（电气工程专业论文）特高压直流输电换相机理的分析与仿真.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着国民经济的增长，用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负荷中 心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然，特高压直流输电技术 就是这样种经济高效的输电方式。换相失败是直流系统中常见的故障。在特高压 直流输电中换相失败也是主要的故障。换相失败的原因主要是交流电压幅值降低、 直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移以及换流器桥臂和单桥短路故障等。 本文利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真程序研究了基于c i g r e 直流输电标准测试模型建立 的特高压直流输电的仿真系统在换流母线侧单相接地短路、相问短路、三相接地短 路和换流器桥臂及单桥短路故障下的典型响应特性，并分析各种故障对换相失败的 影响。 关键词：特高压直流输电，换相失败，数字仿真，建模，故障 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，a n dt h ei n c r e a s i n go fe l e c t r i cp o w e r c o n s u m p t i o n ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n do ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o no ft h eu l t r al o n g - r a n g ea n d u l t r ac a p a c i t y n eu h v d ci sj u s to n eo ft h em o r ee c o n o m i c a la n de f f i c i e n tm o d e s 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 tc o m m o nf a i l u r e sf o rt h eh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h er e a s o n so fc o m m u t a t i o nf a i l u r em a i n l yr e l yo nt h e r e d u c eo fc o m m u t a t i o nb u sv o l t a g e ，d i r e c tc u r r e n tu p m s ha n dc o m m u t a t i n gv o l t a g e z e r o c r o s sp h a s es h i f ta n ds h o r tc i r c u i to fi n v e r t e r b a s e do i lt h ec i g r eh v d cb e n c h m a r k ， t h eu h v d cs i m u l a t i o nm o d e lw a ss e tu pi n t h i sp a p e rw i t hm 加。a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h ec h a r a c t e r i s t i c si nv a r i o u so ff a u l t so fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gs h o r tc i r c u i t ，p h a s et o p h a s es h o r tc i r c u i t ，t h r e e p h a s eg r o u n d i n gs h o r tc 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 t i na c d cs y s t e ma n dt h ea n a l y s i so nt h ea f f e c t so nc o m m u t a t i o nf a i l u r ea r eo b t a i n e d f uo i a n l g ( e l e e t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o lw e nj u n k e yw o r d s ：u 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 n ， m o d e l i n g , f a u l t s 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着国民经济的增长，用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负荷中 心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然，特高压直流输电技术 就是这样一种经济高效的输电方式。换相失败是直流系统中常见的故障。在特高压 直流输电中换相失败也是主要的故障。换相失败的原因主要是交流电压幅值降低、 直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移以及换流器桥臂和单桥短路故障等。 本文利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真程序研究了基于c i g r e 直流输电标准测试模型建立 的特高压直流输电的仿真系统在换流母线侧单相接地短路、相问短路、三相接地短 路和换流器桥臂及单桥短路故障下的典型响应特性，并分析各种故障对换相失败的 影响。 关键词：特高压直流输电，换相失败，数字仿真，建模，故障 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，a n dt h ei n c r e a s i n go fe l e c t r i cp o w e r c o n s u m p t i o n ，i ti sa ni n e v i t a b l et r e n do ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o no ft h eu l t r al o n g - r a n g ea n d u l t r ac a p a c i t y t h eu h v d ci sj u s to n eo ft h em o r ee c o n o m i c a la n de f f i c i e n tm o d e s 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 tc o m m o nf a i l u r e sf o rt h eh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h er e a s o n so fc o m m u t a t i o nf a i l u r em a i n l yr e l yo i lt h e r e d u c eo fc o m m u t a t i o nb u sv o l t a g e ，d i r e c tc u r r e n tu p m s ha n dc o m m u t a t i n gv o l t a g e z e r o c r o s sp h a s es h i f ta n ds h o r tc i r c u i to fi n v e r t e r b a s e do nt h ec i g r eh v d cb e n c h m a r k ， t h eu h v d cs i m u l a t i o nm o d e lw a ss e tu pi nt h i sp a p e rw i t hm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h ec h a r a c t e r i s t i c si nv a r i o u so ff a u l t so fs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gs h o r tc i r c u i t ，p h a s et o p h a s es h o r tc i r c u i t ，t h r e e p h a s eg r o u n d i n gs h o r tc 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 t i na c d cs y s t e ma n dt h ea n a l y s i so nt h ea f f e c t so nc o m m u t a t i o nf a i l u r ea l eo b t a i n e d f uq i a n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o lw e nj u n k e yw o r d s ：u 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 n ， m o d e l i n g , f a u l t s 声明 i r8 6 8 0 7 0 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文特高压直流输电换相机理的分析与仿 真，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 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，论文中不包含其他人 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教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 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：学校有权保管、 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、缩印或其它复制手 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；学校可以学术交流为 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媒体上发表、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) 作者签名： 日期：碰 导师签名：盟 日期：墨型! ； 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 直流输电的发展概述 第一章引言 电能在国民经济以及人民生活中起着不可估量的作用，人类对电的认识和应用 以及电力科学的发展首先是从直流电开始的。1 8 8 2 年，法国物理学家m 得彼列茨 进行了历史上第一个高压直流输电( h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ， h v d c ) 试验，将1 5 k w ，1 5 k v 2 k v 的直流电通过电报线路驱动5 7 k m 外的水泵旋转， 这次试验虽然功耗高达7 8 ，几乎没有实用价值，但它标志着高电压、远距离、大容 量输电的崭新开始。这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以被认为是世界 上第一个电力系统。 然而，世界上第一条采用换流技术将交流电转换成直流电，再将直流电逆变为 交流电的工业性现代直流输电线路是1 9 5 4 年瑞典的果特兰( g o t l a n d ) 岛至瑞典本土 的一条长9 6 公里，输送电压l o o k v ，输送功率2 0 m w 的海底电缆线路，其换流阀为汞 弧阀。从这以后，各国都积极从事直流输电技术的研究和工程建设，使直流输电 技术得到了迅速的发展。特别是由于6 0 年代可控硅元件的出现，为换流器设备开 辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的发展前景。 1 9 7 2 年加拿大正式投入使用了伊尔河( e e lr i v e r ) 直流输电工程，形成在加拿 大的新布朗斯威克( n e ww r u n s w i c k ) 省和魁北克( q u e b e c ) 省之间的背靠背联络线， 这条3 2 0 m w ，2 7 0 k v 的高压直流输电工程首次采用晶闸管换流器代替汞弧阀换流器 ”1 ，接着原有的直流输电工程中也有相当一部分用晶闸管换流器取代汞弧阀换流器 。1 。晶闸管阀的发展，使高压直流输电交得更加具有吸引力。随着晶闸管元件的制 造水平的不断提高、成本不断下降，直流输电工程的发展速度更加迅速，工程规模 也越来越大。到目前为止，全世界共有9 0 多项直流输电工程投入运行，其中，大 部分电压等级超过4 0 0 k v ，输送功率大于1 0 0 0 m w ，线路长度大于6 0 0 k m 。目前，中 国、美国、加拿大、巴西、新西兰、法国、英国、德国、俄罗斯、丹麦、意大利、 挪威、瑞典、芬兰、日本、印度、菲律宾、泰国、南非等二十多个国家都已建成或 正在建设高压直流输电工程，还有不少其它国家也在规划直流工程。 近年来，直流输电技术又获得了一次历史性的突破，即基于电压源换流器 ( v o l r a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 技术和全控型电力电子功率器件，即门极可关 断晶闸管( g t o ) 及绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 为基础的新一代高压直流输电技术 已发展起来，也就是轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 技术0 1 。这种高频开关器件绝缘栅 双极型晶体管( i g b t ) 构成的正弦脉宽调制( s p w m ) 式基于电压源换流器( v s c ) 为 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 无源逆变，对受端系统没有要求，可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电； 产生的谐波大大减弱，对无功功率的需求也大大减少；不装设换流变压器，简化了 开关而且不会发生换相失败等问题，其系列的特点改善了传统高压直流输电的不 足之处“3 。己有研究预测，轻型直流输电( h v d cl i g h t ) 在电压低于1 5 0 k v ，容量不 超过2 0 0 m w 时具有经济上的优越性，不久的将来，它在向偏远地区供电、海上供电、 城网增容改造、新能源的利用以及改善配网电能质量等方面将发挥不可估量的作 用。- 在我国，高压直流输电起步相对较晚，但近年来发展很快。1 9 8 7 年底我们国家 投运了自行建成的舟山l o o k v 海底电缆直流输电工程。随后葛洲坝一上海5 0 0 k v 、 1 2 0 0 m w 的大功率直流输电投运，大大促进了我国高压直流输电水平的提高。2 0 0 0 年以后，我国又相继建成了天生桥一广州、三峡一常州、三峡一广州、贵州一广州等 土5 0 0 k v 容量达3 0 0 0 m w 的直流输电工程1 。此外，海南与台湾等海岛与大陆的联网、 各大区电网的互联等等，都给我国直流输电的发展开辟了动人的前景。在今后西电 东送以及全国电网的互联中，更多的直流输电工程正在提出和讨论中。 现有的直流输电主要是两端系统。随着直流断路器研制的进展和成功以及直流 输电各方面技术的进一步成熟完善，直流输电必将向着多端系统发展。同时许多其 它科学技术领域的新成就将使之输电技术的用途得到广泛的扩展，例如：多种新的 发电方式一磁流体发电、电气体发电、燃料电池和太阳能电池和热核聚变等产生的 都是直流电，这些发电方式产生的电能将以直流方式输送。光纤与计算机技术的发 展也使得直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善，运行可靠性进一步提高；高 温超导材料及其在强电方面的应用研究正方兴未艾，在直流下运行时，超导电缆无 附加损耗，节省制冷费用，因此在超导输电方面直流输电也很适宜。 总之，直流输电技术的发展将有一片广阔的天地，成为电力工业中一种重要的 输电技术。 1 2 直流输电的基本构成 高压直流输电系统主要由整流站、直流线路和逆变站三个部分组成“3 。如图卜1 所示。 图卜1 中送电端交流系统和受电端交流系统用直流输电系统相连。交流系统是 提供换流器正常工作必需的交流电源，该电源可以是复杂的交流系统也可以是同步 发电机。直流输电系统是这样工作的：由送电端交流系统送出交流功率给整流站的 交流母线，经换流变压器l 送到整流器，整流器把交流功率变换成了直流功率，然 后经直流线路把直流功率输送给逆变站内的逆变器，逆变器又将直流功率变换成交 流功率，再经换流变压器2 ，把交流功率送到受电端交流系统。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 整流站与逆变站统称为换流站。在换流站内设有整流器或逆变器，它们统称为 换流器。换流器的功能是实现交流电能和直流电能间的交换，是直流输电系统中的 主要环节。直流系统是通过触发脉冲来控制换流器中的桥阀从而实现系统的正常工 作。 围卜i 赢流输电系统接拽示意图 相控换流器( 如采用晶闸管阀) 的技术原理是“1 ：以交流母线线电压过零点为基 准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一个半桥上两个同时导通的阀与交流系统 形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时， 阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺时发出的触发脉冲，形成一定顺序 的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。 1 3 直流输电的特点 1 3 1 直流输电的优点 与交流输电相比，直流输电具有非同期联络能力、不会恶化两侧交流系统的稳 定、无稳态电容电流、线路输送容量大、线损小、功率容易控制等优点，其优势具 体表现在以下几个方面“： ( 1 ) 可实现不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同期联络，提高两 侧交流系统互为备用以及事故紧急支援的能力，从而提高交流系统的稳定性和供电 的经济性。 如日本的新信侬背靠背高压直流输电工程将额定频率为5 0 h z 和6 0 t t z 的两个交 流系统进行联网；我国潘家口抽水蓄能电站采用背靠背高压直流输电方式使5 0 h z 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 交流系统与站内3 台可逆式抽水蓄能机组实现互联，使抽水蓄能机组的频率可在 3 6 5 0 h z 范围内变化，使机组运行在最佳效率区。 ( 2 ) 特别适合高电压、远距离、大容量输电 众所周知，随着输送容量和输送距离的不断增长，稳定问题越来越成为交流输 电的制约因数。为了满足稳定问题，常需采取串联补偿、静止补偿、调相机、开关 站等措旌，有时甚至不得不提高输电电压。但是，这将增加很多电气设备，使输电 成本加大。直流输电因为没有相位差，也就不存在稳定问题，只要输电线路两端的 电压降、线损等技术指标符合要求就可以达到传输的目的。由于高压直流输电不改 变功角关系，因此不会由于静态稳定或暂态稳定性能变差而降低输送容量。这是直 流输电传输功率的重要特点，也是它的一大优势。此外，当架空线路超过6 0 0 8 0 0 k m 或电缆线路超过2 0 4 0 k m 时，采用高压直流输电比采用交流输电更经济。 ( 3 ) 尤其适合大区电网间的互联 大区电网互联是为了实现资源共享以及故障后的紧急支援，要求线路上的潮流 交化迅速并能双向传送。交流输电的潮流控制取决于网络参数及发电机与负荷的运 行方式，值班人员需要进行调度，因此，潮流控制难于快速改变，只有采用电力电 子器件的高压直流输电才能实现潮流的快速、全部自动控制。 ( 4 ) 线路走廊 按同电压5 0 0 k v 考虑，一条5 0 0 k v 直流输电线路的走廊约4 0 m ，一条5 0 0 k v 交流输电线路的走廊约为5 0 m ，但是一条同电压的直流输电线路输送容量约为交流 输电线路的2 倍，直流输电的线路走廊，其传输效率约为交流线路的2 倍甚至更多 点。 ( 5 ) 线路功耗小、对环境的危害小 在电压等级相同、输送功率相等时，直流输电线路较交流线路的有功损耗减小 三分之一，没有无功损耗，而交流输电的无功损耗很大。直流输电的空间电荷效应 使直流架空线路产生的电晕损耗和无线电干扰均较小，更容易满足环保要求。 ( 6 ) 调节更快速、更准确，能提高交流系统的稳定性 换流站采用的是快速可控的功率器件一晶闸管，可方便、快速、灵活、准确地 实现有功潮流的增减和双向传送，向交流系统提供功率、频率及电压支持。当交流 系统发生故障或受到扰动时，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。 一 ( 7 ) 线路故障时的自防护能力强 对于占线路故障8 0 9 0 的单相( 或单极) 接地而言，直流输电比之交流输电具 有响应快、恢复时间短、不受稳定制约、可通过多次自动再启动和降压运行来消除 故障并恢复正常运行等多方面的优点。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( g ) 不增加交流系统的短路容量 两个系统以交流互联时，将增加两侧交流系统的短路容量，可能会造成部分原 有断路器不能满足遮断容量要求而需要更换设备。通过直流互联时，不论哪里发生 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的短路容量。 1 3 2 直流输电的缺点 然而下列因素限制了直流输电的应用范围“”1 ： ( 1 ) 换流器的费用高 ( 2 ) 由于产生谐波，需要加装交流和直流滤波器，从而增加了换流站的投资 费用 ( 3 ) 控制复杂 ( 4 ) 运行方式不够灵活 但是，随着直流技术的发展，直流系统的可靠性已经得到改善，换流站的费用 正在逐步降低，换流技术日趋成熟，控制的复杂性也得到解决。这就为直流输电技 术更广泛地应用于电力系统提供了条件。 1 4 课题的背景和意义 1 4 1 课题的背景 随着国民经济的增长，中国用电需求不断增加，中国的自然条件以及能源和负 荷中心的分布特点使得超远距离、超大容量的电力传输成为必然，为减少输电线路 的损耗和节约宝贵的土地资源，需要一种经济高效的输电方式。特高压直流输电技 术恰好迎合了这一要求。 在中国的强部地区，日前正在为各种大型电站规划大容量高压直流输电方案， 输电距离长达2 0 0 0 k m 。7 5 0 8 0 0 k v 范围的特高直流电压是这些项目优先选择的直 流电压级别。特高压直流输电技术( 7 5 0 8 0 0 k v ) 常常被确认为优越的大容量特 远距离的输电方案。一些国际学术组织，如国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 和 国际大电网会议( c i g r e ) 已经报道过高达8 0 0 k v 特高压直流输电的可行性”3 。 我国的水能、煤炭资源较丰富，石油、天然气资源贫乏，而且发电能源资源的 分布和用电负荷的分布极不均衡。例如，全国可开发水电资源的约2 3 分布在四川、 云南、西藏三省区，煤炭保有储量的2 3 分布在山西、陕西、内蒙三省区；而东部 沿海和京广铁路以东地区经济发达，用电负荷约占全国的2 3 ，发电能源资源却严 重不足。水能资源和煤炭作为我国发电能源供应的两大支柱，今后的开发多集中在 西南、西北和晋陕蒙地区，并逐渐向西部和北部地区转移，而东部沿海地区和中南 地区的国民经济的持续快速发展导致能源产地与能源消费地区之间的距离越来越 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 大，使得我国能源配置的距离特点和方式都发生了巨大变化，并决定了能源和电 力跨区域大规模流动的必然性”1 。 2 0 2 0 年前后西部水电的大部分电力通过直流特高压通道向华中和华东地区输 送，其中金沙江一期的溪洛渡和向家坝水电站、二期的乌东德和白鹤滩水电站向华 东、华中地区送电，锦屏水电站向华东地区送电，宁夏和关中煤电基地向华东地区 送电、呼伦贝尔盟的煤电基地向京津地区送电大约需要9 条输电容量为6 g w 的 8 0 0 k v 级特高压直流输电线路。根据1 0 年发展规划，特高压直流输电工程的建设进 度如下： 2 0 0 8 2 0 1 1 年溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第一回8 0 0 k v 级直流 输电工程将进入建设实施阶段，计划于2 0 1 1 年底投入运行。 2 0 1 3 年将建成溪洛渡、向家坝水电站向华中地区送电的第二回8 0 0 k v 级直流 输电工程。 2 0 1 4 年将建成锦屏一、二级电站向华东地区送电的8 0 0 k v 级直流输电工程。 2 0 1 5 年将建成溪洛渡、向家坝水电站向华东地区送电的第三回8 0 0 k v 级直流 输电工程。 根据2 0 世纪8 0 年代特高压直流输电工程的试验研究和输电设备研制技术的积 累，目前我国已具备特高压直流输电工程的建设条件，我国能源与负荷分布的严重 不平衡以及未来电力发展的巨大空间迫切需要特高压直流输电技术。根据国家电网 建设有限公司的近期规划，未来5 年是我国发展特高压直流输电技术的关键时期。 特高压直流输电技术符合电力工业发展规律和电网技术的发展方向，在技术上没有 不可逾越的障碍，在我国有广阔的应用前景。 综上所述，提前开展特高压直流输电的研究具有十分重大的战略意义。 1 4 2 课题的意义 高压直流输电系统逆变侧发生换相失败是一种常见的故障，它将导致直流电流 增大、换流阀寿命缩短、直流输送功率减少、换流变压器直流偏磁加剧，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j 还会引发后续的 换相失败，最终导致直流传输功率中断。由于特高压宜流输电传输的电能距离比高 压直流输电更长、容量更大，对电力系统稳定运行的影响也更大。因此深入研究换 相失败产生的机理，对保证未来特高压直流输电系统的安全运行具有非常熏要的意 义。 1 5 本论文所做的工作 本论文所做的工作主要分为以下二个部分： 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一、详尽分析探讨直流输电换相失败的机理 二、在分析探讨特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特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： 1 建立特高压直流输电系统的仿真模型 基于国际大电网会议( c i g r e ) 的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，建立了特高压直流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 在新建的特高压直流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，仿真计算了特高压直流输电( u h v d c ) 的换相失败 ( 1 ) 交流系统故障类型 a 单相直接接地短路故障( 逆变侧) b 单相经电阻接地短路故障 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 4 针对上述各种仿真结果，对特高压直流输电的换相失败展开讨论 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 1 换相失败的定义 第二章换相失败的机理 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，与刚触发导通的阀实现反换相，这个过程称之为换相失败“1 。换相失败 多发生于逆变器，它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。 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。例如 较高的直流电流或者较低的受端交流母线电压都可能导致换相失败。整流器只有在 触发电路故障时才可能导致换相失败。因此，本文着重研究逆变器的换相失败。 2 2 引起换相失败的原因 引起换相失败的原因主要有恤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 ) 触发超前角卢过小 ( 5 ) 交流系统不对称故障引起的线电压过零点相对移动 2 3 换相失败的机理分析 2 3 1 换相失败的机理 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 = 声一弘 ( 2 1 ) 式中，r 是关断角：p 是触发超前角；p 是换相角。 可见，7 角直接决定于p 角和角。实际运行时触发超前角声是由直流输电的 控制器决定的，它与触发延迟角口的关系为 口一1 8 0 4 一a ( 2 2 ) 事实上直流输电换流器的所有控制，最终都要落实到对a 和芦的控制“。 换相角“决定于多个因素，其计算式为 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 脚伽o s 警恻励 ( 2 - 3 ) 式中，式中厶为直流电流；石。为换相电抗；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；口为触发超前角。 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问短路电流， 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 i 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r 。表示约为1 0 。，本文取y i n l n = 1 0 。，即当计算出的关断角ys l o 时候就认为发生 换相失败n 2 1 。 直流输电系统对称时逆变器关断角为 h 删( 警s 舶 ( 2 4 ) 式中，。为直流电流；x 。为换相电抗；u 。为换相电压的线电压有效值；卢为触 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 c o s ( 坐等+ c o s f l ) ( 2 _ 5 ) 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 一r c o o s 冀竽s 阱中 ( 2 - s ) 2 3 2 换相的过程 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，如图2 - 1 所示。 下标1 6 与对应桥臂的编号相同。阀的控制极上加触发脉冲的时刻落后于自然换 相点滞后的电角度称为触发延迟角，又叫触发角，用口表示。对于整流器，a ( 9 0 ， 对于逆变器，口 9 0 。因此，用触发超前角芦表示比较方便侧。关系为： 口= 1 8 0 一口 ( 2 2 ) 本文以阀5 向阀1 换相为例说明换相的过程，即阀5 、6 导通过渡为阀5 、6 、1 导通，进而过渡到阀6 、1 导通的过程。图2 - 1 中，t l 表示阀1 开始导通时刻，d 5 表示阀5 关断时刻。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 - 1 整流器和逆变器中阀5 向阀1 换相过程( 5 6 _ - 5 6 l 6 1 ) 电压波形 换相过程所持续的时间，即导通阀开始导通的时刻，如t 1 ，至4 被换相阀截止的 这段时间所对应的电角度称为换相角，用表示。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断角，用y 表示。 每个桥臂在一个工频周期中持续导通1 2 0 。+ 电角度的时间，继而关断 2 4 0 ”一电角度的时间。对于图2 一l 所示的6 个桥臂，其导通顺序为： 1 2 一1 2 3 2 3 2 3 4 3 4 3 4 5 4 5 4 5 6 5 6 5 6 卜6 卜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。 2 3 3 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 以图2 1 电路为例，分析阀1 向阀3 换相失败的过程，如图2 2 。”所示。图 2 2 中，i ，和f ，分别为阀l 和阀3 中的电流，：( c o s g c o s t a t ) 是换相电流曲线， u k ；u 6 一u 。 阀l 向阀3 换相的时候，当阀3 被触发导通以后换相开始。因为“高于u 。， 所以通过阀1 的电流减小，通过阀3 的电流增加。在，。改变方向前( 即1 8 0 时刻) ， 阀1 的电流在u 。未能减小到零，所以不能完成关断。当u 。过零点之后，阀1 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1 依然导通，放形成a 相的上下两个桥臂同时导通， 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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。 图2 - 2 换相失败示意图( 阀1 对阀3 抉相失败) 在上述的一次换相失败过程中，阀1 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 0 ) ，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l 对阀3 的换相过程为例，如果阀3 触发时刻触发 超前角不够大，或者换相角较大，以致换相结束后阀1 的关断角小于关断所需要的 角度( 对间) ，则由于阀l 元件内还有剩余载流子，因此在正向电压作用下即使不加 触发也会重新开通，阀3 已取得的电流又将倒换相到阀l 。到a 时刻，倒换相结束， 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p 4 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 再次换相时不再次发生换相失败的故障，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 ，上述过程为一次 换相失败。 1 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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。 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 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 向阀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e 。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 ，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l 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，赢流电 流流经换流变压器，将造成换流变压器的直流偏磁。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间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 4 换相失败的特点 由上面的分析，可知换相失败具有下列特点。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，使接在交流同一相上的一对阀同时导通形成直流短路； ( 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。使直流 谐波加剧，同时使直流短路电流上升更多。 造成换相失败的原因是换流阀运行的关断角小于其固有极限关断角，与换相失 败相关的因素主要有：换流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、超 前触发角、不对称故障时换相线电压的过零点相位移、换流阀的触发脉冲控制方式、 交流系统的频谱特性等。换流母线电压的下降、超前触发角的减小以及直流电流和 换相电抗的增大都会使关断角减小，容易导致换相失败；通过调整换流变压器分接 头可以避免静态时关断角过小，使逆变器的关断角保持在一定的范围内，从而减少 换相失败的发生机会；当逆变侧交流系统发生不对称故障时，交流线电压的过零点 将会移动，当过零点前移时，关断角会变小，容易发生换相失败；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，提高了系统 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的稳定性，与分相触发脉冲控制方式相比，它能减少换相失败的发生；交流系统的 频谱影响故障后换相电压的波形，从而影响逆变器的换相。 2 4 换相失败的危害 逆变器发生换相失败对直流输电系统主要有以下影响”1 ： ( i ) 一次换相失败使逆变器出现了次历时约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响不大，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 取有效的措旋，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，一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，因为过快的赢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。 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 5 换相失败的预防 高压直流输电系统是高度可控的，采用适当的控制措施可以避免换相失败的发 生或控制换相失败的发展以避免高压直流输电系统运行条件进一步恶化。 避免换相失败的措施可分为换相失败的预防措施和防止继发性换相失败的措 施两类。 2 5 1 换相失败的预防措施o ” 换相失败是逆变器最常见的故障，在直流输电系统设计和运行中采取适当的措 施，有些换相失败故障是可以预防的。 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 o ) 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 i 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 y ) 获得很大的发展，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。比静止无功补偿器( 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 ) ，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 、采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的上舞 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 变侧的直流电压为零时，相当于直流线路末端短路，造成直流电流上拜，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服制暂 态时的直流电流。由在直流短路时抑制真流上升速度，防止继发性换相失败的要求， 平波电抗器电感量的最小值为 k ；警 ( 2 7 ) 式中缸t 皆；成为额定触发超前角；y m 为固有极限关断角。叱为 逆变器直流电压变化量；a 。为