换流站交流滤波器导致投切换相失败分析

龚 骏，周为国，顾立堃

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

在直流输电系统中，整流器和逆变器在换流的过程中都要产生大量的谐波，同时还要消耗大量的无功功率。为了维持直流系统和换流站连接的交流系统的安全稳定运行，换流站需要配置一定数量的交流滤波器组。通过对交流滤波器的投切控制来实现滤除谐波、维持交流母线电压稳定以及无功平衡的目的，但由于种种原因，某些交流滤波器在投切的同时随之而来的就会出现换相失败的现象。

本文简述交流滤波器的工作原理与特点，以及枫泾站交流滤波器的配置，介绍换相失败的基本原理。结合枫泾站的实际情况，阐述交流滤波器的投切对换相失败的影响，并提出改进措施。

1 直流输电产生谐波的原因

晶闸管换流器在运行时，由于晶闸管为半控型器件，所以绝大部分晶闸管换流器均为电流源型换流器，电流源型换流器的直流侧具有较大的电抗，以保证直流侧电流的平滑以及晶闸管的正常换相。但这会导致换流器交流侧输入电流的波形也变成偏离正弦波的方波或阶梯波，从而对交流电网注入谐波。

目前大部分的高压直流输电工程均采用12脉动换流阀，其在直流侧产生12k次的谐波，在交流侧产生12k±1的谐波。12脉动的换流器是由换相电压的相位相差30°的两个6脉动换流器串联而成，通常30°的相位差是由换流变压器阀侧线圈采用Y和△接线来实现。在分析换流器所产生的特征谐波时，常常假设换流器处于理想的换流状态，即：交流母线电压为恒定频率的理想正弦波，换流变压器各相的阻抗和变比完全相同，同一个12脉动换流器的Y／Y和Y／△的阻抗和变比完全相同，每周期的12个脉冲严格按照触发角度30°等距触发，直流回路的电流为理想的直流。在这些理想状态下，Y／△绕组与Y／Y绕组的波形如图1所示。对于每一极来说，Y／△换流变与Y／Y换流变叠加出的波形是一个类似于正弦波形的方波，如果一个平滑的正弦波进入交流系统是不会产生谐波的，但实际情况是尽管使用了12脉动阀，使得最后叠加出的波形能与正弦波相近，但仍旧是会有方波的棱角，构不成一个平滑的正弦波，依然会产生谐波。

图1 叠加波形

1.1 谐波不稳定的概念和发生过程

直流输电引起的谐波不稳定是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减、甚至放大的现象，主要表现为换流站交流母线电压严重畸变。发生谐波不稳定时，谐波电流放大几倍甚至几十倍，对电力系统的危害是非常严重的，特别是对换流变压器、电容器和与其串联的电抗器等元件将形成很大的威胁，常常使其损坏；而电压的畸变则会导致直流输电系统运行困难、甚至造成系统闭锁。谐波不稳定的发生过程是交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节的相互调制，构成谐波振荡放大，导致换流站交流母线电压严重畸变。

1.2 谐波不稳定对换相失败的影响

在对换相失败的研究中，通常考虑的是交流系统故障引起的换相失败，而未探讨滤波器投切对换相失败的影响。实际上，在执行某些方式的交流滤波器投切以后，逆变站谐波产生交互影响，继而引起谐波不稳定，造成逆变站交流母线电压严重畸变，影响换流器的换相过程，最终导致换相失败。

2 交流滤波器工作原理与特点

采用L、C、R元件构成的无源交流滤波器，由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，并且可以同时滤除谐波又发出无功，因此是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但由于ZnN是随交流系统接线和运行方式的变化而变化的，还有可能在某些频率下与ZnF发生并联谐振，因此完全滤除换流器产生的各次谐波电流是不可能的。

换流站的交流滤波器通常采用不同型号的多组滤波器统一控制投切的方式来配置，有些交流滤波器仅做无功补偿作用，有些交流滤波器同时补偿无功又滤除谐波，某些换流站还设置不同滤波次数的交流滤波器。这些交流滤波器通常由换流站的交流站控系统统一控制，随直流负荷与运行工况统一控制投切［1］。

3 枫泾站交流滤波器的配置与特点

枫泾换流站交流滤波器无功补偿按总容量为1 818 Mvar，按3大组9小组配置（配置图如图2所示）每小组容量202 Mvar配置。其中，交流滤波器分为2种：HP与SC。HP为5621、5622、5632、5611、5612共5组；SC又分为SCD型与SC型，SCD型并联电容器为带有串联电抗器的并联电容器，5633、5623、5613均为SCD型，而SC型并联电容器不带有串联电抗器，5631为SC型。这些交流滤波器由站内的直流站控系统统一控制，随直流负荷与运行工况统一控制投切。

4 换相失败的基本原理

换相失败是直流输电系统中常见的故障之一。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内，如果未能恢复阻断能力或在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变为正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。高压直流系统中大部分的换相失败故障都发生在逆变器中。换相失败将导致直流电压下降和直流电流增大，若采取的控制措施不当，还会引发后继换相失败，严重时会导致直流闭锁、直流功率传输中断，从而影响系统稳定运行。典型的换相失败原因是交流电压过低、故障或磁饱和造成的三相不对称等。

图2 三大组交流滤波器场

换相失败是晶闸管半控型换流器的特殊故障之一。由于晶闸管换流器仅能触发其导通，不能控制其关断，因此当用作逆变运行时，必须通过交流侧稳定的电网电压来配合，通过电网电压的反电动势关断需要关断的晶闸管阀。如果运行时交流电网电压突然降低、畸变或缺相，就很可能使应该关断的晶闸管由于反向电压不足而关不断，或关闭后又自行导通，一旦该晶闸管同相的另一晶闸管触发导通，就形成了直流侧通过上下两个晶闸管短路、直流能量无法流入交流侧的故障，这就是换相失败。由于换流变压器、平波电抗器等阻尼元件的巨大电抗，偶发的换相失败并不会引起直流侧电流猛增，也不会对换流阀的工作产生危害，然而换相失败会损失一部分直流电能，同时使换流器承受过电流应力，因此应该尽量避免换相失败的发生。

通过设置换相失败保护，一旦检测到换相失败情况，立即通过减小触发角等手段，使所有晶闸管的触发时间前移，就等于增大了晶闸管承受反向电压的时间，提高晶闸管的关断能力，这样就能有效抑制换相失败，当交流扰动恢复后迅速恢复正常运行。换相失败的明显特征是交流相电流降低，而直流电流升高。

换相失败保护的报警段只减小触发角，通过触发角的减小，绝大部分情况下换相失败均能短时期内自行恢复正常。当换相失败持续时间较长，才会启动极控系统切换、直至直流闭锁的保护程序，保护的切系统延时、闭锁延时长短与换相失败单位时间内的次数、直流侧过电流大小有关，最大限度地保证换流器正常运行。

5 投切交流滤波器导致换相失败原因分析

枫泾站在2011年至2013年期间，通过手动合闸或自动合闸，5631并联电容器投退多次，其中引起过数次单极的换相失败，仅有几次在投入滤波器时无换相失败，并且也仅有5631并联电容器在投入时会引起换相失败。在投切5631交流滤波器的时候，时而发生换相失败的情况是因为5631为SC型并联电容器，由于SC型并联电容器并不带有串联电抗器，这使得其没有限制电流突变的能力。由于换流站交流滤波器容量很大，因此在5631投入时会产生很大的冲击电流，导致500 k V交流系统电压波形瞬时凹陷，从而使换流阀的关断电压降低，此时若正好有阀处于换相过程中，由于交流电压波形凹陷、反向关断电压不足以将导通阀关断，其会继续导通，而另一桥臂上的阀扔正常换相，这样的过程就会造成同一相的上下2个阀同时导通，形成旁通对，导致换相失败。

5631交流滤波器为什么不设置串联电抗器，主要是因为对于枫泾站这类纯换流站，系统阻抗较大，设计本意是通过系统阻抗来限制投切冲击电流，从而省去串联电抗器，然而这确实导致了投入时系统电压的波动，从而引起换相失败［2］。

6 改进建议与设想

6.1 一次设备改进

由于5631为SC型并联电容器，未装设有串联电抗器的设计缺陷使得产生的冲击电流很大以及引起交流的扰动，导致换相失败。针对这一情况，可以考虑在5631电容器上再串联一个限流电抗器，将SC型滤波器改为SCD型。在电容器组中串联电抗器后，合闸涌流倍数将大幅度减小，起到抑制合闸涌流，减小交流电压扰动的目的。同时串联电抗器还可以抑制高次谐波和限制短路电流，保护断路器。

在实际情况中，由于受到场地面积的限制以及出于成本的考虑，并不是所有的并联电容器都会装设串联电抗器，例如枫泾站就由于5631交流滤波器小组前建设了继保2室导致没有充足的空间来装设串联电抗器，由此可见一次设备的改进有其实施的难度。

6.2 极控软件修改

既然一次设备的改良有一定困难，那就考虑在控制软件上进行改进。直流站控发令投滤波器，5631开关收到合闸命令时，可以在开关操作箱或测控屏里接一副接点给极控系统（如图3所示），通过修改软件使得5631滤波器开关合闸瞬时给极控一个增加熄弧角的信号，从而防止换相失败。这样做能有效地保证换流阀从关断到其电压由负变正的过零点之间的时间足够长，使得阀关断后处于反向电压的时间能够充分满足其恢复阻断能力的要求，提高了换流器的换相成功率。

图3 滤波器信号回路概述图

7 结语

在直流输电系统中，整流器和逆变器在换流过程中都会产生大量谐波，如果不加以控制，将会影响交、直流系统的正常运行，所以需要通过加装滤波器装置来有抑制谐波。部分交流滤波器在设计时由于未安装电抗器的SC型滤波器，所以投切时会有很大的冲击电流，对交流电压产生波动或凹陷，可能使换流器发生不必要的换相失败。

换流站在建设交流滤波器时应充分考虑到电网的参数，同时在允许的情况下，尽量装设串联电抗器，避免SC型滤波器的使用，防止对换流器工作产生影响。但若换流站已经建成，则可以从软件、控制上进行改进，通过投切滤波器时瞬时增大熄弧角等办法来防止换相失败，提高换流器工作稳定性，以避免不必要的换相失败。

［1］ 赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［2］ 徐政，陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述［J］.超高压技术，2007（1）：1-10.

XU Zheng，CHEN Hai-rong.Review and applications of VSC HVDC［J］.High Voltage Engineering，2007，33（1）：1-10.