HVDC逆變側典型故障暫態響應分析

范彩云，張志剛，劉堃，任靜，何青連，李生林，黃永瑞，李旭升（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

HVDC逆變側典型故障暫態響應分析

范彩云，張志剛，劉堃，任靜，何青連，李生林，黃永瑞，李旭升
（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

基于PSCAD/EMTDC建立±500 kV直流輸電系統的詳細模型，仿真分析逆變側典型故障，包括交流系統單相接地故障、閥控系統誤開通故障和不開通故障3種，對故障引起的暫態響應特性和控制策略進行統計分析。研究結果表明，故障會引起直流電壓、直流電流和直流功率等電氣量的劇烈變化，且會導致換相失敗，換相失敗發生次數和持續時間與故障類型有關；故障切除后，良好的控制策略使系統快速恢復。

HVDC；典型故障；暫態響應；換相失敗；控制策略

高壓直流輸電（high-voltage direct current，HVDC）是實現大容量電力遠距離輸送，優化電網資源配置，協調區域經濟發展的重要技術手段[1-3]。它包括兩端換流站和直流輸電線路，換流站內主要有換流器、交直流開關一次設備和控制保護二次設備。其中任何一部分發生故障，都會影響整個直流輸電系統運行的可靠性和相關設備的安全[4]。按故障區域來分，HVDC故障可分為換流器故障和交直流系統故障。當直流輸電系統發生故障時，換流器采取適當的控制措施能夠保持系統穩定，否則，可能造成直流功率傳輸中斷，影響交流電網的安全[5-7]。文獻[8]以CIGRE直流輸電標準測試系統為例，分析了交流系統單相故障、三相故障和直流線路短路故障3種工況下的暫態響應特性。文獻[9]以云廣±800 kV直流輸電系統為例，分析換流器內部閥控系統誤開通故障和不開通故障2種工況下的暫態響應特性，但缺乏對故障引起的換相失敗的詳細分析。

本文在文獻[8-9]的基礎上，通過電磁暫態仿真程序PSCAD/EMTDC搭建±500 kV直流輸電系統仿真模型，基于該模型仿真逆變側交流系統單相接地故障、閥控系統誤觸發故障和不觸發故障3種工況，對不同故障下的直流電壓、直流電流和直流功率的詳細變化過程，換相失敗發生次數和持續時間進行統計分析，為工程分析提供有效依據。

1　系統參數及建模

以國內已投運某±500 kV直流輸電系統為研究對象。系統運行方式為雙極大地回線，系統額定直流功率3 200 MW，額定直流電壓±500 kV，額定直流電流3.2 kA。整流站和逆變站均有12臺單相雙繞組換流變壓器（不含備用），其中整流站換流變壓器額定容量為317.6 MV·A，變比為525 kV/210.5 kV，逆變站換流變壓器額定容量為300.4 MV·A，變比為525 kV/199.2 kV。整流站和逆變站交流濾波器ACF和電容器組SC總的無功補償容量分別為3 362 MV·A和3 828 MV·A。基于PSCAD/EMTDC建立的仿真模型如圖1所示。

圖1　PSCAD仿真模型Fig.1Simulation model in PSCAD

本仿真的極控制采用CIGRE標準直流系統推薦的控制器，整流側采用閉環定電流控制，低壓限流控制（voltage dependent current order limiter，VDCOL）和最小觸發角αmin相結合的控制方式，逆變側采用閉環定電流控制和定熄弧角γ相結合的控制方式[10]。

2　仿真結果與分析

雙極系統正常運行時，運行電壓±500 kV，運行電流3 200 A，直流功率3 200 MW。本文在此基礎上，在逆變側設置交流系統單相接地，閥控系統誤開通和不開通3種故障工況。

2.1交流系統單相接地故障及分析

根據資料顯示，交流系統單相接地故障占全部故障的65%，由于其發生概率較高，故分析該擾動下直流系統的運行情況。交流故障發生后，換流站換流母線電壓會出現不同程度的跌落，距離故障點越近電壓跌落越嚴重，一般靠近故障點的換流站母線電壓可跌落到零附近。本文仿真設置A相發生單相接地故障，持續時間0.1s（0.6~0.7s），使換流站母線A相電壓下降幅度約30%，交流母線A相電壓和系統響應特性如圖2所示。

圖2　交流系統A相接地故障仿真波形Fig.2Simulation wave of phase A short circuit fault occurred at the AC system

從圖2給出的仿真波形可以看出：故障瞬間，直流電壓和直流功率陡降，直流電流大幅上升，過電流可達到1.58 pu。由于交流電壓降低、直流電流增大，與故障相關的閥無法完成換相而造成換相失敗，逆變側熄弧角由15°降為0°，并在故障周期內發生多次換相失敗，最長持續時間27 ms。本文從換相失敗本質出發，認為熄弧角小于10°，即發生換失敗[11-12]。對于直流電流增大，整流側閥快速增加觸發角以抑制其升高，經過21°-90°-55°的過程之后，保持在55°附近。故障期間，由于直流電壓下降，正極整流側由定電流控制轉為VDCOL控制，逆變側定熄弧角控制保持不變。由于負極控制策略和控制角度與正極類似，文中不再給出。交流故障清除后，交流電壓快速恢復，觸發角和熄弧角開始回調，經過140 ms，直流功率恢復到故障前輸送功率90%。

2.2閥控系統誤開通故障及分析

誤開通是指應處于正向阻斷的閥出現非正常導通[13]。過大的正向電壓作用，或閥控制極觸發回路發生故障，均有可能造成誤開通故障。本文設置逆變側正極高端6脈沖閥組一閥臂發生單次誤開通故障，單次誤開通觸發脈沖和系統響應特性如圖3所示。

從圖3給出的仿真波形可以看出：故障開始后，正極直流電壓降低，直流電流出現過電流，增大到1.502 pu，直流功率出現小幅度跌落，而負極直流電壓和電流基本沒有變化。正極逆變側發生單次換相失敗，持續時間7 ms，正極整流側的觸發角調整到68°以抑制直流電流增大。在整個故障過程中，正極整流側定電流控制和逆變側定熄弧角控制保持不變。

2.3閥控系統不開通故障及分析

閥不開通故障是由于觸發脈沖丟失或門極控制回路故障引起的[13]。本文設置逆變側正極高端6脈沖閥組一閥臂連續5個周期（0.6~0.7 s）丟失觸發脈沖，連續不開通觸發脈沖和系統響應特性如圖4所示。

從圖4給出的仿真波形可以看出：故障開始后，正極直流電壓降低，直流電流出現過電流，增大至1.509 pu，且兩者出現周期性震蕩，直流功率最低降至0.67 pu，而負極直流電壓和電流基本沒有變化。由于逆變側連續5個周期丟失脈沖，導致連續發生5次換相失敗，持續時間均為7 ms，造成了六脈動橋在直流側多次短路。整流側觸發角在40°~80°震蕩，周期與直流電流同步，以抑制直流電流增大。由于正極直流電壓降低，正極整流側在較長一段時間內采用VDCOL控制，逆變側定熄弧角控制保持不變。觸發脈沖恢復后，整流側觸發角和逆變側閥熄弧角快速調整至21°和15°，直流輸送功率經過125 ms恢復到故障前的90%。

圖3　單次誤開通故障仿真波形Fig.3Simulation wave of a single mis-conduction fault

圖4　連續不開通故障仿真波形Fig.4Simulation wave of sustained non-conduction fault

3　結論

1）雙極系統正常運行時，交流系統單相接地故障會影響雙極運行，而單極發生誤開通或不開通故障時，對另一極的影響很小。

2）3種故障均會引起直流電壓、直流電流和直流功率的波動，其中單相接地故障最為劇烈，故障切除后，其恢復時間也最長。不開通故障會引起直流電壓和直流電流震蕩，其波形有一定的周期性，直流電流增大后緩慢減小。

3）3種故障均會引起換相失敗，單次誤開通故障引起單次換相失敗，單相接地故障和連續不開通故障引起連續的換相失敗。連續不開通故障引起的換相失敗次數和持續時間有一定規律。

4）故障會引起直流電壓降低，整流側由定電流控制變為VDCOL控制，逆變側定熄弧角控制保持不變，有利于系統的穩定運行和故障切除后的快速恢復。

[1]王瑤．特高壓直流輸電控制與保護技術的研究[J]．電力系統保護與控制，2009，37（15）：53-58．WANG Yao．Study on the control and protection system of ultra high voltage direct current transmission[J]．Power System Protection and Control，2009，37（15）：53-58（in Chinese）．

[2]梁旭明，張平，常勇．高壓直流輸電技術現狀及發展前景[J]．電網技術，2012，36（4）：1-9．LIANG Xuming，ZHANG Ping，CHANG Yong．Recent advances in high-voltage direct-current power transmission and its developing potential[J]．Power System Technology，2012，36（4）：1-9（in Chinese）．

[3]袁清云．我國特高壓直流輸電發展規劃與研究成果[J]．電力設備，2007，8（3）：1-4．YUAN Qingyun．Development planning and research accomplishments of UHVDC power transmission in China[J]．Electrical Equipment，2007，8（3）：1-4（in Chinese）．

[4]李興源．高壓直流輸電系統[M]．北京：科學出版社，2010．

[5]田慶．天廣直流輸電工程控制保護功能的完善[J]．高壓電器，2013，47（11）：66-71．TIANQing．Enhancementofcontrolandprotection functions for Tian-Guang HVDC project[J]．High VoltageApparatus，2013，47（11）：66-71（in Chinese）．

[6]余海翔，陳立，梁家豪．天廣直流廣州換流站換相失敗機理探討[J]．高壓電器，2015，51（3）：151-156．YU Haixiang，CHEN Li，LIANG Jiahao．Investigation of commutation failure in Guangzhou converter station of Tian-Guang HVDC project[J]．High Voltage Apparatus，2015，51（3）：151-156（in Chinese）．

[7]厲瑜，宋國超，張彩友．青藏聯網工程VCU系統異常導致雙極換相失敗分析[J]．電網與清潔能源，2013，29（12）：61-69．LI Yu，SONG Guochao，ZHANG Caiyou．Failure analysis of bipolar commutation failure caused by the anomaly of the VCU system in the Qinhai-Tibet interconnection project[J]．Power System and Clean Enery，2013，29（12）：61-69（in Chinese）．

[8]楊汾艷，徐政．直流輸電系統典型暫態響應特性分析[J]．電工技術學報，2005，20（3）：45-52．YANG Fenyan，XU Zheng．Typical transient responses in HVDC transmission system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（3）：45-52（in Chinese）．

[9]董曼玲，黎小林，何俊佳，等．特高壓直流輸電系統換流站內部故障電磁暫態響應特性及控制策略[J]．電網技術，2010，34（3）：5-10．DONG Manling，LI Xiaolin，HE Junjia，et al．Electromagnetic transient response characteristics of internal faults in UHVDC converter station and corresponding control strategy[J]．Power System Technology，2010，34（3）：5-10（in Chinese）．

[10]FARUQUE M O，ZHANG Yuyan，VENKATA DINAVAHI． Detailed modeling of CIGRE HVDC benchmark system using PSCAD/EMTDC and PCB/SIMULINK[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：378-387．

[11]歐開健，任震，荊勇．直流輸電系統換相失敗的研究（一）：換相失敗的影響因素分析[J]．電力自動化設備，2003，23（5）：5-8．OU Kaijian，REN Zhen，JING Yong．Research on commutation failure in HVDC ttransmission system part 1：commutation failure factors analysis[J]．Electric Power Automation Equipment，2003，23（5）：5-8（in Chinese）．

[12]何朝榮，李興源，金小明，等．高壓直流輸電系統換相失敗判斷標準的仿真分析[J]．電網技術，2007，31（1）：20-24．HE Chaorong，LI Xingyuan，JIN Xiaoming，et al．Simulation analysis on commutation failure criteria for HVDC transmission systems[J]．Power System Technology，2007，31（1）：20-24（in Chinese）．

[13]趙婉君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004．

（編輯馮露）

Analysis on Transient Response of Typical Faults at the Inverter Side in HVDC

FAN Caiyun，ZHANG Zhigang，LIU Kun，REN Jing，HE Qinglian，LI Shenglin，HUANG Yongrui，LI Xusheng
（XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

In this paper，a detailed model of the±500 kV HVDC power transmission system is built based on PSCAD/ EMTDC.The simulation analysis is made on three typical faults in the inverter，including single-phase fault in AC system，mis-conducting fault and non-conducting fault of valve control system，and the statistical analysis is made on the transient response characteristics of the±500 kV HVDC power transmission system and its controller.The research results suggest that the three faults can exert fierce influence on electrical quantities，such as DC voltage，DC current and DC power，and the commutation failure takes place in the fault period，and the number and duration of commutation failures depend on the fault.With the fault cleared，the HVDC system can be quickly recovered if the good control policy is adopted.

HVDC；typical faults；transient response；commutation failure；control policy

1674-3814（2015）06-0039-05

TM721

A

2015-02-03。

范彩云（1972—），女，高級工程師，碩士，主要研究方向是電力電子、高壓直流輸電換流閥的研發和工程應用；

張志剛（1987—），男，工程師，碩士，主要研究方向是高壓直流輸電換流閥的研發和工程應用；

劉堃（1983—），男，工程師，碩士，主要研究方向是高壓直流輸電換流閥的研發和工程應用。