多饋入高壓直流輸電系統的換相分析

任麗佳

摘 要：針對多饋式高壓直流輸電系統中換相失敗的現象，分析了幾種換相失敗的原因，主要包括電壓幅值降低和電壓在過零點發生漂移等。接著，引入了交流系統強度和故障水平仿真分析換相失敗的情況。

關鍵詞：多饋式高壓直流系統；換相失敗；過零點漂移；交流系統強度

中圖分類號：TM721.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.077

簡言之，換流失敗就是在換流設備中，如果換流閥在導通時被退出，但是，反向電壓不能及時起到阻斷的作用，或者在反向電壓阻斷的過程中換相沒有完成，在換向閥變成正向的時候，被換相的閥使得導通的換向閥退出。目前，高壓直流輸電作為一種主要的輸電方式，在高壓直流輸電系統中出現換相失敗的情況將會造成惡劣的情況。在換相失敗時，系統中的功率傳輸會暫時停止，電壓的幅值會降低，而直流的電流將會增大，這會直接導致系統中的功率損耗增加，進而使得用電設備發熱，縮短使用壽命。更為嚴重的是，這種高壓輸電系統中出現了換相失敗的情況，會直接導致系統中出現較嚴重的擾動現象，對系統的穩定運行造成一定影響。據相關數據顯示，在換相失敗的過程中，大部分情況都是發生在逆變側。因此，本文將集中研究直流系統與逆變側交流系統之間的關系。

多饋入高壓直流輸電系統中存在一種異常換相失敗的情況，它與單饋入的換相失敗現象相比更加復雜。相關文獻中分析了其中一種情況，并將其歸結于電壓過零點漂移。但是，經過研究發現，這其中還有其他原因。為此，本文將在多種交流系統強度下進行深入研究。經過研究發現，電壓的幅值變化直流對換相失敗有直接影響。

1 換相失敗的基本原理

換流閥電壓的變化是導致換流失敗最主要的原因，在這種情況下，會出現電壓幅值降低和電壓過零點漂移的情況。電壓幅值降低所導致的換相失敗原理如圖1所示。在圖1中，α為觸發角，γ為熄弧角，μ為換相角，它們之間滿足α+γ+μ=π的關系；S1為換相的面積，當故障發生時，在條件沒有發生變化的情況下，會導致換相時間變長，換相角μ變成μ?，熄弧角γ變成γ?。

2 多饋入系統常規換相失敗現象

與直流系統不同，多饋式高壓直流輸電系統中存在耦合現象。當發生換相失敗的情況時，可能會導致其他系統中的換相失敗，這里以2個直流系統為例，具體如圖3所示。假設母線Ⅰ發生故障，導致換相器Ⅰ發生故障，那么，通過耦合的作用，這種故障可能會對換相器Ⅱ產生影響，在換相器Ⅰ的影響下，此時換相器Ⅱ也可能會發生故障。這種并發換相失敗與故障水平、故障情況和交流系統的強度有直接關系。

從圖中可以看出，換相失敗不僅與本地有關，還與遠端是否發生故障有關。隨著本地故障水平的提高，遠端發生換相失敗的可能性在0.1～0.15之間，呈現增加的趨勢，隨后在0.2～0.25之間呈現出減小的趨勢，最后又開始增加。這說明，遠端發生換相故障失敗的情況與本地故障水平有密切的關系。

局部故障水平就是換相器的連接母線上遇到故障時的水平。由于感性故障比容性和電阻性引起的故障更嚴重，并且它更容易引起換相失敗，因此，本文主要分析感性故障。當交流系統中的強度發生變化時，也會導致換相失敗。這里用nESCR來表示交流系統的強度，即：

（5）

式（5）中：PSCL為交流系統的短路容量；Qf為換流站上的電容器和濾波器無功功率總和；Pdc為直流系統的額定功率。

換相是否成功與交流系統的強度有很大的關系，為了進一步研究，改變交流系統2的電氣強度，在這里采用6種交流系統的強度來對比。在每種情況下仿真時，要分別對61種故障水平進行仿真，并且每種都仿真101次。圖5是這6種情況下的仿真情況，從圖中可以看出，當故障水平小于等于0.1時，換相失敗的可能性相差不大；當故障水平大于0.1時，隨著故障水平的提高，系統發生換相失敗的可能性逐漸增加，在0.48之后必定會失敗。

對于多饋入高壓直流輸電系統來說，系統中耦合關系的改變也會影響換相。為了進一步分析這個問題，分別取耦合阻抗值為7/8，6/8，5/8，4/8，3/8，2/8，1/8，取交流強度為2.5，仿真結果如圖6所示。從圖6中可以看出，藍色曲線是沒有改變耦合阻抗時的情況，耦合阻抗分別為3/8，2/8，1/8這幾個曲線的情況非常接近，而且更容易發生故障，在0.1左右的時候失敗的可能性接近于1.

3 結論

本文主要針對多饋入高壓輸電系統中的換相失敗情況進行了詳細的研究和分析，通過分析可知，電壓幅值降低和電壓過零點漂移都會導致系統換流失敗。最后通過改變交流系統強度和耦合阻抗來分析系統，得出影響換流失敗的原因。

〔編輯：白潔〕