特高压直流输电系统换相失败研究综述

2021-11-30戈鹏

魅力中国 2021年29期

戈鹏

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司±800 千伏伊克昭换流站，内蒙古鄂尔多斯 016200）

引言

高压直流输电具有线路造价低、传输功率调节迅速、能够实现非同步交流电网互联等诸多优势，在远距离、大容量输电方面应用广泛。换相失败会缩短换流阀运行寿命，将工频交流引入直流回路中，引起谐振过电压，还会造成直流传输功率波动。连续换相失败的发生可能导致直流闭锁，造成大范围停电事故。因此，深入研究换相失败的发生机理、影响因素，进而采取措施抑制换相失败的发生，对电网安全可靠运行意义重大。

一、换相失败机理分析

在换流器中，当2 个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程未能完成，这2 种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这一现象称为换相失败。本章从器件和系统两方面分析换相失败机理，最后给出关断角稳态计算公式和换相失败判断依据。

（一）器件原因——晶闸管的物理特性

LCC 由晶闸管组成，晶闸管的物理特性是导致换相失败的器件原因。晶闸管为PNPN 四层半导体结构，具有如下特性。

1）当晶闸管承受正向电压且门极有触发电流时晶闸管能够开通。2）晶闸管导通后，门极就失去了控制作用，若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降至零值附近。晶闸管特殊的PN 结结构使其关断存在一个过程。在晶闸管关断时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管将不受门极控制重新正向导通，晶闸管的这一物理特性是换相失败发生的器件原因，也是根本原因。由于晶闸管的物理特性无法改变，基于LCC 的高压直流输电系统无法彻底避免换相失败，只能通过控制保护、增加额外设备等措施降低换相失败发生的可能性。在高压直流输电系统中，由于单个晶闸管的额定电压、电流远小于直流系统额定电压、电流，通常将多个晶闸管串联和并联组成阀组，再由阀组连接成换流器。直流系统中阀的关断时间在400μs 左右，对应电角度约为7°，这个角度也称为阀的最小关断角γmin。

（二）系统原因——交直流系统电气量不满足可靠换相条件

由于整流侧和逆变侧换流器触发角不同，整流侧的电气量一般能够满足可靠换相条件，换相失败多发生于逆变侧。在实际系统中常通过测量关断角大小判断换相失败是否发生。

二、采用适当的控制保护方法

当逆变侧发生故障使得换流母线电压降低时，容易引发换相失败。因此，对换相失败进行预测或快速检测交流故障，可使LCC-HVDC 及时采取适当的换相失败预防措施，降低换相失败概率或防止发生连续换相失败，帮助系统更快地从故障中恢复。

（一）换相失败预测技术

随着对LCC-HVDC 换相失败问题研究的不断深入，目前已有较为实用的换相失败预测技术，且其中一些已在工程中得到实际应用，另外一些可作为未来换相失败预测方法的技术储备或改进方向。对于换相失败而言，关断角的大小起决定性作用，关断角是判断逆变站发生换相失败与否最直接的状态量。因此，可以通过比较实际角是否大于最小关断角min 来判断换相失败的发生。但在实际工程中，准确测量角非常困难，所以通常会通过其他预测技术来判断LCC-HVDC 是否发生换相失败。

（二）临界电压跌落法

临界电压跌落法通过比较故障时换相电压跌落值与临界电压跌落值的大小来判断是否会发生换相失败。

三、换相失败影响因素分析

（一）最大换相提供面积

换相电压和积分时刻是最大换相提供面积的主要影响变量，因此可将最大换相提供面积的影响因素分为三类。缺额换相面积表示由于影响因素变化而缺失的换相面积；增补换相面积表示影响因素变化后为完成换相过程而增加的换相面积；不变换相面积则表示影响因素变化前后换相面积保持不变的部分；虚线面积表示影响因素变化前后最大换相提供面积的减小量。直流电流与换相电抗是换相需求面积的主要影响变量，且由于换相电抗为固定参数，故换相需求面积主要由暂态直流电流决定。换相需求面积与直流电流大小成正比。当直流系统所传输的稳态功率越大时，其稳态直流电流也越大，直流阀组完成换相过程所需要的关断面积也越大，因此在这种工况下直流更容易发生换相失败。

（二）多馈入直流结构对换相失败的影响

多馈入结构给交直流混联系统的换相失败问题带来了新的变化。多馈入直流中某一直流的本地换相失败问题，但由于多馈入直流系统中直流逆变侧不同层阀组间以及不同直流间均存在电气耦合，系统暂态特性更为复杂，因而多馈入直流系统中除了故障端阀组的首次、后续换相失败问题外，还增加了非故障端阀组的并发换相失败问题。多馈入结构对并发换相失败的影响因素可以大致分为以下几个方面。

1.谐波分量耦合

谐波传递也是造成多馈入直流系统并发换相失败的重要原因。但是谐波因素所产生的影响往往很难准确预知和计算，由此也给工程中的换相失败分析和控制带来了较大挑战。现阶段有部分研究基于实验现象分析了多馈入直流系统中的谐波耦合规律。文献指出，由于谐波分量的影响，多馈入直流系统中存在异常换相失败的现象，即远端直流发生同时换相失败的可能性曲线会随故障程度增加先增加、后减少、再增加，但文献没有进一步分析故障程度不同引起谐波分量变化的具体机理。文献指出，滤波器的投切作业可能会引起谐波不稳定问题，且由于多馈入直流系统的运行方式较多，滤波器的投切动作组合也较多，在某些工况下会使得谐波分量振荡放大导致多馈入直流发生同时换相失败。但同样的，文中并没有给出引发谐波不稳定问题的定量分析。通过傅里叶分解对暂态过程中换相电压的谐波分量进行了定量分析，指出低次谐波是造成多馈入直流系统连续换相失败的重要原因，给出了谐波因素的理论分析思路，但方法所依赖的傅里叶分析在工程中缺乏实用性。为增强傅里叶分析在工程中的实用性，文献提出了滑动窗口傅里叶分析方法，为工程中的谐波分析提供了具有应用价值的解决思路。相较于谐波产生机理的研究，工程中更关注如何采用准确有效的方法对换相电压的谐波含量进行实时监控分析，从而为换相失败预防控制提供有效指导。因此现阶段多馈入直流系统换相失败研究中，谐波因素的工程实用化分析方法仍是研究中的重点与难点问题。

2.特殊结构影响

在多馈入直流系统中存在分层以及多端单层的特殊结构，其不同馈入端之间的换相失败耦合作用机制更为复杂。分层及多端单层结构中直流逆变侧不同层阀组分别设置了独立的阀组级控制系统，由于其馈入端交流系统故障暂态特性不同，其控制响应也不尽相同，在某些情况下控制响应的配合不当会引起非故障层发生同时换相失败。例如，由于非故障层交流电压跌落较轻，其CFPREV 不启动，但受直流电流增大影响，可能导致其发生同时换相失败[33]。除此之外，分层和多端单层结构中逆变侧。

阀组为串联结构，流过高低端阀组的直流电流是相同的，当某端交流侧发生故障引起故障层阀组换相失败后，会使直流电流增大并引入谐波分量。当直流电流或谐波分量的大小达到一定程度后可能会引发非故障层阀组发生同时换相失败。目前鲜有研究从此角度对多馈入直流换相失败进行分析，其具体的影响作用规律有待进一步探究。

四、换相失败抑制措施

（一）首次换相失败的抑制措施

首次换相失败的主要影响因素包括换相电压降落幅值、幅值变化速率、故障发生时刻以及直流电流。由于首次换相失败发生的快速性，无功补偿装置和直流控制系统难以在交流系统故障发生后的极短时间内提高换相电压幅值或降低直流电流。而交流系统故障发生时刻具有随机性，从故障发生随机性的角度也难以给出相应的抑制措施。

（二）后续换相失败的抑制措施

由于逆变侧交流系统发生严重故障时任何措施都无法避免后续换相失败，因此，首要问题是尽快切除故障，这也是从电网侧抑制后续换相失败的最有效措施。此外，后续换相失败可以通过电网侧进行无功补偿和直流系统的调节控制。

（三）基于触发角的抑制方法

现有基于触发角控制的换相失败抑制方法主要是当检测到可能会引发换相失败的交流故障时，按照预设的规则减小逆变器延迟触发角，从而实现提前触发。文献提出的换相失败预防控制策略广泛应用在高压直流输电工程中，当故障检测分量超出其阈值时，启动提前触发控制，并将差值转换为触发角的提前量。有提前触发换流器时的电压波形如图8 所示。可见提前触发能使预计关断的换流阀在换相过程中承受更大的反向电压时间面积，有利于换相。然而，提前触发也存在一些诸如增大电气应力、增大无功损耗等不利影响。

（四）基于全控型器件的抑制方法

换相失败的物理本质是晶闸管缺乏自关断能力，而采用可以自关断的全控型器件如绝缘栅双极晶体管（IGBT）可以从根本上避免换相失败的问题。基于全控型器件的换流器如电压源换流器具有灵活可控的优点，完全避免换相失败的问题。但是采用全控型器件的高压直流输电系统建设成本较高，另外电压等级和传输容量受限。因此，在一个相当长的时期内，LCC-HVDC 在远距离、大容量输电中的地位仍然无法被取代。可以采用折中型方案，送端整流侧采用基于LCC 的换流站，受端逆变侧采用基于电压源换流器的换流站。构建混合直流输电系统，避免换相失败的问题。文献在换流阀和换流变之间串联了基于IGBT 器件构成的全桥模块，其能够根据系统的运行工况动态调节子模块的输出电压，促进换相过程的顺利完成，提高换流阀的换相失败抵御能力。

（五）基于交流保护优化的抑制方法

基于交流保护优化的抑制方法（Lc）现有换相失败的研究对交流保护造成的后续换相失败考虑较少。交流故障发生后，按照现有直流控制系统逻辑，容易引发直流闭锁。而交流保护对故障进行切除后，直流系统尚不能恢复正常运行。交流保护中，方向元件、重合闸、死区保护与失灵保护都有可能使得高压直流从首次换相失败演化为连续换相失败。文献分析了换相失败后直流系统对差动保护的影响。分析结果表明高压直流换相失败可能会造成区内故障时制动量大于动作量，引发保护的拒动。而通过仅基于幅值的判据能很好地识别区内故障，通过与传统的差动保护判据相配合，可以避免差动保护据动。从而可以清除故障，避免连续换相失败的发生。