直流換相失敗原因及對策研究

劉 超潘 巖韓 偉

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；2.國網河南省電力公司營銷服務中心，河南 鄭州 450051）

0 引言

為了加快轉變電力的發展方式，提升電網大范圍優化配置資源的能力，國家電網公司提出建設以特高壓電網為骨干網架的堅強智能電網的戰略目標。隨著我國進入特高壓交直流混聯電網階段，“強直弱交”結構中所呈現出的故障復雜化、全局化特征使換相失敗問題日益突出。據統計，約90%的換相失敗是由交流故障引起的［1］，而電網網架薄弱、交流故障切除不及時也會導致換相電壓出現波動，極易引發換相失敗，從而導致直流閉鎖和功率波動，嚴重時甚至會出現連鎖故障和電網失穩，最終威脅到電力系統的安全穩定運行［2］。2014年，華東電網某500 kV線路單相故障跳閘重合不成功，導致近區特高壓直流連續兩次換相失敗，對送端長南線產生約1 600 MW的有功沖擊。綜上所述，提升對連續換相失敗的應對能力，對維護電力系統穩定運行具有重要意義。

目前，國內外學者對換相失敗的抑制策略進行了大量研究，并提出許多行之有效的方案，主要有改造換流器拓撲［3］、增加輔助設備［4-5］和優化控制保護策略［6-7］三類方法。從應用效果來看，改造換流器拓撲可有效避免直流輸電系統出現換相失敗，增加輔助設備和優化控制保護策略雖在一定程度上提升了換相失敗的抵御能力，但改造換流器拓撲或增加輔助設備存在著投資成本高等問題，在工程上二者的適用性有待進一步驗證，而優化控制保護策略只用調整軟件即可，經濟性和可操作性的優勢更為凸顯［8］。

1 換相失敗統計分析

1.1 換相失敗

換相失敗是晶閘管組成的半控型直流換流閥的固有特征。在換流器中，退出導通的閥在反向電壓作用下，一段時間內未能恢復阻斷能力，或在反向電壓期間換相過程未進行完畢，導致在閥電壓變成正向時，被換相的閥將向原來預定退出導通的閥倒換相，這種情況被稱為換相失敗。換相失敗是因換流閥應關斷而未關斷，導致直流側短路、交流側開路，從而導致功率出現波動。從本質上講，換相失敗是由晶閘管是半控型器件這一特性造成的，在現有技術條件下無法完全避免。

1.2 某換流站換相失敗統計

經統計，某換流站自2005年投運以來，共發生換相失敗285次，平均每年發生16.8次，且均為單次換相失敗，并未發生因連續換相失敗而導致的直流系統強迫停運事件。

對造成換相失敗的直接原因進行分析發現，在285次換相失敗中，263次換相失敗是由站外線路跳閘或交流系統擾動造成的，占比為92.3%；21次換相失敗是由站內220 kV并聯電容器投入造成的，占比為7.4%；1次換相失敗是由控保系統故障導致，占比為0.3%。由此可以看出，交流系統故障是引發該換流站換相失敗的主要原因。

2 換相失敗的影響因素

換相失敗本質上是由外部或內部因素導致逆變器關斷角γ過小，未在線電壓由負轉正時完全關斷晶閘管操作，出現倒換相現象［9-10］。

關斷角γ的計算公式見式（1）。

式中：UL為逆變側交流系統線電壓；Id為直流系統電流；β、γ分別為逆變器的超前觸發角、關斷角；Xc為從電源到換流器之間的等值電抗，主要由換流變漏抗組成，為固定值。

2.1 交流系統電壓

為了評估交流系統電壓的變化對換相失敗的影響，定義換相面積為換相電壓UL在換相角μ（超前觸發角β至關斷角γ）期間對時間的積分，剩余換相面積為換相電壓UL在關斷角γ至最小關斷角γmin期間內對時間的積分，換相面積裕度為剩余換相面積與換相面積的比值（見圖1）。當剩余換相面積或換相面積裕度小于0時，則換流閥會換相失敗。

圖1 換相面積示意圖

換流母線電壓暫降和畸變是影響換相面積的兩大因素。當交流系統發生故障時，會導致換流母線電壓降低，從而導致換相過程直接加長，在觸發角不變的前提下，造成換相角μ增大、關斷角γ減小，剩余換相面積減小，如圖2（a）所示；當交流系統發生故障導致換流母線電壓畸變時，會使電壓過零點前移，從而導致最小關斷角γmin直接前移，剩余換相面積相應減小，如圖2（b）所示。

圖2 交流電壓變化對換相面積的影響

2.2 直流電流

在換相電壓相同的前提下，直流電流越大，換相時直流電流減小到0所需的時間就越長，即換相角μ越大，在超前觸發角β一定的情況下，會使關斷角γ減小，剩余換相面積減小。換言之，直流電流越大，抵抗交流系統故障的能力越小，也越容易導致換相失敗。

2.3 超前觸發角

超前觸發角β增大（即提前觸發），關斷角γ也隨之增大，換相面積也會相應增大。

綜上所述，換相電壓暫降或畸變、直流電流增大、換流器觸發異常等都會造成剩余換相面積減小，當剩余換相面積小于0時將出現換相失敗。

3 換相失敗的抑制措施

該換流站自投運以來，換相失敗基本是由換流母線電壓跌落或畸變引起的，加強交流系統是有效避免換相失敗頻發的根本措施。控制系統影響換相的唯一因素就是觸發時刻，優化控制參數可小幅度提高對換相失敗的抵御能力。

為了抑制該換流站頻發換相失敗，本研究提出加強交流系統支撐、優化并聯電容器組的投入方式、優化直流控制參數等應對措施。

3.1 加強交流系統支撐

為避免交流系統故障造成的換相失敗，從系統角度考慮，提出了以下兩種方案。

3.1.1 新建調相機方案。在該換流站內部新建1臺100 MVA的調相機，其約為該換流站額定容量的28%。該方案雖不能增加與主網電氣的聯系，但母線短路的容量增加，有利于提高該換流站抵御系統故障電壓擾動的能力。

3.1.2 交流側改接入500 kV系統。在換流站內部新建1組聯絡變壓器，容量為450 MVA，電壓為525/230 kV，將原有的220 kV交流出線斷開。該方案將該換流站改接入500 kV系統中，使該換流站與區域220 kV系統的電氣距離變大，有利于提高該換流站抵抗系統故障電壓擾動的能力。

3.2 優化并聯電容器組投入方式

據統計，該換流站站內220 kV并聯電容器投入導致的換相失敗占比為7.4%。并聯電容器組投入時會對換流母線的電壓造成沖擊，建議該換流站的交流濾波器組開關加裝選相合閘裝置，以減小合閘對換流母線電壓的沖擊，從而降低換相失敗的發生概率。

3.3 優化直流控制參數

3.3.1 優化定關斷角控制器參數。將正常運行的定關斷角控制器的關斷角γ的參考值提高1°～2°。該換流站在正常運行時，逆變側采用定關斷角的控制方式，關斷角定值γ=17°，換相時超前觸發角β=37°。根據換相面積的概念，提高關斷角γ可增大換相面積裕度，從而降低換相失敗發生的概率。另外，考慮到要提高關斷角會造成無功損耗的加大等，關斷角的參考值不宜設置過大，建議將正常運行的關斷角參考值提高1°～2°。

3.3.2 優化換相失敗預測控制（CFPREV）參數。換相失敗預測控制用于防止由交流故障引起的換相失敗［11-12］。包括采用零序檢測法來檢測單相故障和采用交流電壓α/β轉換來檢測三相故障。為了提高直流連續換相失敗的抑制能力，可將換相失敗預測控制（CFPREV）環節控制參數進行優化。降低換相失敗預測控制的電壓門檻值，可在檢測到故障時能更快啟動，在故障引起換流母線電壓降低或畸變初期就介入觸發角控制；增大換相失敗預測控制的增益系數，在相同擾動的沖擊下，可提高換相失敗預測控制啟動后逆變側觸發角的躍變幅度，在故障引起換流母線電壓降低或畸變的早期就大幅度增加換相裕度。

4 效果分析

從具體措施、應用效果、缺點和不足等方面出發，對換相失敗的應對措施進行對比，結果如表1所示。

表1 不同換相失敗應對措施效果對比

5 結語

本研究對某換流站自投運以來發生的285次換相失敗進行統計，并基于換相面積理論來分析換相電壓等因素造成換相失敗的機理。為提高該換流站換相失敗的應對能力，本研究提出加強交流系統支撐、優化并聯電容器投入方式和優化直流控制參數等措施來應對換相失敗。經對比分析，加強交流系統支撐的應用效果雖好，但要進行一次系統改造，投資大、改造工期長，投入產出比不高；優化并聯電容器組投入方式和直流控制參數具有良好的應用效果，建議結合該換流站的年度檢修對其進行改造。