換流站交流濾波器導致投切換相失敗分析

龔 駿，周為國，顧立堃

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

在直流輸電系統中，整流器和逆變器在換流的過程中都要產生大量的諧波，同時還要消耗大量的無功功率。為了維持直流系統和換流站連接的交流系統的安全穩定運行，換流站需要配置一定數量的交流濾波器組。通過對交流濾波器的投切控制來實現濾除諧波、維持交流母線電壓穩定以及無功平衡的目的，但由于種種原因，某些交流濾波器在投切的同時隨之而來的就會出現換相失敗的現象。

本文簡述交流濾波器的工作原理與特點，以及楓涇站交流濾波器的配置，介紹換相失敗的基本原理。結合楓涇站的實際情況，闡述交流濾波器的投切對換相失敗的影響，并提出改進措施。

1 直流輸電產生諧波的原因

晶閘管換流器在運行時，由于晶閘管為半控型器件，所以絕大部分晶閘管換流器均為電流源型換流器，電流源型換流器的直流側具有較大的電抗，以保證直流側電流的平滑以及晶閘管的正常換相。但這會導致換流器交流側輸入電流的波形也變成偏離正弦波的方波或階梯波，從而對交流電網注入諧波。

目前大部分的高壓直流輸電工程均采用12脈動換流閥，其在直流側產生12k次的諧波，在交流側產生12k±1的諧波。12脈動的換流器是由換相電壓的相位相差30°的兩個6脈動換流器串聯而成，通常30°的相位差是由換流變壓器閥側線圈采用Y和△接線來實現。在分析換流器所產生的特征諧波時，常常假設換流器處于理想的換流狀態，即：交流母線電壓為恒定頻率的理想正弦波，換流變壓器各相的阻抗和變比完全相同，同一個12脈動換流器的Y／Y和Y／△的阻抗和變比完全相同，每周期的12個脈沖嚴格按照觸發角度30°等距觸發，直流回路的電流為理想的直流。在這些理想狀態下，Y／△繞組與Y／Y繞組的波形如圖1所示。對于每一極來說，Y／△換流變與Y／Y換流變疊加出的波形是一個類似于正弦波形的方波，如果一個平滑的正弦波進入交流系統是不會產生諧波的，但實際情況是盡管使用了12脈動閥，使得最后疊加出的波形能與正弦波相近，但仍舊是會有方波的棱角，構不成一個平滑的正弦波，依然會產生諧波。

圖1 疊加波形

1.1 諧波不穩定的概念和發生過程

直流輸電引起的諧波不穩定是指在換流站附近有擾動時，諧波振蕩不易衰減、甚至放大的現象，主要表現為換流站交流母線電壓嚴重畸變。發生諧波不穩定時，諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，對電力系統的危害是非常嚴重的，特別是對換流變壓器、電容器和與其串聯的電抗器等元件將形成很大的威脅，常常使其損壞；而電壓的畸變則會導致直流輸電系統運行困難、甚至造成系統閉鎖。諧波不穩定的發生過程是交直流側電壓、電流通過換流站非線性環節的相互調制，構成諧波振蕩放大，導致換流站交流母線電壓嚴重畸變。

1.2 諧波不穩定對換相失敗的影響

在對換相失敗的研究中，通常考慮的是交流系統故障引起的換相失敗，而未探討濾波器投切對換相失敗的影響。實際上，在執行某些方式的交流濾波器投切以后，逆變站諧波產生交互影響，繼而引起諧波不穩定，造成逆變站交流母線電壓嚴重畸變，影響換流器的換相過程，最終導致換相失敗。

2 交流濾波器工作原理與特點

采用L、C、R元件構成的無源交流濾波器，由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，并且可以同時濾除諧波又發出無功，因此是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。但由于ZnN是隨交流系統接線和運行方式的變化而變化的，還有可能在某些頻率下與ZnF發生并聯諧振，因此完全濾除換流器產生的各次諧波電流是不可能的。

換流站的交流濾波器通常采用不同型號的多組濾波器統一控制投切的方式來配置，有些交流濾波器僅做無功補償作用，有些交流濾波器同時補償無功又濾除諧波，某些換流站還設置不同濾波次數的交流濾波器。這些交流濾波器通常由換流站的交流站控系統統一控制，隨直流負荷與運行工況統一控制投切［1］。

3 楓涇站交流濾波器的配置與特點

楓涇換流站交流濾波器無功補償按總容量為1 818 Mvar，按3大組9小組配置（配置圖如圖2所示）每小組容量202 Mvar配置。其中，交流濾波器分為2種：HP與SC。HP為5621、5622、5632、5611、5612共5組；SC又分為SCD型與SC型，SCD型并聯電容器為帶有串聯電抗器的并聯電容器，5633、5623、5613均為SCD型，而SC型并聯電容器不帶有串聯電抗器，5631為SC型。這些交流濾波器由站內的直流站控系統統一控制，隨直流負荷與運行工況統一控制投切。

4 換相失敗的基本原理

換相失敗是直流輸電系統中常見的故障之一。在換流器中，退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內，如果未能恢復阻斷能力或在反向電壓期間換相過程未進行完畢，則在閥電壓變為正向時，被換相的閥都將向原來預定退出導通的閥倒換相，這種情況稱為換相失敗。高壓直流系統中大部分的換相失敗故障都發生在逆變器中。換相失敗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當，還會引發后繼換相失敗，嚴重時會導致直流閉鎖、直流功率傳輸中斷，從而影響系統穩定運行。典型的換相失敗原因是交流電壓過低、故障或磁飽和造成的三相不對稱等。

圖2 三大組交流濾波器場

換相失敗是晶閘管半控型換流器的特殊故障之一。由于晶閘管換流器僅能觸發其導通，不能控制其關斷，因此當用作逆變運行時，必須通過交流側穩定的電網電壓來配合，通過電網電壓的反電動勢關斷需要關斷的晶閘管閥。如果運行時交流電網電壓突然降低、畸變或缺相，就很可能使應該關斷的晶閘管由于反向電壓不足而關不斷，或關閉后又自行導通，一旦該晶閘管同相的另一晶閘管觸發導通，就形成了直流側通過上下兩個晶閘管短路、直流能量無法流入交流側的故障，這就是換相失敗。由于換流變壓器、平波電抗器等阻尼元件的巨大電抗，偶發的換相失敗并不會引起直流側電流猛增，也不會對換流閥的工作產生危害，然而換相失敗會損失一部分直流電能，同時使換流器承受過電流應力，因此應該盡量避免換相失敗的發生。

通過設置換相失敗保護，一旦檢測到換相失敗情況，立即通過減小觸發角等手段，使所有晶閘管的觸發時間前移，就等于增大了晶閘管承受反向電壓的時間，提高晶閘管的關斷能力，這樣就能有效抑制換相失敗，當交流擾動恢復后迅速恢復正常運行。換相失敗的明顯特征是交流相電流降低，而直流電流升高。

換相失敗保護的報警段只減小觸發角，通過觸發角的減小，絕大部分情況下換相失敗均能短時期內自行恢復正常。當換相失敗持續時間較長，才會啟動極控系統切換、直至直流閉鎖的保護程序，保護的切系統延時、閉鎖延時長短與換相失敗單位時間內的次數、直流側過電流大小有關，最大限度地保證換流器正常運行。

5 投切交流濾波器導致換相失敗原因分析

楓涇站在2011年至2013年期間，通過手動合閘或自動合閘，5631并聯電容器投退多次，其中引起過數次單極的換相失敗，僅有幾次在投入濾波器時無換相失敗，并且也僅有5631并聯電容器在投入時會引起換相失敗。在投切5631交流濾波器的時候，時而發生換相失敗的情況是因為5631為SC型并聯電容器，由于SC型并聯電容器并不帶有串聯電抗器，這使得其沒有限制電流突變的能力。由于換流站交流濾波器容量很大，因此在5631投入時會產生很大的沖擊電流，導致500 k V交流系統電壓波形瞬時凹陷，從而使換流閥的關斷電壓降低，此時若正好有閥處于換相過程中，由于交流電壓波形凹陷、反向關斷電壓不足以將導通閥關斷，其會繼續導通，而另一橋臂上的閥扔正常換相，這樣的過程就會造成同一相的上下2個閥同時導通，形成旁通對，導致換相失敗。

5631交流濾波器為什么不設置串聯電抗器，主要是因為對于楓涇站這類純換流站，系統阻抗較大，設計本意是通過系統阻抗來限制投切沖擊電流，從而省去串聯電抗器，然而這確實導致了投入時系統電壓的波動，從而引起換相失敗［2］。

6 改進建議與設想

6.1 一次設備改進

由于5631為SC型并聯電容器，未裝設有串聯電抗器的設計缺陷使得產生的沖擊電流很大以及引起交流的擾動，導致換相失敗。針對這一情況，可以考慮在5631電容器上再串聯一個限流電抗器，將SC型濾波器改為SCD型。在電容器組中串聯電抗器后，合閘涌流倍數將大幅度減小，起到抑制合閘涌流，減小交流電壓擾動的目的。同時串聯電抗器還可以抑制高次諧波和限制短路電流，保護斷路器。

在實際情況中，由于受到場地面積的限制以及出于成本的考慮，并不是所有的并聯電容器都會裝設串聯電抗器，例如楓涇站就由于5631交流濾波器小組前建設了繼保2室導致沒有充足的空間來裝設串聯電抗器，由此可見一次設備的改進有其實施的難度。

6.2 極控軟件修改

既然一次設備的改良有一定困難，那就考慮在控制軟件上進行改進。直流站控發令投濾波器，5631開關收到合閘命令時，可以在開關操作箱或測控屏里接一副接點給極控系統（如圖3所示），通過修改軟件使得5631濾波器開關合閘瞬時給極控一個增加熄弧角的信號，從而防止換相失敗。這樣做能有效地保證換流閥從關斷到其電壓由負變正的過零點之間的時間足夠長，使得閥關斷后處于反向電壓的時間能夠充分滿足其恢復阻斷能力的要求，提高了換流器的換相成功率。

圖3 濾波器信號回路概述圖

7 結語

在直流輸電系統中，整流器和逆變器在換流過程中都會產生大量諧波，如果不加以控制，將會影響交、直流系統的正常運行，所以需要通過加裝濾波器裝置來有抑制諧波。部分交流濾波器在設計時由于未安裝電抗器的SC型濾波器，所以投切時會有很大的沖擊電流，對交流電壓產生波動或凹陷，可能使換流器發生不必要的換相失敗。

換流站在建設交流濾波器時應充分考慮到電網的參數，同時在允許的情況下，盡量裝設串聯電抗器，避免SC型濾波器的使用，防止對換流器工作產生影響。但若換流站已經建成，則可以從軟件、控制上進行改進，通過投切濾波器時瞬時增大熄弧角等辦法來防止換相失敗，提高換流器工作穩定性，以避免不必要的換相失敗。

［1］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］ 徐政，陳海榮.電壓源換流器型直流輸電技術綜述［J］.超高壓技術，2007（1）：1-10.

XU Zheng，CHEN Hai-rong.Review and applications of VSC HVDC［J］.High Voltage Engineering，2007，33（1）：1-10.