±800 k V特高压直流换流器在线投入失败案例分析

李国栋，陈龙翔，金一丁，李增辉，董 昱，胡超凡，葛 睿

（国家电力调度控制中心，北京 100031）

近年来，我国±800 k V特高压直流输电工程发展迅猛，陆续有云广Ⅰ（云南楚雄—广东穗东）、向上（四川向家坝—上海奉贤）、锦苏（四川裕隆—江苏同里）、哈郑（新疆哈密—河南郑州）、云广Ⅱ（云南普洱—广东江门）、溪浙（四川溪洛渡—浙江金华）等6回特高压直流工程投产，平均输送距离约2 000 km，最大额定容量达8 000 MW，为我国实现西电东输、优化资源配置起到了重要作用［1－4］。

特高压直流系统每极应用双12脉动换流单元串联的结构，相对于常规直流，其灵活性得到大大提高，很大程度上减少了系统停电概率［5－8］。运行中，往往需要在线操作投入或退出单个换流器，很多学者针对特高压直流换流器的投退策略进行了研究。文献［9］研究了±800 k V特高压直流系统单12脉动阀的投退策略，并比较了采取2种不同策略时对交流系统的无功冲击；文献［10］提出将单输入单输出换流单元模型和离散的控制器模型连接起来，使用一种全新的参数优化方法，改善了整体换流单元模型的暂态特性；文献［11，12］基于实时数字仿真器分别研究了特高压直流系统单换流器、双换流器投退策略；文献［11］研究表明在线投入单换流器时，采用零功率解锁或小触发角解锁方式均可行，且整流侧先解锁、逆变侧先解锁2种方式均可实现；文献［12］针对双换流器解／闭锁式极控的组织策略进行仿真，具有一定实际应用价值；文献［13］介绍了云南－广东±800 k V直流输电系统采用的一种双12脉动阀组投退策略具体方案，重点分析了投退策略的优缺点，利用仿真平台与实际控制保护系统相结合的方法对单换流器投退进行仿真分析；文献［14］提出特高压直流控制系统的问题运行策略和功能分配策略，实现特高压直流系统的稳态运行和单换流器的投退顺序操作。

特高压直流系统单换流器的投入过程是换流器大角度、大电流的零功率解锁过程，会增加交流系统无功消耗，造成交流系统电压跌落或直流换相失败，严重时甚至会产生系统振荡［10］。本文在±800 k V某特高压直流单换流器在线投入失败过程分析的基础上进行仿真研究，重点分析换流器投入失败原因及其过程对近区交流电网的影响，研究不同短路容量下的特高压直流单换流器在线投入能力，探讨如何改变换流器投入过程控制策略，从而确保换流器能可靠投入，最后从调度运行、电网规划、直流控制保护系统等几个方面提出相关建议。

1 换流器在线投入基本策略

特高压直流输电系统每极由两个12脉动换流器组成（如图1所示），与常规直流相比，采用双换流器结构的特高压直流输电系统通过整流侧和逆变侧高、低端换流器的不同组合可构成灵活多样的运行形式。特高压直流输电系统的运行要求每组换流器均具备独立运行和在线投退的能力［14］。

通过对换流阀晶闸管触发角的控制与旁通开关分合控制的配合可以实现换流器的在线投退。现以图1所示整流侧高端换流器在线投入为例，正常运行时低端换流器通过高端换流器的旁路刀闸构成通路（图1中虚线①）；高端换流器投入时，旁路开关合上，旁路刀闸分开，低端换流器通过高端换流器的旁路开关构成通路（图1中虚线②）；控制高端换流器以大触发角（约85°～90°［11］）解锁，低端换流器的电流通过高端换流器及高端换流器的旁路开关构成通路（图1中虚线②、③）；通过合适的控制策略，在流经高端换流器旁路开关电流接近0时拉开旁路开关，即实现了高端换流器的在线投入。

图1 特高压直流输电系统单极接线图

换流器投入关键是选取合适的控制策略，将旁路开关的电流“引接”到换流器上，将流经旁路开关的电流控制到接近于0，从而为旁路开关的分闸熄弧创造条件。目前，换流器的解锁控制策略主要有两种：

（1）换流器以90°触发角解锁，解锁瞬间流经换流器的电流为0；逐渐调减换流器触发角，触发角调减过程中流经换流器的电流逐渐增大，流经旁通开关的电流逐渐减小；当流经旁通开关的电流为0时，发旁通开关跳闸命令。

（2）在旁通开关触头分开进入熄弧阶段时，命令换流器阀组以固定的小于90°触发角解锁。若此解锁触发角选取得当，则在阀组解锁瞬间旁路开关的直流电流将基本被“引接”到其并联换流器上，此时流经旁路开关的电流接近于0，电弧迅速熄灭，旁路开关被拉开。

第一种解锁方式的优点是安全可靠，但解锁时间较长，且解锁过程受控制系统控制特性的影响［10］；第二中解锁方式的优点是解锁时间短，控制系统设计简单，但解锁过程对系统冲击较大，对旁路开关的动作时刻与换流单元解锁的配合时序要求苛刻［11］。

2 换流器在线投入失败案例

2014年8月8日，某特高压直流极I低端换流器金属回线方式额定功率2 000 MW运行，整流侧操作极I高端换流器在线投入失败，下面对其过程进行详细分析。

2.1 过程分析

控制系统发出投入极I高端换流器在线投入指令后，整流站高端阀组投入后开始正常的换相，极I高端阀组的电流（IDCP、IDCN）达到4 600 A左右，如图2所示，流经BPS的电流（IDCP与IDNC的差值）达600A左右，由于发BPS开关分位令的条件是BPS电流小于500A（直流系统额定电流的1／10），因此控制系统未发BPS开关分位令，极I高端换流器经内部延时500 ms后闭锁，整流站极I保持单换流器运行。

图2 整流侧极I高端换流器电流波形

此时，逆变站高端阀组投入后开始正常的换相，极I高端阀组的电流（IDCP、IDCN）达到4 100 A左右，如图3所示，流经BPS的电流（IDCP与IDNC的差值）在100A左右，符合BPS拉开条件，逆变站极I高端换流器拉开BPS后投入运行正常，逆变站极I双换流器运行。逆变侧在检测到整流站单换流器，延时200 ms由两站阀组不平衡闭锁高端阀组。

图3 逆变侧极I高端换流器电流波形

由于整流站极I高端换流器投入指令会维持1 s，因此整流站进行了第2次投入操作，投入后IDCP与IDNC电流差值小于500 A，发出分开BPS指令，整流站极I双换流器运行，此时逆变站已无投入指令，保持单换流器运行，整流站在检测到逆变站单换流器运行后，延时200ms由两站阀组不平衡闭锁高端阀组。极I高端换流器投入失败。

2.2 原因分析

整流站投入高端换流器过程中，触发角90°左右，且直流电流较大，消耗大量无功。与之相连的交流电网较弱（短路电流约为7 k A），交流电压被大幅拉低，跌至正常值的0.8p.u.，如图4所示，系统交流低电压告警，由于电压的变化较大，使得控制系统未能很好的控制直流电流，导致高端换流器投入失败。反观逆变侧，其换相过程同整流侧几乎相同，但由于其交流系统较强，未出现交流电压大幅跌落现象，高端换流器投入成功。

图4 整流侧交流母线电压波形

根据以上分析，本次极I高端换流器投入失败的根本原因在于整流侧的“强直弱交”，交流系统不能为直流系统提供强支撑，直流系统正常方式转换下的扰动导致交流系统电压大幅跌落，反过来严重威胁直流系统的稳定运行。

3 仿真分析

为了深入分析特高压直流单换流器在线投入失败过程，研究其在线投入与系统何种因素相关，本文拟采用RTDS对故障直流系统进行仿真分析，主要分析在同等条件下，分别针对不同输送功率运行方式、不同短路电流运行方式、不同换流器个数运行方式3种对比方式进行讨论。

3.1 不同功率方式的仿真分析

2014年8月8日，某特高压直流单极单换流器金属回线方式运行（额定电流），为讨论不同输送功率（即不同运行电流）工况下的换流器在线投入情况，通过RTDS仿真了金属回线运行的3种输送功率方式下在线投入情况，其结果如表1所示。

从表1中的仿真结果可看出，单换流器金属回线方式输送功率越大时，其电压跌落越明显，BPS电流越大。输送额定功率200 MW时，电压跌落至0.84p.u.，BPS电流达610 A，与实际运行数据0.82p.u.、600 A基本一致，表明此仿真数据结果有一定可信度。从换流器在线投入情况来看，额定功率下投入失败，1 500 MW、1 000 MW两种输送功率均投入成功，因为后两种输送功率对应BPS电流均小于500 A，且电压跌落均不超过0.1p.u.。

表1 不同功率方式下换流器在线投入仿真结果

因此，可看出单换流器金属回线方式下，直流输送功率（运行电流）越大，电压跌落越明显，流过BPS开关电流越大，越不利于换流器在线投入。

3.2 不同短路电流方式的仿真分析

除了输送功率（运行电流）对换流器在线投入有影响之外，为进一步验证短路电流对换流器投入的影响，拟设置不同短路电流条件下（单换流器额定功率运行）进行换流器在线投入仿真分析，其结果如表2所示。

表2 不同短路电流方式下换流器在线投入仿真结果

从表2中的仿真结果可看出，不同短路电流的系统环境下，特高压直流换流器的在线投入仿真结果有较大差别。单换流器额定功率运行时，与第3部分故障直流一致的7.0 k A短路电流条件下，换流器在线投入失败，电压跌落至0.75p.u.，BPS电流达580 A，不满足BPS开关分开条件。通过提升系统短路电流，可明显降低母线电压跌落水平，且BPS电流迅速下降，使得换流器成功投入。

因此，可看出系统短路电流与换流器在线投入密切相关。系统短路电路越大，母线电压跌落水平程度越小，流过BPS开关的电流也越小，越有利于换流器成功投入。

3.3 不同换流器运行方式的仿真分析

最后，仿真分析了初始运行换流器个数对在线投入的影响。主要考虑单个换流器、双换流器、三换流器3种运行方式下的换流器在线投入情况，其仿真结果如表3所示。

表3 不同换流器运行方式下换流器在线投入仿真结果

从表3的仿真结果可看出，初始换流器运行个数对在线投入也有影响。双换流器、三换流器运行时，可成功在线投入另一个换流器，电压跌落水平及BPS电流均明显小于单换流器运行方式，而单换流器运行时，流过BPS电流达580 A，换流器在线投入失败。

4 结语

本文在介绍某特高压直流换流器在线投入失败案例基础上，仿真分析了在同等条件下，分别模拟不同输送功率、不同短路电流、不同换流器运行方式条件的换流器在线投入情况，结果表明，输送功率（运行电流）越大、短路电流越小，越不利于换流器在线投入。最恶劣的运行方式是单换流器额定功率运行时在线投入换流器，无功交换，若近区电网短路电路不够大，则易出现投入失败现象。

在实际电网运行中，应密切关注直流送受端电网短路电流变化，特别是在电网运行方式发生变化时，可采取在线安全分析手段进行在线计算，实时掌握近区电网短路电流变化情况，来指导运行方式安排、调度倒闸操作及电网故障处置等。

在特高压直流规划阶段，为了提升换流器在线投入能力，也需要充分考虑直流近区交流电网建设，避免产生强直弱交的运行方式，导致直流输电功率受限，造成资源浪费；此外，同步建设配套电源，确保足够的资源配置与消纳能力。

对于特高压直流自身来说，还可从直流控制保护软件方面进行深入研究，研讨相关定值设置是否妥当。可以考虑改变保护定值或控制逻辑，来提升特高压直流换流器在线投入能力。

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