特高壓直流輸電系統換相失敗預測環節對送端電網影響分析

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(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

特高壓直流輸電系統換相失敗預測環節對送端電網影響分析

朱清代，滕予非，李小鵬

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

分析了計及換相失敗預測環節對特高壓直流工程在逆變側交流故障情況下的響應行為，探討了特高壓直流換相失敗預測環節對送端電網直流送端電氣量的影響以及換相失敗預測控制環節參數的靈敏度。結果表明，換相失敗預測環節的投入可以起到減少換相失敗持續時間的作用。最后，在逆變側電壓跌落出現換相失敗后，分析了其對傳輸有功功率恢復速度及送端交直流系統的穩定性能的影響。

換相失敗預測環節；逆變側；觸發角；功角穩定

0 引 言

由于特高壓直流輸電技術在遠距離大容量輸電、大區電網非同步互聯、電網安全穩定控制方面的優勢，目前世界各國均積極開展特高壓直流輸電相關領域的研究，并且在特高壓直流送端電網安全穩定特性分析研究方面取得了大量研究成果[1-2]。

大量學者利用PSCAD、BPA以及PSASP等仿真工具，針對特定的直流工程對送端電網的安全穩定特性進行了詳細的分析。

換相失敗是直流輸電系統的常見故障，一直是業界研究的熱點[3-4]。研究表明，在直流輸電工程換相失敗過程中，各電氣量均發生劇烈波動，其中換流母線電壓最低可降至0，直流電流一般可增加到額定電流的1.5 倍，直流有功功率可瞬時下降至0 甚至短時反向(最低至-1.0 p.u.)，直流無功功率過剩；在換相失敗恢復過程中換流站短時向系統注入大量無功[5-7]。

下面在介紹高壓直流輸電系統逆變側交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態特性的基礎上，利用仿真分析的方法, 分析了換相失敗預測環節對送端電網直流電氣量的影響；在逆變側電壓跌落出現換相失敗后，分析了其對傳輸有功功率恢復速度及送端交直流系統的穩定性能的影響。

1 逆變側交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態特性

1.1 換相失敗預測環節

在逆變側交流系統出現故障時，由于換流站母線單相或三相交流電壓下降，直流輸電存在換相失敗風險。為防止換相失敗發生并在故障結束后加快直流恢復，直流工程往往引入換相失敗預測環節。該環節在檢測到交流系統故障后，會使熄弧角值增加以提前觸發，也會影響Amax環節使得最大α角限制值減小。換相失敗預測增加逆變側γ角可以有3個來源。

第1是逆變側確實出現換相失敗，其檢測條件與換相失敗保護檢測條件相同，此時γ角會增加5°；第2是逆變側交流電壓出現零序分量，當零序分量過大時，控保系統會根據零序分量大小相應增加γ角，最大可增加25.84°。第3是逆變側交流三相電壓有效值下降，當下降程度較大時，控保系統會根據三相電壓有效值下降程度相應增加γ角，最大可增加25.84°。最終換相失敗預測的輸出取以上3個輸出的最大值。

1.2 高壓直流輸電系統結構

為了分析逆變側交流電壓快速跌落及恢復時直流功率動態特性，在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中，建立如圖 1所示的特高壓直流輸電系統。該系統額定電壓為±800 kV、額定電流為5 kA，因此雙極額定功率達到8 000 MW。

圖1 高壓直流輸電系統仿真模型

當直流受端近區交流母線出現短路故障時，隨著故障的發生及清除，換流站交流母線電壓將出現快速的跌落及恢復。為了描述該過程，可設置如下情景：

令直流輸電送、受兩端換流站交流母線三相短路容量均為57 200 MVA，同時設置受端電壓電動勢跌落深度ΔEt為0.65 p.u.、變化頻率fs為8 Hz。在換相失敗預測環節方面，設置熄弧角γ最大提升量為Δγmax=25.8419°，交流母線電壓恢復后熄弧角γ的恢復時間常數Tfcdc=20 ms。在上述設置下，分別考慮控保系統中是否配置換相失敗預測環節兩種工況，對高壓直流系統的動態響應特性進行仿真分析。

1.3 仿真分析

在考慮控保系統中配置換相失敗預測環節與不配置換相失敗預測環節兩種工況下，兩側換流器觸發角以及直流電壓、直流電流的變化情況如圖 2所示。

由圖2可知，當高壓直流逆變側交流母線電壓發生快速變化，特高壓直流控制系統及電氣參數的主要響應特征解析如下：

圖2 電壓快速變化時整流側電氣量軌跡圖

1)Uac初始跌落的換相正常階段(oa階段)。在此過程中電壓輕微下降，直流電壓電流變化并不明顯，逆變側換流器未發生換相失敗，控制器觸發角輸出變化不大。

2)Uac深度跌落后換相失敗階段(配置換相失敗預測環節工況：a-b-c階段；未配置換相失敗預測環節工況：a-b-d階段)。由于逆變側交流母線電壓持續下降，逆變側換流器出現換相失敗現象。在換相失敗發生后，下一個換流閥換相完成將導致換流閥形成旁通，這相當于逆變側換流閥直流側發生了短路、交流側發生了開路，將導致直流電壓顯著下降，而直流電流迅速增加。在此階段下，由于直流電流的快速增加，整流側的觸發角將會快速下降。對于逆變側控制指令而言，如果直流控制系統未配置換相失敗預測環節，逆變側控制器將繼續維持預測型定熄弧角控制方式，觸發角指令變化范圍不大。反之，如果直流控制系統配置了換相失敗預測環節，由于逆變側交流母線電壓的下降，逆變側控制器將增加熄弧角的指令值，導致觸發角指令顯著降低。在換相失敗預測控制環節的作用下，配置該環節工況下逆變側換流器較未配置該環節工況下提前8.4 ms結束換相失敗。

3)Uac恢復、逆變側換流器換相正常后直流電壓、電流調整階段(配置換相失敗預測環節工況：c-e-f階段；未配置換相失敗預測環節工況：d-e-f階段)。逆變側換流器換相正常后，由于整流側換流器觸發角顯著增加，直流電流難以快速恢復，從而進入低直流電流狀態。此過程中，整流側、逆變側控制器同時進入定電流控制模式，經400 ms左右的調整后，直流恢復正常運行狀態。

對比兩種工況可知，當配置了換相失敗預測環節，導致換相失敗預測期間逆變側觸發角指令值明顯小于未配置該環節的工況。這一舉措使得交流電壓恢復后直流電壓、電流恢復期間，直流電壓、電流的恢復速度明顯降低。

圖3所示是對應整流側交流母線電壓的變化，整流側有功功率及整流站與交流系統無功功率交換情況的變化軌跡。

圖3 電壓快速變化時整流側功率軌跡圖

由圖3可知，當直流系統配置了換相失敗預測環節后，在交流電壓恢復、直流進入電壓、電流調整期間，由于直流電壓、電流恢復速度變慢，因此直流有功功率的恢復速度也相應變慢。同時，也相應增加了無功功率的恢復時間，導致換流站在濾波器的作用下，輸出容性無功時間明顯增加。

1.4 Δγmax對動態響應特性影響

保持其他因素不變，分別設置逆變側換流器換相失敗后，換相失敗預測環節熄弧角γ最大提升量余弦值分別為0.025、0.05及0.01(對應提升角度分別為12.83°、18.19°、25.84°)，由此可以得到逆變側交流電壓擾動期間，直流系統功率動態響應軌跡如圖4所示。

圖4 RAML不同輸出情況下時整流側功率軌跡圖

由圖4可知， 熄弧角γ最大提升量的增加降低了直流換相失敗期間的逆變側換流器觸發角，因此導致有功功率恢復速度進一步降低；同時電壓恢復期間整流側換流站釋放的無功功率也會相應而增加。

2 換相失敗預測環節對送端交直流系統功角穩定性影響分析

由擴展等面積法則(extended equal area criterion，EEAC)可知，當直流控制保護系統配置了換相失敗預測環節后，當直流系統由于逆變側電壓跌落而出現換相失敗后，直流系統傳輸有功功率恢復速度將較未配置換相失敗預測環節時有所降低。因此，對于逆變側單次故障工況，換相失敗預測環節的引入將降低送端交直流系統的穩定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對穩定性能的影響也越大。

3 仿真算例

建立如圖5所示單機-直流-無窮大系統，其中特高壓直流的額定直流電壓為±800 kV,額定電流為5 kA,額定送電功率為8 000 MW。UC∠0°為無窮大系統，Et∠δ為一臺發電機，Pd為傳輸的有功功率。

圖5 單機-直流-無窮大算例系統

令：LG=0.068 H

LS=0.0203 H

在此工況下，特高壓直流整流站交流母線BDC短路容量約為56 400 MVA。

圖6 仿真結果

短路故障為：

t=2.0 s 特高壓直流整流站逆變母線出現三相短路故障；t=2.1 s 特高壓直流整流站逆變母線故障切除。

設置未配置換相失敗預測環節、Δγmax=12.83°以及Δγmax=25.8 419°三種場景下的仿真結果如圖6所示。

圖6中，不同場景下發電機功角振蕩的峰值以及阻尼比如表1所示。

表 1 不同場景下發電機振蕩峰值

由表1可知，在此工況下，配置了換相失敗預測環節后，當逆變側交流母線出現故障后，送端電網系統的穩定性能較未配置前有所下降，且換相失敗期間熄弧角增加值越大，穩定性越差。

4 結 語

對特高壓直流工程在逆變側交流故障情況下的控制行為及響應行為進行分析后，得到以下結論：

1)利用仿真分析的方法探討了特高壓直流換相失敗預測環節對送端電網直流送端電氣量的影響；分析了換相失敗預測控制環節參數的靈敏度。分析結果表明，換相失敗預測環節的投入的確可以起到減少換相失敗持續時間的目的。

2)當直流系統由于逆變側電壓跌落而出現換相失敗后，直流系統傳輸有功功率恢復速度將較未配置換相失敗預測環節時有所降低。因此，對于逆變側單次故障工況，換相失敗預測環節的引入將降低送端交直流系統的穩定性能。換相失敗期間熄弧角γ最大提升量越大，對穩定性能的影響也越大。

[1] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2014.

[2] 鄭超. 直流逆變站電壓穩定測度指標及緊急控制[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(2): 344-352.

[3] Rahimi E, Gole A M, Davies J B, et al．Commutation Failure Analysis in Multi-infeed HVDC Systems[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(1)：378-384．[4] 王春明, 劉兵. 區域互聯多回直流換相失敗對送端系統的影響[J].電網技術, 2013(4):1052-1057.

[5] 滕予非, 湯涌, 周波，等. 基于高頻電壓突變量的特高壓直流輸電系統接地極引線故障監測方法[J].高電壓技術, 2016, 42(1):72-78.

[6] 代賢忠, 沈沉．基于端口供給功率的低頻振蕩強相關機組識別方法[J].電力系統自動化,2015,39(16):65-70.

The response behavior of UHVDC project under AC fault condition of inverter side are analyzed with consideration of commutation failure prediction. The impact of HVDC commutation failure prediction on electrical quantity of DC transmission terminal is discussed, and the sensitivity of the parameters in the predictive control of commutation failure is analyzed. The results show that the input of commutation failure prediction can really reduce the duration of commutation failure. Finally, after the commutation failure occurring in the voltage sag of inverter side, its influence on the recovery speed of active power and the stability of AC / DC system is analyzed.

commutation failure prediction; inverter side; trigger angle; power angle stability

TM721

A

1003-6954(2017)06-0012-04

朱清代(1966)，高級工程師，研究方向為特高壓直流控制系統研究；

滕予非(1984)，高級工程師，研究方向為電力系統安全穩定分析。

2017-10-08)