HVDC輸電系統臨界換相電壓及影響因素

王云昊,何夢琪,黃超群

(1.國網天津市電力公司城西供電分公司,天津 300113; 2.天津市金鼎線材制品科技開發有限公司,天津 300222; 3.天津經緯電材股份有限公司,天津 300353)

HVDC輸電系統臨界換相電壓及影響因素

王云昊1,何夢琪2,黃超群3

(1.國網天津市電力公司城西供電分公司,天津 300113; 2.天津市金鼎線材制品科技開發有限公司,天津 300222; 3.天津經緯電材股份有限公司,天津 300353)

分析了換相失敗期間閥電流特性然后從閥電流的角度給出了臨界換相電壓的定義及表達式,進而詳細分析了影響臨界換相電壓的各種因素。分析發現基于臨界換相電壓的角度能更全面的分析換相失敗的機理。根據影響因素的分析結果提出了減少換相失敗發生的措施。最后通過國際大電網會議 (CIGRE)標準高壓直流輸電測試系統驗證了結論的正確性。

換相失敗;臨界換相電壓;平波電抗器

1 前言

在換相電壓反向 (具有足夠的去游離裕度)之前未能完成換相的故障稱為換相失敗。換相失敗不是由于對換流閥的誤操作引起的,而是由于換流閥外部電路的條件引起的[1]。換相失敗是HVDC系統中最常見的故障之一,它將導致直流電壓下降和直流電流增大。若采取的控制措施不正確,還可能引發后繼的換相失敗故障,嚴重時會影響換流設備的正常運行,造成直流功率傳輸的中斷,對整個系統的安全穩定運行產生重大的影響[1-3]。

國內外學者對換相失敗進行了大量的研究[3-8]。文獻 [3]分析指出逆變側交流系統故障是造成換相失敗的主要原因,不對稱故障時的恢復速度比對稱性故障時要快;文獻 [4]研究了在不同的交流系統故障條件下濾波換相換流器與普通逆變器的換相過程,分析結果指出濾波換相換流器能更好的防止換相失敗的發生;文獻 [5]提出了一種基于正余弦預防換相失敗的方法,該方法在電壓過零故障時能快速啟動,且在三相故障時也有明顯的預防效果;文獻 [6]詳細探討了HVDC輸電系統換相失敗的檢測和恢復策略;文獻 [7]指出不管換流母線處的電壓波形如何,只要是在換相過程中換相電壓達到一定的平均值就能完成換相過程;文獻 [8]基于換相面積的觀點給出了故障情況下電壓降落ΔU和不對稱故障時電壓過零點相移的計算公式,并計算出導致換相失敗發生的壓降限值。但文中假設逆變側交流系統是無窮大的,并且故障時電壓波形是完整的,這些假設在實際系統中略顯苛刻。

本文首先分析了換相失敗期間閥電流特性,然后從閥電流的角度推導了臨界換相電壓的定義及表達式。基于臨界換相電壓的角度分析了影響換相失敗的因素,分析發現利用臨界換相電壓的概念能更全面的分析換相失敗的機理。最后通過國際大電網會議 (CIGRE)標準高壓直流輸電測試系統驗證了結論的正確性。

2 閥電流特性研究

三相全波橋式逆變器等效電路如圖1所示。圖中Lc表示換相電感;ea、eb、ec表示交流母線的電壓。

圖1 三相橋式逆變器等效電路

逆變側閥v1與閥v3電流的典型變化特征如圖2所示[1]。通過對式 (1)求二階導數可以得出閥v3電流波形為凸形,而閥v1電流波形為凹形。正常換相情況下,在非換相期間流過導通閥v1的電流等于正常的直流電流Id,然后經過換相過程退出導通;閥v3的電流從零開始上升到直流電流Id,如圖2(c)所示。如果由于某種原因,比如交流側在t0時刻發生故障導致換相過程并未完成,那么本應截止的閥v1會繼續導通,而閥v3電流由零先增大到某值再減小至零,如圖2(a)、2(b)所示。需要指出的是,由于直流控制的原因,交流側故障時流過導通閥的電流不再等于Id,而是呈現出一定的復雜性,這在第五部分仿真驗證閥電流特性中將進行詳細闡述。

3 臨界換相電壓的研究

假設圖1中交流母線電壓為：

圖2 不同換相過程閥電流波形圖

則在正常換相過程中,i1、i3的表達式如下所示[1]：

式中,α表示觸發角,Em表示交流母線電壓的最大值。

當交流側故障使得交流母線電壓降為E憶m,而此電壓恰好會引發換相失敗故障,稱此時的電壓為臨界換相電壓。臨界換相電壓的推導過程如下：

假設交流母線電壓幅值Em突然下降,直流控制器尚未動作,即換流器觸發角α保持不變。交流側電壓下降前直流側電流為[1]：

考慮到整流側一般為定電流控制,為維持直流電流恒定不變,當逆變側交流電壓下降時,關斷角下降至γ憶,即：

事實上直流電流將會上升,當直流電流上升到Id’使得逆變側關斷角下降至最小允許值γ0時,將會導致換相失敗。

假定與最小關斷角γ0對應的換相角為μ憶,于是當電流i1的幅值在ωt=α+μ’時仍然大于0就表示發生了換相失敗故障。將上述條件代入式(2)i1的表達式可得：

考慮到 α+μ’=π-γ0,把式進一步化簡可得：

式 (6)便是臨界換相電壓的表達式。

4 臨界換相電壓的影響因素分析

4.1 臨界換相電壓影響因素的具體分析

由式 (6)可以看出,臨界換相電壓與觸發角α、換相電感LC以及Id憶都有關系。下面分別論述各因素對臨界換相電壓的影響。

(1)對逆變側而言,由于觸發角α＞π/2,因此隨著觸發角α增大,臨界換相電壓Em’也增大,表示越容易發生換相失敗故障。

因此從臨界換相電壓的角度來看,當檢測到故障發生時要給觸發角控制器一個角度附加量,以提前觸發防止換相失敗的發生。

(2)換相電感LC增大,臨界換相電壓Em’增大,越容易發生換相失敗故障。換相電抗主要由變壓器的漏抗組成,因此要減小換相失敗發生的機率,就要將繞組之間的短路阻抗設計的小些,但同時又要避免短路電流過大的問題,因此只能適當降低變壓器的漏抗。

4.2 平波電抗器對換相失敗的影響

平波電抗器一般串聯在每個極和直流線路之間,它可以抑制換相失敗后直流電流的上升速率,以避免繼發性換相失敗的發生[2]。通過臨界換相電壓的分析可以得出如果故障期間直流電流If達不到Id’的大小,進而換相電壓可以維持在臨界電壓以上,則換相失敗故障不會發生。因此要尋找措施來降低故障期間直流電流If的大小。

圖3藍色虛線、紅色實線分別表示平波電抗器的電感值分別為L=0.5968 H、L=1.1968 H時直流電流If的波形圖。由圖3可以得到當L= 0.5968 H時,max(If)=1.36pu;L=1.1968 H時,max(If)=1.24pu。因此增大平波電抗器的電感值能降低If的幅值。

圖3 不同平波電抗器下If電流波形

由上述分析可知,平波電抗器不僅能防止繼發性換相失敗的發生,也能避免一次換相失敗的發生。

5 仿真驗證

CIGRE直流輸電標準測試系統是用于HVDC控制研究的標準系統,采用HVDC標準模型仿真可得到共性和普遍性的研究結論,仿真模型如圖4所示,其中平波電抗器電感L=0.5968 H,設置故障點為F。仿真分析包括三部分：(1)仿真驗證平波電抗器對換相失敗的影響;(2)仿真驗證閥電流特性。

圖4 仿真模型

5.1 平波電抗器對換相失敗的影響

假設系統在F點發生了A相接地故障,過渡電阻為85Ω,故障時刻為0.5s,故障持續時間0.05s。圖5(a)表示的是當平波電抗器的電感L=0.5968 H時,D橋中閥v3,閥v5的電流波形對比;圖5(b)表示的是L=0.9 H時閥v3的電流波形。通過閥電流波形可以看出：L=0.5968 H,閥v3持續導通,而本應導通的閥v5并沒有導通,發生了換相失敗故障;L=0.9 H時閥v3正常導通,而且從其他閥電流波形可以看出此時整個D橋都未發生換相失敗。因此增大平波電抗器的電感值可以防止換相失敗的發生。

圖5 D橋閥電流波形

5.2 閥電流特性分析

由圖5(a)可以看出換相開始時,閥v3的電流先減小,但由于交流故障的原因沒有減小到零,隨后又繼續開始導通,但此時的閥電流明顯大于正常的直流電流Id,這是因為直流控制尚未開始作用,交流系統故障導致直流電流增大的緣故;閥v3持續導通一段時間后,其閥電流在隨后導通時間內幅值明顯小于Id,這是由于整流側定電流控制和低壓限流環節起作用的緣故。而閥v5由于換相失敗的緣故,其閥電流先增加到一定數值,然后迅速降為零。隨后開始導通時,閥電流也明顯變小,這是因為直流控制的作用,最后閥電流大小恢復正常。

6 結束語

文中基于閥電流特性給出了臨界換相電壓的表達式,該方法不需要假設條件,并且解析式比較簡潔。特別的通過臨界換相電壓的角度能更好的分析換相失敗與平波電抗器的關系,并得出了幾點重要結論：

1)由于直流控制的原因會導致閥電流特性表現出一定的復雜性,但也呈現出了一定的規律性：當交流側故障剛發生時,由于直流控制作用尚未投入,導致了流過導通閥的電流增大;當直流控制起作用,特別是VDCOL投入會使流過導通閥的電流減小。

2)臨界換相電壓與許多因素有關,比如觸發角、換相電抗等。

3)在現場環境允許的情況下,增大平波電抗器的電感值能對防止換相失敗的發生有一定的積極作用。

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何夢琪,女,助理工程師,天津市金鼎線材制品科技開發有限公司。

黃超群,女,碩士,助理工程師,天津經緯電材股份有限公司。

Research on Critical Commutating Voltage and Its Influencing Factors in HVDC Transmission System

WANG Yunhao,HE Mengqi,HUANG Chaoqun
(1.State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300113; 2.Tianjin Jinding Power Cable Technology Development Company,Tianjin 300222; 3.Tianjin Jingwei Electric Wire Co.Ltd.,Tianjin 300353)

Commutation failure is one of the most common faults in HVDC transmission system,which has a strong link with the commutating voltage.In this paper,the characteristic of valve current is analyzed at first and the definition of critical commutating voltage is put forward.Then,the influencing factors of critical commutating voltage are all analyzed in detail.It is found that it can analyze the principle of commutation failure better from the perspective of critical commutating voltage.According to the analysis result,some countermeasures are proposed to prevent the commutation failure.At last,the standard test model based on CIGRE proves the conclusions to be true.

commutation failure;critical commutating voltage reduction;smoothing reactor

TM73

B

1006-7345(2014)03-0077-04

2014-02-19

王云昊,男,碩士,助理工程師,國網天津市電力公司城西供電分公司,主要從事調控運行工作 (e-mail)lunwenzy2013@163.com。