HVDC輸電系統(tǒng)臨界換相電壓及影響因素

王云昊,何夢(mèng)琪,黃超群

(1.國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司,天津 300113; 2.天津市金鼎線材制品科技開發(fā)有限公司,天津 300222; 3.天津經(jīng)緯電材股份有限公司,天津 300353)

HVDC輸電系統(tǒng)臨界換相電壓及影響因素

王云昊1,何夢(mèng)琪2,黃超群3

(1.國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司,天津 300113; 2.天津市金鼎線材制品科技開發(fā)有限公司,天津 300222; 3.天津經(jīng)緯電材股份有限公司,天津 300353)

分析了換相失敗期間閥電流特性然后從閥電流的角度給出了臨界換相電壓的定義及表達(dá)式,進(jìn)而詳細(xì)分析了影響臨界換相電壓的各種因素。分析發(fā)現(xiàn)基于臨界換相電壓的角度能更全面的分析換相失敗的機(jī)理。根據(jù)影響因素的分析結(jié)果提出了減少換相失敗發(fā)生的措施。最后通過國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

換相失敗;臨界換相電壓;平波電抗器

1 前言

在換相電壓反向 (具有足夠的去游離裕度)之前未能完成換相的故障稱為換相失敗。換相失敗不是由于對(duì)換流閥的誤操作引起的,而是由于換流閥外部電路的條件引起的[1]。換相失敗是HVDC系統(tǒng)中最常見的故障之一,它將導(dǎo)致直流電壓下降和直流電流增大。若采取的控制措施不正確,還可能引發(fā)后繼的換相失敗故障,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響換流設(shè)備的正常運(yùn)行,造成直流功率傳輸?shù)闹袛?對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大的影響[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)換相失敗進(jìn)行了大量的研究[3-8]。文獻(xiàn) [3]分析指出逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障是造成換相失敗的主要原因,不對(duì)稱故障時(shí)的恢復(fù)速度比對(duì)稱性故障時(shí)要快;文獻(xiàn) [4]研究了在不同的交流系統(tǒng)故障條件下濾波換相換流器與普通逆變器的換相過程,分析結(jié)果指出濾波換相換流器能更好的防止換相失敗的發(fā)生;文獻(xiàn) [5]提出了一種基于正余弦預(yù)防換相失敗的方法,該方法在電壓過零故障時(shí)能快速啟動(dòng),且在三相故障時(shí)也有明顯的預(yù)防效果;文獻(xiàn) [6]詳細(xì)探討了HVDC輸電系統(tǒng)換相失敗的檢測(cè)和恢復(fù)策略;文獻(xiàn) [7]指出不管換流母線處的電壓波形如何,只要是在換相過程中換相電壓達(dá)到一定的平均值就能完成換相過程;文獻(xiàn) [8]基于換相面積的觀點(diǎn)給出了故障情況下電壓降落ΔU和不對(duì)稱故障時(shí)電壓過零點(diǎn)相移的計(jì)算公式,并計(jì)算出導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生的壓降限值。但文中假設(shè)逆變側(cè)交流系統(tǒng)是無窮大的,并且故障時(shí)電壓波形是完整的,這些假設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)中略顯苛刻。

本文首先分析了換相失敗期間閥電流特性,然后從閥電流的角度推導(dǎo)了臨界換相電壓的定義及表達(dá)式?；谂R界換相電壓的角度分析了影響換相失敗的因素,分析發(fā)現(xiàn)利用臨界換相電壓的概念能更全面的分析換相失敗的機(jī)理。最后通過國際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)標(biāo)準(zhǔn)高壓直流輸電測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

2 閥電流特性研究

三相全波橋式逆變器等效電路如圖1所示。圖中Lc表示換相電感;ea、eb、ec表示交流母線的電壓。

圖1 三相橋式逆變器等效電路

逆變側(cè)閥v1與閥v3電流的典型變化特征如圖2所示[1]。通過對(duì)式 (1)求二階導(dǎo)數(shù)可以得出閥v3電流波形為凸形,而閥v1電流波形為凹形。正常換相情況下,在非換相期間流過導(dǎo)通閥v1的電流等于正常的直流電流Id,然后經(jīng)過換相過程退出導(dǎo)通;閥v3的電流從零開始上升到直流電流Id,如圖2(c)所示。如果由于某種原因,比如交流側(cè)在t0時(shí)刻發(fā)生故障導(dǎo)致?lián)Q相過程并未完成,那么本應(yīng)截止的閥v1會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通,而閥v3電流由零先增大到某值再減小至零,如圖2(a)、2(b)所示。需要指出的是,由于直流控制的原因,交流側(cè)故障時(shí)流過導(dǎo)通閥的電流不再等于Id,而是呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性,這在第五部分仿真驗(yàn)證閥電流特性中將進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3 臨界換相電壓的研究

假設(shè)圖1中交流母線電壓為：

圖2 不同換相過程閥電流波形圖

則在正常換相過程中,i1、i3的表達(dá)式如下所示[1]：

式中,α表示觸發(fā)角,Em表示交流母線電壓的最大值。

當(dāng)交流側(cè)故障使得交流母線電壓降為E憶m,而此電壓恰好會(huì)引發(fā)換相失敗故障,稱此時(shí)的電壓為臨界換相電壓。臨界換相電壓的推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)交流母線電壓幅值Em突然下降,直流控制器尚未動(dòng)作,即換流器觸發(fā)角α保持不變。交流側(cè)電壓下降前直流側(cè)電流為[1]：

考慮到整流側(cè)一般為定電流控制,為維持直流電流恒定不變,當(dāng)逆變側(cè)交流電壓下降時(shí),關(guān)斷角下降至γ憶,即：

事實(shí)上直流電流將會(huì)上升,當(dāng)直流電流上升到Id’使得逆變側(cè)關(guān)斷角下降至最小允許值γ0時(shí),將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

假定與最小關(guān)斷角γ0對(duì)應(yīng)的換相角為μ憶,于是當(dāng)電流i1的幅值在ωt=α+μ’時(shí)仍然大于0就表示發(fā)生了換相失敗故障。將上述條件代入式(2)i1的表達(dá)式可得：

考慮到 α+μ’=π-γ0,把式進(jìn)一步化簡可得：

式 (6)便是臨界換相電壓的表達(dá)式。

4 臨界換相電壓的影響因素分析

4.1 臨界換相電壓影響因素的具體分析

由式 (6)可以看出,臨界換相電壓與觸發(fā)角α、換相電感LC以及Id憶都有關(guān)系。下面分別論述各因素對(duì)臨界換相電壓的影響。

(1)對(duì)逆變側(cè)而言,由于觸發(fā)角α＞π/2,因此隨著觸發(fā)角α增大,臨界換相電壓Em’也增大,表示越容易發(fā)生換相失敗故障。

因此從臨界換相電壓的角度來看,當(dāng)檢測(cè)到故障發(fā)生時(shí)要給觸發(fā)角控制器一個(gè)角度附加量,以提前觸發(fā)防止換相失敗的發(fā)生。

(2)換相電感LC增大,臨界換相電壓Em’增大,越容易發(fā)生換相失敗故障。換相電抗主要由變壓器的漏抗組成,因此要減小換相失敗發(fā)生的機(jī)率,就要將繞組之間的短路阻抗設(shè)計(jì)的小些,但同時(shí)又要避免短路電流過大的問題,因此只能適當(dāng)降低變壓器的漏抗。

4.2 平波電抗器對(duì)換相失敗的影響

平波電抗器一般串聯(lián)在每個(gè)極和直流線路之間,它可以抑制換相失敗后直流電流的上升速率,以避免繼發(fā)性換相失敗的發(fā)生[2]。通過臨界換相電壓的分析可以得出如果故障期間直流電流If達(dá)不到Id’的大小,進(jìn)而換相電壓可以維持在臨界電壓以上,則換相失敗故障不會(huì)發(fā)生。因此要尋找措施來降低故障期間直流電流If的大小。

圖3藍(lán)色虛線、紅色實(shí)線分別表示平波電抗器的電感值分別為L=0.5968 H、L=1.1968 H時(shí)直流電流If的波形圖。由圖3可以得到當(dāng)L= 0.5968 H時(shí),max(If)=1.36pu;L=1.1968 H時(shí),max(If)=1.24pu。因此增大平波電抗器的電感值能降低If的幅值。

圖3 不同平波電抗器下If電流波形

由上述分析可知,平波電抗器不僅能防止繼發(fā)性換相失敗的發(fā)生,也能避免一次換相失敗的發(fā)生。

5 仿真驗(yàn)證

CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)是用于HVDC控制研究的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),采用HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型仿真可得到共性和普遍性的研究結(jié)論,仿真模型如圖4所示,其中平波電抗器電感L=0.5968 H,設(shè)置故障點(diǎn)為F。仿真分析包括三部分：(1)仿真驗(yàn)證平波電抗器對(duì)換相失敗的影響;(2)仿真驗(yàn)證閥電流特性。

圖4 仿真模型

5.1 平波電抗器對(duì)換相失敗的影響

假設(shè)系統(tǒng)在F點(diǎn)發(fā)生了A相接地故障,過渡電阻為85Ω,故障時(shí)刻為0.5s,故障持續(xù)時(shí)間0.05s。圖5(a)表示的是當(dāng)平波電抗器的電感L=0.5968 H時(shí),D橋中閥v3,閥v5的電流波形對(duì)比;圖5(b)表示的是L=0.9 H時(shí)閥v3的電流波形。通過閥電流波形可以看出：L=0.5968 H,閥v3持續(xù)導(dǎo)通,而本應(yīng)導(dǎo)通的閥v5并沒有導(dǎo)通,發(fā)生了換相失敗故障;L=0.9 H時(shí)閥v3正常導(dǎo)通,而且從其他閥電流波形可以看出此時(shí)整個(gè)D橋都未發(fā)生換相失敗。因此增大平波電抗器的電感值可以防止換相失敗的發(fā)生。

圖5 D橋閥電流波形

5.2 閥電流特性分析

由圖5(a)可以看出換相開始時(shí),閥v3的電流先減小,但由于交流故障的原因沒有減小到零,隨后又繼續(xù)開始導(dǎo)通,但此時(shí)的閥電流明顯大于正常的直流電流Id,這是因?yàn)橹绷骺刂粕形撮_始作用,交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流電流增大的緣故;閥v3持續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間后,其閥電流在隨后導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)幅值明顯小于Id,這是由于整流側(cè)定電流控制和低壓限流環(huán)節(jié)起作用的緣故。而閥v5由于換相失敗的緣故,其閥電流先增加到一定數(shù)值,然后迅速降為零。隨后開始導(dǎo)通時(shí),閥電流也明顯變小,這是因?yàn)橹绷骺刂频淖饔?最后閥電流大小恢復(fù)正常。

6 結(jié)束語

文中基于閥電流特性給出了臨界換相電壓的表達(dá)式,該方法不需要假設(shè)條件,并且解析式比較簡潔。特別的通過臨界換相電壓的角度能更好的分析換相失敗與平波電抗器的關(guān)系,并得出了幾點(diǎn)重要結(jié)論：

1)由于直流控制的原因會(huì)導(dǎo)致閥電流特性表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性,但也呈現(xiàn)出了一定的規(guī)律性：當(dāng)交流側(cè)故障剛發(fā)生時(shí),由于直流控制作用尚未投入,導(dǎo)致了流過導(dǎo)通閥的電流增大;當(dāng)直流控制起作用,特別是VDCOL投入會(huì)使流過導(dǎo)通閥的電流減小。

2)臨界換相電壓與許多因素有關(guān),比如觸發(fā)角、換相電抗等。

3)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境允許的情況下,增大平波電抗器的電感值能對(duì)防止換相失敗的發(fā)生有一定的積極作用。

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何夢(mèng)琪,女,助理工程師,天津市金鼎線材制品科技開發(fā)有限公司。

黃超群,女,碩士,助理工程師,天津經(jīng)緯電材股份有限公司。

Research on Critical Commutating Voltage and Its Influencing Factors in HVDC Transmission System

WANG Yunhao,HE Mengqi,HUANG Chaoqun
(1.State Grid Tianjin Electric Power Company,Tianjin 300113; 2.Tianjin Jinding Power Cable Technology Development Company,Tianjin 300222; 3.Tianjin Jingwei Electric Wire Co.Ltd.,Tianjin 300353)

Commutation failure is one of the most common faults in HVDC transmission system,which has a strong link with the commutating voltage.In this paper,the characteristic of valve current is analyzed at first and the definition of critical commutating voltage is put forward.Then,the influencing factors of critical commutating voltage are all analyzed in detail.It is found that it can analyze the principle of commutation failure better from the perspective of critical commutating voltage.According to the analysis result,some countermeasures are proposed to prevent the commutation failure.At last,the standard test model based on CIGRE proves the conclusions to be true.

commutation failure;critical commutating voltage reduction;smoothing reactor

TM73

B

1006-7345(2014)03-0077-04

2014-02-19

王云昊,男,碩士,助理工程師,國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司,主要從事調(diào)控運(yùn)行工作 (e-mail)lunwenzy2013@163.com。