银东直流逆变站换相失败后对送端系统的影响及仿真分析

王华伟，李新年，雷霄，林少伯

(中国电力科学研究院，北京市100192)

银东直流逆变站换相失败后对送端系统的影响及仿真分析

王华伟，李新年，雷霄，林少伯

(中国电力科学研究院，北京市100192)

高压直流输电系统受端换相失败时，整流侧换流器短时间内会从送端交流系统吸收大量无功功率，在送端交流系统较弱或其他不利条件下可能产生电压不稳定或保护误动作等问题。以银东直流工程为例，分析了受端换相失败后直流系统的响应特性，研究了直流逆变站换相失败导致的送、受端交流系统故障耦合机理，并通过仿真给出了弱送端系统条件下的电压波动情况，结论对直流工程建设调试和交流电网调度运行具有重要的指导意义。

高压直流输电；送端系统；换流器；换相失败

0 引 言

直流输电系统具有输送容量大、快速可控、有效限制短路电流等特点，因此在电力系统中得到了广泛应用[1]，但其在向交流系统提供电力的同时，也带来交直流相互作用、相互影响的问题[2]，其中，直流换相失败导致的问题较多，严重时甚至危及交直流系统的安全稳定运行，因此需要引起更多的重视和研究[3-10]。

换相失败作为直流系统运行中常见的故障现象，其对交流系统的影响主要是发生故障后有功功率缺额和消耗无功功率的变化对交流系统的冲击。已有文献对换相失败对受端系统特别是多馈入受端系统的影响研究较多[11-18]，但是近几年在工程运行中逐渐发现，直流系统在运行中并不能完全隔离两端的交流系统，在直流容量或馈入比逐渐提高后，换相失败等问题不仅对受端系统安全稳定影响较大，也会通过直流系统影响到送端系统的运行，在送出交流系统较弱或其他不利条件下可能产生电压不稳定或保护误动作等问题。

银川东—胶东±660 kV直流输电示范工程是继±500 kV直流输电工程后输送容量首次达到4 000 MW，换流站配置的无功补偿设备容量达1 950 Mvar，在运行初期宁夏电网相对薄弱的情况下，出现了因受端换相失败引起的送端电压较大波动，首次表现出了因直流受端故障导致的送受端耦合的现象和特征。本文将分析换相失败时整流器的响应过程和无功功率变化，揭示直流系统送、受端故障耦合机理和因控制作用导致的发展过程，并仿真研究对送端系统的影响，为实际工程调度运行提供指导建议。

1 银东直流工程概况

银东直流工程是我国±660 kV直流电压等级序列的第一回直流工程，也是目前我国超高压直流输电的最高电压工程，该工程是国家实施“西电东送”的重要输电通道项目，将黄河上游水电和银川东火电打捆直送山东，对于促进西部地区经济社会发展，满足山东省用电需求有重要作用。

银东直流工程线路长度约为1 335 km，主回路结构为单极单12脉动换流器，平波电抗器分别布置于极线和中性母线，每端换流站都设置接地极。正送额定功率4 000 MW，方向为银川东站至胶东站，反送额定功率3 600 MW。银川东换流站的直流额定运行电压为±660 kV，定义为平波电抗器出线侧直流极母线与直流中性点的电压；在功率反送3 600 MW时，胶东换流站的运行电压为±637.0 kV。直流系统额定参数见表1。

表1 功率正送直流系统额定参数Table 1 Rated parameters of DC system for positive direction transmission power

2 胶东站换相失败对银川东侧的影响过程分析

2011年5月8日6:10，7:53，8:26胶东站分别发生了3次换相失败，原因为大雨导致胶东站远端500 kV分别发生了线路、母线和变压器故障，引起胶东站换流母线交流电压畸变或下降。发生故障时直流运行方式为双极大地回线正常运行，输送功率为4 000 MW。由于直流发生换相失败及故障后恢复过程基本相同，下面以7:53交流故障为例进行分析。

图1、2分别给出了胶东站远端500 kV交流故障时银东直流系统故障录波。可以看出，交流故障期间胶东站换流母线电压跌落并畸变，逆变器发生换相失败，直流电流迅速上升，银川东站迅速增大触发角以抑制直流电流增加，整个过程中银川东站直流电压最低至-193 kV，直流电流最大升至6 548 A，触发角最大到87.6°，此时银川东换流器消耗无功功率也大幅增加，换流变压器进线无功功率由2 135 Mvar短时上升至5 664 Mvar，从而导致银川东换流站换流母线电压下降，持续时间约70 ms，最低降至0.82 pu。

胶东站换相失败结束后，触发角逐渐减小以使直流系统恢复稳态运行，此时银川东站换流器消耗无功功率较小，但交流滤波器(额定功率下共13组)仍处于正常运行状态，向交流系统送出大量无功功率，导致换流母线电压上升，最高升至1.17 pu。交流故障清除后，直流系统恢复稳态运行，从故障清除到直流功率恢复到故障前90%的时间约为150 ms。

图1 胶东站换相失败时银川东站直流系统波形Fig.1 Waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

3 仿真研究

为深入分析胶东站发生换相失败时银川东站换流变压器进线无功功率的变化和换流母线电压的跌落情况，了解和掌握直流系统发生换相失败对银川东站的影响，在冬小方式和弱系统运行方式下进行了胶东站出线单相、三相故障及三相故障单相开关拒动时的仿真。

3.1 换相失败故障仿真再现

图2 胶东站换相失败时胶东站直流系统波形Fig.2 Waveforms of Jiaodong converter station with commutation failure

根据宁夏省调提供的冬小方式数据(以下简称冬小方式)，对交流系统进行等值后建立仿真模型，在胶东站500 kV远端线路模拟B相接地故障，图3、4分别给出了银川东站和胶东站的仿真波形。从仿真波形上看，胶东站发生交流故障后换流母线瞬时下降并发生畸变，引起直流系统发生换相失败，整流站直流电压降至-192 kV，直流电流最大升至6 401 A，触发角最大移至91.4°，换流变压器进线无功功率由2 052 Mvar短时上升至5 692 Mvar，增量为3 640 Mvar，引起银川东换流站换流母线电压下降，持续时间约70 ms，最低降至0.812 pu(268 kV)，仿真计算结果和现场实测波形基本一致，验证了仿真模型的准确性。

3.2 冬小方式下的仿真

冬小方式下，在胶东站出口模拟B相接地故障，故障持续时间100 ms。考虑到不同时刻交流单相故障会导致直流发生换相失败的情况有所不同，仿真中在一个周波内每隔1 ms计算1次，表2给出了仿真结果。故障前稳态值分别为QT1＝1 066 Mvar，QT2＝990 Mvar，Qexp＝11 Mvar，Uac＝353 kV，Id＝3 080 A，可以看出，直流电流受故障发生时刻影响较大，最小值为6 315 A，最大为7 033 A，其他参数在1个周波内数值变化不大。故障过程中换流变压器进线无功功率最大升至5 734 Mvar，变化量为3 678 Mvar，与交流系统交换的无功功率最大升至4 414 Mvar，变化量为4 403 Mvar(短时需要宁夏电网提供4 403 Mvar无功功率)，换流母线电压最低降至0.748 pu(247 kV)，直流电流最大升至7 033 A，变化量为3 953 A。从图5的仿真波形上看，虽然换相失败期间银川东站换流变压器进线无功功率需求大幅上升，引起换流母线电压下降较多，但是持续时间较短，一般不超过100 ms。在故障清除后，交直流系统均能恢复稳态运行。与胶东站远端交流单相接地故障相比，胶东站出口发生交流接地故障后银川东站换流变压器进线无功功率变化量略有增加，换流母线电压下降幅度更大。

图3 胶东站换相失败银川东侧直流系统仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

胶东站出口三相接地故障试验仿真结果见表3，可以看出，故障过程中换流变压器进线无功功率最大升至5 705 Mvar，变化量为3 649 Mvar，与交流系统交换的无功功率最大升至4 413 Mvar，变化量为4 402 Mvar(短时需要宁夏电网提供4 402 Mvar无功功率)，换流母线电压最低降至0.742 pu(245 kV)，直流电流最大升至6 971 A，变化量为3 891 A。与胶东站近端交流单相接地故障相比，换流变压器进线无功功率变化、与系统交换无功功率以及换流母线电压变化都基本相同，原因是胶东站出口发生三相故障时，引起胶东站换流母线三相电压均发生跌落，导致所有导通的换流阀均发生换相失败，因此换相失败受故障时刻影响不大。

3.3 弱系统运行方式下的仿真计算

图5 冬小方式下胶东站出口单相接地故障银川东侧仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station under winter small mode

考虑到宁夏电网运行方式调整和交流线路停电检修等原因，在仿真中模拟了送端交流系统强度减弱的情况(银川东站换流母线短路电流为26 kA)，以下简称弱系统运行方式。在此基础上进行胶东站出口单相接地故障仿真，故障过程中换流变压器进线无功功率最大升至5 284 Mvar，变化量为3 166 Mvar，与交流系统交换的无功功率最大升至4 153 Mvar，变化量为3 963 Mvar(需要宁夏电网短时提供3 963 Mvar无功功率)，换流母线电压最低降至0.67 pu(221 kV)，直流电流最大升至6 759 A，变化量为3 741 A。从大量仿真波形上可以看出，虽然换相失败期间银川东站换流变压器进线无功功率需求大幅上升引起换流母线电压的下降较多，但是持续时间较短，一般不超过100 ms。与冬小方式相比，换相失败期间银川东站换流变压器进线无功功率变化量减少500 Mvar，但由于银川东交流系统强度减弱，其换流母线下降幅度更大。

此外胶东站出口的三相接地故障仿真计算结果表明，故障过程中换流变压器进线无功功率最大升至5 281 Mvar，变化量为3 163 Mvar，与交流系统交换的无功功率最大升至4 162 Mvar，变化量为3 972 Mvar (需要宁夏电网短时提供3 972 Mvar无功功率)，换流母线电压最低降至0.658 pu(217 kV)，变化量为123 kV，直流电流最大升至6 587 A，变化量为3 569 A。从图6给出的仿真波形上看，故障持续时间较短，一般不超过100 ms。在故障清除后，交直流系统均能恢复稳态运行。与冬小运行方式相比，换流器消耗的无功功率减小了约4 80 Mvar，但换流母线电压下降得更多，最低至0.658 pu。

表2 胶东站出口单相接地故障时银川东站仿真结果统计Table 2 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station

表3 胶东站出口三相接地故障时银川东站仿真结果统计Table 3 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station

图6 弱系统运行方式下胶东站出口三相接地故障银川东侧仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with weak AC system

为掌握胶东站出线发生严重故障时的情况，进行了胶东站出线三相故障单相开关拒动仿真，故障时序为交流线路一端发生三相永久故障，100 ms后跳开故障线路故障侧的B、C两相和对侧的三相断路器，故障侧的A相开关拒动，故障后350 ms由失灵保护跳开拒动相。图7给出了仿真波形，从波形上看，在故障后100 ms内与图6发生三相故障时基本相同(在此期间换流母线电压低于0.8 pu的时间为40 ms，最低降至0.67 pu)，在B、C相开关跳开后，直流电流逐渐上升，试图恢复到稳态运行，此时Y桥开始恢复换相(D桥仍在发生换相失败)，如图8所示。但由于A相故障仍存在，在直流上升过程中，Y桥再次发生换相失败，直流电流最大上升至4 493 A，换流变压器进线无功功率最大升至4 917 Mvar，换流站与系统交换的无功功率最大为3 635 Mvar。此次换相失败期间银川东站换流变压器进线无功功率最大值比在三相故障初期发生换相失败时的要小，换流母线电压最低至0.80 pu(0.80×330 kV＝264 kV)。尽管在A相开关跳开前逆变器发生间歇性换相失败，但在A相故障清除后，交直流系统均能快速恢复。

图7 弱系统运行方式下胶东站出线三相故障单相开关拒动时银川东侧仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of Yinchuandong side during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

图8 弱系统运行方式下胶东站出线三相故障单相开关拒动时胶东侧仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of Jiaodong during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

4 结 论

(1)直流系统逆变站发生换相失败时，直流电流迅速上升，整流站则迅速增大触发角以抑制直流电流增加；由于直流电流和触发角的增大引起送端换流站消耗的无功功率大幅增加，从而导致换流站换流母线电压降低，若换相失败能够正常恢复，送端站换流母线低电压持续时间一般不超过100 ms。

(2)换相失败恢复过程中，在控制器调节作用下触发角逐渐减小，此时直流电流较小，送端换流器消耗无功功率较小，但大量交流滤波器仍处于正常运行状态，导致送端站换流母线电压上升，出现由交流故障引起的直流送受端系统故障耦合现象。

(3)仿真表明，送端交流系统越弱，受端换相失败引起的电压下降幅度越大；银东直流送端系统冬小方式下最低为0.74 pu，极弱系统条件下可达0.66 pu。

(4)受端单相交流故障引起直流系统换相失败，直流电流过冲受故障发生时刻影响较大，银东直流送端系统冬小方式下最小值为6 315 A，最大为7 033 A，受端发生三相故障时，由于所有导通的换流阀均发生换相失败，因此引起的电流过冲、无功功率变化量等受故障时刻影响不大。

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(编辑：张小飞)

Influence of Commutation Failure on Transmitter System in Yindong DC Inverter Station and Its Simulation Analysis

WANG Huawei，LI Xinnian，LEI Xiao，LIN Shaobo
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

During receiver commutation failure of HVDC transmission system，more reactive power were absorbed in a short time by rectifier converters from transmitter system，and the voltage stability or protection misoperation might appear in weak transmitter system or other disadvantage conditions.Taking Yindong HVDC transmission project as example，this paper analyzed the response characteristics of DC system after receiver commutation failure，studied the fault coupling mechanism of transmitter system and receiver system caused by the commutation failure of inverter station，and presented the reasons and phenomenon of voltage fluctuation in condition of weak transmitter system through simulation.The conclusions have important guiding significance to the commissioning of DC transmission project and the dispatching operation of AC grid.

HVDC transmission system；transmitter system；converter；commutation failure

TM 743

A

1000-7229(2015)11-0115-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.018

2015-06-28

2015-08-10

王华伟(1971)男，硕士，高级工程师，从事直流输电系统仿真和电磁暂态方面的研究工作；

李新年(1977)男，硕士，高级工程师，从事直流输电系统仿真和电磁暂态方面的研究工作；

雷霄(1982)男，硕士，高级工程师，从事直流输电系统仿真和控制保护建模方面的研究工作；

林少伯(1984)，男，博士，工程师，从事直流输电系统仿真研究和工程系统调试方面的工作。