直流换相失败原因及对策研究

刘 超潘 岩韩 伟

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052；2.国网河南省电力公司营销服务中心，河南 郑州 450051）

0 引言

为了加快转变电力的发展方式，提升电网大范围优化配置资源的能力，国家电网公司提出建设以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网的战略目标。随着我国进入特高压交直流混联电网阶段，“强直弱交”结构中所呈现出的故障复杂化、全局化特征使换相失败问题日益突出。据统计，约90%的换相失败是由交流故障引起的［1］，而电网网架薄弱、交流故障切除不及时也会导致换相电压出现波动，极易引发换相失败，从而导致直流闭锁和功率波动，严重时甚至会出现连锁故障和电网失稳，最终威胁到电力系统的安全稳定运行［2］。2014年，华东电网某500 kV线路单相故障跳闸重合不成功，导致近区特高压直流连续两次换相失败，对送端长南线产生约1 600 MW的有功冲击。综上所述，提升对连续换相失败的应对能力，对维护电力系统稳定运行具有重要意义。

目前，国内外学者对换相失败的抑制策略进行了大量研究，并提出许多行之有效的方案，主要有改造换流器拓扑［3］、增加辅助设备［4-5］和优化控制保护策略［6-7］三类方法。从应用效果来看，改造换流器拓扑可有效避免直流输电系统出现换相失败，增加辅助设备和优化控制保护策略虽在一定程度上提升了换相失败的抵御能力，但改造换流器拓扑或增加辅助设备存在着投资成本高等问题，在工程上二者的适用性有待进一步验证，而优化控制保护策略只用调整软件即可，经济性和可操作性的优势更为凸显［8］。

1 换相失败统计分析

1.1 换相失败

换相失败是晶闸管组成的半控型直流换流阀的固有特征。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用下，一段时间内未能恢复阻断能力，或在反向电压期间换相过程未进行完毕，导致在阀电压变成正向时，被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况被称为换相失败。换相失败是因换流阀应关断而未关断，导致直流侧短路、交流侧开路，从而导致功率出现波动。从本质上讲，换相失败是由晶闸管是半控型器件这一特性造成的，在现有技术条件下无法完全避免。

1.2 某换流站换相失败统计

经统计，某换流站自2005年投运以来，共发生换相失败285次，平均每年发生16.8次，且均为单次换相失败，并未发生因连续换相失败而导致的直流系统强迫停运事件。

对造成换相失败的直接原因进行分析发现，在285次换相失败中，263次换相失败是由站外线路跳闸或交流系统扰动造成的，占比为92.3%；21次换相失败是由站内220 kV并联电容器投入造成的，占比为7.4%；1次换相失败是由控保系统故障导致，占比为0.3%。由此可以看出，交流系统故障是引发该换流站换相失败的主要原因。

2 换相失败的影响因素

换相失败本质上是由外部或内部因素导致逆变器关断角γ过小，未在线电压由负转正时完全关断晶闸管操作，出现倒换相现象［9-10］。

关断角γ的计算公式见式（1）。

式中：UL为逆变侧交流系统线电压；Id为直流系统电流；β、γ分别为逆变器的超前触发角、关断角；Xc为从电源到换流器之间的等值电抗，主要由换流变漏抗组成，为固定值。

2.1 交流系统电压

为了评估交流系统电压的变化对换相失败的影响，定义换相面积为换相电压UL在换相角μ（超前触发角β至关断角γ）期间对时间的积分，剩余换相面积为换相电压UL在关断角γ至最小关断角γmin期间内对时间的积分，换相面积裕度为剩余换相面积与换相面积的比值（见图1）。当剩余换相面积或换相面积裕度小于0时，则换流阀会换相失败。

图1 换相面积示意图

换流母线电压暂降和畸变是影响换相面积的两大因素。当交流系统发生故障时，会导致换流母线电压降低，从而导致换相过程直接加长，在触发角不变的前提下，造成换相角μ增大、关断角γ减小，剩余换相面积减小，如图2（a）所示；当交流系统发生故障导致换流母线电压畸变时，会使电压过零点前移，从而导致最小关断角γmin直接前移，剩余换相面积相应减小，如图2（b）所示。

图2 交流电压变化对换相面积的影响

2.2 直流电流

在换相电压相同的前提下，直流电流越大，换相时直流电流减小到0所需的时间就越长，即换相角μ越大，在超前触发角β一定的情况下，会使关断角γ减小，剩余换相面积减小。换言之，直流电流越大，抵抗交流系统故障的能力越小，也越容易导致换相失败。

2.3 超前触发角

超前触发角β增大（即提前触发），关断角γ也随之增大，换相面积也会相应增大。

综上所述，换相电压暂降或畸变、直流电流增大、换流器触发异常等都会造成剩余换相面积减小，当剩余换相面积小于0时将出现换相失败。

3 换相失败的抑制措施

该换流站自投运以来，换相失败基本是由换流母线电压跌落或畸变引起的，加强交流系统是有效避免换相失败频发的根本措施。控制系统影响换相的唯一因素就是触发时刻，优化控制参数可小幅度提高对换相失败的抵御能力。

为了抑制该换流站频发换相失败，本研究提出加强交流系统支撑、优化并联电容器组的投入方式、优化直流控制参数等应对措施。

3.1 加强交流系统支撑

为避免交流系统故障造成的换相失败，从系统角度考虑，提出了以下两种方案。

3.1.1 新建调相机方案。在该换流站内部新建1台100 MVA的调相机，其约为该换流站额定容量的28%。该方案虽不能增加与主网电气的联系，但母线短路的容量增加，有利于提高该换流站抵御系统故障电压扰动的能力。

3.1.2 交流侧改接入500 kV系统。在换流站内部新建1组联络变压器，容量为450 MVA，电压为525/230 kV，将原有的220 kV交流出线断开。该方案将该换流站改接入500 kV系统中，使该换流站与区域220 kV系统的电气距离变大，有利于提高该换流站抵抗系统故障电压扰动的能力。

3.2 优化并联电容器组投入方式

据统计，该换流站站内220 kV并联电容器投入导致的换相失败占比为7.4%。并联电容器组投入时会对换流母线的电压造成冲击，建议该换流站的交流滤波器组开关加装选相合闸装置，以减小合闸对换流母线电压的冲击，从而降低换相失败的发生概率。

3.3 优化直流控制参数

3.3.1 优化定关断角控制器参数。将正常运行的定关断角控制器的关断角γ的参考值提高1°～2°。该换流站在正常运行时，逆变侧采用定关断角的控制方式，关断角定值γ=17°，换相时超前触发角β=37°。根据换相面积的概念，提高关断角γ可增大换相面积裕度，从而降低换相失败发生的概率。另外，考虑到要提高关断角会造成无功损耗的加大等，关断角的参考值不宜设置过大，建议将正常运行的关断角参考值提高1°～2°。

3.3.2 优化换相失败预测控制（CFPREV）参数。换相失败预测控制用于防止由交流故障引起的换相失败［11-12］。包括采用零序检测法来检测单相故障和采用交流电压α/β转换来检测三相故障。为了提高直流连续换相失败的抑制能力，可将换相失败预测控制（CFPREV）环节控制参数进行优化。降低换相失败预测控制的电压门槛值，可在检测到故障时能更快启动，在故障引起换流母线电压降低或畸变初期就介入触发角控制；增大换相失败预测控制的增益系数，在相同扰动的冲击下，可提高换相失败预测控制启动后逆变侧触发角的跃变幅度，在故障引起换流母线电压降低或畸变的早期就大幅度增加换相裕度。

4 效果分析

从具体措施、应用效果、缺点和不足等方面出发，对换相失败的应对措施进行对比，结果如表1所示。

表1 不同换相失败应对措施效果对比

5 结语

本研究对某换流站自投运以来发生的285次换相失败进行统计，并基于换相面积理论来分析换相电压等因素造成换相失败的机理。为提高该换流站换相失败的应对能力，本研究提出加强交流系统支撑、优化并联电容器投入方式和优化直流控制参数等措施来应对换相失败。经对比分析，加强交流系统支撑的应用效果虽好，但要进行一次系统改造，投资大、改造工期长，投入产出比不高；优化并联电容器组投入方式和直流控制参数具有良好的应用效果，建议结合该换流站的年度检修对其进行改造。