DFIG风机于电力系统冲击影响之动态模拟

1、高壓直流系統常見事故之研究 A Study of Common Accidents in HVDC Transmission System 陳昭榮 Chao-Rong Chen 台北科技大學 電機工程系 （所 ） 台灣 台北市 Department of Electrical Engineering National Taipei University of Technology Taipei, TAIWAN 陳勇錩 Yong-Chang Chen 台北科技大學 電機工程系 （所 ） 台灣 台北市 Department of Electrical Engineering National Ta

2、ipei University of Technology Taipei, TAIWAN 摘要 換相失敗為在每一個單橋中 ，當處於同一半橋中的 兩個橋臂之間的換相結束後 ，剛退出運行的閥在反向電 壓作用的一段時間內，如果未能恢復正向阻斷能力，或 者在反向電壓期間換相過程一直未能完整地進行完 成，在閥電壓轉變為正向時，該閥將會不經觸發而再次 導通，與剛觸發導通的閥發生反換相，這個過程就是換 相失敗。經由模擬結果顯示，當事故發生交流側單相短 路經電阻接地和三相短路經電阻接地並不會發生換相 失敗，而單相短路直接接地、相間短路、三相短路直接 接地或直流側換流器內部閥體故障 ，則將會使換相失敗 發生，

3、換相失敗將使得直流系統在一段時間內直流電 流增大，直流電壓下降，直流輸送功率降低甚至中斷。 因此分析各種故障下的電壓、電流、觸發角、熄滅角之 暫態響應及調變能力，確認系統是否安全，以避免造成 更嚴重之情況具有重要的意義。 關鍵詞：高壓直流系統、電力系統故障、閥體故障、換 相失敗。 Abstract Commutation failures mean that in each single bridge, after commutation between two bridges which are in the same half bridge, valve which is out of m

4、otion is in reverse voltage effect for a period of time, if it cant recovery the ability of obverse leaving off, or it cant be completely finished during the commutation process in reverse voltage, when the valve voltage becomes into obverse, the valve will be conducted again without firing, occurs

5、reverse commutation with the valve which is just conducted by pulse, this process is commutation failure. By the result of simulation, it won t occur commutation failures when faults happen single phase short circuit grounded with resistance and three phases short circuit grounded with resistance, b

6、ut it will make commutation failures happen when single phase short circuit grounded directly, phase to phase short circuit, three phases short circuit grounded directly or internal faults on the thyristor valve on the dc side, commutation failures make HVDC s dc current increase, dc voltage decreas

7、e, dc power delivery decrease or even blocked during a specific time. So it has a profound significance to analyze the transient responses and regulation ability of the voltage, current, firing angle, extinction angle during all kinds offaults to make sure the system s safety for preventing more ser

8、ious circumstances. Keywords: HVDC Transmission system, Power System Faults, Valve Faults, Commutation Failures. I. 前言 隨著電力市場化改革的深入，用電戶對於電力在 數量和質量上的要求越來越高。對於大容量長距離之 電力傳輸，直流輸電系統具有交流輸電系統所無法替 代的優勢，且隨著閘流體閥體逐步替代汞弧閥體成為 直流輸電系統的核心高功率半導體元件，直流輸電系 統在轉換器組、控制理論和控制裝置方面有了非常大 的進展。如今，電力電子元件製造和控制技術的進一步成熟無疑又為直流輸電系統發展奠

9、定了堅實的物質 和理論基礎。因此可以預測，直流輸電系統將會在未 來更廣泛地應用於電力系統當中。 然而換相失敗在高壓直流輸電系統裡是一個反動 態 (adverse dynamic events)的現象。一個突然的瞬變電 流下降和因為交流系統干擾而造成的換相電壓相位平 移是導致換相失敗的主要因素。轉換器閥體內部的故 障像是未觸發 (missing fire) ，脈波延遲 (pulse delay) ， 和逆崩潰 (reverse breakdown) 都會造成換相失敗。 換流器比整流器還要容易來得發生故障，因為它 的 觸發角 (firing angle) 要 大 得多了 ，而且 換流邊 限 (co

10、mmutation margin) 相對的小很多。單一個換相失敗 大致上會造成瞬間的直流電流上升和直流電壓下降。 而重覆的換相失敗可能會導致傳輸功率的干擾與阻 礙，而加壓在轉換器的設備上。而最嚴重的情況之 下，高壓直流輸電系統的功率傳輸可能會被終止 (blocked) ，因此對於換相失敗更深一層的了解和發展 相關的控制和調節策略是非常重要的。事實上，電流 在轉換器的換向過程中，最少需要跟兩個閘流體閥做 組合。在換向電壓逆流通過進行中的閥體之前，如果 電流的換向從一個閥體到另一個閥體之間沒有被完全 地進行完成的話，換相失敗就會發生了。 在大多數的暫態模擬，考慮每一個閥臂 (valve arm)

11、之緩衝電路 (snubber circuit) 的影響所組成的矽控切換 模型 (silicon-controlled switching model) 被用來表示成 轉換器。這樣的一個模型可以在交流系統側發生非對 稱故障和換相電壓失真時精確地反映閥體的動態和暫 態之過程。模擬暫態分析是為了檢驗這個直流輸電系 統的性能，還有去評估發生事故以及換相失敗將會在 系統中帶來什麼樣的影響。 II. 高壓直流輸電系統基本原理 直流輸電系統由轉換站、濾波器組、輸電線路和 其他一些輔助裝置組成。轉換站是直流輸電系統的核 心部分，由許多個閘流體和其他電力電子元件連接而 成。在轉換站工作的過程中，將分別在其直流側

12、和交 流側產生不同性質的諧波。想要不讓這些諧波對其他 系統產生不利的影響或干擾，必須採用濾波器將其消 除。圖 2.1 表示了直流輸電系統的基本原理。 I 2 圖 2.1 直流輸電系統的基本原理 交流系統 圖 2.1 中的兩個轉換站分別通過變壓器和兩個交 流系統相連。如果需要從交流系統 1 向交流系統 2 傳 輸電力，可以調整轉換站 1 和轉換站 2 的參數，使得 轉換站 1( 此時通常稱之為整流站 )之輸出的直流電壓 V1 高於轉換站 2( 此時通常稱之為換流站 )之輸入的直流電 壓 V2 。此時，直流輸電線路上的電流I 為： R 式中， R 為直流線路的電阻。此時轉換站 1 作為 送電端，輸

13、出直流功率 P1，而轉換站 2 為受電端，接 受直流功率 P2。 P1= V1I,P2= V2I 如果需要從交流系統 2 向交流系統 1 傳輸電力， 即實現功率倒送，只需調整兩個轉換站的參數，使得 直流電壓 V2 高於直流電壓 V1 即可完成功率倒送。 III. 換相失敗定義及發生原因 1.換相失敗的定義： 高壓直流輸電系統包括轉換器、直流輸電線路和 轉換站交流側的部分，其中任何一部分發生故障，都 會影響整個直流輸電系統的運行。換相失敗是轉換器 最常見的故障。在每一個單橋中，當處於同一半橋中 的兩個橋臂之間的換相結束後，剛退出運行的閥在反 向電壓作用的一段時間內，如果未能恢復正向阻斷能 力，或

14、者在反向電壓期間換相過程一直未能完整地進 行完成，在閥電壓轉變為正向時，該閥將會不觸發而 再次導通，與剛觸發導通的閥發生反換相，這個過程 就是換相失敗。 由於整流器閥在電流關斷後的較長時間內處於反 向電壓的狀態下，所以僅當觸發電路發生故障時，整 流器才會發生換相失敗。因此，直流輸電系統中大部 分換相失敗都發生在換流器，換相失敗是換流器最常 見的故障。故本文著重在研究換流器的換相失敗。 2. 引發換相失敗的原因： 造成換相失敗的原因不是因為閥的任何誤操作， 而是因為閥的外電路條件所引起的。引起換相失敗的 原因主要有： (a) 熄滅角 (extinction angle) 過小 (b) 受電端交流

15、電壓下降過多 (c) 直流電流增大 (d) 觸發超前角過小 (e) 交流系統所發生的不對稱故障引起的線電壓零點相 對移動 3. 換相失敗的特點： 換相失敗具有以下特點： (a) 換相的兩個閥發生倒換相，倒換相之後會使己經退 出導通的閥又再導通。 (b) 在一次換相失敗中，使得連接在交流同一相上的一 對閥同時導通形成了直流短路。 (c) 在兩次連續換相失敗故障中，將有工作頻率交流電 壓加到直流線路上。使直流諧波加劇，同時使直流 短路電流上升更多。 (d) 換相失敗使得換流器在一段時間內發生直流反電壓 降低，直流電流增大。 IV. 換相失敗的原理分析 換相失敗的原因不是因為閥的任何誤操作 ，而是因

16、 為閥的外電路條件所引起的。換相失敗多發生於換流 器，而整流器只有觸發電路故障的時候才可能導致換相 失敗的發生。引起換相失敗的原因，可能是因為直流電 流的增大，或者換相電壓的降低 ( 可能因為交流系統短 路故障引起 )等，觸發時刻過晚，或者是以上幾種情況 的同時發生。 1.閥的特性： 高壓直流輸電系統中的閥是一種可控電子開關如圖 4.1 所示，閥具有陽極到陰極的單向導電性。如果要使閥導 通，需要在閥的陽極和陰極之間加正向電壓，並且在閘 極加上足夠的負電壓 (汞弧閥 ) 或者在閘極上加正電壓 (閘流體 )觸發導通。 控制極或閘極 陰極 () I 圖 4.1 閘流體示意圖 當閥開始導通 ，一但通過

17、閥的電流減小到零並且加 在閥兩端的電壓為反向時，閥應該退出導通。閥關斷 時，有能力承受加在閥兩端的正向或者反向電壓。在正 向電壓作用下，只有再次對閘極觸發，才會重新導通。 2.換相失敗的過程： 導致換相失敗的各個因素之間的相互關係可以用下式 表示： (4.1) 式中，是熄滅角；是觸發超前角； 是換相角。可 見，角直接決定於角和 角。實際運行時觸發超前 角是由直流輸電的控制器決定的，它與觸發延遲角 的關係為： 180 (4.2) 事實上直流輸電轉換器的所有控制 ，最終都要落實到對 和的控制。 換相角 決定於多個因素，其計算式為 m= b- + cosb) (4.3) 式中， I d為直流電流；

18、Xc 為換相電抗； V v為轉換變壓 器交流系統側電壓折算到閥側的電壓 ，不包括轉換變壓 器中的壓降；為觸發超前角。 直流輸電系統需要交流系統提供換相電流 ，換相電流實 際上是相間的短路電流，因此要保證換相的可靠，受端 的交流系統必須具有足夠容量 ，即必須具有足夠的短路 比 SCR( Short Circuit Ratio) 。 閘流體需要一定的時間完成載流子複合，恢復阻斷能 力，其去離子恢復時間在 400 s約( 7電功角 ) 左右，考 慮到串聯元件的誤差，閘流體閥的恢復時間以電功角 min 表示約為 10，本文取 min=10，也就是當計算出的 熄滅角 10的時候，就認為發生換相失敗。 直

19、流輸電系統對稱時換流器熄滅角為 2Id Xc arccos( cos ) Vc(4.4) 式中 Id 為直流電流； X c為換相電抗； V c為換相電壓的 線電壓有效值；為觸發超前角。 IV. 模擬系統模型 在系統模擬中，通常交流系統的近距離不對稱故 障將會引起轉換器換相失敗，因此模擬系統中設定在 轉換站靠近交流側上發生的單相接地短路故障、相間 短路故障、三相接地短路故障、換流器橋臂短路以及 換流器單橋短路，就會導致直流系統的換流器換相失 敗故障的發生。在故障期間，主要對與故障線路相鄰 的線路出口處的電壓、電流、觸發延遲角及熄滅角的 採樣測量結果進行分析，從而研究換相失敗故障。 高壓直流輸電系

20、統之交流側系統模擬參數左側線 電壓為 500kV 、相角為 0 度、頻率為 60Hz、內部接線 方式 為中性點接 地、 電源 內阻為 0、電源電抗 為 98.03mH 、 電網阻抗 R、 L 分別 為 26.07Ohms 、 48.86mH 。右側線電壓為 345kV 、相角為 0度、頻率為 50Hz 、內部接線方式為中性點接地、電源內阻為0、 電源電抗為 28.03mH 、電網阻抗 R、L 分別為 6.205Ohms 、 13.96mH 。高壓直流輸電之轉換變壓器系 統參數除了整流變壓器頻率為60Hz，換流變壓器頻率 為 50Hz 和整流器的 V1 線電壓為 500*0.9 ，換流器的 V1

21、 線電壓為 345*0.96 之外，其他系統參數如額定功 率、勵磁阻抗、各繞組的接法、電阻、漏電抗皆是相 同的。轉換器控制模組系統參數整流器脈波基本頻率 為 60Hz ，換流器為 50Hz ，整流器 最大值為 165， 最小值為 5，換流器 最大值為 166 ，最小值為 92，整流器定觸發角模式為166，換流器定觸發角 模式為 92 ，在整流器側沒有電流、電壓裕度的設 定，其餘參數設定皆為相同。直流輸電線路長度為 V.結果分析探討 對於三相直接接地短路故障 ，本文採取將接地電阻 設為一個很小的數值， 0.01 歐姆來近似代替直接接地， 這是因為 ，如果接地電阻設定為零就無法測量取得高壓 直流輸

22、電系統之交流側暫態運行相對應的電壓 、電流特 性曲線，所以接地電阻不能設定為零。 1 0.5 R -1 ) u (p -1 cbaV Va VVcb 0 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 t (sec) (a) 整流器交流側之交流電壓 )up( cbaI 25 20 15 10 5 R0 -5 -10 -15 -20 -25 Ia Ib Ic 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2 t (sec) (b) 整流器交流側之交流電流 1. 1 0.5 0 I -0.5 -1 )up(cba

23、 -1.5 -2 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 t (sec) (c) 換流器交流側之交流電壓 300km up(cbaI e s t 0 2 - (a) 換流器側之直流電壓 (d) 換流器交流側之交流電流 圖 5.1 三相直接接地短路故障下的交流側之交流電 壓、電流 1.5 1 )u 0.5 (p R0 L d V -0.5 -1 -1.5 1 1.5 1.6 1.7 2 t (sec) (b) 換流器側之直流電流 2.5 (a) 整流器側之直流電壓 2.5 2 1.5 1 0.5 )u (p R 0 -0.5 1 1.5 1.6

24、1.7 2 t (sec) (b) 整流器側之直流電流 120 2.5 (c) 換流器側之熄滅角 圖 5.3 三相直接接地短路故障下的換流器直流側之直 流電壓、電流、 1 1.5 1.6 1.7 2 t (sec) 0 4 Ro )ged( drahpla 0 2.5 (c) 整流器側之觸發角 圖 5.2 三相直接接地短路故障下的整流器直流側之直 當換流器側交流系統發生三相直接接地短路故障 (1.61.7 秒 )，結果如圖 5.15.3 所示。由圖中可見，當 故障發生後，暫態過程中發生了振盪，這些過程是由於 直流系統的控制作用所產生的 。考慮到直流系統的控制 方式及其原理，上述模擬結果可以解釋

25、如下： 由圖 5.1 可見，故障發生後，交流電流在電壓降低的同 時突然瞬間上升 ，遠小於換流器側交流電流的最大短路 值，由此充分證明高壓直流輸電的控制系統具有非常強 流電壓、電流、 大的調節控制能力，可有效限制直流短路電流的上升， 從而保護直流電氣設備的安全。 從圖 5.2(c) 可見，在 1.6 秒時，最大 上升到 110。 因此，直流電流快速下降為零，並一直保持零值，直到 故障消失以後才重新恢復正常值 1.0 p.u.。換流器側交 流系統發生短路故障後，交流電壓立刻下降到 0 p.u.， 直流電壓隨之下降 ，導致直流電流大幅度上升到 2.2 p.u. 左右，熄滅角下降，由圖 5.3(c)

26、所示熄滅角下降到 接近 0，於是換流器發生換相失敗。故障發生後，直流 控制系統緊急移相，使整流器的 角迅速超越 90以 抑制過大的短路電流。 VI. 結論 高壓直流輸電系統兩端有交流系統作為聯結 ，當高壓直 流輸電系統或相聯的交流系統發生故障時 ，高壓直流輸 電系統的動態響應性能對於整個交直流系統的安全穩 定和靈活運行，具有非常重要的意義。換相失敗是高壓 直流輸電系統中最常見的故障之一 ，影響換相失敗的因 素有很多 ，對這些因素通過本文的研究進行分析可以得 出如下主要的結論： (1) 影響換相失敗的因素有很多，分析了各因素之間的 關系，可以得出交流側線電壓的降低、直流側電流 的增大以及交流側系

27、統的不對稱故障引起的線電壓 過零點相對移動 、熄滅角 過小以及直流側換流器 的故障是引起換相失敗的主要因素，並從中分析了 換相失敗的各種特性曲線。 (2) 換相失敗對高壓直流輸電系統的主要危害是直流側 出現短時間的短路，它將會導致直流電流增大、換 流閥體壽命縮短、直流輸送功率減少、轉換變壓器 直流偏磁加劇等不良的影響，可能危及電器設備的 安全運行。 (3) 預防換相失敗的主要措施有換流器採用定熄滅角控 制、避免直流電流過大運行、採用 VDCOL 控制策 略等。 (4) MATLABSimulink 軟體程式具有強大而精確的直 流元件模型，使用者還可以在其中自訂元件，能夠 準確描述高壓直流輸電系

28、統中在發生事故後的暫態 過程。以 MATLABSimulink 程式為軟體平臺的高壓 直流輸電模擬系統可以作為分析和研究高壓直流輸 電系統換相失敗等問題的有力工具。 當換流側交流線路發生單相短路故障、相間短路故障、 三相短路故障、直流轉換器的短路故障，都有可能導致 直流系統換相失敗，但故障消失後，直流系統均能夠恢 復正常運行，恢復時間在 0.1 秒左右。隨著故障發生的 地點、類型的不同，對高壓直流輸電系統運行的影響也 不同。由於高壓直流輸電系統有強而有力的控制調變系 統，因此故障消失後，高壓直流輸電系統都能夠恢復正 常的運行。 VII. 參考文獻 1 M. P. Bahrman, “HVDC

29、transmission overview,”Transmission and Distribution Conference and Exposition, April. 2008, pp. 1-7. 2 Michael P. Bahrman, “Overview of HVDC transmission,”IEEE Power Systems Conference and Exposition, vol.1, Oct. 2006, pp. 18-23. 3 R. Rudervall, J. P. Charpentier, and Raghuveer Sharma, “High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper”, Proceedings of National Power Electronics Conference