（电气工程专业论文）高压直流输电换相失败的研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着高压直流输电技术突飞猛进的发展，直流输电技术在我国已得到了广泛 的研究应用。换向失败是直流高压输电过程中常见的故障。本文从理论上详细 分析了换向失败的机理，简明阐述了引起换相失败的原因、危害以及预防换相失 败的措施。用m a t l a b 软件建立了电力系统直流输电仿真模型，模拟了单相接地 短路故障、相间短路故障、换流器桥臂以及单桥故障，经过近百次仿真运行，得 出了各种故障下的特性曲线，准确描述了直流输电系统在发生大扰动后的暂态过 程，并从理论上进行了科学分析，得出了各种故障对换相失败的影响。 关键词：高压直流输电：换向失败；数字仿真；建模：故障 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h eh i g hv o l t a g ed i r e c tc i r c u i tt r a n s m i 豁i o n ( h y d e ) , h v d c i sw i d e l yi n v e s t i g a t e da n da p p l i e di no u rc o u n t r y c o m m u t a t i o nf a i l u r ei s t h ec o m m o nf a u l t sf o rt h eh v d c t h ec a u s e s ，h a r ma n dm e a s u r e sf o rp r e v e n t i o nf r o mt h e c o m m u t a t i o nf a i l u r eh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r d cp o w e rt r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o n m o d e li ss e tu pi nt h i sp a p e rw i t ht h em a t l a bs o f t w a r e ，a n dv a r i o u sf a u l t ss u c ha ss i n g l e p h a s e g r o u n d i n gs h o r tc i r c u i t ，p h a s e t op h a s es h o nc i r c u i t ，t h r e e p h a s ec i r c u i tg r o u n d i n gs h o r t c i r c u i ta n di n v e r t e rb r i d g es h o r tc i r c u i ta r es i m u l a t e di nt h i sm o d e l a f t e rn e a r l y1 0 0t i m e s s i m u l a t i o n s ，t h ec u i v e so fc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yf a u l ta r eo b t a i n e d w i t ht h e s ec u r v e s ，t h e t r a n s i e n tp r o c e s sa f t e rs e r o u sd i s t o r t i o ni nt h ed ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi se x p r e s s e d ，a n dt h e e f f e c t so nc o m m u t a t i o nf a i l u r e sc a u s e db yv a r i o u sf a u l t si so b t a i n e dw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s e si nt h i sp a p e r h u a n g y ud o n g ( e l e c t r i c a lp o w e re n g i n e e d n 曲 d i r e c t e db yp r o f w e nj u n k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ；c o m m u t a t i o nf a i l u r e ：d i g i t a ls i m u l a t i o ni m a t h e m a t i c a lm o d e l ；f a u l t 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着高压直流输电技术突飞猛进的发展，直流输电技术在我国已得到了广泛 的研究应用。换向失败是直流高压输电过程中常见的故障。本文从理论上详细 分析了换向失败的机理，简明阐述了引起换相失败的原因、危害以及预防换相失 败的措施。用m a t l a b 软件建立了电力系统直流输电仿真模型，模拟了单相接地 短路故障、相间短路故障、换流器桥臂以及单桥故障，经过近百次仿真运行，得 出了各种故障下的特性曲线，准确描述了直流输电系统在发生大扰动后的暂态过 程，并从理论上进行了科学分析，得出了各种故障对换相失败的影响。 关键词：高压直流输电：换向失败；数字仿真；建模：故障 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h eh i g hv o l t a g ed i r e c tc i r c u i tt r a n s m i 豁i o n ( h y d e ) , h v d c i sw i d e l yi n v e s t i g a t e da n da p p l i e di no u rc o u n t r y c o m m u t a t i o nf a i l u r ei s t h ec o m m o nf a u l t sf o rt h eh v d c t h ec a u s e s ，h a r ma n dm e a s u r e sf o rp r e v e n t i o nf r o mt h e c o m m u t a t i o nf a i l u r eh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r d cp o w e rt r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o n m o d e li ss e tu pi nt h i sp a p e rw i t ht h em a t l a bs o f t w a r e ，a n dv a r i o u sf a u l t ss u c ha ss i n g l e p h a s e g r o u n d i n gs h o r tc i r c u i t ，p h a s e t op h a s es h o nc i r c u i t ，t h r e e p h a s ec i r c u i tg r o u n d i n gs h o r t c i r c u i ta n di n v e r t e rb r i d g es h o r tc i r c u i ta r es i m u l a t e di nt h i sm o d e l a f t e rn e a r l y1 0 0t i m e s s i m u l a t i o n s ，t h ec u i v e so fc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yf a u l ta r eo b t a i n e d w i t ht h e s ec u r v e s ，t h e t r a n s i e n tp r o c e s sa f t e rs e r o u sd i s t o r t i o ni nt h ed ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi se x p r e s s e d ，a n dt h e e f f e c t so nc o m m u t a t i o nf a i l u r e sc a u s e db yv a r i o u sf a u l t si so b t a i n e dw i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s e si nt h i sp a p e r h u a n g y ud o n g ( e l e c t r i c a lp o w e re n g i n e e d n 曲 d i r e c t e db yp r o f w e nj u n k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ；c o m m u t a t i o nf a i l u r e ：d i g i t a ls i m u l a t i o ni m a t h e m a t i c a lm o d e l ；f a u l t 声明 y8 1 ；8 0 7 2 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流输电换相失败的研究， 本人在华北电力大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他载育机 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所傲的任褥獒献淘 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期：之趔：鱼f z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 体上发表、一传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签导师签名： 日 期： 渖6 每jf s 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章 引言 1 1高压直流输电技术的发展 目前，直流输电因其技术和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和大区联 网两方面已得到了十分广泛的应用。随着电力电子技术和计算机控制技术的进步， 进一步推动了高压直流( h i g hv o l t a g ed i r e c tc i r c u i t ，h v d c ) 输电技术的发展。 这些技术中有的是对传统h v d c 输电技术的改进，有的是采用高级控制技术来实现 的“。 1 1 1高压直流输电发展概况 世界范围内，高压直流输电技术从上世纪5 0 年代在电力系统中开始应用，1 9 5 4 年h v d c 输电首次商业性成功地应用于瑞典大陆与哥特兰岛之间的输电线路，这套 系统采用汞弧阀，通过9 0 公里的水下电缆供给2 0 m w 的功率，从此高压直流输电得 到了稳步发展。特别是随着晶闸管阀的出现，高压直流输电应用越来越广。 到2 0 0 0 年世界上已有6 3 项直流输电工程成功投入运行”1 。与交流输电相比， 直流输电具有非同步联络能力、无稳态电容电流、线路输送容量大、网损小、功率 容易控制等优点。目前，直流输电因其技术和经济上的独特优势，在远距离大容量 输电、大区联网、背靠背联网、海底及地下电缆输电及向孤立负荷送电工程中得到 应用。h v d c 输电技术经历了阶跃式的发展，上世纪8 0 年代，由于联网需要，建设 了1 4 项背靠背工程；建成了目前世界上最长的直流线路，即扎伊尔的英加一沙巴 工程( 1 7 0 0 k m ) 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。到了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( 瑞典一德国的b a l t i c 工程) 。目 前，投入运行的h v d c 输电工程主要分布在美国、加拿大、印度、日本等国家”1 。 在我国，h v d c 输电技术的发展，加速了区域电网互联和全国联网的进程。自 1 9 8 7 年自舟山直流输电工程投入运行以来，已有葛洲坝一南桥、天生桥一广州、三 峡一常州、三峡一广东、贵州一广东、嵊泗直流输电、灵宝背靠背直流输电工程相 继投入运行、此外三峡一上海、贵州一广东第二回等工程正在紧张建设之中。由于 我国能源分布和电力消耗的地区分布不平衡，“西电东送”成为我国电网规划和发 展的重要举措。今后我国的电网将主要分为三大块，即北部电网( 北通道) 、中部 电网( 中通道) 和南部电网( 南通道) 。而今后联网主要采用高压直流或高压交流 ( h v a c ) 实现互联。与h v a c 输电相比，h v d c 输电在远距离、大功率输电方面更具 有优势，如果采用直流高压( u h v d c ) 技术，输送容量还可以更大，能达到现有高 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 压交流输送功率的6 8 倍。即便与近几年发展的交流高压( u h v a c ) 输电技术相比， u h v d c 输电优势也非常明显，且有大量可借鉴的工程经验，而u h v a c 输电可以借鉴 的经验并不多。u h v a c 在技术上无法克服传统交流输电的弊病，即当输电距离超过 1 0 0 0 k m 时，输送功率将大大低于其自然功率，需要加装大容量的无功补偿装置才能 提高线路的输送功率，而且交流同步联网的效益随着同步电网的扩大而逐渐消失。 而h v d c 输电则非常灵活，可以通过完备的控制取得最优的输电和联网效益。 种 l 口l _l 赫蔫9 呻# 峭i 黼 料t 图i i1 9 7 0 年2 0 0 5 年全世界直流输电总容量 图i 1 为1 9 7 0 年2 0 0 5 年的世界直流输电总容量示意图。短短的三十多年里， 全世界直流输电总容量比1 9 7 0 年翻了近二十倍，且发展势头不减，这是与它具备 如下诸多优点密不可分的： 直流输电没有相位和功角，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，就可达到传输的目的，无需考虑稳定问题，这是直流输电的重 要特点，也是它的一大优势。 直流线路单极接地，整流、逆变两侧晶闸管阀立即闭锁，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。因此，对于占线路故 障8 0 - - 9 0 9 i 的单相( 或单极) 瞬时接地而言，直流比之交流具有响应快、恢复时间 短、不受稳定制约、可多次再启动和降压运行来创造消除故障恢复正常运行条件等 多方面优点。一 利用直流输电调节作用能提高交流系统的稳定性。这是由于直流输电具有快 速响应的特点，当交流系统发生故障时，利用直流输电的调节作用，能有效地提高 交流系统的稳定性。但直流系统由于受换流站设备所限，过负荷能力有限。 直流输电对于潮流和功率控制可全部自动控制。当两个系统以直流互联时， 不论在哪里发生故障，在直流线路上增加的电流都是不大的，因此不增加交流系统 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的断路容量。同时，由于通过直流线路互联的两端交流系统可以有各自的频率，输 送功率也可保持恒定( 恒功率、恒电流等) 。对送端而言，整流站相当于交流系统的 一个负荷，对受端而言，逆变站则相当于交流系统的一个电源，互相之间的干扰和 影响小，运行管理简单方便 3 。 1 1 2 高压直流输电新技术的应用与发展 目前h v d c 输电的换流阀仍然是由半控器件晶闸管组成，使用电网换相的相控 换流( p h a s ec o n t r o lc o n v e r t e r ，p c c ) 技术，因此存在以下一些固有的缺陷： ( 1 ) 受端系统较弱时，由于没有足够的短路容量，逆变器容易发生换相失败。 ( 2 ) 由于触发角和关断角的存在导致h v d c 运行需要大量的无功补偿( 约为输 出直流功率的4 0 一6 0 ) ，需要大量的滤波设备滤除电压、电流中的谐波分量。 ( 3 ) 由于需要交流系统提供换相电流，不能向无源网络或孤立负荷送电“。 为克服上述缺点，人工换相技术( 或强迫换相技术) 相应而生。其工作原理是 使换流器工作在口、y 很小、甚至为负的情况下，从而减少换流器所吸收的无功。 具体的实现方案有，串联电容换相换流器( c a p a c i t o rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ，c c c ) 、 可控串联电容器的换流器( c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rc o n v e r t e r ，c s c c ) 等。 c c c c s c c 的基本思想是用串联电容器来补偿换流器的无功功率消耗。c c c 是把 电容器放在换流变的阀侧，并采用固定电容器。而c s c c 是将电容器放在换流变的 一次侧，采用可控串联电容器( t c s c ) 连续调节电容值或采用双向晶闸管分级调节 串入的电容值。从严格意义上来说，c s c c 并不是一种新型的换流器，而只是t c s c 技术和传统的p c c 的结合，是对传统的h v d c 输电的改进”1 。 与传统的h v d c 输电相比，c c c c s c c 技术有很多优势，后者可以提高换流器的 功率因数：有效降低受端系统故障时逆变器换相失败的可能性；提高h v d c 输电运 行的稳定性和经济性。但不论是p c c 技术还是c c c c s c c 技术，由于都是以半控器 件为基础，采用触发相位控制，因此只能工作于有源逆变方式。 最新发展的基于电压源型换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 的h v d c 输电技术”1 ，采用i g b t 等全控器件，电流能够自关断，所以可以工作在无源逆变方 式。同时采用了正弦脉宽调制( s p w m ) 调制技术，通过控制s p w m 调制波的给定正 弦信号的相位和调制比，可分别控制有功功率大小及方向和无功功率大小及性质。 a b b 公司率先进行了基于v s c 的直流输电实验，并将这一技术称为轻型高压直流 ( h v d cl i g h t ) 输电技术”。 新型直流输电有明显的技术优势：可实现有功功率和无功功率同时且相互独立 的调节；可工作在无源逆变方式，受端系统可以是无源网络或孤立负荷；能够起到 静止无功补偿器( s t a t c o m ) 的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 线的电压；在v s c 容量允许的情况下，h v d cl i g h t 系统可向故障系统提供有功功率 和无功功率的紧急支援，提高系统的功角稳定性和电压稳定性；通过改变直流电流 的方向既能方便的控制潮流的方向，又能构成较高可靠性的并联多端直流系统：器 件工作的开关频率很高，只需经过低通滤波就可以得到所需的交流电压，可以不用 变压器，滤波装置的容量和体积也大大减小；提高系统阻尼，从而有效的抑制系统 的次同步振荡的发生。 1 2 国内外研究现状及选题意义 1 2 1 国内外研究现状 基于直流输电技术应用的前景和实际，直流输电技术在我国已得到了较广泛的 研究应用。 在高校中，浙江大学、重庆大学，华南理工大学、华北电力大学等单位也开展 了卓有成效的研究工作。其中浙江大学开展的最早也最深入。 近年来我国在高压直流输电方面从事的重大基础研究项目有： 1 、研究制定通用的h v d c 技术标准及h v d c 工程设计规范。 2 、完善h v d c 技术的研究手段。开发h v o c 系统设计的软件包，建立h v d c 系统 的新型数学模型和开发接地极研究的相关软件。 3 、直流新技术的研究。包括与h v d c 相关技术的改进，如自动可调交流滤波器 与有源直流滤波器，户外阀技术、串联电容器的换流器技术( c c c ) 、深埋接地极技 术及多端直流技术等以及h v d c 先进控制技术等方面的研究。1 。 4 、输电与联网中的多直流落点问题及其对策，国家自然科学基金项目，批准 号5 0 2 7 7 0 3 4 ( 2 0 0 3 o l 2 0 0 5 1 2 ) ： 5 、含多个换流站的电力网中的交赢流系统相互作用特性研究，国家自然科学 基金项目。批准号5 9 7 0 7 0 0 5 ( 1 9 9 8 o l 2 0 0 0 1 2 ) ： 6 、直流输电系统的非线性控制及对交流输电系统的紧急支援，国家重点基础 研究发展规划项目即9 7 3 项目。批准号：g 1 9 9 8 0 2 0 3 1 0 ( 1 9 9 8 o l 2 0 0 3 1 2 ) ： 7 、供用电网络中的谐波扩散分析和谐波状态估计，浙江省自然科学基金项目 ( 1 9 9 9 o l 2 0 0 1 1 2 ) 等。 近年来我国在高压直流输电方面从事的重大工程应用研究项目有“3 ： 1 、向广东送电1 0 0 0 万千瓦系统电气计算稳定水平校核，国家电力公司战略规 划部委托项目。( 2 0 0 1 o l 2 0 0 1 0 6 ) ： 2 、溪落渡、向家坝水电站纯直流输电方案重大技术问题研究，国家电力公司 战略规划部委托项目。( 2 0 0 1 0 8 2 0 0 1 1 2 ) ； 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 、三峡一广东直流输电工程直流系统对通信干扰的评估，北京网联赢流输 电工程有限责任咨询公司委托项目。( 2 0 0 1 0 1 2 0 0 1 1 2 ) ： 4 、西电东送与全国联网中的重大技术问题研究，中国电力咨询集团公司委托 项目( 2 0 0 2 1 0 2 0 0 3 0 6 ) ： 5 、三峡直流输电对华东电网次同步振荡的影响研究，华东电力试验研究院委 托项目( 1 9 9 8 o l 1 9 9 8 1 2 ) 等。 1 2 2 选题背景及意义 换相失败是直流输电系统运行中最常见的故障之一，将导致直流电流增大、直 流输电输送功率减少、换流变压器直流偏磁加剧、换流阀寿命缩短，以及逆变侧弱 交流系统电压不稳定等不良后果。如果换相失败后，控制不当，还会引发后续的换 相失败，最终导致直流传输功率中断。因此，深入研究换相失败产生的机理，对保 证未来高压直流输电系统的安全运行具有非常重要的意义。 1 3 本论文所做的工作 针对高压直流输电系统中发生的换相失败故障的暂态过程，本论文进行了重 点、深入的研究，通过m a t l a b 建模和仿真，详细分析了换相失败故障的特点，并 由此研究了换流站逆变侧直流和交流各种故障的仿真。 所做的工作主要分为以下三个部分： 一、详尽分析探讨直流输电换相失败的机理 二、在分析探讨高压直流输电系统换相失败机理的基础上，通过仿真，分析比 较了各种故障方式下的高压直流输电系统换相失败，具体从以下几个方面加以研 究： i 建立高压直流输电系统的仿真模型 基于c i g r e 直流输电第一标准测试系统，在合理修正其系统结构和参数的基础 上，建立了h v d c 输电系统的详细仿真模型，并采用m a t l a b 仿真软件中的s i m u l i n k 工具搭建了该仿真模型； 2 通过仿真对比验证了所建仿真模型的正确性 在新建的h v d c 测试系统中进行了仿真计算，比较分析了标准系统与所建系统， 从而验证了所建仿真模型的正确性。 3 针对以下多种故障类型，仿真计算了h v d c 的换相失败 ( i ) 交流系统故障类型 单相直接接地短路故障 b 单相经电阻接地短路故障 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 c 相间短路故障 d 三相直接接地短路故障 e 三相经电阻接地短路故障 ( 2 ) 直流系统故障( 逆变侧) a 桥臂短路故障 b 单桥短路故障 三、针对上述各种仿真结果，对h v d c 的换相失败展开讨论 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章换相失败的机理分析 本章介绍了高压直流系统中换流器的换相过程以及换相失败故障，包括引起换 相失败故障的具体原因，随后介绍了换流器的控制模式，为后面分析换相失败故障 对交流系统保护的影响打下基础。 2 1 换相失败定义及原因 2 1 1 换相失败的定义 高压直流输电系统包括换流器、直流输电线路和换流站的交流部分，其中任何 一部分发生故障，都会影响整个直流输电系统的运行。换相失败是逆变器最常见的 故障。在每一个单桥中，当处于同一半桥中的两个桥臂之间的换相结束后，刚退出 运行的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复正向阻断能力，或者在反向 电压期间换相过程一直未能进行完毕，在阀电压转变为正向时，该阀将会不触发而 再次导通，与刚触发导通的阀发生反换相，这个过程就是换相失败“1 。 换相失败使得逆变器在一段时间内发生直流反电压降低，直流电流增大。由于 整流器阀在电流关断后的较长时间内处于反向电压下，所以仅当触发电路发生故障 时，整流器才会发生换相失败。直流输电系统中大部分换相失败都发生在逆变器， 换相失败是逆变器最常见的故障。因此，本文着重研究逆变器的换相失败。 2 1 2 引起换相失败的原因 换相失败的原因不是因为阀的任何误操作，而是因为阀的外电路条件引起的。 引起换相失败的原因主要有“1 ： ( 1 ) 关断角y 过小 ( 2 ) 受端交流电压下降较多 ( 3 ) 直流电流增大 ( 4 ) 触发超前角p 过小 ( 5 ) 交流系统不对称故障引起的线电压过零点相对移动 2 ，1 3 换相失败的特点及影响 换相失败具有以下特点5 “1 ”： 1 ) 换相的两个阀发生倒换相，倒换相之后使己经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 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 路。 3 ) 在两次连续换相失败故障中，将有工频交流电压加到直流线路上。 逆变器发生换相失败对直流输电系统主要有以下影响： ( 1 ) 一次换相失败使逆变器出现了一次历时约1 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嫡不大，在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的 扰动； ( 3 ) 两次连续的换相失败会把工频交流引入到直流回路中，并将在直流回路中 引起自由振荡，可能会在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 ) 换相失败将使得逆变器直流短路，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 取有效的措簏。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，逆变器交流侧线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，引起变压器空载损耗增加，甚至 引起严重的零序谐波使滤波器跳闸； ( 8 ) 逆变器发生换相失败会造成直流电流上升，整流侧电流调节器增大触发角 以限制直流电流，此时整流器将消耗更多的无功功率，从而使整流侧换相电压下降。 而在逆变侧，由于换相失败后逆变器侧直流电压为零，直流功率也降到零，从而逆 变器的无功消耗也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功功率流入交流系 统，这会导致弱交流系统出现过电压； ( 9 ) 在交流系统故障期间，直流系统应该输送尽可能多的功率，且在交流故障 切除后使直流功率尽快地恢复，以缓解交流系统功率的不平衡，而换相失败是导致 直流功率不能快速恢复的主要原因，因为过快的直流功率恢复可能造成后继的换相 失败和交流系统的电压失稳。 2 2 换相失败的机理分析 换相失败的原因不是因为阀的任何误操作，而是因为阀的外电路条件引起的。 换相失败多发生于逆变器，而整流器只有触发电路故障时候才可能导致换相失败。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 引起换相失败的原因，可能是因为直流电流的增大，或者换相电压的降低( 可能因 为交流系统短路故障引起) 等，触发时刻过晚，或者是以上几种情况的同时发生。 2 2 1 阀的特性 h v d c 系统中的阀是一种可控电子开关如图2 1 所示，阀具有阳极到阴极的单 向导电性。如果要使阀导通，需要在阀的阳极和阴极之间加正向电压，并且在门极 加上足够的负电压( 汞弧阀) 或者在门极上加正电压( 晶闸管) 触发导通。 控糯或憾 髂趟卜鹦 图2 1 控制阀 当阀开始导通，一但通过阀的电流减小到零并且加在阀两端的电压为反向时， 阀应该退出导通。阀关断时，有能力承受加在阈两端的正向或者反向电压。在正向 电压作用下，只有再次对门极触发，才会重新导通“1 。 2 2 2 换相过程 本文以阀5 向阀l 换相为例说明换相的过程，即阀5 、6 导通过渡为阀5 、6 、l 导通，进而过渡到6 、l 导通的过程。图2 2 中，t 1 表示阀1 开始导通时刻，d 5 表示阀5 关断时刻。在整流器中，在阀i 控制极上加触发脉冲的时刻滞后的相位角 成为触发延迟角，又叫触发角，用n 表示。对于逆变器，a 大于9 0 度。换相过程 所持续的时间，即导通阀开始导通的时刻，如t 1 到被换相阀截止的这段时间所对 应的电角度称为换相角，用口表示。被换相阀截止时刻到其正向电压由负变正的过 零点之间的电角度称为关斯角，或熄弧角，用，表示。通常用触发超前角芦表示逆 变器触发时刻，口与a 关系为： p = 1 8 0 。一a 自然换相点为换流器交流侧相电压的交点，用c 1 c 6 表示，下标l 6 与对应 桥臂的编号相同。 占= 1 8 0 一口 每个桥臂在一个工频周期中持续导通1 2 0 0 + 电角度的时间，继而关断 2 4 0 0 一“电角度的时间。对于图2 2 所示的6 个桥臂，其导通顺序为： 9 华北电力大学工程碗士专业学位论文 1 2 1 2 3 2 3 2 3 4 3 4 3 4 5 4 5 4 5 6 5 6 5 6 1 6 1 6 1 2 1 2 。由此看出换流器实质上 相当于六个可控的电子开关，将它的直流侧按照一定的次序轮流的接到三相交流电 源中的某两项，从而完成交流电和直流电之间的相互变换“”。 t l d 5 蝴 a “l 强 璐 | 舣x 、 l 、 一4 龉 ( a ) 电路图( b ) 电压波形 图2 2 整流器和逆变器中阀5 向阀1 换向过程( 5 6 5 6 l 一6 1 ) 的电压波形 2 2 3 换相失败的过程 导致换相失败的各个因素之间的相互关系可以用下式表示： y = 卢一卢 式中，y 是关断角；卢是触发超前角；脚是换相角。 可见，y 角直接决定于芦角和p 角。 实际运行时触发超前角芦是由直流输电的控制器决定的， 关系为 卢= 1 8 0 。一a 事实上直流输电换流器的所有控制， 换相角决定于多个因素，其计算式为 它与触发延迟角a 的 ( 2 ) 最终都要落实到对口和卢的控制”1 。 一卢一a r c c 。s ( f 2 u i d 。x c + s 卢) ( 3 ) 式中，式中，。为直流电流；x 。为换相电抗；u ，为换流变压器交流系统侧电压 折算到阀侧的电压，不包括换流变压器中的压降；为触发超前角。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 直流输电系统需要交流系统提供换相电流，换相电流实际上是相间短路电流， 因此要保证换相可靠，受端交流系统必须具有足够容量，即必须具有足够的短路比 s c r ( s h o r tc i r c u r tr a t i o ) 。 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 脚( 约7 电角度) 左右，考虑到串联元件的误差，晶闸管阀的恢复时间以电角 度y m 表示约为1 0 ，本文取y m m = 1 0 。，即当计算出的关断角rs 1 0 时候就认为发 生换相失败。 直流输电系统对称时逆变器关断角为 h 舢。( 笔盘+ c o s 卢) ( 4 ) u c 式中j 。为直流电流；x 。为换相电抗：u 。为换相电压的线电压有效值：声为触 发超前角。 设k 为换流变压器的变比，u ，为换流母线线电压有效值，则上式可变为 y 。a 咧等净+ c o s 芦) ( 5 ) u i 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中时，逆变 器关断角为 y 。a 脚s ( 芝垮+ c o s 舻中 ( 6 ) u l 以下分两种情况来分析换相失败的过程： 一、超前角过小，换相未结束即出现换相失败的情况 图2 3 换相失败示意图( 阀l 对阀3 换相失败) 【5 1 针对图2 2 ( a ) 所示电路，分析阀l 向阀3 换相失败的过程。相应的电压如 图2 3 所示。图中，i 1 和i 3 分别为阀1 和阀3 中的电流，1 , 2 ( c o s 2 - - c o s c 拼) 是 1 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 换相电流益线，u b a - = u b - u a 。 阀1 向阀3 换相的时候，当阀3 被触发导通以后换相开始。因为u b 高于u a ， 所以通过阀1 的电流减小，通过阀3 的电流增加。在u b a 改变方向前( 即1 8 0o 时刻) ， 阀l 的电流在u b a 未能减小到零，所以不能完成关断。当u b a 过零点之后，阀l 的 电流将会增加，此时阀3 向阀1 倒换相，阀3 电流将会减小，最终为零，因而阀3 关断。而阀1 将会继续开通，这样就造成换相失败，又称为一次换相失败。 然后阀4 开始导通，因为阀l 依然导通，故形成a 相的上下两个桥臂同时导通， 致使逆变器的直流侧发生短路。到阀5 触发时，因为阀5 两端承受反向电压，因此 阀5 不能导通。只有当阀4 向阀6 换相后，直流短路才消失，逆变器直流电压开始 恢复正常。”1 在上述的一次换相失败过程中，阀l 导通时间长达一个周波( 是正常运行情况 的三倍) 。在阀1 和阀4 同时导通的时间里( 即1 2 0o ) ，逆变器直流电压持续为零， 所以直流系统无功率送出。 由于整流器阀在电流关断后的较长时间内处于反向电压下，所以仅当触发电路 发生故障时，整流器才会发生换相失败。直流输电系统中大部分换相失败都发生在 逆变器，换相失败是逆变器最常见的故障。 二、超前角偏小，换相结束后出现换相失败的情况 在逆变器运行过程中，以阀1 对阀3 的换相过程为例，如果阀3 触发时刻超前 角不够大，或者换相角较大，以致换相结束后阀l 的关断角小于关断所需要的角度 ( 时间) ，则由于阀l 内还有剩余载流子，因此在正向电压作用下即使不加触发也会 重新开通，阀3 己取得的电流又将倒换相到阀1 。倒换相结束后，阀3 关断。倒换 相结束后逆变桥仍有阀1 ，阀2 导通着。如果没有故障控制，仍按原来次序触发的 话，则在阀4 触发导通时刻阀2 和阀4 开始换相，这时由于阀1 和阀4 同时导通， 造成了直流侧短路。在c 1 - c 2 间隔内，阀5 承受反向电压，因此触发不能使其导通， 阀1 仍导通。当阀4 换相到阀6 以后，直流短路消失，逆变器直流电压开始逐渐恢 复正常。如果阀1 和阀3 再次换相时不发生失败的故障，就能自动恢复正常运行。 故障过程中逆变器反电压下降历时大约2 4 0 0 电角度，上述过程为一次换相失败。 在上面的分析中假定直流电抗器的电感值非常大，所以故障过程中逆变器直流 电流保持不变。实际上，由于直流电抗器的电感为有限值，线路上存在电容，整流 器定电流调节装置有延时等原因，直流电流有个增大的过程。 三、连续换相失败和不连续换相失败过程分析 由上述分析可知，一次换相失败以后，流经逆变器的直流电流必将增加，因而 华北电力大学工程硕士专业学位论文 有可能造成两次连续的换相失败。下面将对连续换相失败的过程进行分析。 例如在阀3 换相失败后，接着又发生阀2 对阀4 的换相失败，那么在阀4 向闽 2 倒换相完成后，直流电流流经阀1 ，阀2 ，和变压器a ，c 两相绕组。在前半个周 期中，变压器线电压8 n c 与整流器提供的直流电压同向，所以在直流回路和变压器绕 组中，故障电流都很快的增大。在b - - c 4 时间间隔内，逆变器的直流电压反向约1 8 0 0 ， 在这过程中，即使分别对阀5 ，阀6 发出触发脉冲，但由于这两个阀都处在反向电 压作用下，所以都不能开通，而阀1 和阀2 则靠直流电抗器的作用一直开通着。过 c 4 点以后才逐步恢复正常。如果在下一个周期中阀3 和阀4 不再发生换相失败，则 将自行恢复正常运行。这种故障称为两次连续换相失败。在两次连续换相失败中， 除了有较大的故障电流外，由于阀1 和阀2 连续导通长达基波的一个周期左右，直 流电流流经换流变压器，将造成变压器的偏磁。此外，由于交流电压被加到直流回 路上，有可能在线路电容与电感元件之闯造成基波频率的谐振过电压。 在阀3 换相失败以后，虽然阀4 与阀2 换相成功，但是由于故障期中，直流电 流增大有一个过程，阀6 与阀4 的换相有可能会失败。这种故障称为两次不连续换 相失败。 2 3 换相失败的预防措施n 0 “”3 2 3 1 利用无功补偿维持换相电压稳定 采用无功补偿装置对直流系统尤其是联于弱交流系统的直流系统进行无功补 偿，增大系统有效短路比，可以降低系统对暂态反应的灵敏度，维持电压的稳定。 不同的无功补偿装置性能不同，换流站无功补偿装置的配备应根据交流系统情况适 当选择。当系统的有效短路比e s c r ( e f f e c t i v es h o r tc i r c u i tr a t i 0 ) 5 时，可 全部采用电容器作为无功补偿，当e s c r = 3 5 时，电容器容量占无功补偿容量的比 例应为4 0 7 0 ，当e s c r 3 时，电容器容量占无功补偿容量的比例应为2 0 3 0 。 近年来静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 获得了很大的发展，它具 有损耗少、维护工作量小、可靠性高、无惯性、响应速度快等优点，用在逆变站中 可提高暂态电压稳定性，减少换相失败。比s v c 更先进的现代补偿装置是静止调相 器s t a t c o m ( s t a t i cc o m p e n s a t o r ) ，它调节连续灵活、响应速度快、运行范围宽、 装置体积较小、容易维护，如果用于逆变器进行动态无功补偿，将有效地减少换相 失败的发生。 2 3 2 采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的上升 暂态时直流电流的上升容易导致换相失败，例如，当逆变器发生换相失败，逆 华北电力大学工程硕士专业学位论文 变侧的直流电压为零时，相当于直流线路末端短路，造成直流电流上升，如果直流 电流上升较快，容易造成继发性换相失败，所以应该采用较大的平波电抗器限制暂 态时的直流电流。当逆变侧直流电压降低时，线路电容将放电，为了抑制线路电容 的放电电流，逆变侧平波电抗器的电感量可比整流侧适当大些。 2 3 3 系统规划时降低换流变压器的短路电抗 换流变压器短路电抗的降低将减小换相电抗，从而使换流器换相时的叠弧角变 小，关断角变大，减少换相失败的发生。但由于换流变压器的短路阻抗是换流运行 中换相阻抗的一部分，当换流器换相失败时，换流变压器副边短路，故障电流主要 是由变压器短路阻抗限制，如果换流变压器的短路电抗过小，故障电流很大，这对 换流变压器和换流器是很不利的。换流变压器短路阻抗一般在1 5 左右。 2 3 4 采用适当的控制方式 a 换流器等间隔触发脉冲控制方式：由于等间隔触发脉冲控制方式不直接依 赖于同步电压，能独立地产生等相位间隔触发信号，使得系统在逆变器交流侧发生 不对称故障时仍有较强的稳定运行能力，减少了逆变器换相失败的可能性。 b 逆变器定关断角控制：逆变器实测式定关断角控制将实际测定的各阀关断 角与关断角整定值进行比较，如果某个阀的关断角小于关断角整定值，则通过处理 回路立即将下一个阀的触发角口增大，使逆变器运行在恒定关断角以维持足够的换 相裕度，以减少换相失败的概率，提高运行可靠性。不过由于阀的实际关断时间还 会受到下一对阀换相的影响，当交流电压大幅度下降时，仍免不了要发生换相失败。 2 3 5 改善交流系统的频谱特性 逆变侧交流系统故障后换相电压的波形与交流系统的频谱密切相关，通过改变 交流系统的频谱特性，使故障后换相电压的波形含有高频振荡成分，则换相过程的 电压时间面积增加，有利于逆变器换相成功。 2 3 6 人工换相 传统直流输电的换流器依赖于交流系统的电压换相，称为自然换相。为了换相 成功，自然换相的触发角口只能在0 。1 8 0 。之间( 实际上，为了使换相阀能可靠 地导通和关断，口应为1 5 。1 6 5 。) 。人工换相( 也称为强迫换相) 则可以使换流 器在交流周期的任意期望点换相。人工换相的摹本原理是利用附加的接线和设备把 一定波形的附加电压迭加到原有的正弦换相电压上，这样，逆变器虽运行在 a 1 8 0 。，但当阀退出导通之后，能有足够长的时间( 相位角) 处于反向电压作 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 用下，以保证阻断能力的恢复。所以，人工换相能大大减少发生换相失败的可能蛀。 人工换相主要有三种方法：利用辅助阀的人工换相、利用迭加谐波电压的单步 人工换相和采用电容换相换流器( c c c ) 的人工换