（电力系统及其自动化专业论文）高压交直流混合输电系统换相失败的研究.pdf

i i j j j ij l l l j l l l l l l l i j l i l l j l l i j ll l l r r l l j l l r rrjf y 17 3 8 7 9 3 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 引蛹忍 砌笋口6 月功日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 6 i j 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：毒l 昀宏导师签名：窖世以争曲解p 6 月动日 高压交直流混合输电系统换相失败的研究 摘要 随着天广、贵广i 、贵广、三广和云广高压直流输电线路的逐步建 成，南方电网成为电气距离较近的多馈入交直流混合输电电网。交直流系 统之间的相互作用在某些不利的条件下会严重影响系统的稳定性。换相失 败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。换相失败主要原因是交流系 统故障使得逆变侧换流母线电压下降。在一定的条件下，有些换相失败可 以自动恢复。但是如果发生两次或多次连续换相失败，换流阀就会闭锁， 中断直流系统的输电通道，在严重的情况下可能会出现多个逆变站同时发 生换相失败，甚至导致电网崩溃。研究直流输电系统的换相失败，并提出 预防换相失败的措施，有非常重要的现实意义。 本文根据晶闸管特性详细分析换流阀的换相过程，从而得出逆变器换 相失败对交直流系统的影响。换相失败一般发生在逆变侧，逆变侧故障容 易引发换相失败，主要影响因素有直流系统内部故障、交流系统强度和短 路比等。换相失败的判断方法有两种，一种是最小电压降落法，另一种是 关断余裕角判断法关断余裕角与换相电压、直流电压、直流电流、超前 触发角有关，而且每个变量的变化对关断余裕角的影响大小不同。另外直 流控制方式、交流系统电压波形的畸变也会对换相过程造成一定的影响。 本文利用m a t l a b 仿真软件为工具，对导致交直流混合输电系统发 生换相失败的各种因素进行仿真。仿真结果表明，当交流系统较弱、桥臂 发生短路故障、逆变侧发生单相和三相故障时容易发生换相失败在仿真 基础上提出一些减少和避免换相失败的措施。 关键词：换相失败交直流混合输电交流系统强度直流控制高压直流 输电 t h er e s e a r c ho fc o m m u t a t i o ni n a c d ch y b r i d t r a n s m i s s l 0 ns y s t e m s a b s t r a c t w i t hh v d ct r a n s m i s s i o nl i n e s b e i n gg r a d u a l l yb u i l t e d ，f o re x a m p l e t i a n g u a n g ，g u i g u a n gi ，g u i g u a n gi i 、t i a n g u a n g 、s a n g u a n ga n dy u n g u a n g 。c h i n a s o u t h e r np o w e rg r i db e c o m e sm u c hc l o s e re l e c t r i c a ld i s t a n c e sa n dm u l t i i n p u t a c d ch y b r i dt r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na c d cs y s t e m w i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi ns o m ea d v e r s ec o n d i t i o n s t h e f a u l to fc o m m u t a t i o nf a i l u r ei so n eo fc o m m o nf a u l t s t h em a i nr e a s o ni st h a t t h ef a u l t si na cs y s t e mm a k ei n v e r t e rs i d e v o l t a g ed o w n u n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n s ，s o m eo fc o m m u t a t i o nf a i l u r em a yb er e s t o r e d b u ti ft w oo rm o r e c o n s e c u t i v ec o m m u t a t i o nf a i l u r e ，c o m m u t a t i o nv a l v e sw i l lb el o c k e d ，o r i n t e r r u p tt r a n s m i s s i o nc h a n n e l so fd cs y s t e m s i m u l t a n e o u s l ym u l t i i n v e a e r s t a t i o nw i l la p p e a rc o m m u t a t i o nf a i l u r ei ns e v e r ec a s e s ，e v e ng r i dc o l l a p s e i t s v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo fh v d cs y s t e mi nc o m m u t a t i o n f a i l u r e ，a n dp u tf o r w a r dt h em e a s u r e st op r e v e n tc o m m u t a t i o nf a i l u r e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h y r i s t o r st h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r o c e s so f c o m m u t a t i o ni nd e t a i li nt h ev a l v e s t h u sw ew i l lf i n dt h a tc o m m u t a t i o nf a i l u r e i n f l u e n c ea c d cs y s t e m si ni n v e r t e rs i d e i ng e n e r a lc o m m u t a t i o nf a i l u r e h a p p e n si ni n v e r t e rs i d e m e a n w h i l e ，b r e a k d o w ni ni n v e r t e rs i d ew i l le a s i l y c a u s ec o m m u t a t i o nf a i l u r e m a i nf a c t o r sc a u s i n gc o m m u t a t i o nf a i l u r ea le i n t e m a lf a u l t si nd cs y s t e m s t r e n g t ho fa cs y s t e ma n ds c r t h e r ea r et w o m e t h o d st oj u d g ec o m m u t a t i o nf a i l u r e o n ei sm i n i m u mv o l t a g ed r o p ，a n dt h e o t h e ri se x t i n g u i s h i n ga rca n g l ej u d g m e n tm e t h o d e x t i n g u i s ha r ea n g l er e l a t e s t op h a s ev o l t a g e ，d cv o l t a g e ，d cc u r r e n t ，a d v a n c e dt r i g g e r i n ga n g l e e v e r y v a r i a b l eh a v ed i f f e r e n ta f f e c t i o nt ot h ee x t i n g u i s ha r ca n g l e d cc o n t r o lm o d e a n da cs y s t e mv o l t a g ew a v e f o r md i s t o r t i o n w i l lp r o d u c ec e r t a i ne f f e c tt o c o m m u t a t i o np r o c e s s b a s e do nm a l n ，a bs i m u l a t i o n s o f t w a r ea st 0 0 1 t h i sp a p e rs i m u l a t e s v a r i o u sf a c t o r so nc o m m u t a t i o nf a i l u r ei na c d ch y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 。w h e na cs y s t e mi sw e a k e ro rs i n g l e p h a s ea n d h t w op h a s ef a u l ti ni n v e r t e rw e a k e rs i d e ，c o m m u t a t i o nf a i l u r ew i l le a s i l yo c c u r b a s e do nt h es i m u l a t i o ns o m em e a s u r e sa r ep r o p o s e dt or e d u c ea n da v o i d c o m m u t a t i o nf a i l u r e k e y w o r d s ：c o m m u t a t i o nf a i l u r ea c d ch y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h es t r e n g t ho f a c s y s t e m d cc o n t r o lh v d c i i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 高压直流输电的现状3 1 3 国内外的研究现状5 1 3 1 引发换相失败的因素研究5 1 3 2 换相失败的检测6 1 3 3 预防及减小换相失败发生概率的措施7 1 4 本文的研究工作及章节安排7 第二章直流输电系统换相失败的机理9 2 1 单桥逆变器的换相过程9 2 2 逆变器的换相失败1 1 2 3 晶闸管的主要参数14 2 4 根据晶闸管特性分析换相过程15 2 4 1 换流阀的换相过程1 5 2 4 2 晶闸管反向恢复电流的数学描述1 7 2 5 换相失败的微观机理1 8 2 6 换相失败的影响。1 9 2 7 小结2 0 第三章交直流输电系统换相失败的影响因素2 1 3 1h v d c 换流器模型2 1 3 2 换流器的准稳态模型2 2 3 3 换相电压取值点的确定2 4 3 4 直流输电系统换相失败的判断方法2 7 3 4 1 最小电压降落法。2 7 3 4 2 关断角判断法2 7 3 5 交流系统强度和短路比2 8 3 6 直流系统内部故障对换相失败的影响3 2 3 7 其它影响换相失败的因素3 3 3 7 1 关断余裕角) ，与换相电压e 的关系3 4 3 7 2 关断余裕角，与直流电压的关系3 4 3 。7 3 关断余裕角，与直流电流历的关系一3 5 3 7 4 关断余裕角) ，与超前触发角卢的关系3 6 3 7 5 各变量对换相失败灵敏度的影响3 6 3 8 交流系统故障对换相失败的影响3 7 3 8 1 单相短路接地故障3 8 3 8 2 交流系统谐波的影响4 0 3 9d 、l 砉4 l 第四章交直流混合仿真研究4 2 4 1m a t l a b s i n m u l i n k 简介4 2 4 1 1m a t l a b 的功能及特点4 2 i v 4 1 2s i m u l i n k 仿真环境。4 2 4 2a c d c 系统模型的建立4 3 4 3 直流系统模型4 4 4 3 1h v d c 控制器4 4 4 3 2 直流输电系统稳态吩历特性。4 5 4 3 3 低压限流环节( v d c o l ) 特性4 6 4 4 针对各种类型的故障进行仿真分析4 6 4 4 1 系统稳定运行的仿真波形4 6 4 4 2 逆变侧发生单相直接接地短路故障的暂态仿真。4 8 4 4 3 逆变侧单相经电阻接地短路故障的暂态仿真4 9 4 4 4 逆变侧三相短路的暂态仿真。5 0 4 4 5 单桥短路故障的暂态仿真。5 1 4 4 6 桥臂短路故障的暂态仿真5 2 4 5 本章小结5 2 第五章减少及避免换相失败的措施5 3 第六章总结与展望5 5 6 1 全文总结5 5 6 2 有待研究的问题5 5 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 高压交直漶 是合输电系统换相失败的研究 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着社会的快速发展，电能需求量在日益增加，发电设备的容量及其出力不断增长， 同时供电范围也相应的扩大，负荷也越来越重，大容量发电机组，交流超高压线路及直 流输电和新型控制装置等得到了普遍应用。把邻近电力系统互联将成为现代电力系统发 展的一个趋势。 从运行的经济和安全性看，系统互联带来了巨大的效益。大电力系统就是以大电厂、 大电网、大机组、高参数、高电压、远距离及高度自动化为特征，它具有许多突出的优 点： ( 1 ) 提高供电可靠性，各地区各类电源互为备用，增强了抗事故的能力； ( 2 ) 利用不同地区的时差，错开高峰负荷，可减少系统的装机容量，提高设备利用 率；， ( 3 ) 大机组效率高，有利于节省投资，节约燃料，降低发电成本，大电网可以安装 大机组，加快电力建设速度； ( 4 ) 利用水、火、核电之间的互补调节，实现水、火、核电的经济调度充分利用各 种资源，提高运行的经济性； ( 5 ) 有利于更大范围资源的优化配置； ( 6 ) 对较大冲击负荷，大电网具有很强的承受能力，从而改善电能质量。 高压直流输电技术随着电力电子技术和计算机控制技术的发展而产生。在高压直流 输电系统中，换流器由5 0 年代汞弧换流器到7 0 年代可控硅换流器的相继投入使用，极 大促进了直流输电技术在电力系统中的使用。直流输电系统装置分为三部分：将交流电 转换为直流电的整流器、高压直流输电线路和将直流电转换为交流电的逆变站。高压直 流输电分为：长距离直流输电方式、背靠背直流输电方式、交直流并列输电方式、交直 流叠加输电方式、三级直流输电方式【l 】。本文主要研究交直流并列输电方式，如图1 1 所示。 高压交，【流混合输电系统换相失败的研究 工交漉滤波嚣工交流滤波景 图1 1 交直流并列输电的示意图 f i g 1 - 1t h es c h e m a t i co f a c d cp a r a l l e lt r a n s m i s s i o n 我国幅员辽阔，水煤能源分布及负荷发展极不平衡。水力资源主要分布在西南各省， 煤炭资源主要分布在山西、陕西和内蒙古西部，而负荷主要集中在东部沿海地区，因此 “西电东送、南北互供，全国联网”是我国电力发展的重要策略【2 1 。 与交流高压输电技术相比较，高压直流输电( h v d c ) 具有以下突出的优点和特点 【3 - 5 】： ( 1 ) 直流控制系统可以迅速调节和控制输送功率的大小和方向； ( 2 ) 直流输电系统不存在短路电流，因此它对原有电力系统的短路电流容量没有影 响，也不受系统稳定极限的限制； ( 3 ) 如果线路建造费用一定，直流输电所能输送的功率约为交流输电线路输送的功 率的1 5 倍； 直流输电线路每根导线输送的功率为： 匕= l d ( 1 - 1 ) 交流输电线路每根导线输送的功率为i 乞= v o i o c o s t a( 1 2 ) 式子中场一直流线路对地电压 ，厂直流线路的电流 一交流线路的相电压有效值 。吨流线路的相电流 c d s 广一般较高，取0 9 4 5 。 屹= 4 2 v a ( 1 - 3 ) 垒= 匕盘：鱼：1 5 ( 1 - 4 ) ，pov 口il c o s a p c o s t p 因此，输送相同功率的直流线路所需的有色金属和绝缘材料是交流线路的2 3 。 2 高压交，l 流混合输电系统换相失败的研究 ( 4 ) 由式( 1 - 4 ) 可知直流线路所需的材料比交流线路节省大约2 3 ，如果采用架空线， 直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的1 2 ，可以充分利用线路走廊的资源，输送相 同功率时，交流输电架空线路采用3 根导线，而直流只需1 根( 单极) 或2 根( 双极) 导线： ( 5 ) 在交流电缆线路中存在电容电流、磁感应损耗和介质损耗，而直流线路中没有 以上困扰，基本上只有芯线电阻损耗，而且绝缘电压相对较低，绝缘老化也慢得多； ( 6 ) 如果直流输电系统中一个极发生故障而另一个极能继续运行，则可以不减少或 少减少输送功率损失，可充分发挥其过负荷能力； ( 7 ) 直流可以提高电力系统暂态稳定水平。由于直流具有调制功能，它能够根据系 统的要求作出反应，对机电振荡产生阻尼，从而抑制低频振荡； ( 8 ) 通过直流换流站的无功功率控制来调节系统的交流电压； ( 9 ) 通过直流输电互联的两个电网可以独立运行，互不干扰，互不影响，并能迅速 进行功率支援； ( 1 0 ) 无同步运行稳定性问题，运行可靠。直流输电没有相位和功角，不存在稳定问 题，利用直流输电的调节作用可以提高交流系统的稳定性。 。 直流输电技术适合用于远距离、大容量的大电网输电系统；适合不同频率和同频率 非同期运行的交流系统之间和巨型水电、火电基地的电力外送：适合交流系统互联或配 电网增容时，作为限制短路电流的措施之一。因此，h v d c 已经成为我国电网互联的重 要输电方式，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成。 1 2 高压直流输电的现状 1 8 8 2 年，德国建成了世界第一条1 5 k v 和2 k v 的直流输电线路，开始了高压直流 输电的历史。1 9 2 8 年研制成功的汞弧阀具有栅极控制能力，它既可以用于整流，又可解 决逆变问题。从1 9 5 4 年瑞典建成世界上第一投入商业运行的1 0 0 k v 哥特兰岛工程到 1 9 7 7 年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程，即加拿大纳尔河i 期工程，世界上共有 1 2 项工程使用汞弧阀的直流工程投入运行【鲫】。其中最大输送容量和最长输送距离的是 美国太平洋联络线：1 4 4 0 m w 和1 3 6 2 k m ，最高输电电压的是加拿大纳尔河i 期工程： 士4 5 0 k v 。随着大功率电力电子技术和微机控制技术的迅速发展，从2 0 世纪7 0 年代的晶 闸管换流阀到2 0 世纪9 0 年代绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的电压源换流器相继在直流输电 工程中的应用，直流输电技术得到有力的推广【5 4 1 。由此可见，在直流输电系统中换流设 备是最关键设备。 我国直流输电的发展起步较晚，关于直流输电技术的研究是在上世纪5 0 年代开始， 在西安和上海先后建立相应的试验装置和试验工程。换流设备的研究跨越了汞弧阀换流 时期，在2 0 世纪7 0 年代直接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他设备也进 高压交j l 流混合输电系统换相失败的研究 行了试验。1 9 8 7 年，我国建成了第一条完全自主研发的直流输电线路，并成功投入运行。 从1 9 8 7 年到2 0 1 0 年，我国建成的直流输电工程如表1 1 所示【1 0 1 4 1 。 表1 1 我国已建成的直流工程 t a b 1 1t h eh v d cp r o j e c to f c h i n a 电压功率 距离( k m ) 序号工程名称( 简称)投运年份 ( k v )( m 架空线路电缆 l 浙江舟山 士1 0 05 04 21 21 9 8 7 2 葛洲坝一南桥( 葛一南)士5 0 0 1 2 0 01 0 4 5 1 9 8 9 年极l ，1 9 9 0 年极2 3 马窝一北郊( 天一广) 士5 0 01 8 0 09 6 0 2 0 0 0 极1 , 2 0 0 1 极2 4 嵊泗 - 4 - 5 06 06 5 5 9 72 0 0 2 5 龙泉一政平( 三一常) + 5 0 03 0 0 08 6 0 2 0 0 2 极1 , 2 0 0 3 极2 6 荆州一惠州( 三一广) 士5 0 03 0 0 09 6 02 0 0 4 7 安顺一肇庆( 贵一广1 )士5 0 03 0 0 08 8 02 0 0 4 8 灵宝工程 1 2 03 6 02 0 0 5 9宜都一华新( 三一泸)士5 0 03 0 0 0 1 0 7 5 2 0 0 6 1 0 兴仁一深圳( 贵一广2 ) 士5 0 03 0 0 01 1 9 42 0 0 7 1 1 高岭 士1 2 51 5 0 02 0 0 8 1 2 云南一广东 士8 0 05 0 0 01 4 0 02 0 1 0 1 3 向家坝一上海 士8 0 06 4 0 02 0 0 02 0 1 0 1 4 宁东一山东 士6 0 04 0 0 01 4 0 0 随着天广、贵广i 、贵广i i 、三广和云广高压直流输电线路的逐步建成，南方电网 正在形成全世界最大的含有多馈入直流输电系统的交直流混合电网【15 1 ，如图1 2 所示。 图1 - 2 南方电网简图 f i g 1 2c h i n e s es o u t h e r np o w e rg r i d 4 高压交直流混合输电系统换相失败的研究 交直流混合输电对系统稳定非常有好处。如果交流系统发生故障，可以把一部分功 率转移到直流上来，直流有什么故障，可以转移到交流上去，相当于互为备用提高了整 个系统的输送能力。但是直流输送电容量的增大，使得直流系统运行控制性能对全网安 全稳定运行所造成的影响程度和影响层面也越来越重要。交直流系统相互作用的加强在 某些不利的条件下也会增加系统的不稳定性，可能出现多个逆变站同时发生换相失败， 甚至会导致整个系统运行崩溃。 1 3 国内外的研究现状 换相失败是直流输电系统中的常见故障之一【1 6 】。一般一次换相失败或者两次连续换 相失败不用采取措施就能恢复正常，但是多次换相失败或者继发性换相一般不能自动恢 复，必须采取一定的措施才能恢复，否则直流系统可能会发生闭锁，中断直流输电通道， 严重威胁电网的安全稳定运行1 7 1 。 1 3 1 引发换相失败的因素研究 、 在直流输电系统故障中，致使换相失败的因素很多，大体上可以分为直流系统故障” 和交流系统故障。这些故障对输电系统的影响通过换流器控制的动作反映出来。 直流系统内部故障包括逆变器故障和直流线路故障。逆变器故障主要有晶闸管质性 损坏( 如反向击穿等) ，换流阀短路，触发电路工作不可靠，脉冲延迟，脉冲丢失，误 触发，以致不能适时、准确地为晶闸管分配脉冲【2 5 1 。直流线路故障会使直流电压降低、 直流电流上升，换流器关断余裕角减少。当关断余裕角小于最小关断余裕角时，就会引。 发换相失败。但是与交流系统相比，直流输电系统可靠性较高，发生系统内部故障的可 、 能性比较小【3 5 】。 国内外许多研究人员认为，引发换相失败的最主要的原因是交流系统故障导致逆变 侧换流母线电压下降，与直流系统相连的交流系统的频谱特性发生变化，交流系统单相 故障，三相故障掣1 8 - 2 3 】。当系统发生单相故障时，逆变侧交流电压不对称，换相线电压 零点偏移，影响逆变器各阀之间的换相角的大小，使关断余裕角发生变化，从而引发换 相失败。当系统发生交流故障后，换相电压波形与交流系统的频谱特性有很大的关联， 交流系统的谐波使电压波形畸变，可能会引起换相失败。此时需要采取一定的措施，使 换相电压接近标准的正弦波，防止发生换相失败。 交直流之间相互影响的强度和电压稳定性水平用短路比( s c r ) 来描述【2 4 1 。短路比反 映了直流系统与交流系统的关系，也可以把直流系统当作是交流系统的负载，用它来衡 量受端电网强度，反映交流系统带负载的能力。直流系统在运行中需要消耗大量的无功， 交流系统的无功就会减少，换流母线的电压不稳定，有可能会引发换相失败。s c r 数值 越大，交流系统强度越强，电压越稳定；反之则电压容易发生波动，有可能发生换相失 5 龠压交，【流混合输电系统换相失败的研究 常数，它随着交流系统的运行状况的变化而变化。s c r 的数值受到负荷的大小、分布状况及负荷特性的影响，在逆变侧安装无功补偿装置可以 增大短路比s c r 的数值。当计及无功补偿设备容量时，交直流相互作用的强度用有效 短路比( e s c r ) 来表示。对于多馈入直流输电系统，各直流输电子系统之间的相互影响强 度用子系统间的等值阻抗来反映。有效短路比e s c r 体现局部输电系统的电压稳定性， 数值越大电压越不稳定，越容易发生换相失败。 1 3 2 换相失败的检测 对于换流阀外部电路引起的换相失败，一般采用两种方法来判别，一种是关断余裕 角判断法，另一种是最小电压降落法【2 5 1 。当系统发生单相和三相故障时，这两种方法都 适用。 关断余裕角判断法是一种传统的换相失败的判别方法，在换流器中如果实际运行中 的关断余裕角丫小于最小关断余裕角加，就表示发生了换相失败，反之则没有发生换 相失败【2 7 1 。) ， 卢c o ( 其中为超前触发角，c o 为角频率) ，即当换流阀从触发导通到关断所消耗的 时间为出时，就会发生换相失败【2 引。文献【2 9 提出如果交流系统发生三相接地故障可以 采用a b c - a f l 坐标变换法来判别，而对于单相接地故障则用零序电压瞬时值法来判别， 并提出采取相应的措施来避免由于交流系统的单相和三相故障引发的换相失败。但事实 证明在发生三相故障时，a b c - a f l 坐标变换法并不能预防换相失败的发生，而发生单相接 地故障时，交流电压过零时故障启动慢，零序电压瞬时值法也不能快速准确检测出单相 接地故障。针对a b c - a f l 坐标变换法和零序电压瞬时值法，文献【3 0 】提出一种基于s i n - c o s 分量检测交流系统故障，以快速地判断交流系统故障，一旦检测到故障，立即减少触发 角增大换相裕度，从而避免换相失败的发生。文献 3 1 3 2 通过建立4 条交直流线路并联 的多馈入h v d c 模型进行仿真，结果表明采用关断余裕角判断法来判断是否发生换相 失败是正确的。文章提出不管是复杂的大型交直流混合系统还是单馈入直流输电系统， 关断余裕角判断法是判断换相失败最可靠的方法。 最小电压降落法就是比较实际的换相电压降落a v 与引发换相失败的最小电压降落 加之间的大小关系，如果a v a v m 加，则认为系统发生换相失败，反之则没有发生换 相失败。最小电压降落加也就是进行正常换相时所需的换相齿电压时间面积。系统 发生故障，三相电压降低，控制系统还来不及动作，则换相齿电压时间减少，当减少到 一定程度，即小于正常换相所需的最小换相齿电压时间面积时，就会发生换相失败【l 引。 电压降落是导致h v d c 换相失败的主要原因，因此用电压降落作为衡量i - i v d c 抵抗换 相失败的能力指标【3 弼4 j 。不过，如果三相换相电压的零点发生偏移，导致换相电压的相 电压改变或者存在谐波引发电压波形畸变，则最小电压降落法的准确度就会受到影响。 6 高压交直滚翩e 合输电系统换相失败的研究 1 3 3 预防及减小换相失败发生概率的措施 现代交直流混合输电系统是个复杂多变的动态系统，直流输电系统的稳定性或多或 少会受到影响，加上晶闸管的半导通特性，决定了h v d c 不可能完全避免换相失败的 发生。在实际运行中，采取一些适当的措施可避免或降低换相失败发生的概率。目前预 防换相失败的措施主要有： ( 1 ) 深入研究和合理设计系统主接线、主参数、设备额定值、无功补偿装置、交直 流滤波器、平波电抗器和绝缘配合等，可以大大减少换相失败的发生【3 5 1 。 ( 2 ) 增大超前触发角或关断余裕角) ，的整定值，可以降低发生换相失败的概率。 但是，增大卢或) ，的整定值就会降低直流系统的传输容量，增加无功功率的消耗 2 5 】。 ( 3 ) 为了提高交直流的稳定性，使直流输电系统按某种指定的曲线运行，减少换相 失败故障，通常采用各种直流控制策略来实现。整流侧一般配备带0 c m 加限制的定电流控 制器；逆变侧一般配备定电压控制器、定电流控制器( 如v d c o l 等) 和定) ，角控制器、 电流偏差控制器【3 6 1 。多年来，国内外研究者对直流控制策略进行深入的研究，提出各种 控制策略，如换流器的非线性控制和模糊神经网络控制方法及龙泉一政平、天广高压直 流输电系统的控制特性 3 7 - 3 9 1 等。 ( 4 ) 在换相回路中采用人工换相。人工换相就是在回路中串联电容器或使用辅助阀， 使系统正常运行所需的关断余裕角更小，这样可以防止发生换相失败。国内外研究者对 电容换相换流器、氧化锌避雷器( m o a ) 、有源电容器的人工换相或者采用人工换相的交 直流系统的相互作用等有关方面的研究取得一定的进尉4 0 4 3 1 。但是，人工换相需要设置 专门的换相回路，这样会增加换流器的损耗，增大换流阀的承受电压，当换相失败后， 换流器不能自然恢复正常。 ( 5 ) 采用新型换流器。传统的换流器只能控制阀开通而不能控制阀关断，而新型的 全控型换流器采用全控型晶体管( i g b t 、g t o ) 、脉冲调制技术( p w m ) 以及电压源换流器 构成的轻型高压直流输电技术，可以完全避免换相失败的发生【4 4 1 。但是，由于轻型高压 直流输电技术存在一些缺陷，比如供电距离短、输电容量不大、电压运行等级比较低， 目前只有少数国家使用。 1 4 本文的研究工作及章节安排 本文的研究是基于5 0 0 k v 10 0 0 0 m w 交直流混合输电系统进行分析的，重点研究换 相失败的机理、换相失败的表现形式、导致换相失败的内部和外部影响因素、换相失败 的危害以及预防或降低换相失败的措施等。目前换流阀的基本元件是晶闸管，它的关断 特性决定换流阀会发生换相失败，本文根据晶闸管的特性分析换相过程，可知减少关断 时间易可以减低最小关断余裕角加。本文还通过建立m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型研究 直流控制策略的运行特点，当系统发生单相、三相或者换流阀故障时，直流控制策略对 7 商压交j 【流混合输电系统换相失败的研究 电网稳定的影响。 本论文的章节安排如下： 第一章为绪论，介绍交直流输电系统研究和发展的现状以及本文的主要研究工作。 第二章描述了单桥逆变器的换相过程，逆变器换相失败的分类，根据晶闸管特性分析换 流阀的换相过程以及逆变器换相失败对交直流系统的影响。第三章分析换相失败故障的 宏观影响因素，主要有直流系统内部故障、交直流系统强度和短路比对换相失败的影响 等。还分析了交流系统故障和直流控制方式对换相失败的影响。第四章用m a t l a b 作 为工具，对导致交直流混合输电系统发生换相失败的各种因素进行仿真，并对各种故障 状况进行分析。第五章在传统直流输电方式下减少和避免换相失败的措施。 8 广西大掌硕士掌位论文高压交，l 流混合输电系统换相失败的研究 第二章直流输电系统换相失败的机理 在交直流混合输电系统中，直流系统虽然不容易发生故障，但是一旦发生就会影响 整个系统的稳定性。由于晶闸管的关断特性，换相失败是直流输电系统不可避免的故障， 而且是最常发生的故障之一。本章通过分析6 脉动换流阀的换相过程，分析了各种不同 类型的换相失败及其表现形式。 2 1 单桥逆变器的换相过程 换流就是实现交流变直流( 整流) ，或者直流变交流( 逆变) 的工程。在直流输电 系统中，实现换流功能的装置称为换流装置。换流装置主要包括换流变压器、换流器、 相应的交流滤波器和直流滤波器以及控制保护装置等，其基本功能单位是三相桥式换流 器，换流器在换流站内可以独立运行。1 2 脉动换流阀组若干个阀组件串联而成，每个阀 组件又由许多晶闸管和电抗器串联而成。一个换流阀导通则其内部所有的晶闸管都导 通，否则其它未导通的晶闸管在承受较大的过电压时会被击穿而损坏。因此，晶闸管中 必须有触发、保护、监视、均压、阻尼和散热等技术措施【4 5 1 。 单桥换流器主要由六个桥臂组成，采用三相桥式换流回路，脉冲每隔6 0 0 就发出，6 个桥阀依次轮流触发导通。1 2 脉动换流阀采用直流端串联交流端并联的方式把两个单桥 换流器连接而成。交流电源电势和触发脉冲相位都相差3 0 0 ，这样可以有效减少交流侧 和直流侧的谐波分量，从而获得较好的直流电压波形。1 2 脉动换流器的换相原理与6 脉动换流器的换相原理是完全一致的，都是利用交流侧两相短路来进行换相。为了突出 重点，简单明了利于分析，本章主要对6 脉动换流器的换相过程进行分析。 单桥换流阀既可用在整流器中，也可用在逆变器中。整流器在电流关断后较长时间 处于反向电压下，不易于发生换相失败。当且仅当整流器的触发电路发生故障时，才会 发生换相失败m 】。而逆变器很易于发生换相失败，因为当关断时间不够长少数载流子不 能充分复合，当承受到正向电压时就很会发生换相失败。在实际工程中，如果发生换相 失败，大部分都是发生在逆变侧。当换流阀发生误操作的时候，一般不会发生换相失败 【4 7 】。但是，如果直流系统中直流电流很大或者交流电压较低，换流阀很容易发生扰动。 可见，换相失败多由换流阀的外部电路的条件引起。 1 2 脉动逆变器超前延迟角乜在9 0 0 1 8 0 0 范围内变化，用超前触发角口来表示触发 脉冲发出的时刻，并且舻1 8 0 0 - a 。逆变器能够实现逆变的必要要满足外接直流电源的极 性必须与晶闸管的导通方向一致，整流电压平均值应小于直流电源电压。 在单桥逆变器中六个换流阀的导通和关断由触发脉冲来控制，通过控制触发脉冲的 发出时间来改变直流侧的导通次序，导通顺序为n ，圪，巧，虼，蚝，虼，h ，循环 9 高压交直流混合输电系统换相失败的研究 往复，从而把直流输电线路和三相交流电源的某两相轮流接通，这样就能把直流电转换 为交流电。单桥逆变器的分析是在一定的假定条件下进行【4 8 】： ( 1 ) 三相交流电源电动势对称且不含谐波，交流侧阻抗对称； ( 2 ) 平波电抗器厶能够使直流电流波形稳定，无波纹； ( 3 ) 具有理想的开关特性； ( 4 ) 触发脉冲发出时间为6 0 0 ，每个换流阀依次轮流触发导通： ( 5 ) 不计及直流控制、换流变压器的激磁阻抗的影响。 单桥逆变器的等值电路图可用图2 1 来表示，n 虼表示第l 6 个阀臂，数字1 “ 表示换相过程中阀臂依次导通的顺序。每个阀臂由几十到几百个晶闸管串联组成。厶 为平波电抗器，厶为换流电流所流经的每相等值换相电感，巴、历、疋表示交流系统等 值基波相电压。 d 图2 - 1 单桥逆变器的等值电路图 f i g 2 - 1s i n g l eb r i d g ei n v e r t e rc i r c u i to fe q u i v a l e n c e 当触发脉冲发出到换流阀彻底关断这段时间内，两个进行换相的换流阀发生短路， 其短路电流会促使换相的实现。以系统等值相电动势e 口为参考矢量【2 7 1 ，令电源相电压 为： p 口= x 2 e s i n c o t p 6 = 皿( s i i lc o t 一1 2 0 。) ( 2 - 1 ) p c = t 2 es i n ( c o t + 1 2 0 。) 式( 2 1 ) 中e 为电源相电压，则相应的电源线电压为： = 一= 垢e s i n ( c o t + 3 0 。) p 6 口= e 6 一p 口= j g e s m ( t 一9 0 。) ( 2 - 2 ) = p c 一= t 6 e s i n ( c o t + 1 5 0 。) 一 逆变器的电压波形如图2 2 所示。c l 表示线电动势e 从负变为正的过零时刻，也 就是相电动势e a 和e 。正半波的交点，c 2 c 6 依次表示e c 6 、e a 6 、e 钟、e 口c 、e x ：的过零点， 然后周而复始，反复循环。 l o 广西大掌硕士掌位论文高压交直流混合输电系统换相失败的研究 if卜7 y 7 甜 t 、 匙 ? 一 。 ， y 声 矛 一 h 口 、