（电气工程专业论文）采用新型换流变压器及其滤波系统对HVDC换相失败影响的研究.pdf

采用新型换流变压器及其滤波系统对h v d c 换相失败影响的研究 摘要 为了实现对发明专利和实用新型专利：“自耦补偿与谐波屏蔽整流变压器”的 产业化，湖南省以“十五”“十一五”重大科技专项0 5 g k l0 0 2 1 ，0 6 g k l0 0 3 1 予以 支持。本文重点对新型换流变压器及其滤波系统在高压直流输电中对换相失败的 影响进行了详细的研究。换相失败是高压直流输电系统中常见的故障之一，而该 新型专利与传统换流变压器及其滤波系统相比是否在改善换相方面有比较突出的 优点，是其实现产业化所必须要研究的。 为此本文的研究工作主要包括如下几个方面： ( 1 ) 以c i g r eh v d c 标准模型为研究对象，对导致逆变器发生换相失败的 各因素进行分析，并对各变量对换相失败影响的灵敏度进行分析，结合三广鹅城 换流站引发的换相失败实例，总结出逆变器在不同的运行状况下发生换相失败的 一般规律，和较为简单的判断方法。 ( 2 ) 详细分析对比传统换流换相变压器和新型换流换相变压器的优缺点，以 实验室直流输电研究开发平台为基础分析基于新型换流变压器联于弱交流系统 h v d c 故障恢复特性，突出新型换流换相变压器在稳态和暂态方面突出的优势， 为新型换流换相变压器及其滤波系统的工程应用提供很好的理论基础。 ( 3 ) 分析新型换流变压器及其滤波系统对换相失败的影响，详细阐述其改善 换相失败的机理，及新型换流变压器及其滤波系统在高压直流输电系统应用中可 以采取的预防换相失败的一些措施。 ( 4 ) 本文中采用m a t l a b 和p s c a d e m t d c 为两种软件仿真平台，对c i g r e 标 准模型和基于新型换流变压器及其滤波系统的高压直流输电模型进行了详细的仿 真对比，突出了新型换流变压器及其滤波系统无论是在谐波抑制，无功补偿，还 有在改善换相失败方面所表现出的优点。 关键词：新型换流变压器及其滤波系统；换相失败；p s c a d e m t d c 和m a t l a b i i 硕士学位论文 a bs t r a c t f o ri n l p l e m e n t i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ep a t e n to fi n v e n t i o na n dt h ep a t e n t o fu t i l i t ym o d e l ：s e l f c o u p l e da n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o nc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r ， a n ds u p p o r t e db yt h ek e ys c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o j e c t0 5 g k l 0 0 2 - 1o f t h et e n t hf i v e y e a rp l a na n d0 6 g k10 0 3 1o ft h ee l e v e n t hf i v ey e a rp 1 a no fh u n a np r o v i n c e t h e k e yp o i n ti st h ea n a l y s i so fc o m m u t a t i o n f a i l u r ei nh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d o nt h en e w t y p ec o n v e r t e rt r a n s f 0 册e r c o m m u t a t i o nf a i l u r ei so n eo ft h em o s t c o m m o nf a u l t si nh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l c o n v e n e rt r a n s f o 册e r ，w h e t h e rt h e r ea r ea n ya d v a n t a g e si ni m p r o v i n gc o m m u t a t i o no r n o ti sam u s tf o ri m p l e m e n t i n gt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ep a t e n t t h i st h e o r e t i c a l a n a l ”i c a ls y s t e mi n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y ，a n a l y z i n ga l lk i n d so ff a c t o r sw h i c hc a n l e a dt oc o m m u t a t i o nf a i l u r ea n d s e n s i t i v i t ya n a l y s i sb a s e do nc i g r eh v d cb e n c h m a r k ，t oc o m b i n et h ea n a l y s i so f s a ng u a n g e c h e n gc o n v e n e rs t a t i o nc o m m u t a t i o nf a i l u r e a tl a s t ，w eg e tt h eg e n e r a l d i s c i p l i n eo fc o m m u t a t i o nf a i l u r ei nd i f 佗r e n tr u n n i n gs t a t e si ni n v e r t e rs i d ea n d s o m e s i m p l em e t h o d s o nc o m m u t a t i o nf a i l u r ed i a g n o s i s s e c o n d l y ，t h er e s e a r c ha b o u tt h ec h a r a c t e ro ft y p i c a lt e m p o r a r y - s t a t e - r e s p o n s e a n dt h em e t h o d sf o rc o n t r o l l i n gi t sb a de f 诧c t sa n dg i v ep r o m i n e n c et ot h en e w - t y p e c o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n di t sf i l t e rs y s t e mi nb o t hs t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ts t a t e t h r o u g ht h ea n a l y s i s o ni n f l u e n c eo fn e w t y p ec o n v e n e rt r a n s f o r m e ra n di t s n l t e rs y s t e mt oc o m m u t a t i o nf a i l u r ea n dm e c h a n i s mo fi m p r o v i n gc o m m u t a t i o n ，s o m e m e a s u r e sa r ep r o p o s e dt op r e v e n tt h ec o m m u t a t i o nf a i l u r e s t i m u l a t i n gb o t ht h ec i g r eb e n c h m a r ka n dt h eh v d cm o d e l b a s e do n n e w t y p ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n di t sf i l t e rs y s t e mo np s c a d a n dm a t l a bw h i c h a r eu s e f u lt o o l si ne l e c t r i cs y s t e m a sar e s u l t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v et h e a d v a n t a g e so fn e w t y p ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n di t s 行l t e rs y s t e mi na l lt h ea s p e c t s o fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 、 h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n di m p r o v i n gc o m m u t a t i o n f a i l u r e k e yw o r d s ：n e w t y p ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n di t s 行l t e rs y s t e m ； c o m m u t a t i o n f a i l u r e ：p s c a d e m t d ca n dm a t l a b i i i 硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 插图索引 逆变电路和电压波形1 0 c i g r eh v d c 标准模型1 2 y 随u 和l 的变化曲线1 2 y 随也和卢变化曲线一1 2 ，随卢的变化曲线1 2 ) ，随u ，和卢变化的曲线1 3 直流系统降压运行时r 随u ，变化的曲线1 4 a 相接地故障时的分析图1 4 a 相接地短路故障时各换流阀关断角和u ，的变化曲线1 5 a 相故障接地时的仿真图1 6 三相短路故障的仿真图1 8 三相接地故障仿真图1 9 系统在正常运行时的仿真图2 0 交流系统等值阻抗与频率的关系2 2 传统h v d c 标准滤波和无功补偿接线方案2 7 l c c 的接线方案与电压相量图3 0 f c c 的绕组接线方案与电压相量3 0 f c c 接线方案一3 0 新型直流输电系统试验平台一3 1 i 桥换流变压器及阀侧滤波支路的电流分布图3 2 绕组电压和电流相量图3 3 新系统中换流器的无功功率特性曲线3 4 l c c 与f c c 阀侧电势波形3 5 交流系统强度对故障恢复的影响3 5 三相交流母线故障一l c c 和f c c 方案3 6 单相交流母线故障一l c c 和f c c 方案3 7 y 与观l 、k 的关系3 9 ，与* 、卢的关系4 0 y 与厶、卢的关系4 0 y 随p 的变化曲线4 1 y 随k 和卢的变化曲线4 2 v i i 采用新型换流变压器及其滤波系统对玳，d c 换相失败影响的研究 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 采用c c c 的直流输电稳态模型4 2 换相角随阀侧绕组无功补偿度变化的特性曲线4 4 换相电抗随阀侧绕组无功补偿度变化的特性曲线4 5 极对地直流电压随阀侧绕组无功补偿度变化的特性曲线4 5 新系统中换流器的无功功率特性曲线4 6 补偿度k 对关断角y 的灵敏度4 7 逆变器换流阀阀电压波形4 9 传统直流输电系统未接和接入滤波器时的理论波形5 0 新型直流输电系统未接和接入滤波器时的理论波形5 0 传统直流输电系统未接和接入滤波器时的实测波形5 1 传统直流输电系统未接和接入滤波器时的实测波形5 l v i 硕士学位论文 附表索引 表1各种故障暂态工况2 0 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 引司玲译 吼游牛月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：，略年缈月扣日 日期：如岔年咋月如日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 本章论述直流输电系统换相失败课题的研究背景与意义，详细的叙述了高压 直流输电在我国的发展重要意义，并且分析了换相失败的定义、危害、研究方法、 检测方法等。并根据我国中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 关于 重点研究开发大容量远距离直流输电技术和特高压交直流输电技术与装备的重大 战略规划，在实现新型换流变压器及高压直流输变电系统重大装备研制的同时， 打破国外的行业垄断，达到自主开发高品质的大功率供电设备及器件，实现大功 率供电系统的控制和监测技术的国产化并替代进口产品目的，同时整体提升我国 输变电及变流技术的基础产业及控制技术的要求，提出了刘福生教授的新型换流 变压器及其滤波系统，并在此基础上分析该新型换流变压器及其滤波系统在高压 直流输电系统中应用时发生可能引发换相失败的各种因素等进行详细的分析，为 新型换流变压器及其滤波系统应用的国产化提供理论依据。 1 2 本课题的研究背景与意义 电力工业是国民经济的基础和支柱产业，为了“充足、可靠、优质、经济”地 供电，电力工业融会了近百年来几乎所有工程科技进步的成果。现代电力系统已 不仅是巨大的发、送、供的网络，也是拥有从卫星到微波、载波、高频各种现代 通讯手段和庞大计算机群分层分散监测控制的网络，已成为电力设备与计算机、 各种控制器及通讯网有机结合的整体。与其它工业系统不同，组成电力系统的各种 主要设备都相当昂贵且有较长( 几年到几十年) 的使用寿命，这就决定了电力系 统总体上不可能报废了重建，而总是用新技术来改造老设备，以期以少投入换取 大的经济效益和社会效益。世界上一些大停电事故又表明现代电力系统在一定意 义上讲还是相当脆弱的动态大系统。因此现代电力系统必然成为各种新技术竞相 被引入和渗透的交汇点1 1 4 】。 自1 8 8 2 年开创用直流输电输送电能的历史以来，经过2 0 世纪5 0 6 0 年代 的汞弧阀时期，直流输电在远距离大容量输电、海底电缆输电和不同频率联网方 面显示了其独特的优点；又经过2 0 世纪7 0 8 0 年代的晶闸管阀时期，使直流输 电得到了大发展，并在大电网互联方面展现了更多优势，传统的纯交流电网已发 采用新型换流变压器及其滤波系统对h v d c 换相失败影响的研冗 展成为交直流混合电网；2 0 世纪9 0 年代以来，大功率可关断器件的迅猛发展， 促成了新型直流输电的快速发展，使直流输电的应用扩展到了配电网和新能源开 发等更为广阔的领域。直流输电技术是基础面广、前沿技术含量高、综合性很强 的高技术，它不仅在2 0 世纪7 0 8 0 年代促进了电力电子技术的发展，而且随着 电力电子器件的进一步发展、计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新 能源和可再生能源的开发利用，必将在新世纪为电力持续发展发挥更大的作用。 相对于传统的交流输电系统，直流输电具有以下优点【2 】： 1 ) 功率传输特性。随着输送容量不断增长，稳定问题越来越成为交流输电的 制约因素。为了满足稳定的要求，常需要采用串补、静补、调相机、开关站等措 施，有时甚至不得不提高输电电压。但是这将增加很多电器设备，代价昂贵。直 流输电没有相位和功角的问题，当然也就不存在稳定问题，只要电压降、网损等 技术指标符合要求，就可以达到传输的目的，无须考虑稳定的问题，这是直流输 电的重要特点，也是它的一大优势。 2 ) 对线路故障的自防护能力好。交流线路单相接地后，其消除过程一般约 o 4 s 0 8 s ，加上重合闸时间，约0 6 s 1 o s 恢复。直流线路单极接地，整流、逆 变两侧晶闸管立即闭锁，电压降到零，迫使直流电流降到零，故障电弧熄灭不存 在电流无法过零的困难，直流线路单极故障的恢复时间一般在o 2 s o 3 5 s 之间。 3 ) 由于直流线路电流和功率的调节比较容易而且迅速，可实现各种调节、控 制。当交流系统发生故障时，利用直流输电系统的调节作用，能有效的提高交流 系统的稳定性。直流线路的短路电流较小，交流系统用直流线路互联之后，短路 容量基本没有增大。 4 ) 潮流和功率控制可实现自动化。交流输电的潮流取决于网络参数、发电机 与负荷的运行方式，控制难度较大，需由值班人员调度。直流输电系统的功率传 输可全部自动控制。 5 ) 调度管理方便。由于通过直流系统互联的两端交流系统可以有不同的频率， 输送功率也可保持恒定( 恒功率、恒电流等) 。对于送端而言，整流站相当于交流 系统的一个负荷。对于受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源。两个电 网相互之间的干扰和影响小，运行管理简单方便，对我国当前发展的跨大区互联、 合同售电、合资办电等形成的联合电力系统非常适用，即可得到联网的技术经济 效益，又可避免大面积停电事故发生。 6 ) 两端交流电力系统不需要同步运行，输电距离不受电力系统同步运行稳定7 性的限制；还可以用来提高直流线路并列运行的直流输电系统的稳定性。 2 硕士学位论文 7 ) 每个极可以作为一个独立的回路运行；当一个极发生故障时，健全极仍可 送一部分功率；而且换流器也可以分段扩建，所以便于分期投资和建设。 8 ) 在导线几何尺寸和电压有效值相等的条件下，电晕无线电干扰小。 9 ) 除了以上所述技术性能方面的特点，高压直流输电相对于交流输电在经济 方面也有其优势。对于架空线路，交流输电通常采用三根导线，而直流输电只需 1 根( 单级) 或2 根( 双极) 导线。因此，在输送功率相同的条件下，直流输电 可以节省大量的有色金属、钢材、绝缘子等，同时也可减少可观的运输、安装费。 对于电缆线路，因为直流电缆的维护费用大大低于交流电缆，经济性更为明显。 在输送功率相同和可靠性指标相当的可比条件下，虽然直流输电换流站的投资比 交流输电的高，但是直流输电线路的投资比交流输电线路的低。如果当输电距离 增加到一定值时，直流输电线路上节省的费用刚好可以低偿换流站上增加的费用 ( 即交直流输电的线路和两端设备的总费用相等) ，这个距离为交、直流输电比较 的等价距离，当输电距离大于等价距离时，采用直流输电比采用交流输电经济， 且距离越大直流输电的经济性越明显。目前一般认为架空线路的等价距离为 5 0 0 k m 7 0 0 k m 。随着换流装置价格的不断下降，等价距离必然也将不断的下降。 根据以上分析，高压直流输电在我国将在以下几个方面得到主要应用1 3 j ： 1 ) 海底电缆送电。由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过等 价距离时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。我国沿海有很多 岛屿，今后台湾、海南等大岛与大陆电力系统的互联，采用直流输电系统是一种 较为合理的方案。 2 ) 远距离大功率输电。我国动力资源的分布，据统计水利资源7 0 以上分 布在西南、西北地区；煤炭资源约7 0 集中于山西和内蒙一带，而用电较密集的 负荷中心又分布在我国沿海地区。因此，随着我国国民经济的发展，必将开发西 部电力，并向东部负荷中心输送。例如，长江三峡水电站向华东送电，黄河上游 龙羊峡、李家峡水电站向华北送电，工程的输电距离都在9 0 0 k m 以上，输送功率 大于l o o o m w 。 3 ) 交流电力系统之间的非同步联络。由于我国的具体情况，跨大区的远距离 输电工程往往既是输送电力的强大主干线，又是连接两个大区交流电力系统的联 络线。如果采用直流输电实现多大区交流电力系统之间联网，可充分发挥直流输 电的有点，以取得最佳的联网效益。我国目前的七个跨省的电力系统，今后将逐 步发展成为多大区联合电力系统。为了避免低频振荡、波扰动、调度管理复杂化、 短路容量增大等交流电力系统过大所带来的问题，可采用直流输电联络跨省电力 3 采用新型挟流雯比器及兵瘟放糸统对h v d c 抉相失贩影啊阴研，冗 系统，并把全国电力系统分隔成几个既可获得联网效益又相对独立便于经营的电 力系统。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 1 3 1 国内外研究现状 直流输电技术从2 0 世纪5 0 年代在电力系统中得到应用以来、至今经历了汞 弧阀换流和晶闸管阀换流时期。目前，世界上已有6 0 多项直流输电工程投入运行、 在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统联网工程中得到了 较大的发展。特别是在2 0 世纪8 0 年代以后，大功率电力电子技术及微机控制技 术等高科技的发展，进一步促进了直流输电技术的应用与发展，比较明显的是，背 靠背非同步联网和多端直流输电工程的出现。8 0 年代，建成了目前世界上最长的 直流线路一17 0 0 k m 的扎伊尔英加一沙巴工程以及电压等级最高( 士6 0 0 k v ) 、输 送容量最大( 3 1 5 0 m w ) 的巴西伊太普工程。9 0 年代，世界第一个复杂的三端h v d c 工程( 魁北克一新英格兰工程) 完成，并建成了世界上最长的海缆( 2 5 0 k m ) h v d c 工 程( 瑞典二德国的b a l t i c 工程) 。以及采用新型半导体器件的轻型直流输电工程， 近年来发展很快。到2 0 世纪末已有2 6 项背靠背和2 项多端直流输电工程投入运 行。随着新型半导体器件在直流输电工程中的应用，还将会推动直流输电技术进 一步的发展【4 1 。 1 3 2 我国已建成的高压直流输电工程 ( 1 ) 舟山直流输电工程：1 9 8 0 年国家确定全部依靠自己的力量建设中国第一 项直流输电工程，它既解决了浙江大陆向舟山本岛的输电问题，又具有向建设大 型直流输电工程过渡的工业性试验。 ( 2 ) 葛洲坝一南桥直流输电工程：该工程既解决了葛洲坝电站向华东上海地 区的送电问题，又实现了华中与华东两大电网的非同期联网，它具有输电和联网 的双重性质。 ( 3 ) 天生桥一广州直流输电工程：该工程的目的是解决天生桥水电站以及云 南，贵州的多余电力向广州负荷中心的送电问题。 ( 4 ) 嵊泗直流输电工程：该工程是中国自行设计和建造的双极海底电缆直流 工程，主要解决从上海向嵊泗及宝钢马迹山码头送电的问题，同时也考虑到当嵊 泗岛上的风力发电发展到一定的规模时，也具有向上海反送的功能。 ( 5 ) 三峡一常州直流输电工程：该工程主要是为解决三峡水电站向华东电网 4 硕士学位论文 送电的问题，同时也加强了华中与华东两大电网的非同期联网。 ( 6 ) 三峡一广州直流输电工程：该工程主要是解决三峡水电站向广东的电力 输送以及实现华中与华南电网的非同期联网。 ( 7 ) 贵州一广东直流输电工程：本工程为西电东送工程，主要解决西南水电 与火电向广东珠江三角洲负荷中心的送电问题。 ( 8 ) 灵宝背靠背直流工程：本工程是实现华中与西北两大电网非同期联网的 第一步。 1 3 3 发展趋势 随着电网技术和电力电子技术的发展，h v d c 技术将会继续深化其可控性强 的特点，同时克服其对电网带来的一些不利因素( 如谐波) 及换流站造价较高的弱 点，加强其在电网发展中的作用。同时随着各种新技术的发展，直流输电在换流 技术方面也出现了新的发展，包括光直接触发晶闸管的应用，电容换相换流器， 轻型直流输电等。 1 4 课题来源及主要研究工作 本课题来源于湖南省重大科技专项“直流输电换流站新型变压器”。 采用传统换流变压器的高压直流输电系统中，滤波及无功补偿装置安装于网 侧，由换流器所产生的谐波和消耗的无功功率皆通过换流变压器的原副边绕组， 使得换流变压器的设计制造困难，体积大大增加，噪音很大。正因为如此，我国 的高压直流输电换流站核心技术目前都由国外控制。 化工、冶金行业中的供电站也是典型的整流供电设备，对电网造成严重的谐 波污染。目前，一般都在整流变压器的网侧安装滤波器对谐波进行治理，安装并 联电容器进行无功补偿。因传统采用星形和三角形接线组合形式的多重化整流时， 变压器的设计参数很难做到完全对称，非特征谐波含量重，特征谐波和非特征谐 波通过整流变压器的原副边绕组，运行损耗大。避开谐振点的滤波器设计，滤波 效果差。 另外，传统滤波方法，普遍存在能耗偏高、治理不彻底等固有问题。 湖南大学刘福生教授针对目前换流系统存在的上述问题，提出一种新型换流 变压器及其滤波系统并获得专利。该专利通过将滤波及功补系统从网侧移到了阀 侧、延边三角形移相、换流变压器公共绕组零阻抗设计、工作于谐振点的滤波器 设计，创造性地实现了谐波电流仅在阀侧绕组中流过、无功功率可在阀侧得到补 偿、降低换流变压器设计容量、降低制造难度和成本、降低损耗和噪音，滤波效 米用耕垩! 秧况叟胜荔腴具魔汲系统对h c 珙利天贩影啊阴研冗 果显著改善，新系统运行节能且环保。以专利技术为核心，对系统的关键部件进 行研究攻关，研制相应的换流器、功补系统、控制与监测保护系统，形成我国具 有自主知识产权的“新型输变电系统成套装备”，可以解决大量谐波治理问题。 本文所研究的内容依托已经申报成功的：1 ，湖南省“十五”重大科技专项 ( 0 5 g k l 0 0 2 1 ) ：直流输电新型换流变压器的研制；2 ，湖南省“十一五”重大科技专 项( 0 6 g k l 0 0 3 一1 ) ：绿色节能直流电站的研制的需要，建设湖南大学教育部输变电 工程中心直流输电实验室，与株洲时代集团变流技术国家工程研究中心合作，开 发设计的1 0 0 k v a 直流输电模拟系统换流器。该换流器可用于对所研制的新型换 流变压器及传统换流变压器进行大部分的运行特性实验，以验证新型换流变压器 相对于传统换流变压器的优良特性。 1 5 直流输电系统换相失败的定义及危害 1 5 1 换相失败的定义 换相失败是高压直流输电系统的常见的故障之一，当两个桥臂之间换相结束 后，刚退出导通的阀在反相电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力，或 者在反相电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两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，这称之为换相失败。换相失 败故障将导致直流电压下降和直流电流增大，若采取的控制措施不当还会引发相 继的换相失败，严重时会导致直流系统闭锁，中断功率传输。 目前我国正大力发展高压直流输电，在华东华南地区多馈入直流格局正逐渐 形成，由于地处负荷中心且受端电源不足，在某些运行方式下呈现出弱交流系统 特征，研究表明，弱交流系统发生抚掌极易导致换相失败，并且由于短路比较小， 连续换相失败引起直流闭锁的可能性更大。 1 5 2 换相失败的危害 逆变器换相失败对输电系统主要有以下影响【6 】： ( 1 ) 一次换相失败使逆变器出现了一次历时约为l 3 基波周期的直流短路， 但一次换相失败对直流输电系统影响不大，再许多情况下一次换相失败可以自动 恢复； ( 2 ) 两次不连续的换相失败会延长直流短路时间，使直流输电系统受到更大 扰动； ( 3 ) 两次连续换相失败使工频交流引入直流回路，并将再直流回路中引起自 6 硕士学位论文 由振荡，可能再直流系统中引起谐振过电压； ( 4 ) 发生多次连续换相失败后，直流系统将暂时停止运行，整流侧直流节点 对交流系统的注入电流为零。此状态将一直维持到故障切除，交流电压恢复后， 直流系统再开始启动，运行； ( 5 ) 换相失败将使逆变器直流短路，其结果使得变压器部分或全部被旁通，直 流电压降低，直流电流上升，而且直流线路中的电流超过交流线路的电流，这种效 应可用来检测换相失败的出现； ( 6 ) 正常换相时每个换流阀都只在1 3 基波周期内导通，发生换相失败后， 换相失败的那个换流阀将长期导通，而且此时直流电流也有所增长，所以如果不 采取有效的措施，换流阀会由于长期流过大电流而影响其运行寿命，甚至会遭到 毁坏； ( 7 ) 换相失败期间，逆变器交流侧电流的正负半周很不对称，即交流电流中 存在直流分量，这将造成换流变压器的直流偏磁，引起变压器空在损耗增加，甚 至引起严重的零序谐波使滤波器跳闸； ( 8 ) 换相失败故障将导致直流电压下降和直流电流增大，若采取的控制措施 不当，还会引发相继的换相失败，中断功率传输。另外换相失败对交流保护也会 造成一定的影响：换流器运行时会产生高次谐波。对于脉动数为尸的换流器，直 流侧主要产生n = k p 次谐波，交流侧产生n = k p + 1 次谐波。如当系统采用的是 1 2 脉动换流器时，在交流侧主要产生1 1 ，1 3 ，2 3 等奇数次特征谐波i 换流器正 常运行时通过交流滤波器滤除谐波，换相失败故障发生和恢复的暂态期间内非周 期分量急剧增加，但特征谐波幅值不大；低次非特征谐波分量谐波幅值均不小， 其中以2 ，3 次谐波最严重，对保护算法准确性有一定的影响： a ) 换相失败会造成突变量方向元件的误动，当保护检测到功率方向由反转为 正后，设定一定的延时闭锁纵联保护，且延时需躲开两侧突变量方向元件可能引起 误动的时间区域； b ) 换相失败有可能造成交流侧继电保护误动和拒动，可根据所需时间窗的长 短，自适应调整保护灵敏度来躲过换相失败对保护的影响，有利于提高逆变侧交流 系统保护设备动作的可靠性。 1 5 3 换相失败的研究方法 直流输电换相失败问题研究方法大致可分成以下两类：一类是最小电压降落 法，另一类是关断角判断法。 最小电压降落法是通过比较换相电压的降落与使直流输电系统发生换相失败 7 米_ 叶 新型抉流受胜器及其滤坡糸统对h v d c 抉布甘矢收影啊的针艽 所需的最小电压降落之间的大小来判断是否发生换相失败的方法。可控硅元件中 载流子复合和建立p n 结阻挡层以恢复阻断能力需要一定的电压时间面积，即换 相齿电压时间面积。当系统故障使得三相电压下降到一定程度时，就会使齿电压 时间面积不足以维持正常得换相过程，从而导致换相失败得发生，根据正常换相 过程所需得换相齿电压时间面积可得出发生换相失败得最小电压降落是造成直流 输电系统换相失败得主要原因，故所得的电压降落可以作为用来衡量直流输电系 统抗换相失败能力得指标。 关断角判断法是通过比较换流器关断角与引起换相失败得临界关断角之间大 小来判断是否发生换相失败的方法。高压直流输电系统中的阀元件是可控可控硅 元件中载流子复合和建立p n 结阻挡层所需的时间可以用固有临界关断角，最小 表示。若实际的关断角小于) ，最小则表示换流阀还没有恢复阻断能力就又重新承 受正向电压，从而导致换相失败的发生。换流阀实际运行的关断角可由有关参数 计算而得。 1 6 换相失败故障的检测 换相失败故障具有以下特点1 7 】： ( 1 ) 换相失败的两个桥阀发生倒换相，倒换相之后使已退出导通的阀又导通； ( 2 ) 在一次换相失败中，使得接在交流同一相上的一对阀同时导通形成了直 流短路； ( 3 ) 在两次连续的换相失败故障中，将有工频交流电压加到直流线路上。利 用上述特点构成的故障检测方法有：交流一直流电流差动；相位比较；逻辑检测 等。 1 7 本论文将要完成的主要工作 ( 1 ) 绪论部分主要给出本课题研究的背景及意义：随着我国不断推进电力工 业未来发展的总目标：“西电东送、南北互供、全国联网、电力市场”；高压及特 高压直流输电技术在我国具有广阔的应用的发展前景，为我国高压及特高压直流 输电技术创新提供了广阔的发展空间和机遇。 ( 2 ) 以c i g r eh v d c 标准模型为研究对象对导致逆变器发生换相失败的各 因素进行分析，并对各变量对换相失败影响的灵敏度进行分析。从而揭示了逆变 器在不同的运行状况下发生换相失败的一般规律。 ( 3 ) 详细分析对比传统换流换相变压器和新型换流换相变压器的优缺点，以 8 硕士学位论文 实验室直流输电研究开发平台为基础分析基于新型换流变压器联于弱交流系统 h v d c 故障恢复特性，突出新型换流换相变压器在稳态和暂态方面突出的优势， 为新型换流换相变压器及其滤波系统的工程应用提供很好的理论基础。 ( 4 ) 分析新型换流变压器及其滤波系统对换相失败的研究，并阐述其对改善 换相失败的机理。 ( 5 ) 分析f c c 结构本身对改善换相方面的优点及f c c 在高压直流输电系统中 采取的预防换相失败的一些措施。 ( 6 ) 本文中采用m a t l a b 和p s c a d e m t d c 为两种软件仿真平台，对c i g r e 标 准模型和基于新型换流变压器及其滤波系统的高压直流输电模型进行仿真对比。 9 采用新型换流变压器及其滤波系统对h v d c 换相失败影响的研究 第2 章导致直流输电系统换相失败的因素分析 2 1 引言 换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，分析清楚换相失败和哪些因素 有关以及各因素对换相失败的影响程度如何具有重要的理论和现实意义。 本章以c i g r eh v d c 标准模型为研究对象对导致逆变器发生换相失败的各 因素进行了分析，并对各变量对换相失败影响的灵敏度进行了分析。从而揭示了 逆变器在不同的运行状况下发生换相失败的一般规律。并结合三广鹅城换流站换 相失败的原因，给出了一种简单可行寻找换相失败原因的方法。 2 2 直流输电系统换相失败的机理及判断标准 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反相电压作用的一段时间内， 如果未能恢复阻断能力，或者在反相电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两 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， 这称之为换相失败【8 。1 1 。由于整流阀在电流关断后较长时间里处于反向电压下， 所以仅当触发电路发生故障时，整流器才会发生换相失败，换相失败是逆变器最 常见的故障。 a ) 逆变电路 j 一。 。 a 。曝妹妖：i _ b ) 逆变电压波形 图2 1 逆变电路和电压波形 1 0 硕士学位论文 晶闸管需要一定的时间完成载流子复合，恢复阻断能力，其去离子恢复时间 在4 0 0 微秒( 约7 0 电角度) ，考虑到串联元件的误差，晶闸管阀恢复时间以及电角 度ym i n 表示约为1o 。，即当计算出的关断角y 1o 。时就认为换相失败。在1 2 脉动 直流输电系统对称运行时，其逆变器关断角) ，可由下式表示： y 瑙c o s ( 警+ c 哪) ( 2 1 ) 式中l 为直流电流；x ，为换相电抗；u ，为换相电压的线电压的有效值；卢为越前 触发角。 当逆变侧交流系统发生不对称故障并使换相线电压过零点前移角度西时，逆 变器的关断角可由下式表示： ，硝c c o s 华+ c o s 阱妒 ( 2 2 ) 逆变站极对地直流电压【，d ： 2 = 2 ( 1 3 5 c 。s 卢+ 三t 2 l ) 7 r 式中： 2 为逆变站每级6 脉动换流器数，此处为2 u ：逆变站换流变压器阀侧空载线电压有效值 x 。：为逆变侧换相电抗，其值可由下式得： 置：= 需挚 ( 2 3 ) 由式( 2 1 ) 可知关断角的表达式非常复杂，不能简单地根据攻势中地某些自 变量地变化来判断换相失败，关断角不仅与系统本身你便测等值电动势，整流侧 交流母线电压，触发越前角有关，还与其他直流系统逆变侧对应地交流母线电压 及相邻交流母线地耦合电抗由关，并且不是简单的正比，反比关系。一般认为当 阀运行中y 一。彤 ：， ： h 瑚 ： ! _ 。 ： 一 一 ( 2 9 ) 图2 9a 相接地短路故障时各换流阀关断角和u ：j 的变化曲线 根据如上分析可知，当逆变侧交流系统发生不对称接地短路故障时，会对与 短路相相关的线电压大小及线电压过零点相位两个运行状态量产生影响，从而 影响逆变器各换流阀的关断角。从图2 9 还可知，单相接地短路故障对逆变器各 换流阀的关断角的影响是不同的，且可得到如下结论： ( 1 ) 在发生单相接地短路故障相相连的逆变器的上下两个换流阀最易发生换 相失败： 术用耕型援况戈j 主嵛仪具涨披豕! 冗玎h v u 乙挟硼犬煅影唰明计氕 ( 2 ) 当a 相发生接地短路故障时，与c 相相连的逆变器的上下两个换流阀关 断角保持不变；当b 相发生接地短路故障时，与a 相相连的逆变器的上下两个换 流阀关断角保持不变；当c 相发生接地短路故障时，与b 相相连的逆变器的上下 两个换流阀关断角保持不变。 ( 3 ) 另外受单相接地短路故障影响的两个换流阀关断角的大小变化要根据系 统的额定设计参数而定，有可能增大，也有可能减小。 其次分析单相接地故障的暂态响应及工况计算 a ) b ) c ) 图2 1 0a 相故障接地时的仿真图 1 6 硕士学位论文 图2 1 0 a ) 表示整流侧和逆变侧的交流电压，a 相故障接地使得交流电压降低 图b ) 表示为直流侧电压和电流，而逆变侧的电压与整流侧的电压只相差( 5 幸l 电阻 上的压降) 因为直流电压大幅降低，而功率又不能瞬时改变，所以电流突然增大。 由式( 2 3 ) 可计算出此时的卢= 5 8 2 0 ，由式( 2 6 ) 可以计算出此时的y = 5 3 。( lo 。) ， 由图2 1oc ) 也很容易看出y 角接近0 0 ，故系统肯定会发生换相失败。 ( b ) 三相短路故障 首先分析三相短路故障时的机理 【厂d 2 = 1 3 5 e 2 c o s ，一( 3 万) x c 2 ，d p 2 = c 。s 一1 【c o s ) ，一6 x c 2 ，d ( 1 3 5 7 r u 2 ) 卜， ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) y = c o s 一1 【( 【，d 2 + 二y c 2 j d ) ( 1 3 5 u 2 ) 】 ( 2 1 2 ) 兀 式中，丘：为逆变器的等值换相电抗；沈为逆变器的换相线电压的有效值；：逆 变器的直流电压；l 为直流电流【1 2 州】。 由理论分析得故障瞬间当交流系统发生三相短路时，换相电压沈将降低，从式 ( 2 1 0 ) 可知，这将使逆变器的直流电压2 降低，从而使直流电压l 升高，同时从 ( 2 1 0 ) 和( 2 1 2 ) 可知，c ，2 的降低和，d 的升高都会引起运行的换相角2 加大和y 角的 变小当y 角小于ym i n 时，逆变侧交流系统发生三相短路故障时，逆变器是否会发生 换相失败，与u 2 下降的幅值和速度，l 上升的速度，y 角调节器的增益和时间常数 等因数有关其中c ，：下降的幅值和速度取决于故障点离换流站的距离和交流系统 的强弱。 其次分析三相短路故障时的暂态响应及工况计算 a ) 米用耕型秧流要雎器歧具滤波系统对m r d c 换相失败影响的研究 b ) 2 人 l 岫。一。，。，。一 5 c ) 图2 1 l 三相短路故障的仿真图 图2 1 1 中a ) 表示整流侧与逆变侧的交流电压，b ) 是整流侧直流电压和电流，故 障瞬间换相电压【，2 为o ，引发直流电压大幅下降，直流电流上升，而由机理分析可 知( ，：的降低和厶的升高都会引起运行的换相角：加大和y 角的变小，由式( 2 3 ) 和 ( 2 1 ) 分别计算出故障时：卢= 5 2 2 。和y = 3 2 。( l o 。) ，故发生换相失败。 当交流系统故障，使换相电压大幅度下降，换相角p ：将大大增加，以致使阀的 实际关断角将受到下一个换相过程影响而变小，此时的关断角与换相角的关系则 为y = 6 0 。- p ：即使直流系统运行在整流站定直流电流，逆变站定关断角的理想方式， 逆变器也可能发生换相失败。在这种情况下，交流系统发生