基于换流站换相失败预防控制的分析与处理

殷培峰，孙红英

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着我国国民经济的增长、用电需求不断增加，采用超远距离、超大容量的电力传输成为必然，为减少输电线路的损耗和节约土地资源，需要一种经济高效的输电方式，特高压直流输电技术恰好迎合了这一要求。目前，我国已成为世界上直流输电线路最多、输送容量最大的国家。由于直流输电系统中换流站受交流电压幅值降低、直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移等因素的影响，换流站换相失败的故障时有发生。特别是在多馈入直流系统中，因换流站之间的相互作用，换相失败更为敏感［1］。若不采取正确的控制措施，将会导致传输功率中断和增加换流站设备的应力，严重时会导致直流系统闭锁。为提高输电的稳定性和电网的安全运行水平，必须采取有效措施，保证高压直流输电系统的正常运行。

1 换流站换相失败的因素分析

1.1 逆变器换相相关的主要参数

高压直流输电系统中大部分的换相失败故障多发生在换流器的逆变器中。如图1为逆变器发生换相失败时的电压波形。其中U表示逆变器交流侧的三相电压ua、ub、uc的相电压;Ud为直流侧电压;α是逆变器触发延迟角;β是触发超前角;γ是逆变器熄弧角;μ是逆变器换相角。如果熄弧角γ小于γmin时，逆变器发生换相失败。γmin为极限熄弧角，其值与晶闸管的参数、晶闸管承受的电压与电流有关，并随电压、电流的增大而增大。逆变器的整流电压平均值可表示为:

图1中换相失败发生在阀⑥向阀②换相的过程中。在此过程中，阀⑥导通为一个周波，是正常运行情况的三倍［2］，在阀⑥与阀③导通的周期内，系统直流电压为零，功率传输中断。

图1 逆变器发生一次换相失败时的电压波形

1.2 影响逆变器换相失败的主要因素

若交流系统对称，逆变器的熄弧角为γ1，若交流系统出现不对称故障时，且换相线电压过零点前移角度φ时［3］，熄弧角为γ2，其表达式分别为:

由上述公式可看出，当逆变器交流侧线电压UL下降和过零点前移、电流Id增大、触发角β过小、逆变器熄弧角γ减小等都有可能使换相失败，因而高压直流输电系统在运行过程中，引发换相失败的原因有以下几方面:

(1)逆变器内部故障。晶闸管触发电路工作不可靠，不能准确地为晶闸管提供工作脉冲。如脉冲延迟、脉冲缺失、误触发等。

(2)逆变器阀两端的交流电压出现下降;

(3)由于交流系统不对称故障引起逆变器换相电压相角前移;

(4)交流系统出现的暂态过程和谐波造成换相电压波形畸变;

(5)逆变器阀的控制系统中，存在触发超前角β或熄弧角γ的整定值过小。

就多馈入直流输电系统，如果一个逆变站的换相失败，会引发其他逆变站的换相。因此，逆变站之间的电气耦合关系会影响到其余逆变站发生换相失败的主要因素［4］。另外，换流站交流系统故障的出现地点、故障的严重性也会对多馈入直流输电系统换相失败具有较大的影响。

2 换流站换相失败的预防与处理

换流站换相失败发生的基本原因是关断角太小。当交流系统故障引起换相电压幅值下降，会导致换相裕度减小。要抑制换相失败，以前的方法是增大换相裕度，但增大换相裕度的同时，也提高了无功功率的消耗。目前抑制换相失败的方法是通过采用换相失败预防控制器(CFPREV)和强迫换相换流器来实现。

2.1 通过换相失败预防控制器处理换相失败

换相失败预防控制器(CFPREV)，就是在当控制系统检测到交流系统故障时立刻提前触发，这个附加的相位角实际上增大了换相裕度。图2为该控制系统的原理图。其控制系统由两个并列的部分组成:一部分是用来检测单相故障的零序检测器;另一部分是用于abc－αβ变换的三相故障检测器。

就直流系统出现的不对称故障中，经常发生的故障是单相故障。此类故障发生时，在换流站的三相母线电压中含有零序电压。按照三相瞬时电压值理论［5］，图2中的Z_DIFF信号为:U0=Ua+Ub+Uc。若没有检测到更高值，可将最大值保留。若Z_DIFF大于设定值，从模块MAX_HOLD中输出的Z_DIFF信号就是最终的触发角。

对于abc－αβ变换的三相交流故障检测器，在换流站换相预防控制器中，abc－αβ变换方程是:

其中Uα与Uβ是矢量Uαβ在平面αβ中α轴和β轴的投影。

图2中的信号ALPHA_BETA_SUM的大小等于旋转矢量Uαβ的幅值，其表达式为:

若换流站三相电压是对称的，则信号ALPHA_BETA_SUM是直流分量。信号ALPHA_BETA_SUM输出两路:一路输送到比较器;另一路作为故障前电压，传输到比较器。当交流系统出现故障时，将信号ALPHA_BETA_SUM与滤波后的信号进行对比。若两者相差大于设定值，可判定逆变器端出现了电压降［6］。通过选择Z_AMIN和ABZ_AMIN的最大值，作为控制器的最后输出AMIN_CFPREV，使触发时刻提前，导致换相裕度增大。将换相失败预防控制系统放在DSP控制器中，以70ms为步长，相当于交流系统中相对应的1.26°分辨率，确保控制系统对电压下降有快速反应。

图2 换流站换相失败预防控制器模块

2.2 通过强迫换相换流器预防换相失败

对于电网换相换流器，如果关断角γ过小，则可能发生换相失败故障。随着直流电流的增加，换相角u变大，更容易导致换相失败，同时在运行中要消耗大量的无功功率。随着技术的发展，电容器制造水平和质量的大幅度提高，提出在换流器和换流变压器之间串联电容器进行强迫换相的方法来预防换相失败，降低换流器消耗的无功功率。

强迫换相换流器包含电容换相换流器(CCC)，以及可控串联电容换流器(CSCC)。电容换相换流器是在换流器和换流变压器之间串联换相电容器而构成的。可控串联电容换流器是在电容换相换流器的基础上发展而来的。将串联电容器接在换流母线和交流滤波器之间，通过控制反并联晶闸管的触发角，实现电容器电容数值的改变。

图3 电容换相换流器电路

如图3所示。换流器的换相电压是换流变压器阀侧电压与换相电容器两端电压的代数和。换相电容器端电压Uc与直流电

由此可见，随着直流电流的增大，换相电容器端电压变高，同时使换相电压滞后于换流变阀侧电压更多。由于换相电容器附加电压的影响，使CCC的换相电压滞后换流变阀侧电压一个角度θ，从而使阀臂上实际的线电压过零点比交流系统提供的线电压过零点滞后同一个角度。因此当逆变器的触发超前角β＜0时，仍有一个足够大的关断角γ来保证换相的顺利进行［7］。同理，当逆变站交流母线电压降低时，换相电容器上的电压成正比地减小，换相角u变化不大，关断角γ变大。即使换流母线电压瞬时降到接近于零，换相还有可能成功，因为换相电压可以全部由电容器上的附加电压提供。因此CCC在直流电流升高和交流母线电压降低时，引起换相失败的可能性很小，从而有效防止换相失败。

3 结束语

由于直流输电换流站受交流电压幅值降低、直流电流突增、交流换相电压过零点相角偏移等因素的影响，与弱交流系统相连的逆变器容易发生换相失败。尤其是在多馈入直流系统中，因换流站之间的相互作用，换相失败更为敏感。通过采用换相失败预流Id及阀的导通时间+成正比，与换相电容器的电容量C成反比，即可表示为:防控制器和强迫换相换流器有效预防换相失败。防止直流输电系统发生不对称故障时产生的直流输电传输功率中断和增加换流站设备的应力的事故，避免直流系统出现闭锁。保证高压直流输电系统的正常运行。

［1］ 何朝荣，李兴源.高压直流输电系统换相失败的判断标准［J］.电网技术，2006，30(22):19 －23.

［2］ 赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］ DING Hui，HAN Minxiao.User－defined HYDC Reactive Power Control Modeling for System Stability Studies In PSASP［C］.Proceedings of IEE APSC0M2006.Hongkong，2006.

［4］ Ding Hui，Han Minxiao.Detailed Modeling of China－Russia Heihe Backto－Back HVDC Project Using PSCAD/EMTDC［C］.The Proceedings of 3rd International Conference on DRPTNanJing，2008.

［5］ 陈树勇，李新年.基于正余弦分量检测的高压直流换相失败预防方法［J］. 中国电机工程学报，2005，25(14):1 －6.

［6］ 马玉龙，肖湘宁.交流系统接地故障对HVDC的影响分析［J］.中国电机工程学报，2006，26(11):144 －149.

［7］ 文俊，张一工.轻型直流输电—种新一代的HVDC技术［J］.电网技术，2003，27(1):47－51.