特高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述

戈鵬

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司±800 千伏伊克昭換流站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

引言

高壓直流輸電具有線路造價(jià)低、傳輸功率調(diào)節(jié)迅速、能夠?qū)崿F(xiàn)非同步交流電網(wǎng)互聯(lián)等諸多優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面應(yīng)用廣泛。換相失敗會(huì)縮短換流閥運(yùn)行壽命，將工頻交流引入直流回路中，引起諧振過(guò)電壓，還會(huì)造成直流傳輸功率波動(dòng)。連續(xù)換相失敗的發(fā)生可能導(dǎo)致直流閉鎖，造成大范圍停電事故。因此，深入研究換相失敗的發(fā)生機(jī)理、影響因素，進(jìn)而采取措施抑制換相失敗的發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行意義重大。

一、換相失敗機(jī)理分析

在換流器中，當(dāng)2 個(gè)橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)，如果未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過(guò)程未能完成，這2 種情況在閥電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎驎r(shí)被換相的閥都將向原來(lái)預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，這一現(xiàn)象稱為換相失敗。本章從器件和系統(tǒng)兩方面分析換相失敗機(jī)理，最后給出關(guān)斷角穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式和換相失敗判斷依據(jù)。

（一）器件原因——晶閘管的物理特性

LCC 由晶閘管組成，晶閘管的物理特性是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的器件原因。晶閘管為PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具有如下特性。

1）當(dāng)晶閘管承受正向電壓且門極有觸發(fā)電流時(shí)晶閘管能夠開(kāi)通。2）晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用，若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降至零值附近。晶閘管特殊的PN 結(jié)結(jié)構(gòu)使其關(guān)斷存在一個(gè)過(guò)程。在晶閘管關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管將不受門極控制重新正向?qū)ǎчl管的這一物理特性是換相失敗發(fā)生的器件原因，也是根本原因。由于晶閘管的物理特性無(wú)法改變，基于LCC 的高壓直流輸電系統(tǒng)無(wú)法徹底避免換相失敗，只能通過(guò)控制保護(hù)、增加額外設(shè)備等措施降低換相失敗發(fā)生的可能性。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于單個(gè)晶閘管的額定電壓、電流遠(yuǎn)小于直流系統(tǒng)額定電壓、電流，通常將多個(gè)晶閘管串聯(lián)和并聯(lián)組成閥組，再由閥組連接成換流器。直流系統(tǒng)中閥的關(guān)斷時(shí)間在400μs 左右，對(duì)應(yīng)電角度約為7°，這個(gè)角度也稱為閥的最小關(guān)斷角γmin。

（二）系統(tǒng)原因——交直流系統(tǒng)電氣量不滿足可靠換相條件

由于整流側(cè)和逆變側(cè)換流器觸發(fā)角不同，整流側(cè)的電氣量一般能夠滿足可靠換相條件，換相失敗多發(fā)生于逆變側(cè)。在實(shí)際系統(tǒng)中常通過(guò)測(cè)量關(guān)斷角大小判斷換相失敗是否發(fā)生。

二、采用適當(dāng)?shù)目刂票Ｗo(hù)方法

當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生故障使得換流母線電壓降低時(shí)，容易引發(fā)換相失敗。因此，對(duì)換相失敗進(jìn)行預(yù)測(cè)或快速檢測(cè)交流故障，可使LCC-HVDC 及時(shí)采取適當(dāng)?shù)膿Q相失敗預(yù)防措施，降低換相失敗概率或防止發(fā)生連續(xù)換相失敗，幫助系統(tǒng)更快地從故障中恢復(fù)。

（一）換相失敗預(yù)測(cè)技術(shù)

隨著對(duì)LCC-HVDC 換相失敗問(wèn)題研究的不斷深入，目前已有較為實(shí)用的換相失敗預(yù)測(cè)技術(shù)，且其中一些已在工程中得到實(shí)際應(yīng)用，另外一些可作為未來(lái)?yè)Q相失敗預(yù)測(cè)方法的技術(shù)儲(chǔ)備或改進(jìn)方向。對(duì)于換相失敗而言，關(guān)斷角的大小起決定性作用，關(guān)斷角是判斷逆變站發(fā)生換相失敗與否最直接的狀態(tài)量。因此，可以通過(guò)比較實(shí)際角是否大于最小關(guān)斷角min 來(lái)判斷換相失敗的發(fā)生。但在實(shí)際工程中，準(zhǔn)確測(cè)量角非常困難，所以通常會(huì)通過(guò)其他預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)判斷LCC-HVDC 是否發(fā)生換相失敗。

（二）臨界電壓跌落法

臨界電壓跌落法通過(guò)比較故障時(shí)換相電壓跌落值與臨界電壓跌落值的大小來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生換相失敗。

三、換相失敗影響因素分析

（一）最大換相提供面積

換相電壓和積分時(shí)刻是最大換相提供面積的主要影響變量，因此可將最大換相提供面積的影響因素分為三類。缺額換相面積表示由于影響因素變化而缺失的換相面積；增補(bǔ)換相面積表示影響因素變化后為完成換相過(guò)程而增加的換相面積；不變換相面積則表示影響因素變化前后換相面積保持不變的部分；虛線面積表示影響因素變化前后最大換相提供面積的減小量。直流電流與換相電抗是換相需求面積的主要影響變量，且由于換相電抗為固定參數(shù)，故換相需求面積主要由暫態(tài)直流電流決定。換相需求面積與直流電流大小成正比。當(dāng)直流系統(tǒng)所傳輸?shù)姆€(wěn)態(tài)功率越大時(shí)，其穩(wěn)態(tài)直流電流也越大，直流閥組完成換相過(guò)程所需要的關(guān)斷面積也越大，因此在這種工況下直流更容易發(fā)生換相失敗。

（二）多饋入直流結(jié)構(gòu)對(duì)換相失敗的影響

多饋入結(jié)構(gòu)給交直流混聯(lián)系統(tǒng)的換相失敗問(wèn)題帶來(lái)了新的變化。多饋入直流中某一直流的本地?fù)Q相失敗問(wèn)題，但由于多饋入直流系統(tǒng)中直流逆變側(cè)不同層閥組間以及不同直流間均存在電氣耦合，系統(tǒng)暫態(tài)特性更為復(fù)雜，因而多饋入直流系統(tǒng)中除了故障端閥組的首次、后續(xù)換相失敗問(wèn)題外，還增加了非故障端閥組的并發(fā)換相失敗問(wèn)題。多饋入結(jié)構(gòu)對(duì)并發(fā)換相失敗的影響因素可以大致分為以下幾個(gè)方面。

1.諧波分量耦合

諧波傳遞也是造成多饋入直流系統(tǒng)并發(fā)換相失敗的重要原因。但是諧波因素所產(chǎn)生的影響往往很難準(zhǔn)確預(yù)知和計(jì)算，由此也給工程中的換相失敗分析和控制帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段有部分研究基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析了多饋入直流系統(tǒng)中的諧波耦合規(guī)律。文獻(xiàn)指出，由于諧波分量的影響，多饋入直流系統(tǒng)中存在異常換相失敗的現(xiàn)象，即遠(yuǎn)端直流發(fā)生同時(shí)換相失敗的可能性曲線會(huì)隨故障程度增加先增加、后減少、再增加，但文獻(xiàn)沒(méi)有進(jìn)一步分析故障程度不同引起諧波分量變化的具體機(jī)理。文獻(xiàn)指出，濾波器的投切作業(yè)可能會(huì)引起諧波不穩(wěn)定問(wèn)題，且由于多饋入直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式較多，濾波器的投切動(dòng)作組合也較多，在某些工況下會(huì)使得諧波分量振蕩放大導(dǎo)致多饋入直流發(fā)生同時(shí)換相失敗。但同樣的，文中并沒(méi)有給出引發(fā)諧波不穩(wěn)定問(wèn)題的定量分析。通過(guò)傅里葉分解對(duì)暫態(tài)過(guò)程中換相電壓的諧波分量進(jìn)行了定量分析，指出低次諧波是造成多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的重要原因，給出了諧波因素的理論分析思路，但方法所依賴的傅里葉分析在工程中缺乏實(shí)用性。為增強(qiáng)傅里葉分析在工程中的實(shí)用性，文獻(xiàn)提出了滑動(dòng)窗口傅里葉分析方法，為工程中的諧波分析提供了具有應(yīng)用價(jià)值的解決思路。相較于諧波產(chǎn)生機(jī)理的研究，工程中更關(guān)注如何采用準(zhǔn)確有效的方法對(duì)換相電壓的諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，從而為換相失敗預(yù)防控制提供有效指導(dǎo)。因此現(xiàn)階段多饋入直流系統(tǒng)換相失敗研究中，諧波因素的工程實(shí)用化分析方法仍是研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。

2.特殊結(jié)構(gòu)影響

在多饋入直流系統(tǒng)中存在分層以及多端單層的特殊結(jié)構(gòu)，其不同饋入端之間的換相失敗耦合作用機(jī)制更為復(fù)雜。分層及多端單層結(jié)構(gòu)中直流逆變側(cè)不同層閥組分別設(shè)置了獨(dú)立的閥組級(jí)控制系統(tǒng)，由于其饋入端交流系統(tǒng)故障暫態(tài)特性不同，其控制響應(yīng)也不盡相同，在某些情況下控制響應(yīng)的配合不當(dāng)會(huì)引起非故障層發(fā)生同時(shí)換相失敗。例如，由于非故障層交流電壓跌落較輕，其CFPREV 不啟動(dòng)，但受直流電流增大影響，可能導(dǎo)致其發(fā)生同時(shí)換相失敗[33]。除此之外，分層和多端單層結(jié)構(gòu)中逆變側(cè)。

閥組為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，流過(guò)高低端閥組的直流電流是相同的，當(dāng)某端交流側(cè)發(fā)生故障引起故障層閥組換相失敗后，會(huì)使直流電流增大并引入諧波分量。當(dāng)直流電流或諧波分量的大小達(dá)到一定程度后可能會(huì)引發(fā)非故障層閥組發(fā)生同時(shí)換相失敗。目前鮮有研究從此角度對(duì)多饋入直流換相失敗進(jìn)行分析，其具體的影響作用規(guī)律有待進(jìn)一步探究。

四、換相失敗抑制措施

（一）首次換相失敗的抑制措施

首次換相失敗的主要影響因素包括換相電壓降落幅值、幅值變化速率、故障發(fā)生時(shí)刻以及直流電流。由于首次換相失敗發(fā)生的快速性，無(wú)功補(bǔ)償裝置和直流控制系統(tǒng)難以在交流系統(tǒng)故障發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)提高換相電壓幅值或降低直流電流。而交流系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)刻具有隨機(jī)性，從故障發(fā)生隨機(jī)性的角度也難以給出相應(yīng)的抑制措施。

（二）后續(xù)換相失敗的抑制措施

由于逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)任何措施都無(wú)法避免后續(xù)換相失敗，因此，首要問(wèn)題是盡快切除故障，這也是從電網(wǎng)側(cè)抑制后續(xù)換相失敗的最有效措施。此外，后續(xù)換相失敗可以通過(guò)電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和直流系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。

（三）基于觸發(fā)角的抑制方法

現(xiàn)有基于觸發(fā)角控制的換相失敗抑制方法主要是當(dāng)檢測(cè)到可能會(huì)引發(fā)換相失敗的交流故障時(shí)，按照預(yù)設(shè)的規(guī)則減小逆變器延遲觸發(fā)角，從而實(shí)現(xiàn)提前觸發(fā)。文獻(xiàn)提出的換相失敗預(yù)防控制策略廣泛應(yīng)用在高壓直流輸電工程中，當(dāng)故障檢測(cè)分量超出其閾值時(shí)，啟動(dòng)提前觸發(fā)控制，并將差值轉(zhuǎn)換為觸發(fā)角的提前量。有提前觸發(fā)換流器時(shí)的電壓波形如圖8 所示。可見(jiàn)提前觸發(fā)能使預(yù)計(jì)關(guān)斷的換流閥在換相過(guò)程中承受更大的反向電壓時(shí)間面積，有利于換相。然而，提前觸發(fā)也存在一些諸如增大電氣應(yīng)力、增大無(wú)功損耗等不利影響。

（四）基于全控型器件的抑制方法

換相失敗的物理本質(zhì)是晶閘管缺乏自關(guān)斷能力，而采用可以自關(guān)斷的全控型器件如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）可以從根本上避免換相失敗的問(wèn)題。基于全控型器件的換流器如電壓源換流器具有靈活可控的優(yōu)點(diǎn)，完全避免換相失敗的問(wèn)題。但是采用全控型器件的高壓直流輸電系統(tǒng)建設(shè)成本較高，另外電壓等級(jí)和傳輸容量受限。因此，在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，LCC-HVDC 在遠(yuǎn)距離、大容量輸電中的地位仍然無(wú)法被取代。可以采用折中型方案，送端整流側(cè)采用基于LCC 的換流站，受端逆變側(cè)采用基于電壓源換流器的換流站。構(gòu)建混合直流輸電系統(tǒng)，避免換相失敗的問(wèn)題。文獻(xiàn)在換流閥和換流變之間串聯(lián)了基于IGBT 器件構(gòu)成的全橋模塊，其能夠根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)子模塊的輸出電壓，促進(jìn)換相過(guò)程的順利完成，提高換流閥的換相失敗抵御能力。

（五）基于交流保護(hù)優(yōu)化的抑制方法

基于交流保護(hù)優(yōu)化的抑制方法（Lc）現(xiàn)有換相失敗的研究對(duì)交流保護(hù)造成的后續(xù)換相失敗考慮較少。交流故障發(fā)生后，按照現(xiàn)有直流控制系統(tǒng)邏輯，容易引發(fā)直流閉鎖。而交流保護(hù)對(duì)故障進(jìn)行切除后，直流系統(tǒng)尚不能恢復(fù)正常運(yùn)行。交流保護(hù)中，方向元件、重合閘、死區(qū)保護(hù)與失靈保護(hù)都有可能使得高壓直流從首次換相失敗演化為連續(xù)換相失敗。文獻(xiàn)分析了換相失敗后直流系統(tǒng)對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。分析結(jié)果表明高壓直流換相失敗可能會(huì)造成區(qū)內(nèi)故障時(shí)制動(dòng)量大于動(dòng)作量，引發(fā)保護(hù)的拒動(dòng)。而通過(guò)僅基于幅值的判據(jù)能很好地識(shí)別區(qū)內(nèi)故障，通過(guò)與傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)判據(jù)相配合，可以避免差動(dòng)保護(hù)據(jù)動(dòng)。從而可以清除故障，避免連續(xù)換相失敗的發(fā)生。

結(jié)論

晶閘管關(guān)斷時(shí)間內(nèi)無(wú)法阻斷正向電壓是換相失敗發(fā)生的器件原因，交流系統(tǒng)電氣量不滿足可靠換相條件是換相失敗發(fā)生的系統(tǒng)原因。換相失敗主要由逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障引起，按照換相失敗發(fā)生次序，換相失敗可以分為首次換相失敗和后續(xù)換相失敗2 種，不同換相失敗情況影響因素不同，相應(yīng)的有效抑制措施也不同。