電容換相換流器直流輸電系統穩態及暫態特性

劉耀，謝晨曦，王華偉，李新年

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192;2.北京市電力公司海淀供電局，北京市 100086)

0 引言

傳統的高壓直流輸電系統換流器采用晶閘管作為其閥單元基本元件，因晶閘管無法進行自關斷，因此具有自身固有的缺點［1］。為了避免換相失敗，一般逆變側換流閥總要保證熄弧角具有17°或更大的裕度，導致消耗大量的無功功率，需大量的無功補償及濾波設備。因此，該系統不但投資大，一旦發生甩負荷還會引起無功過剩，可能導致過電壓，對于特高壓工程情況可能會更惡劣［2-10］;另外，由于換相電壓全部由交流電網提供，因此弱交流系統很容易發生換相失敗。采用串聯電容換相換流器(capacitor commutated converter，CCC)［11-14］技術一定程度上可以克服傳統電網換相換流器(line commutated converter，LCC)的上述缺點。

CCC的結構是將固定電容器串聯接入傳統換流系統的換流變壓器和換流器之間，通過串聯電容器來補償換流器的無功消耗，使當換流器的觸發角 (整流)、關斷(逆變)角接近于0°甚至為負時，系統仍能穩定運行，從而在無功消耗大大減小的同時避免了換相失敗，尤其是CCC的正阻抗特性使CCC技術在長電纜、弱交流系統直流輸電中的應用具有很大優勢。

本文主要進行3個方面的工作，首先分析CCC在整流側和逆變側的作用機理及特性，并根據建立的仿真模型進行仿真驗證和分析，得出CCC直流系統的穩態特性并與傳統LCC直流系統進行比較;其次研究CCC直流系統抵御換相失敗的特性，得出仿真波形并進行分析;最后著重研究CCC直流系統逆變側的交流故障恢復過程和機理，分析故障恢復過程中發生的后續故障機理，以及串聯電容大小對恢復過程的影響。

1 CCC機理及穩態特性

CCC結構示意圖如圖1所示。

圖1 CCC結構示意Fig.1 CCC structure

圖1中電源側三相電壓分別為ea、eb、ec，三相電容兩側電壓分別為Eaa'、Ebb'、Ecc'，電容閥側即實際換相電壓分別為ea'、eb'、ec'。以圖中電流參考方向為正方向，以a相為例，根據電路原理，有相量關系:

式中:w為電網角頻率，rad/s;C為串聯電容值，F;Ia為電流，A。上式顯示實際換相電壓為原換相電壓(即電網側實際電壓)和電容電壓的疊加。此關系式可同時適用于整流側和逆變側，區別僅僅在于換相電壓與電流的相位關系。根據兩側觸發角的不同，對于整流側，通常電流滯后電壓角度為銳角，而逆變側相應為鈍角，據此畫出相應的如圖2所示的相量圖(為反映相同的變量，圖中兩側相同相量用了相同標號)，Xc為電容對應的容抗模值。

圖2 CCC整流側/逆變側相量圖Fig.2 Phasor diagram of CCC rectifier and inverter

由圖2可見，對于整流側，實際換相電壓ea'相位超前于并且幅值大于原系統換相電壓ea;而對于逆變側，則有實際換相電壓ea'相位滯后于并且幅值大于原系統換相電壓ea。

由此可見，對于整流側，實際換相電壓的相位前移和幅值增大，可以實現視在觸發角減小甚至為0°、為負值的運行工況，而實際換相電壓仍然能保證閥可以正常觸發，并大大減少換流器無功功率的吸收，甚至可以向交流系統發出無功功率;對于逆變側，由于實際換相電壓的相位滯后和幅值增大，可以實現關斷角進一步減小甚至為0°、為負值(也即觸發角大于180°)的運行工況，實際換相電壓仍然能保證關斷閥有足夠的、遠大于視在關斷角的實際關斷角，從而在大大降低逆變側發生換相失敗概率的同時，大大減少了換流器無功功率的吸收，甚至可以向交流系統發出無功功率。

為驗證CCC直流系統穩態特性，本文基于1000MW，500kV直流系統，建立了CCC直流系統仿真模型，在不同交流系統強度及不同直流功率水平(也即不同電流水平)的工況下進行了穩態特性仿真研究，并將試驗結果與同一傳統LCC直流系統試驗結果進行了對比(均為逆變側波形);為便于反映CCC直流系統與LCC直流系統特性，模型中無功補償量為額定功率工況對應量，并且保持不變。研究結果如圖3所示，圖中Rsc為交流系統短路比。

由圖3可見:

(1)無論LCC直流系統還是CCC直流系統，隨著直流電流升、降，交、直流電壓均呈下降、上升趨勢;

圖3 CCC直流系統穩態特性Fig.3 Steady-state characteristics of CCC HVDC transmission system

(2)相同短路比情況下，隨著直流電流的升降，LCC直流系統比CCC直流系統的交、直流電壓下降、上升更快，不利于系統穩定;

(3)隨著直流電流增大，LCC直流系統關斷角基本不變或略有下降，而CCC直流系統實際關斷角增大趨勢非常明顯，更有利于抵御換相失敗故障;

(4)對于CCC直流系統，短路比越大即交流系統越強，交、直流電壓下降越慢，系統運行極限越高，越有利于系統保持穩定運行。

圖4為仿真模型額定運行工況下實際得到的同一串聯電容兩側的電壓波形，即原換相電壓Vab1和實際換相電壓Vab2波形。通過測量二者幅值和過零點相位差可知，實際換相電壓幅值大于原換相電壓，且實際關斷角遠比視在關斷角大，可使CCC直流系統具有更好的抵御換相失敗的能力，進一步驗證了前述理論分析的正確性。

圖4 CCC換流器與傳統直流換相電壓比較Fig.4 Comparison of commutation voltage between CCC and conventional HVDC

2 CCC直流系統暫態特性

鑒于CCC直流系統的特性，本文著重對CCC直流系統逆變側進行故障特性研究。

2.1 CCC直流系統逆變側抵御換相失敗特性

為驗證CCC逆變側抵御換相失敗的能力，基于CCC直流系統仿真模型(電容選取原則為使閥電壓不超過額定電壓的1.1倍)，額定功率運行工況下，在逆變側交流系統適當遠處進行單相瞬時短路試驗，并將試驗結果與同一傳統直流系統試驗結果進行對比，仿真結果如圖5所示(均為逆變側波形)。

由仿真波形可見，在逆變側相同的單相瞬時故障情況下，傳統直流系統交、直流電壓跌落更厲害(直流電壓跌落至0 kV以下)，且直流系統逆變側發生了換相失敗，而CCC直流系統在受到一定擾動后(直流電壓跌落至額定值的0.5倍左右)快速恢復了正常運行，并未發生換相失敗，且直流電流過沖僅為額定值的1.3倍左右，而傳統直流電流過沖約為額定值的2倍，充分體現了CCC抵御換相失敗的優越性。研究發現，當故障發生在近端或逆變側出口時，CCC直流系統也不可避免地發生了換相失敗故障，但是由于CCC直流系統逆變側無功補償裝置少以及正斜率特性，故障時故障電流和交流電壓過沖均小于LCC直流系統，也在一定程度上體現了CCC直流系統的優勢。

2.2 CCC直流系統逆變側故障恢復特性

2.2.1 故障仿真及波形

圖5 逆變側單相瞬時短路故障波形Fig.5 Fault waveform of single phase instantaneous short-circuit for inverter side

由于CCC直流系統實際換相電壓相位、幅值的變化，使得其具有傳統直流系統不具備的特殊性能，對于減少無功補償裝置及預防換相失敗具有明顯的優越性，但是串聯電容的引入也帶來了新的問題。如果逆變側交流系統發生嚴重瞬時故障(例如出口短路故障)，不但傳統直流系統會發生換相失敗故障，CCC直流系統也無法避免換相失敗的發生。對于傳統直流系統，如果故障持續時間不是過長，故障消失后系統一般可以順利恢復運行，而CCC直流系統在故障后卻恢復很慢或根本無法恢復運行，本文將就此問題進行詳細分析。

首先，本文基于仿真模型，分別在傳統直流系統模型和CCC直流系統模型逆變側進行了逆變側出口單相瞬時短路試驗。其中，對于CCC直流系統，基于不同的串聯電容值進行了多次試驗，選取其中3個不同電容值對應的典型波形予以對比分析，最小電容對應閥承受電壓極限值(1.1倍額定值)，單相故障仿真結果如圖6、7所示，圖中由上至下分別為交流電壓、直流電壓、直流電流和關斷角波形，圖7中圖(a)至圖(c)依次為串聯電容逐漸減小對應波形。

由圖6可知，傳統(LCC)直流系統逆變側交流單相瞬時短路后發生換相失敗故障，一定時間后可恢復運行。對于CCC直流系統，由圖7(a)可知，當串聯電容較大時，電容作用不明顯，故障后恢復過程相對于傳統直流擾動略大些，但未發生新的后續故障;而由圖7(b)、(c)可見，隨著電容逐漸減小，作用越來越明顯，故障后的恢復過程擾動也越來越大，恢復時間越來越長，甚至后續又發生了新的換相失敗故障，暴露了CCC故障后恢復能力的缺陷。

2.2.2 CCC直流系統故障恢復過程分析

基于以上故障仿真結果，圖7中，直流電壓第1次跌落為逆變側交流單相瞬時故障所導致，故障消失后，圖7(b)、(c)對應的CCC直流系統又發生了后續換相失敗故障，本文針對這一后續故障原因進行分析。圖8為CCC換相電壓及電容電壓波形。圖中ea'、eb'、ec'分別為電容閥側即實際換相電壓;C1～ C6分別為上述實際三相換相電壓線電壓過零點;V46、V62、V24、V35、V51、V13分別為閥4、閥6 換相，閥6、閥2換相，閥2、閥4換相，閥3、閥5換相，閥5、閥1換相，閥 1、閥 3 換相;Eaa'、Ebb'、Ecc'分別為三相串聯電容兩側電壓。

假設當前閥5、閥6處于導通狀態，C4點前，當閥5向閥1換相時，C相恰好發生出口單相瞬時短路故障(如圖8(a)中粗實線所示)，導致C相實際換相電壓ec'降至很低甚至幾乎為0，使得ea'＜ ec'，不滿足閥1導通條件，導致閥5、閥1換相不成功。

圖6 傳統直流系統逆變側交流出口單相短路故障波形Fig.6 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for conventional DC system

圖7 CCC直流系統逆變側交流出口單相短路故障波形Fig.7 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for CCC DC system

圖8 CCC換相電壓及電容電壓Fig.8 Commutation voltage and capacitor voltage of CCC

閥5、閥6繼續保持導通狀態，從而使得閥5對應的電容電壓ecc'由反向最大值繼續反向增大，如圖8(b)箭頭所示;C5點前，閥6向閥2換相，由圖8中電位關系可知eb'＞ec'，滿足閥2導通條件，閥2順利導通。此時，由于閥5、閥2同時導通，導致逆變側直流端短路，直流電壓降至0(即對應第1次換向失敗波形)，且交流側三相回路中交流電流由于失去了回路也降至0，故各電容停止充放電過程，保持當前電位不變。故障持續若干周期后消失，直流電壓、電流逐漸恢復，假設恢復時閥2、閥3順利觸發導通，至C1點前，觸發閥4，由于此前電容電壓ecc'比起正常情況下反向幅值有所增大，使得電位ec'也會有所下降，如圖8(a)中箭頭方向所示。當ec'下降較少，恢復過程中電流過沖不大時，若能夠滿足ea'＜ec'，且閥4導通后閥2能夠有足夠長的時間保持反向電壓從而保證關斷，則閥4導通后直流系統逐步繼續恢復正常運行。如果ec'下降幅度較大，導致閥4根本不滿足觸發條件，或者即使滿足閥4導通條件ea'＜ec'，但是換相完成后閥2由于不能承受足夠長時間的反向電壓，而有可能重新導通，導致閥2、4換相失敗。閥2、閥3繼續保持導通，至C2點前，閥5承受正向電壓觸發導通，閥2、閥5同時導通導致直流側短路，直流電壓再次跌落至0，也就出現了后續的再次換相失敗故障。如此重復，直至電容電壓造成的不對稱換相電壓影響逐步減小至可忽略時，直流系統才有可能逐步恢復運行。

基于此分析結論，便可解釋圖7(b)、(c)中，隨著電容的減小，系統在故障后恢復過程中發生后續換相失敗的次數會增多。由于電容越小，對應的容抗值就越大，電容電壓在故障時的增大也就越大，從而對換相電壓的影響也就越大，造成后續換相失敗的概率就越高，系統恢復所需時間自然就越長。因此，CCC直流系統串聯電容C選取合理與否將直接影響直流系統的動態性能和故障恢復過程。

3 結論

本文基于相關理論和仿真模型，針對CCC直流系統的穩態、暫態特性進行了分析，并與常規LCC直流系統進行了對比，著重對CCC抵御換相失敗及故障后的恢復過程進行了研究，得出結論:

(1)串聯電容的引入使得CCC的 觸發角(整流)、關斷(逆變)角接近于0°甚至為負時，系統仍能穩定運行，大大減少了系統無功吸收。

(2)CCC直流系統的交、直流電壓穩定極限相比傳統LCC直流系統大大提高，實際關斷角大大增大。

(3)逆變側遠端故障時，CCC直流系統具有更好的抵御換相失敗的能力;近端故障時，CCC直流系統直流電流、交流電壓過沖均小于常規LCC直流系統。

(4)近端嚴重故障時，串聯電容的不平衡充電導致CCC直流系統的恢復特性不如常規LCC直流系統，可能發生多次后續換相失敗故障。

(5)CCC直流系統中串聯電容越小，對后續系統的恢復影響越不利，系統恢復時間越長。

對于CCC直流系統故障后不利于系統恢復的情況，將在后續研究中進一步探討，通過研究采用適當的控制策略解決這一問題，優化提高CCC直流系統的故障恢復特性。

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