換流變充電擾動導致換相失敗故障分析與處理

黃家銘，陳 飛，饒洪林，周雅潔，胡宇洋

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

高壓直流（HVDC）輸電在遠距離，大功率輸電和異步聯網中占有越來越重要的地位[1]。目前，中國HVDC輸電工程數量在世界上已名列前茅[2]。寧東工程成功投運，對于西電東送，緩解山東東部供電的緊張起到了舉足輕重的作用。為了提高運行的穩定性和功率控制的最大靈活性以及保證設備的安全，直流輸電采用各種分層控制方式[3]。在直流輸電的極控制級，整流側通常配備帶有最小觸發角限制的定電流控制器；逆變側通常配有電壓控制器、定電流控制器和定逆變角控制器等極控制系統。極控制系統包含大量的定值參數，用以完成復雜的操作控制，眾多參數只有通過大量的實驗與實際運行才能達到較為準確的程度，本文所述換流變壓器充電試驗過程中，空載投入換流變壓器時，勵磁涌流造成正在運行的一極交流電壓畸變，引起該極換相失敗，導致大量無功消耗這一事例，實際上為直流輸電的極控制問題[4]。

1 工況描述

在寧東工程極1運行過程中，逆變側換流站進行極2換流變充電試驗，換流變空投的勵磁涌流造成逆變側的C相交流電壓畸變，引起了極1換相失敗。

換相失敗發生后，逆變側的控制系統將逆變側的觸發角移到120°，增大熄弧角，防止可能再次發生的換相失敗。隨后按照正常的控制邏輯，此時逆變側應由電壓控制起作用，使熄弧角向減小的方向移動以控制直流電壓上升。當熄弧角達到接近于正常范圍時，逆變側的控制方式再由定電壓控制切換到定熄弧角控制，最終使系統恢復。但是本次換相失敗，逆變側熄弧角卻沒能在定電壓控制的作用下逐步減小至17°，而是達到39°后停留了數秒，致使直流電壓在這段時間內保持在500 kV，之后才逐步上升，與系統的正常恢復過程存在差異。

在逆變側出現換相失敗前，極1系統運行于定功率模式，整流側通過直流功率定值保證系統功率恒定。逆變側換流站換相失敗預測功能啟動之后，整流側換流站VDCOL（Voltage Dependent Current Order Limiter,VDCOL，簡稱低壓限流環節）正常動作壓低直流電流，協助逆變側脫離換相失敗。但由于逆變側的直流電壓恢復時間持續較長，造成整流側較長時間里在42°大觸發角下運行，換流器吸收的無功功率增加，從而造成相繼投入兩組電容器的情況。

2 分析與處理

根據現場發生的情況，利用RTDS仿真系統，搭建換流變勵磁涌流模型，對現場出現的過程進行仿真，并和現場故障錄波圖進行對比，分析結果如下。

逆變側極1運行，極2換流變充電過程中，換流變壓器的勵磁涌流對交流系統電壓產生擾動。換流變的磁化是個反復過程，所以換流變充電過程中，交流系統電壓的波形周期性衰減振蕩，這個衰減振蕩過程很長，達到幾秒鐘時間。在這個衰減振蕩過程中，交流電壓的三相電壓相繼發生畸變，引起極控系統的換相失敗預測功能啟動，增大熄弧角。在交流系統充電過程中，該功能反復啟動，由于熄弧角增大之后，為了防止可能的換相失敗，熄弧角的返回速度比較慢，所以形成了現場出現的持續大角度運行現象，一直到換流變充電過程。

圖1 極2換流變充電極1 RTDS仿真錄波圖Fig.1 Pole2 converter transformer charging pole1 RTDS simulation recorded diagram

圖1 為RTDS仿真的逆變站極2換流變充電時，極1發生換相失敗后極1的故障錄波圖。錄波圖中自上到下第一路為交流電壓，第二路為直流電壓，第三路為直流電流，第四路為熄弧角，第五路換相失敗預測功能動作，從圖1中可以看出由于交流電壓畸變，造成換相失敗預測功能反復啟動，形成長時間大熄弧角運行過程。

圖2 為寧東工程極2換流變充電，極1換相失敗逆變側換流站故障錄波圖，對比圖1和圖2可以看出，兩者之間有相同的趨勢，只是RTDS仿真系統換流充電過程只持續了1 s左右，持續時間短。

圖2 極2換流變充電極1換相失敗仿真錄波圖Fig.2 Pole2 converter transformer charging pole1 commutation failure simulation recorded diagram

極控系統的換相失敗預測功能是檢測單相和三相交流系統電壓的跌落值，如果交流系統電壓波動超過額定電壓的5%，換相失敗預測功能啟動，增大熄弧角，該過程通過同時改變熄弧角參考值和瞬時減小觸發角實現：1、增大熄弧角參考值，增大角度為12°；2、瞬時減小觸發角10°。所以如果換相失敗預測功能啟動，熄弧角最大增加22°。

在進行功能性能仿真試驗時，采用換相失敗預測判別公式,通過交、直流電流的比較來預測換相失敗。

Y橋換相失敗預測：

IDNC-MAX(|IVY_L1|,|IVY_L2|,|IVY_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

D橋換相失敗預測：

IDNC-MAX(|IVD_L1|,|IVD_L2|,|IVD_L3|)＞0.133+0.1×IDNC

滿足上述任一條件超過0.8 ms判故障，1-cos△γ=0.0038（△γ=5°）

上式中，IDNC為直流系統中性線電流，IVY為Y/Y接線換流變閥側電流，IVD為Y/D接線換流變閥側電流,L1、L2、L3分別為A、B、C三相。

只考慮到交流系統發生一次故障情況，沒有考慮到交流系統在換流變充電過程中形成的這種持續擾動的情況，因此仿真波形中故障持續時間比真實工況短；另外在其他直流工程中，換相失敗預測功能增加熄弧角參考值為5°左右，交流電壓跌落判據為20%。所以在極控系統的換相失敗預測判斷時應充分考慮持續擾動因素。

綜合上述分析，針對換流變充電過程的特點對換相失敗預測功能定值參數擬進行以下修改：

（1）交流電壓跌落的判據由5%改為8%；

（2）換相失敗預測功能增大熄弧角參考值的定值由12°改為 7°；

（3）換相失敗預測功能瞬時減小觸發角的定值由 10°改為 6°。

將換相失敗預測功能參數修改后進行RTDS仿真測試，換流充電過程中換相失敗預測功能啟動頻率降低，達到啟動條件后，熄弧角增大為21.7°，系統電壓恢復加快，但仍未達到正常的控制邏輯要求，這說明上述參數的修改得到了較好的效果，只是調整還不到位，鑒于仿真結果的驗證，對換相失敗預測功能參數依次修改為10%、6°、5°。進一步測試仿真結果滿足控制邏輯要求[5]。

根據分析與仿真結果，提出了換相失敗預測功能參數的意見：依次為10%、6°、5°，系統按照規程修改后，試運行過程未出大量無功消耗現象。

3 結語

對于雙極的直流輸電系統，由于直流正、負極之間存在電磁耦合關系，一極發生故障擾動健全極的現象時常發生。變壓器充電試驗過程中，空載投入換流變壓器，勵磁涌流擾動正在運行的一極的交流電壓畸變，這種雙極之間的電磁耦合關系是不可回避的，通過合理的控制，使擾動盡快恢復到正常運行是直流輸電中日漸積累的寶貴經驗。

通過RTDS仿真，回放了擾動過程，對比了RTDS仿真與換流站逆變側換流站故障錄波波形，分析出結果，提出換相失敗預測功能定值的修改，進一步完善了極控制系統的控制狀態，不僅有利于換流變充電引起換相失敗后系統的恢復，對雙極運行時，一極發生故障擾動健全極仍具有足夠的可靠性與功率控制的靈活性。

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[1]張昕,王抗.龍政直流系統換相失敗故障分析[J].湖北電力,2012,36(01)：17-18+62.ZHANG Xin,WANG Kang.Analysis of the commutation failure in Long-zheng HVDC system[J].Hubei Electric Power,2012,36(01)：17-18+62.

[2]陳飛,劉潯,黃瑤玲.宜都換流站直流光電流互感器故障分析[J].湖北電力,2014,38(06)：30-33.CHAN Fei，LIU Xun，HUANG Yaoling.Fault analysis of DC optical current transformer in Yidu converter station[J].Hubei Electric Power,2014,38(06)：30-33.

[3]高淑萍,索南加樂,宋國兵,等.高壓直流輸電線路電流差動保護新原理[J].電力系統自動化,2010,34(17)：45-49.GAO Shuping,SUONAN Jiale,SONG Guobing,et al.A new currentdifferentialprotection principle for HVDC transmission lines[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(17)：45-49.

[4]盧力,劉蓓蒂.直流換流站控制保護系統故障分析[J].湖北電力,2011,35(06)：54-56.LU Li,LIU Beidi.Analysis of the fault in the control and protection system for HVDC converter station[J].Hubei Electric Power,2011,35(06)：54-56.

[5]張文,周翔勝,宋述波,等.一種云廣特高壓換流變保護配置無冗余問題改進方法[J].電力系統保護與控制,2014,42(14)：151-154.ZHANG Wen，ZHOU Xiangsheng，SONG Shubo,et al.Improvement of the non-redundant problem of converter transformer protection of Yun-Guang UHVDC system[J].Power System Protection and Control,2014,42(14)：151-154.