特高压直流输电系统逆变站换相失败对整流站的影响及其保护配置策略优化建议

禹佳，孙文，李琨，刘俊杰

(国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川宜宾644000)

特高压直流输电系统逆变站换相失败对整流站的影响及其保护配置策略优化建议

禹佳，孙文，李琨，刘俊杰

(国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川宜宾644000)

换相失败是特高压直流输电系统最常见的动态故障之一。以宾(宜宾)—金(金华)特高压直流发生的任一桥换相失败造成的异常扰动为例，理论分析其成因，详述换相失败后整流侧交流系统频率、电压、无功的暂态特性，进而研究对400 V负荷(主泵软启动器、外冷风机、换流变压器冷却器)的后续影响;并试着剖析了区域电网间多回特高压直流系统同时换相失败对同一送端电网系统稳定的影响。最后结合CFPREV(换相失败预测)逻辑模块分析了宜宾站换相失败保护策略，并提出合理的优化建议。

特高压直流输电;暂态特性;多回直流;同时换相失败;400 V负荷;CFPREV

0 引言

换相失败是逆变器和交流系统故障发生后的物理过程。绝大多数换相失败是由交流电压扰动引起，并且在目前设备情况下是不可避免的，它因此成为区域性互联直流输电系统常见的故障现象之一。据全国换流站多年运行经验，换相失败多发生在逆变侧。如果换相失败后控制不当，会引发多次连续换相失败，最终可能会导致直流传输功率的中断。且在目前形势下，特高压直流系统大密度接入交流电网，直流输电系统众多，送出、流入的直流系统并存，交直流电网混联，使得交直流系统间的影响应该更受关注，因此研究换相失败对直流输电影响具有重要的理论及现实意义。

1 换相失败过程的理论分析

实际工程中，整流站和逆变站是12脉动换流阀，等效为两个相位相差30°的6脉动桥。正常情况下触发角与触发越前角有如下关系［1］。

式中:β为触发越前角;α为触发角。

换相角μ的计算公式如式(2)。

式中:Id为直流电流;Xr为换相电抗;E为换相电压;γ为熄弧角。换相角与触发越前角和熄弧角的关系如式(3)所示。

在逆变器运行过程中，以阀V1对阀V3的换相过程为例，如图1波形所示。

图1 逆变器换相过程

如果阀V3触发时刻P3的越前角β3不够大，或换相角μ13较大，以致换相结束后阀V1的熄弧角γ1小于关断所需要的角度(时间)，则过了C6点后，由于阀V1元件内还有剩余载流子，因此在正向电压作用下即使不加触发也会重新开通，阀V3已取得的电流又将倒换相到阀V1，倒换相结束时刻，阀V3关断。

倒换相结束后逆变器仍有阀V1和阀V2导通着，如果没有故障控制，仍按原来的次序触发以后各阀，则在P4时刻阀V2与阀V4开始换相，这时由于阀V1和阀V4同时导通，造成了直流侧短路。直到阀V6导通后，直流短路才消失，逆变器直流电压开始逐渐恢复正常。如果阀V1和阀V3再次换相时不发生换相失败的故障，就能自行恢复正常运行，可以计算出发生换相失败到自行恢复，持续约100 ms以上，故障过程中逆变器反电压下降历时240°［1］。

因此，逆变器运行中熄弧角γ非常重要，它的大小将影响阀是否可以成功关断。由上述分析及公式(3)，可以得知造成换相失败的原因有:

1)逆变器的换相电压下降。在触发越前角β不变的情况下，换相电压的降低增大了换相时间和换相角μ，从而使γ减小。

2)逆变器侧交流系统不对称故障。这种故障会引起作为换相电压的交流线电压的过零点移动;当过零点前移时，γ角就减小。

3)直流电流Id增大，使换相所需时间增加，也就是相应的换相角μ增大，所以γ也随之减小。

4)触发越前角β过小，整定的熄弧角γ过小，或者由于触发脉冲异常(不触发或误触发)导致阀不能按正常次序进行换相。

2 逆变站换相失败导致整流站异常扰动实例

夏季等大负荷运行期间，交流电网因跳闸、雷击等原因极易出现扰动，造成逆变站换相失败。自2014年7月3日至2015年7月3日受华东交流系统扰动影响，金华换流站共发生30多次换相失败。

2.1 逆变站换相失败对整流站直流系统的影响

逆变站出现换相失败扰动时，查看整流站故障录波，扰动时整流站的直流系统波形如图2所示。

图2 7月15日金华站换相失败时宜宾站直流系统波形

通过以上故障录波以及前面分析可知，换相失败对直流的影响主要表现为:换相失败发生时整流侧直流电压急剧降低、直流电流增加，整流侧α角增大至73.6°，波动持续100 ms左右。

一般而言，逆变侧电网的交流扰动时间相对于换相时间是较长的，同时在直流落点较多的华东地区直流与直流、直流与交流之间的电磁耦合及线路参数的不平衡是复杂多变的。目前特高压直流是同塔双回直流线路，当一极发生扰动时，产生的暂态分量可能会影响到其他正常运行的另一极导线上。

一方面，同属一回直流的一极直流线路故障，可能导致另一极发生换相失败。比如:宾金直流极Ⅰ线路故障，可能会引发极Ⅱ换相失败。

图3 宾金直流极I发生故障导致极II发生双桥换相失败

另一方面，两条直流受端落地点相距较近，电气距离也近，若一条直流发生故障，可能会引发另一条直流发生换相失败。比如:由于南桥站与奉贤站落地点较近，葛—南直流发生故障，可能会引发复—奉直流逆变侧奉贤站发生换相失败。

综上所述，逆变侧换相失败会对整流侧直流系统带来如下影响:

1)逆变站发生换相失败后，直流系统会出现电流过冲。整流侧直流电压急剧降低、直流电流增加，整流侧α角增大，波动持续100 ms左右。

2)换相失败后直流电压下降严重、直流电流增加，造成的交流系统波动可能会引发双桥换相失败或连续换相失败。

3)对于同塔双回特高压直流而言，因其复杂的电磁耦合及分布参数，若一极发生故障，可能会导致另一极发生换相失败。

4)对于直流落点密集的东部地区，若受端电网发生较为严重的故障，容易引发同一区域多条直流逆变站同时发生换相失败，进而影响跨区域电网间的联络。

2.2 逆变站换相失败对整流站交流系统的影响

逆变侧换相失败时，整流站直流功率出现大范围波动，受此影响整流站交流系统频率和电压也出现扰动。

2.2.1 换相失败对整流站交流系统频率的影响

换相失败后，直流系统整流器吸收的有功功率会突然变化，这成为整流站交流系统频率波动的扰动源。一般而言，整流侧交流系统频率波动大致可分为3个阶段。

图4 7月15日金华站换相失败时宜宾站交流频率特性

第1阶段(T1－T2):直流系统换相失败后，在整流器定电流控制器和VDCL等辅助控制器的作用下，直流系统功率逐渐降低，交流系统频率上升;第2阶段(T2－T3):换相失败故障过程消失后，输送功率迅速恢复，交流频率逐渐降低;第3阶段(T3以后):直流输送功率逐渐稳定，系统频率逐步由暂态恢复至稳态。

2.2.2 换相失败对整流站无功电压的影响

同时，对直流系统而言，交流系统相当于一个恒定的功率源，不仅要进行有功的传递，还要获取足够的无功来支撑换流阀的工作。正常情况下直流系统吸收的无功为

发生换相失败后，随着直流系统有功的突变，在相关控制器的作用下，整流站吸收的无功也会相应发生边变化。逆变站发生换相失败后，整流站交流系统无功平衡遭到破坏，一般会经过5个阶段才能再次达到平衡。

图5 7月15日金华站换相失败时系统无功特性

第1阶段(T1之前):由于换相失败，系统有功短时间内突变，整流站交流滤波器投切有个过程，导致系统无功来不及变化;第2阶段(T1－T2):随着交流滤波器的投切，整流站系统吸收的无功随着有功的增大而增大;第3阶段(T2－T3):在定电流控制器作用下，整流站吸收的无功随着有功的减小而增大;第4个阶段(T3－T4):在控制器及VDCL的作用下，整流站吸收的无功随着有功的增大而减小;第5阶段(T3以后):直流恢复过程中，整流站吸收的无功随着有功的增大而增大，并恢复至正常水平。

由以上分析可知，换相失败后，随着直流系统有功的突变，整流站交流系统的无功也会发生相应变化，导致整流站交流系统无功平衡遭到破坏，进而会引起交流系统电压波动。如7月15日录波显示宜宾站交流500 kV系统电压最低至435 kV，最高至617 kV，扰动幅度在－13%～23.4%。

7月15日金华站发生换相失败后整流站受500 kV系统影响，站用电系统也受到了明显扰动，400 V母线电压最低至314 V，最高至476 V，扰动幅度在－22%～19%，如图7所示。

图6 7月15日宜宾站500 kV母线电压波形

图7 7月15日宜宾站400 V母线电压波形

其实换相失败引起的交流扰动会影响到整流站400 V母线电压并非偶然。表1汇总了数次换相失败对整流站400 V电压扰动。

表1 金华站换相失败时宜宾站400 V母线电压波动范围

通过表1可以发现，换相失败对400 V电压的扰动是客观真实存在的;而400 V母线所带的一些负荷，虽然属于低压设备，但却与高压直流输电的安全稳定运行息息相关。如若内水冷主泵软启动器故障，可能会导致直流闭锁的后果，因此，换相失败对整流站400 V电压的影响也是不容忽视的。表2是对宜宾站重要400 V负荷的定值梳理。

内水冷系统主泵软启动器有直流过压保护和欠压保护，从表2可以看出内水冷主泵软启动器设置有一段过压定值438 V、延时2 s，设置有两段欠压定值分别为338 V、延时2 s;298 V、延时100 ms。当换相失败过程中，若400 V母线电压扰动异常，将会造成软启动器过压保护或欠压保护正确动作。

表2 宜宾站重要400 V负荷定值保护单

极I外水冷风机变频器直流过压保护定值为756 V，欠压保护定值为320 V，换算成交流电压，分别为560 V和237 V;即使考虑变频器电压测量误差10%的情况，定值虽然可以躲过电压波动，但也应该加强监视。极II外水冷风机变频器直流过压保护定值为770 V，欠压保护定值为405 V，换算成交流电压，分别为570 V和300 V;若变频器电压测量有5%的误差，在逆变站发生交流扰动时存在欠压导致风机变频器故障的隐患。

换流变压器冷却器电源切换装置电压监视继电器过压保护动作值440 V、返回值为418 V，欠压动作值340 V、返回值357 V，保护延时均为100 ms。逆变站换相失败引起交流电压扰动时，换流变压器两路交流电源可能会出现故障，导致换流变压器冷却器全停。

综上所述，换相失败对整流侧交流系统的影响如下:

1)逆变站换相失败时间长度、时间点不同，对整流站交流系统的影响程度也不一样，但受端电网交流扰动影响送端换流站的情况没有改变;

2)逆变侧发生换相失败后，直流系统吸收的有功功率先减小后增大，整流侧交流系统频率经历一个先增大后减小的波动过程;

3)大负荷情况下若逆变站发生连续换相失败，导致整流站交流电网异常波动，可能会使逆变和整流侧双双发生换相失败，这样就有可能使逆变和整流侧陷入互相扰动的恶性循环中;

4)对站内400 V重要负荷电源定值整定时，除考虑备自投及过压、欠压保护外，还应考虑换相失败时对400 V母线电压的交流扰动因素。

3 CFPREV逻辑介绍及保护策略优化建议

3.1 换相失败预测功能

通过第2节的分析可知，换相失败故障对交、直流及站用电系统造成的影响是深远而恶劣的，也是不可避免的过程;即便如此仍希望有一种控制功能极早预测到换相失败，以便服务于后续保护策略。换相失败预测逻辑是专门针对交流电网故障的一种预防性控制功能，其主要目的是在交流系统轻微故障时避免换流器出现换相失败等异常情况。预测器在检测到扭曲的换相电压时会立即命令增加熄弧角。在持续的换相失败时，则会由换相失败保护在预设的延时后启动换流器跳闸。换相失败预测逻辑如图8所示［3］。

图8 换相失败预测逻辑

逻辑提供了3种检测手段来进行换相失败功能的预测，取3种检测手段的最大值作为角的增量，具体说明如下:

1)将三相电压相加求取零序电压，如果零序电压超过设定值则增加一定角度，该手段主要用于判别单相电压故障。检测A/B/C三相交流电压，计算出零序电压;当零序电压的绝对值大于电压参考值时，认为检测到交流系统故障，并在之后的一段时间窗口内，将零序电压绝对值的最大值经过增益系数计算输出。

2)通过变换来检测三相电压故障。当三相电压均故障的情况下，变换输出值小于稳态情况下的变换输出值。

当矢量模变化时，经过一定时间低通滤波后的矢量模与矢量模的差值大于参考值时，认为检测到交流系统故障，并在之后的一段时间窗口内，将矢量模差值的最大值经过增益系数计算输出。其中，矢量检测作为换相失败预测的启动检测逻辑，只有在矢量检测到交流电压的波动(仅电压跌落时不会启动)后，才会开放换相失败预测逻辑出口。

最后，将零序电压检测和矢量检测的输出取最大值，做进一步计算转换为需增加的熄弧角，通过增加熄弧角来延长可控硅恢复正向电压阻断能力的时间，达到避免换相失败的目的。

3)通过交、直流电流的比较来预测换相失败。

3.2 换相失败保护

以下分析均以宾金直流为例。宾金直流换流器保护配置图如图9所示。

图9 宾金直流换流器保护配置图

3.2.1 换相失败保护判据

I_Dnom=5 000 A

I_Dmax=max(I_DCIP、I_DC2P、I_DCIN、I_DC2N)I_ Dmax－(I_VY max，I_VD max)＞［0．1×I_D max+ 0．07×I_Dnom］且0．65×I_D max＞(I_VY max，I_VD max)延时2 ms，展宽30 ms，任一桥换相失败告警。

3.2.2 目前换相失败保护配置策略

单桥换相失败配置策略:Y桥或者D桥满足判据，且二者不同时发生，并且没有交流低电压闭锁时，延时660 ms，S闭锁，即发生单桥换相失败;延时40 ms或者检测到换相失败仍继续，跳交流断路器，延时410 ms，S闭锁，即发生单桥换相失败。

任一桥换相失败保护配置策略:慢速段检测展宽时间2.53 s，延时7.002 s，切换控制系统;延时10.002 s，Y闭锁，跳交流断路器;快速段检测展宽时间530 ms，延时1.802 s，切换控制系统;延时2.602 s，Y闭锁，跳交流断路器。

3.3 换相失败保护策略优化建议

在目前策略下，结合特高压直流实际运行情况可知，特高压直流在4 000 MW功率以上时，若发生换相失败引起2次功率波动后，系统可以保持稳定;但如果发生3次及以上类似功率波动过程后，电网有可能稳定破坏。建议对换相失败保护进行优化。

1)建议直流运行在4 000 MW以上增加双极换相失败加速段。

2)建议极控检测本极在运阀组均发生连续任一桥换相失败，将本极动作信号置位并发给对极。极控检测本极动作信号和对极动作信号同时满足，闭锁本极。

3)在增加双极换相失败加速段后，建议直流双极功率高于4 100 MW，开放双极换相失败加速段跳闸功能;直流双极功率低于4 000 MW，闭锁双极换相失败加速段跳闸功能。

4 结语

以宾金直流换相失败为例，分析了逆变侧换相失败对整流侧交、直流系统的影响，提出以下建议:

1)任一桥发生换相失败的保护策略及安稳装置的配合随着电网的发展还有进一步研究优化的空间。若阀组中任一桥发生换相失败，为防止陷入互相扰动的恶性循环中，建议换相失败保护定值加快闭锁该阀组时间。

2)在目前的保护配置策略及安稳装置的配置策略下，若复奉、宾金、锦苏特高压直流同时换相失败，直流系统被退回的有功功率会在同一送端电网(四川电网)产生较大的扰动，影响安全稳定运行。鉴于此，若检测到多条特高压直流同时发生换相失败，建议对处于在同一送端的多条直流启动安控装置的同时进行远方切机。

3)直流系统在4 000 MW以上时，建议保护逻辑增加双极换相失败加速段程序。

4)建议直流系统中对400 V负荷(主泵软启动器、风机变频器、换流变压器冷却器)保护整定值考虑换相失败导致的扰动因素。

5)在发生换相失败后，建议送端电网降低系统的电气量(频率、电压)的暂态波动幅度，这样有利于直流系统快速恢复。

［1］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［2］刘振亚.特高压电网(第1版)［M］.北京:中国经济出版社，2005.

［3］国网运行分公司编组特高压直流换流站岗位培训教材:二次系统［M］.北京:中国电力出版社，2012.

禹佳(1983)，本科，工程师，研究方向为特高压直流输电技术;

孙文(1980)，本科，工程师，研究方向为特高压直流输电技术;

李琨(1985)，本科，助理工程师，研究方向为特高压直流输电技术;

刘俊杰(1989)，本科，助理工程师，研究方向为特高压直流输电技术。

Commutation failure is one of the most common dynamic faults in ultra－high voltage direct current(UHVDC) transmission system.Taking the abnormal disturbance caused by commutation failure on any bridge of Bin(Yibin)－Jin(Jinhua)UHVDC transmission system for example，the reasons are analyzed in theory，and the transient characteristics of frequency，voltage and reactive power of AC system in rectifier side after commutation failure are described in detail.Furthermore，the subsequent impact on 400 V load(soft starter for main pump，air cooling machine，cooler of converter transformer) is studied.And the influence of simultaneous commutation failure in multi－circuit UHVDC transmission system interconnecting regional power grids on the stability of the same power supply system is explored.Finally，combined with the logic module of CFPREV(commutation failure prediction)，the protection policy for commutation failure of Yibin station is analyzed and the reasonable optimization suggestions are proposed.

UHVDC transmission system;transient characteristic;multi－circuit UHVDC transmission system;simultaneous commutation failure;400 V load;CFPREV

TM72

A

1003－6954(2015)06－12－06

2015－08－21)