（电力系统及其自动化专业论文）基于emtdc的多馈入直流输电系统换相失败的研究.pdf

关键字：多馈入直流输电系统换相失败熄弧角电磁暂态仿真交 流系统强度短路比耦合临界距离负荷特性 i i c o m m u t a t i o nf a i l u r ea n y s i si nm u l t l - | n f e e d h v d cs y s t e m sb a s e do nt h ee m t d c a b s t r a c t b e i n gp r o m o t e db yt h ep r o j e c to f x id i a nd o n gs o n g a n dt h ep o w e r n e t w o r k i n gi nw h o l ec o u n t r ym o r eh v d ct r a n s m i s s i o np r o j e c t sa r ec o n s t r u c t e d ， n o v e lc o n f i g u r a t i o no fh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s - m u l t i i n f e e dd cw a sa p p e a r e d i nc h i n as o u t h e r na n de a s tp o w e rg r i d m i d cw i l lw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t ya st h e p o w e rd e m a n d si n c r e a s e c o m m u t a t i o nf a i l u r ei so n eo f t h em o s tc o m m o nf a u l t si nh v d c s y s t e m i tw o u l d l e a dt ot h ed e c r e a s eo ft h ed i r e c tv o l t a g ei nt h ei n v e r t e r , t h ei n c r e a s eo fd i r e c tc u r r e n t ， a n dt h ed e c r e a s eo ri n t e r r u p t i o no fd i r e c tp o w e rw h i c hi m p a c tt h ep o w e rs t a b i l i t y h e a v i l y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns u b s y s t e m sm a k et h ec o m m u t a t i o nf a i l u r ei nt h e m u l t i i n f e e dh v d cs y s t e md i f f e r e n t i a t ef r o mt h a ti nt h es i n g l e i n f e e dh v d cs y s t e m s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yo nt h ec o m m u t a t i o nf a i l u r ed e e p l ya n dp r e s e n ts o m e m e a s u r e st od e c r e a s et h ec o m m u t a t i o nf a i l u r ei nt h em i d cs y s t e m s 1 1 1 i s p a p e ri n t r o d u c e st h e f u n d a m e n t a lc o m p o s i t i o no ft h eh v d cs y s t e m s ， s t a n d a r dc o n t r o lm o d ea n dr e g u l a t ec h a r a c t e r i s t i c ，t h e nf o c u so nt h ec o n t r o lm o d eo f t h ec i g r eh v d cb e n c h m a r km o d e l i no r d e rt or e a d yf o rt h en e x ts i m u l a t i o n f r o m t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ec o n v e r t e r ，t h em e c h a n i s mo fc o m m u t a t i o nf a i l u r e ，t h e r e l a t e df a c t o r se f f e c t i n gt h ec o m m u t a t i o nf a i l u r ea n dt h eh a z a r do fi ta r ea n a l y z e d b a s e do nt h ee x t i n c t - a n g l ef o r m u l a so fs i n g l e i n f e e dh v d c ，t h i sp a p e rd e d u c e s e x t i n c t a n g l ef o r m u l a so fm u l t i i n f e e dh v d c t h r o u g ht h es e n s i t i v i t i e sa n a l y s i so f t h ep a r a m e t e r si nt h ef o r m u l a s ，e f f e c t i n go ft h ep a r a m e t e r st ot h ec o m m u t a t i o nf a i l u r e a r ed i s c l o s e d t h ee l e c t r o m a g n e t i c - t r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o n w a r e _ p s c a d e m t d ci su s e dt o c a r r yo u tt h es i m u l 越o nt e s t so nt h em u l t i i n f e e di n o d e lw h i c he s t a b l i s h e db a s e do n i l i t h ec i g r eh v d cm o d e l t h r o u g hs e r i e st y p i c a le m u l a t i o nt h ee f f e c to ft h ei n v e r t e r a cs y s t e m ss t r e n g t h ，t h ec o u p l i n gd e g r e ea n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i co nt h ec o u p l i n g c d t i c a ld i s t a n c ei sa n a l y z e d ，s ot h ef a c t o r st h a ti n d u c ea l lt h ei n v e r t e r ss u f f e rf r o m c o m m u t a t i o nf a i l u r e ss i m u l t a n e o u s l yi sd i s c u s s e d t i l ef i n a lc o r r e l a t i o nc o n c l u s i o ni s d i s c l o s e di no r d e rt og i v es o m es u p p l e m e n tt ot h ep l a n n i n ga n dd e s i g no ft h o s e s i m i l a rs y s t e m s k e yw o r d s ：m u l t i i n f e e dh v d cc o m m u t a t i o nf a i l u r e e x t i n c t - a n g l ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o n a cs y s t e ms t r e n g t h c o u p l i n gc r i t i c a ld i s t a n c e s h o r tc i r c u i tr a t i o l o a dc h a r a c t e r i s t i c 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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，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。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：衬恙旋 捌7 年0 6 月2 5 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： 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： 函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：衬恕鼓导师签名：强、滚卜如0 1 年0 6 月妇 广西大掣周仕掌位论文基于凸f r d c 的多馈入直荫蒲电系统换相失败的研究 第一章引言 1 1 课题的背景及意义 大电网之间的互联是世界各国电网发展的共同经验。跨区联网、跨国联网 是大电网发展到一定阶段的必然趋势。对于我国电网而言，能源资源与经济发 展地理分布极不均匀，水力资源的2 3 集中在西南地区，煤炭资源的3 5 集中在 山西，陕西，内蒙古西部地区，而负荷中心则主要集中在东部沿海i l l 。因此，“西 电东送”将是解决中国能源资源分布与需求不平衡的客观需要，也是中国电力工 业发展的客观需要。 远距离、大容量系统的输电方式主要有高压交流和高压直流。相对于高压 交流来说，高压直流输电技术具备以下突出的优点【2 4 j ： 1 ) 直流系统输送功率的大小和方向可以快速控制和灵活调制； 2 ) 直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系 统稳定极限的限制； 3 ) 直流架空线路的走廊宽度约为交流输电线路的l 2 ，因此可以充分利用线 路走廊的资源； 4 ) 直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，不存在介质损耗和 电磁感应损耗，基本上只有芯线的电阻损耗，绝缘电压相对较低； 5 ) 直流输电工程可以单极运行，并且可充分发挥其过负荷能力，即可以不 减少或少减少输送功率损失； 6 ) 直流具有灵活的调节特性，可以根据系统的要求做出反应，同时对机电 振荡产生阻尼，阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平； 7 ) 直流系统能够通过换流站的无功功率控制调节系统的交流电压等。 此外，直流输电系统输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制，能实 现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系，既可得到联网的技术经济 效益，又可避免大面积停电事故的发生。 而对于交流输电而占，输电距离超过1 0 0 0 l 【1 1 1 时，交流线路的输送能力已经 大大低于其自然功率水平，需要采用较高的串联补偿才能充分发挥其输送能力， 否则就导致输电效率降低，不益于采用。因此，对于输电距离超过1 0 0 0 k r n 、输 广西，叫塾司卜b 掌位论文基于e g r d c 的多馈 j 霸l 鞠电系统换相失败的研究 送容量达l 亿k w 的“西电东送”工程，采用高压直流输电是最为经济合理的方案 f 1 1 。 迄今为止的高压直流输电工程多是一个送端对应一个受端的单馈入直流输 电系统。但当多条直流输电线路落点于同一交流系统时，便形成了多馈入直流 输电系统( m u l t i i n f e e dd i r e c tc u r r e n t ，缩写为m i d c ) 1 5 卅。在我国南方电网， 天广、贵广及三广三条直流线路同时落户广东因而形成了多馈入直流的输电系 统，如图1 1 所示。其中，天广直流起点天生桥，落点广州北郊，全长9 6 0 k i n ， 额定电压_ - 5 0 0 k v ，额定输电容量1 8 0 0 m w ：贵广直流起点贵州安顺高坡，落点 广东肇庆，全长9 3 6 k m ，额定电压士5 0 0 k v ，额定输电容量3 0 0 0 m w ( 现在是单极 运行，传输容量1 5 0 0 m w ) ；三广直流起点湖北荆州，落点广东惠州，全长1 0 6 7 k m ， 额定电压士5 0 0 k v ，额定输电容量3 0 0 0 m w 。三条直流的换流站之间的电气距离 很短，天广与贵广直流落点距离为1 3 3 k i n ，天广与三广直流落点距离为1 7 4 k i n ， 贵广与三广直流落点距离为2 8 0 k i n t l ，7 】。此外，三峡电力系统的建成，龙政直流 线路落点于华东电网，由此多馈入寅流输电系统的格局已然在我国南方电网和 华东电网形成【8 1 。直流运行的特性以及在换流母线附近的交流故障对直流系统的 影响对于整个系统的稳定性有重大的意义，值得进行深入的研究。 图1 - 1 南方电网交直流混合输电示意图 f i g 1 】t h e d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s o u t h e r n h y b r i d a c d c p o w e r s y s t e m s 直流输电系统最常见的故障之一是换相失败。换相失败会导致直流电压下 2 广西大学硕士掌位饨文：a g - 予- 雕f d c 的多馈入i 矗l 输电系统换相失败的研究 降和直流电流增大，若采取的控制措施不当，还会引发后继的换相失败【9 】。跟单 馈入直流输电系统相比，多馈入直流系统具有更大的输送容量和更为灵活的运 行方式，但是同时也带来了一些特殊问题i 1 0 1 。直流输电系统有功功率的改变会 影响发电机功角，无功功率的改变会影响交流系统电压。具体来说，在多馈入 直流输电系统中，某一直流端无功功率的波动会影响邻近交流母线电压，从而 影响到其它直流端的有功功率和无功功率，进而又影响自身交流母线电压，这 些相互作用因素使得多馈入直流输电系统恢复有别于单馈入直流输电系统。多 馈入直流输电系统当相邻逆变站之间的电气距离较近时，交流系统的某一故障 引起多个逆变站交流母线电压同时下降，可能会导致多个逆变站同时发生换相 失败。故障的严重程度、故障发生地点等因素均对多个逆变站是否同时发生换 相失败产生影响。对于那些有可能会引发多个换流器同时发生换相失败的故障 形式，必须尽量防止 1 0 - i i 】。 目前，有关直流输电方面的研究已经比较多，对换相失败问题也有不少文 献进行了分析，然而对于这样含有近距离直流落点的多馈入直流输电系统( 如 南方电网) 换相失败的研究尚并不多见，本文即针对这个问题展开了深入和系 统的研究。 1 2 直流输电的发展及现状 自1 8 8 2 年德国建成第一条额定电压等级1 5 k v 2 k v 的高压直流线路，开 创利用直流输送电能的历史以来，直流输电工程得到长足的发展：1 9 5 4 年瑞典 一哥特兰岛1 0 0 k v 直流输电线路进入商业化运行；1 9 7 2 年加拿大建成首条直流 背靠背工程：意大利到撒丁岛和柯西岛的三端直流输电工程于8 0 年代投运；1 9 9 2 年美国波士顿经加拿大魁北克到詹姆斯湾拉迪生的全长1 5 0 0 k m 的五段直流输 电工程投入运行。到1 9 9 6 年底全世界已投运的直流输电工程有5 6 个，输电容 量达5 4 1 6 6 g w i , 2 - 1 3 3 。 我国的高压直流从2 0 世纪6 0 年代初开始。1 9 7 7 年上海建成并投运我国第 一条电压等级3 l k v 、4 6 5 m w 、长8 6 k m 的地下电缆直流输电试验线路。1 9 8 7 年 浙江建成了我国第一条自行设计、施工、全部设备国产化的直流输电线路。1 9 8 9 年葛洲坝一南桥士5 0 0 k v 、1 2 0 0 m w 直流输电工程投入运行；2 0 0 0 年天生桥一广 州士5 0 0 k v 、1 8 0 0 m w 直流输电工程投入运行：2 0 0 3 年三峡一常州土5 0 0 k v 、 广西大掌硬士学位论文基于d m ) c 的多馈入直漶输电泵绽换相失败的研究 3 0 0 0 m w 直流输电工程投入运行；2 0 0 4 年三峡一广东士5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 直流输 电工程投入运行；2 0 0 5 年贵州一厂东士5 0 0 k v 、3 0 0 0 m w 直流输电工程投入运行。 随着贵广、三广直流输电工程投运后，我国5 0 0 千伏直流输电工程总长度将达 到4 6 9 1 公里，规模之大居世界前列。随着我国“西电东送”力度的加大和全国 几个大区域电网之间的互联，将会有更多的直流输电工程投入使用。预计到2 0 2 0 年左右，我国将建成世界上罕见的跨区域和远距离传输巨大功率的超高压交、 直流混合输电系统，其运行复杂性和难度在国际上也是少见的 1 , 1 3 - z 5 】。 多馈入直流输电系统是在单馈入直流输电发展的基础上产生的，在s o u t l l 啪 c a l i f o m i a ，m a l l i t o b a 和q u e b e c ，以及国内的南方电网、华东电网均己出现了这 种多馈入直流系鲥1 6 l 。随着更多直流系统的建设，在将来可能会有更多的多馈 入直流输电系统建成。而因为多馈入直流出现的比较完，针对这个领域的研究 还相对贫乏，因此，本文进行的研究具有一定的实际意义。 1 3 国内外研究成果 换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，多年来，国内外的学者、工 程师对此进行了大量的深入研究，并取得了一定的研究成果。就单馈入直流系 统而言，针对换相过程，换相失败的起因以及如何避免继发性换相失败的发生， 前人已经做了一些研究。如，文献 1 7 在假定系统为无穷大的前提下，给出换 相电压相关公式的详细推导，结合仿真试验说明了无论系统是在三相对称还是 不对称故障的情况下，电压降低都是导致换相失败的主要因素；文献【1 8 】介绍了 直流输电系统发生单相故障时，采用对换流阀提前触发的方法，抑制电压降低， 从而避免后继换相失败的发生。文献1 9 - 2 0 指出在单馈入直流输电系统中，换 流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、越前触发角、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和交流系统的频 谱特性等对换相失败的影响。文献 2 1 利用可控硅的集中电荷模型分析换流阀 中的电荷在阀关断期间的变化情况，从而由微观原理上分析了直流输电系统换 相失败的机理，同时该文还给出了外部电路参数和可控硅元件参数对换相失败 影响的分析，并提出了一个衡量换相失败新标准，即当某个阀从触发到关断所 需的时间t 卢m ( 其中为越自u 触发角，为角频率) 就认为直流输电系统发 生换相失败。 4 广西大掌硕士掌位能文基于西m ) c 的多馈入直强输电系统换相失败的研究 对于多馈入直流系统的研究毛要集中在其故障情况下的暂态响应，电压稳 定以及故障发生后系统恢复的控制策略等方面瞄啦! 。文献 5 】借鉴两端直流系统 中换相失败的研究结果，分析多馈入及多端直流系统下影响换相失败的各类因 素，阐述了复杂直流输电系统中换相失败发生的一般规律。文献【2 2 】在多馈入直 流系统中重新明确了短路比( s c r ) 和有效短路比( e s c r ) 的概念，并且分析 这两者对于系统低频响应、动态过电压、功率稳定等的影响；文献【2 3 】研究不同 地点发生交流故障时直流系统的暂态响应，并且提出通过对直流控制系统参数 的优化，来提高直流系统的故障恢复能力；文献【2 4 】在三馈入直流输电系统模型 的基础上，研究利用母线参与因子确定多馈入系统中影响电压稳定的关键节点。 文献【2 5 】将单馈入直流系统中评定功率稳定的方法推广到多馈入直流输电系统 中并且提出一种利用分解特征向量来分析系统功率的稳定性的方法。另外文献 2 6 还指出，直流系统相连的交流网络的频谱特性对直流系统的换相失败也有 一定的影响，通过改善交流网络的频谱特性可以从一定程度上避免换相失败的 发生，不过改善交流网络的频谱特性需要加设附加设备，而且当系统运行状况 变化时，交流网络的频谱特性也随之产生一定的变化。文献 2 7 1 重点介绍了多馈 入系统中影响换相失败的两个因素，电压降低和系统问的电气距离，后者表现 为耦合阻抗的大小，并提出加强交流系统非故障子系统的强度，可以抑制多个 逆变器连锁换相失败的发生，概述了复杂直流输电系统中换相失败发生的一般 规律。此外，还有针对南方电网交直流混合系统问的相互影响进行分析，使用 n e t o m a c 软件对直流输电系统控制参数进行优化，以期达到更准确、稳定的控 制效果等方面的研究p ”6 1 。 1 4 本文的研究任务 本论文的主要工作是研究多馈入直流输电系统换相失败的问题，通过理论 分析，明确换相失败的机理，推导多馈入直流系统熄弧角模型，了解换相失败 的影响因素，结合国际先进的电磁暂态仿真软件p s c a d ，e m t d c 搭建多馈入直 流系统模型，通过一系列典型仿真试验研究，试图找出多馈入直流输电系统中 换相失败故障的一些规律性东西，以便将来为类似系统的规划和设计提供一些 依据和参考。 具体完成工作如下： 广西大掌硕士掌位论文基于m i t d c 的多馈入，：葫艚电系统换相失败的研究 l 、搜集相关资料，了解直流输电的发展及现状以及国内外研究成果。 2 、阐述直流输电系统换相失败的含义和实质，分析了导致换相失败的机理。 3 、建立多馈入系统熄弧角模型，运用灵敏度分析法研究模型中各参数对熄弧 角大小的影响，总结换相失败的一般规律。 4 、介绍直流输电系统基本控制方式及各类控制方式之间的协调，尤其是国际 大电网会议直流输电控制标准系统c i g r e 模型的控制策略和运行特性。 5 、利用电力系统暂态仿真软件p s c a d e m t d c 研究，搭建多馈入直流输电系统 的仿真模型，通过设计的仿真方案进行试验，研究交流系统强度，系统间 的电气距离、负荷特性等对多馈入直流系统换相过程的影响，得出故障情 况下多个逆变站换相失败的特点。 6 、结合上面的研究成果以及前人所做的研究，分类概述了避免换相失败的相 关方法与措施。 6 广西，o 錾司n b 掌位论文a i 于蹦r d c 的多馈入直翻。辖电系统换相失败的研究 2 1 概述 第二章直流输电系统构成及其控制特性 直流输电技术在原理上和技术上和交流输电都有很大的差异。其优点之一， 就是能够通过换流器触发相位的控制，实现快速和多种方式的调节。高压直流 输电系统的有效运行依赖于这种可控性的正确应用，以保证电力系统有期望的 性能。所以说直流输电系统的许多运行性能，是由调节方式所确定的，所以自 动调节系统在直流输电系统中占据很重要的地位。本章介绍了直流系统的主要 组成部分及各部分的作用，并阐述了高压直流输电控系统的控制原理及调节特 性。 2 - 2 直流输电系统的结构 直流输电可以概括为：从交流系统发出的交流电，由换流变压器变压成适 当等级的电压后提供给整流站进行交流一直流的转换，经过长距离的直流输电 线路传输到达逆变站，完成直流一交流之间的转换，最终通过逆变站换流变压 器并入到交流输电系统中。直流输电系统的基本组成i 朔，如图2 1 所示。 图2 1 直流输电系统基本组成 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fd ct r a n s m i s s i o np o w e rs y s t e m 7 基于唧的多馈入直流输电系统换相失败的研究 图中主要设备及其作用如下： 换流变压器( c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r ) ：向换流器提供适当等级的不接地电压 源设备。使直流系统能够建立起自己对地的参考点，并减少注入系统的谐波。 整流站( r e c t i f i e r ) ：将交流电转变成直流电。阀桥包括6 脉动，1 2 脉动等。 逆变站( i n v e r t e r ) ：将直流电转变成交流电。阀桥包括6 脉动，1 2 脉动等。 平波电抗器( s m o o t h i n gr e a c t o r ) ：降低直流线路中的谐波电压和电流，防止 轻负荷时电流不连续，抑制直流线路短路期间整流器中的故障电流及换相失败 的发生。 滤波器( f i l t e r ) ：直流系统中为数众多的非线性元件，必然导致大量谐波的 出现，这些谐波会导致电容器和附近电机过热，并干扰远动通信设备。直流系 统中的滤波器包含交流滤波器和直流滤波器，负责滤除注入交、直流系统的谐 波。 无功补偿设备( r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ) ：直流线路两端换流器工作时 要消耗大量的无功功率，因此必须在换流器附近提供无功电源来供给换流器所 需要的无功功率，减小换流器与系统的无功交换。 直流线路( d ct r a n s m i s s i o nl i n e ) ：可以是架空线或是电缆。除去导线数目 和所需空间之外，直流线路在其他方面和交流线路是很相似的。 交流断路器( a cb r e a k e r ) ：为了切除变压器的故障和使直流线路停运，在 交流侧要用断路器。由于直流线路故障可以由换流器控制更快地切除，所以交 流断路器不用来切除直流线路故障。 2 3 直流系统的控制 2 3 1 基本控制方式【1 6 , 3 8 , 3 9 1 直流输电系统的等效电路图如图2 2 所示。 8 广西大掌硬士掌位链? 文 基于e m t d c 的多馈 l ，流输电系筑换相失败的研究 图2 2 直流输电系统等效电路 f i g 2 28 q u i v a l e n tc i r c u i to f d i r e c tc u r r e n tp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 直流系统采用何种控制方式可以用l 的值决定： 卜鳖鼍篙乎 p t ， r 。，+ 胄d r 。， 、 式中： 如= 三j 0 ，兄= 三置，分别为整流侧和逆变侧的比换相压降； 厶，以分别为整流侧和逆变侧的换相电抗； p 0 ，p z 分别为整流侧和逆变侧的理想空载直流电压； q 。，只。分别为整流侧的最小触发角和逆变侧的最小允许熄弧角； 彤为直流线路的电阻。 h v d c 基本控制方式有f 4 4 】： 1 ) c g 方式。整流器采用定电流控制，逆变器采用定熄弧角控制。 2 ) a c 方式。整流器采用定触发角控制，逆变器采用定电流控制。 3 ) a g 方式。整流器采用定触发角控制，逆变器采用定熄弧角控制。 以厶。表示整流侧定电流控制的参考值，厶：表示逆变侧定电流控制的参考 值，那么直流系统控制方式的选择可以概括为：若l l ，直流系统为c g 方式； 若 一 _ ： 。斗， 。t 图3 - 4 换相失败示意图 f i g 3 - 4c o m m u t a t i o nf a i l u r ei ni n v e r t e r s 图3 4 所示，为阀l 向阀3 换相失败的示意图，图中和厶分别为阀1 和阀3 电 流， 2 ( c o s a - e o s c o t ) 是换相电流曲线，其中，= 一虬。 当阀l 向阀3 换相的时候，阀3 被触发导通以后，阀l 所承受的反向电压为， 此时开始换相，因为的电势高于配，所以通过阀1 的电流减小，通过阀3 的电 流增加，如果在l k 改变方向前，阀l 的电流在l 乙过零前未能减小到零完成关断， 则在c k 过零点之后，阀1 的电流将会增加，此时阀3 向阀l 倒换相，阀3 电流将会 减小到零而关断，而阀1 将会继续开通，这样就造成换相失败。 然后阀v 4 开始导通，这时因为阀v 1 依然导通，逆变器的直流侧即发生短路。 阀v 5 触发时，因为阀v 5 两端承受反向电压，因此阀v 5 不能导通。当阀v 4 换相到 阀v 6 后，直流短路才消失，逆变器直流电压开始恢复正常。如果阀v l 对阀v 3 换 相时不再失败，则系统恢复正常运行，该过程称为“一次换相失败”。在此过 程中，阀v 1 导通时间长达一个周波，是正常运行情况下的三倍。此外，在阀v 1 和阀v 4 同时导通1 3 周波的时间里，逆变器直流电压为零，所以直流系统输出功 率为零。 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，直流电流有一段增大的过程。 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 1 9 广西大学硕士掌位 e 文t - 3 f ；e h i d c 的多馈入直爿【糖电膏- 嫩换相失败的研究 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。 阀v 3 换相失败后，接着又发生阀v 2 对阀v 4 的换相失败，那么在阀v 4 向阀 v 2 倒换相完成后，直流电流流经阀v l 、阀v 2 和变压器a 、c 两相绕组。在前半个 周期中，变压器线电压与整流器提供的直流电压同向，所以在直流电压反向 约1 8 0 0 ，在这过程中，即使分别对阀v 5 和阀v 6 发出触发脉冲，但这两个阀都处 在反向电压作用下，所以都不能开通；而阀v l 和阀v 2 则凭借直流电抗器的续流 作用将继续开通，过c 4 点以后才逐步恢复正常。如果在下一个周期中阀v 3 和阀 v 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v l 和阀v 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 间造成基波频率的谐振过电压。在阀v 3 换相失败以后，虽然阀v 4 与阀v 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v 6 与阀v 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” 4 4 1 。 由上面的分析，换相失败具有下列特点【1 9 即j ：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；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；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，回路和变压器绕组中，故障电流都很快的增大。 3 2 3 换相失败的原因 结合上述分析可见，换相失败的原因不是因为阀的任何误动作，而是因为 阀的外电路条件引起的。而交流系统中换流母线电压变化则是导致换相失败的 主要原因 4 5 l ，它主要从两个方面影响换相过程：电压幅值降低和电压过零点位 移。换相过程可以用电压一时间的换相齿面积来表示，如图3 5 、3 - 6 中s 所示。 3 2 3 1 换相电压幅值降低 三相对称故障情况下，换流母线电压幅值降低，在换相齿面积一定，晶闸 管触发时刻不变的情况下，势必延长了换相持续的时间，即换相角变大，熄 弧角，变小，从而引发换相失败。图3 5 所示，熄弧角由原来的y 减小到y 。 | i 于f 湖t d c 的多馈入直a 瀚电膏蕊换相失败的研究 图3 - 5电压幅值降低导致熄弧角变小 f i g 3 - 5r e d u c e dc o m m u t a t i o nm a r g i nd u et os u p p r e s s e dv o l t a g em a g n i t u d e 由此可见，存在某个临界电压降值，当换相电压降低的程度超过这个值就 会引发换相失败，这里简称为临界电压降加，以a v 表示： * a v 。l 一彳墨一( 3 - 1 ) x t + c o s ? r m c o s ? 式中：屉一换相电抗( p u ) ； 。一换流阀固有极限熄弧角； ，一直流系统额定熄弧角。 若取托= o 2 ，m = 9 。， ，= 1 8 。，则系统换相失败的临界电压降为： a v = l 一0 2 ( 0 2 + c o s 9 。一c o s l 8 。1 1 5 5 即换流母线电j 玉降低超过1 5 5 ，系统就会发生换相失败。 3 2 3 2 换相电压过零点相位移 不对称故障情况下，伴随电压幅值降低的同时换相电压过零点发生了相位 移。若过零点前移，而换相齿面积s 恒定，晶闸管触发时刻不变，就会导致熄 弧角，变小，引发换相失败。如图3 - 6 所示，熄弧角的y 变为，。 2 l 广西大掌硕士学位论文基于删1 d c 的多馈入直流输电系统换相失败的研究 图3 - 6 过零点前移导致熄弧角变小 f i g 3 - 6r e d u c e dc o m m u t a t i o nm a r g i nd u et ob a c k w a r dp h a s e - a n g l es h i f t 考虑过零点位移情况下，换相失败的临界电压降a v 可表示为： ， a v 。1 一二兰l 一( 3 - 2 )丘+ c o s ( r 。+ 矿) 一c o s ) , 式中： 庐一换相电压过零点的位移角度； 当= 0 时，即等价为公式( 3 1 ) 的形式。 从公式( 3 2 ) 看出，不对称故障下，算式分母中增加一个位移角度毋，使 得系统换相失败的临界电压降减小，增加了换相失败发生的机率。 3 2 4 换相失败的研究方法 1 ) 临界电压降落法，或最小电压降落法【1 7 。通过故障情况下换相电压的降 落与直流输电系统发生换相失败所对应的临界电压降落值之间的大小来判断系 统是否发生换相失败的，当换相电压降低的程度超过这个临界值就会引发换相 失败。系统发生故障时，换流母线电压降低，使得换相齿电压时问面积不足以 维持正常的换相过程，从而引发了换相失败。 2 ) 熄弧角判断法，也称关断角判断法f 4 6 j 。通过比较换流器关断角与引起换 相失败的临界关断角之间的大小来判断是否发生换相失败。 以固有极限熄弧角。表示直流输电系统中可换流阀元件载流子复合和p n 结阻挡层所需的时间，如果实际的熄弧角小于。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，因此说换相失败的 广西大掌硕士掌位论文 基于删1 1 ) c 的多馈入直矗瀚电系统换相失效的研究 本质是逆变器熄弧角，小于阀固有极限熄弧角。 3 2 5 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l 删： ( 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 ) 两次连续换相失败将使工频交流引入直流回路，并将在直流回路中引 起自由振荡，可能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：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，从而使整流侧换楣电 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，从而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 广西大掌硕士掌位锚文基于e 盯i ) c 的多馈入：荫满电舞溉换相失败的研究 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。顺便指出，逆变器的误开通，不开通 故障发展到最后都表现为换相失败，其后果几乎与一次换相失败故障相同，逆 变器阀短路故障的后果与多次换相失败相同，直流侧对逆变器直流端短路故障 的反应也与逆变器发生换相失败中所形成的直流短路一样。 3 3 小结 换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，因此这方面研究具有重要的 实际意义。本章认真分析了引起换相失败的机理，揭示了换相失败的起因以及 研究换相失败的方法，并阐述了换相失败对电力系统可能产生的危害。 2 4 j r - 酉大掣唾士掌位论文基于d i t d c 的多馈入直矗瀚电系统换相失败的研究 第四章多馈入直流输电系统换相失败的影响因素分析 4 1 概述 本章以单馈入直流系统熄弧角模型为基础，推导出来了三馈入直流系统逆 变器的熄弧角模型，运用直流输电系统换相失败问题常用研究方法之一的熄弧 角判断法，通过灵敏度计算的方法，分析模型各参数的变化对换流阀熄弧角大 小的影响，从而揭示换相失败发生的一般规律。 4 2 熄弧角模型 高压直流输电系统中的阀元件是可控硅，可控硅元件中的载流子复合和建 立p n 结阻挡层所需要的时间可以用固有临界熄弧角来表示，这段时间约 为4 0 0 9 s ( 约7 0 电角度) 左右，考虑到串联元件的误差，保留一定的裕度，晶 闸管的恢复时间常以电角度表示约为1 2 。如果实际的熄弧角小于，m i n ，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 【4 0 1 。 4 2 1三馈入直流系统熄弧角模型 图4 t 三馈入直流输电系统逆变例系统模型 f i g 4 - lt h ei n v e r t e rs i d em o d e lo f t r i i n f e e dh v d c t r a n s m i s s i o n 广西大掌司【士掌位论文l 于啪) c 的多馈入：荫渖智电系统换相失欺的研究， 三馈入直流输电系统熄弧角模型，以子系统1 的熄弧角 为例： = 黜淄【西厶五( 去+ 瓦1 + 壶 + 喙+ 急+ 凳一譬厶) - 1 + 傩a 】， 式中： 一熄弧角；啊一换流变压器的变比；厶。一直流电流； 属一越前触发角； 置一直流系统1 的交流母线电压；，分别是直流系统2 、3 对应的换流母 线线电压有效值。 五= j ，。2 啊+ j ，c 1 为交流系统阻抗和换流阻抗归算到换流阀侧后的等值换 相阻抗；五：，分别表示直流系统1 、2 及1 、3 间的耦合阻抗； 4 2 2 熄弧角模型及模型参数对换相失败的影响 4 2 2 1 换流母线电压u ，对换相失败的影响 正常运行时，直流电压通常由逆变站控制，而直流电流由整流站控制。当 逆变站控制直流电压时，其采用的基本控制方式为两部分：调节换流变压器变 比疗来慢速的调整电压变化，通过调节越前触发角来控制较小的快速电压变 化。当逆变侧交流系统发生故障时，换流站交流母线电压瞬时降落，而换流变 压器变比调整的时自j 常数较大，通常在1 0 s 左右。因此，换流变压器变比还来不 及变化 4 0 , 4 3 】。由于电压跌落是瞬时的，直流输电系统控制器也来不及将口拉大。 因此可以假定故障瞬间和刀保持不变，下面针对故障瞬间电压变化对熄弧角大 小的影响来展开分析。 以子系统1 的换流母线电压以为例，可知u 。同时受到子系统1 交流系统 等值电势巨，予系统2 ，3 的换流母线电压：，以，的共同影响。 = ( 砉+ 笔+ 急一誓 ( 击+ 去+ 去 c 4 - z ， 换流母线电压u 。对熄弧角的灵敏度为正，所以u 的减小会导致一的减小， 而且以。越小，一减小的越快。 = 甏= 。! 塾生圣 ( 4 - 3 ) 昵。 如图4 - 2 所示，当其余参数保持在额定值，若巨下降到0 7 5 p u 时， 小于 广西大掌司n b 掣啦论文 基于e m t i ) c 的多馈 嗣l 输电系统换相失败的研究 1 2 0 ；而当眈2 下降到o 9 p u ，置下将到0 8 5 时， 就已经小于1 2 。由此可见， 叽，下降导致 减小，同时吼：对产生干