁涌流引起的电压畸变，也可能导致直流换相失败。2013年8月19日华东电网练塘变电站1 000 kV变压器空载投入运行时，导致近区林枫直流枫泾换流站的换相失败保护动作，引起直流闭锁[7]。从第一次换相失败到直流闭锁这段时间内共发生了11次换相失败。类似的，换流变压器投入运行时也可能导致换相失败[8]。

国内外学者和研究机构针对直流换相失败的应对策略进行了大量研究。对于直流换相失败的预测，文献[9] ～[13]提出了包括电压零序分量检测、交直流电流比较、正余弦分量检测在内的多种预测方法；对于换相失败的预防控制，文献[14] ～[20]提出了包括基于直流电流预测控制，基于换相电流时间面积、最小关断面积控制，虚拟电阻电流限制在内的多种控制方法；对于多馈入直流输电系统换相失败问题，文献[21]～[23]提出了多馈入交互作用因子等换相失败判断方法，以及提高换相失败恢复能力的直流控制保护优化方法。然而，对于变压器励磁涌流引发的换相失败研究成果相对较少，仍需针对这类换相失败开展研究。

针对上述问题，本文以交流电压总谐波畸变率(total harmonic distortion rate，THD)指标评估换相失败的风险，提出了具体的预测方法和换相控制策略，并基于电磁暂态仿真对其有效性进行了验证。

1 直流换相失败过程分析

分析文献[7]所述的林枫直流换相失败过程发现，直流换相失败的主要原因是励磁涌流引发的换流母线电压严重畸变，导致换相裕度不足。在直流功率的恢复过程中，内部逻辑增大直流电流指令，也加剧了后续多次换相失败的风险。本文建立直流输电系统仿真模型，针对变压器励磁涌流引发的直流换相失败过程进行分析，并找出换相失败与电网电压THD间的关联。

在电网电能质量研究中，一般采用总谐波畸变率THD表征电网谐波水平，其计算公式如下：

(1)

式中：Uh为h次谐波电压幅值；U1为基波电压幅值。

1.1 仿真建模

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中建立如图1所示的简化电网模型，接入电网中的设备包括直流输电系统与特高压变压器(空载)。其中，直流输电系统的额定电压为500 kV，额定容量为3 000 MW；变压器的额定电压为1 000 kV，额定容量为3 000 MVA，其饱和特性曲线取工程典型值；500 kV输电线路的长度为400 km，其单位长度正序电阻、电抗、电容分别为0.17 Ω/km、0.275 Ω/km和0.012 μF/km；线路两侧各装设1组300 Mvar高抗；Xg,XR,XI分别为电网等值电源内阻抗，其电抗取值分别为0.017 1 pu、0.017 1 pu和0.006 0 pu(基准容量100 MVA)，其中pu是电抗、电压、电流等进行标准幺后的单位。

图1 仿真系统模型示意图

在建立直流输电系统模型的过程中，将CIGRE标准测试模型增容为双极3 000 MW，增加了预测型定关断角控制[1]，以及工程中的典型换相失败预测环节。本文针对稳态谐波注入和实际变压器投入两个过程，定性分析稳态、暂态谐波畸变对于换相过程的影响，为了排除附加控制的作用，仿真中暂不考虑换相失败预测及控制功能。

1.2 谐波注入法分析

采用注入不同幅值多次谐波的方法，分析换流母线电压THD与直流换相失败的关联。令输入谐波电流中含有2次、3次、4次谐波，其幅值比为4∶1∶2，仿真波形如图2所示。由图可见，随着谐波幅值的增大，换流母线电压THD增大，直流逆变侧关断角、关断面积的波动范围增大，其最小值接近于零，最终导致换相失败。

1.3 变压器投入过程仿真分析

变压器投入过程的仿真波形如图3所示。由图可见，电网电压出现明显畸变，合闸后直流电压、电流中均可见多次换相失败现象。在每个换相失败周期内，直流功率即将恢复时，换流母线电压THD为7%～10%，但仍不能正常恢复运行。

图2 注入不同幅值谐波条件下直流系统仿真波形

图3 近区变压器投入时直流发生换相失败的仿真波形

考虑到换相失败与换流母线电压THD间的关联性，当交流系统电压存在持续畸变时，采用换流母线电压THD预测换相失败的风险可能是一种有效的方法，后文将详细论述。

2 基于母线电压THD的换相失败风险预测

目前在高压直流输电工程中应用较多的换相失败预测方法包括零序检测法、α/β转换法及交直流电流差判据法[9-12]，从林枫直流工程可见，上述换相失败预测方法尚不能准确预测励磁涌流引发的直流多次换相失败。

采用THD作为指标预测换相失败，其步骤为：首先，采用傅里叶算法分析换流母线电压的谐波分量，并计算实时的THD；其次，将THD与门槛值进行比较，当其值大于门槛值时判定即将发生换相失败。

这里基于1.3节的仿真算例，加入换流母线电压THD计算模块，以8%作为门槛值，分析变压器投入运行时多个换相失败预测功能的启动情况。仿真波形如图4所示，由图可见，判据1即零序电压判据未启动；判据2即α/β电压判据，在交流电压有效值较低时启动，但受门槛值的取值影响较大；判据3即交直流电流差判据，在换相失败发生时启动。判据4为本文所提出的THD判据。基于前3种判据的换相失败预测及控制方法主要针对交流系统故障，因而其动作的返回时间较短，难以在交流电压持续畸变的情况下起到预防连续换相失败的作用；而THD判据启动且返回时间较为充裕，可考虑用基于换流母线电压THD的方法预测和控制换相失败风险。

图4 多个换相失败预测功能的启动情况仿真波形

3 基于THD原理的换相失败预防控制策略

当换相失败发生后，直流控制保护系统内多个控制环节可促进直流功率的恢复、预防后续换相失败，包括低压限流环节(voltage dependent current limit，VDCL)、增大关断角、定关断面积控制等。基于第2节所述的THD检测环节，判定换相失败发生后，同样可采用类似控制环节预防后续换相失败。这里采用增大关断角的方法，其原理简单、可靠性高，且与原有的换相控制策略间有较好的通用性。

具体的控制策略为：检测到换流母线电压THD超过门槛值(仿真中取值8%)时，关断角参考值增加15°，退出时以一定斜率衰减(退出时间400 ms)，以利于直流功率恢复。仿真波形如图5所示。与图3所示的不采取附加措施时的仿真波形对比可知，采取该控制策略后，直流仅发生一次换相失败，有效预防了多次换相失败的发生，验证了这种控制策略的有效性。

图5 基于THD原理换相控制策略下的仿真波形

4 结论

本文就空载变压器投入运行引起直流换相失败后的应对策略进行研究，得到主要结论如下：

1)在励磁涌流的作用下，交流系统电压将出现持续时间较长的谐波畸变，并导致直流换流阀的换相时间增加、关断角及关断面积减小，严重时造成直流换相失败。

2)目前工程中应用的3种换相失败预测功能，对于此类电压畸变的情况适应性不足，而采用换流母线电压总谐波畸变率作为评估指标，更有利于对换相失败的预测和控制。

3)基于本文提出的换相失败预测方法，采用增大关断角的控制策略，有助于直流功率的平稳恢复，从而降低直流连续换相失败的风险。