HVDC逆变侧典型故障暂态响应分析

范彩云，张志刚，刘堃，任静，何青连，李生林，黄永瑞，李旭升（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

HVDC逆变侧典型故障暂态响应分析

范彩云，张志刚，刘堃，任静，何青连，李生林，黄永瑞，李旭升
（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

基于PSCAD/EMTDC建立±500 kV直流输电系统的详细模型，仿真分析逆变侧典型故障，包括交流系统单相接地故障、阀控系统误开通故障和不开通故障3种，对故障引起的暂态响应特性和控制策略进行统计分析。研究结果表明，故障会引起直流电压、直流电流和直流功率等电气量的剧烈变化，且会导致换相失败，换相失败发生次数和持续时间与故障类型有关；故障切除后，良好的控制策略使系统快速恢复。

HVDC；典型故障；暂态响应；换相失败；控制策略

高压直流输电（high-voltage direct current，HVDC）是实现大容量电力远距离输送，优化电网资源配置，协调区域经济发展的重要技术手段[1-3]。它包括两端换流站和直流输电线路，换流站内主要有换流器、交直流开关一次设备和控制保护二次设备。其中任何一部分发生故障，都会影响整个直流输电系统运行的可靠性和相关设备的安全[4]。按故障区域来分，HVDC故障可分为换流器故障和交直流系统故障。当直流输电系统发生故障时，换流器采取适当的控制措施能够保持系统稳定，否则，可能造成直流功率传输中断，影响交流电网的安全[5-7]。文献[8]以CIGRE直流输电标准测试系统为例，分析了交流系统单相故障、三相故障和直流线路短路故障3种工况下的暂态响应特性。文献[9]以云广±800 kV直流输电系统为例，分析换流器内部阀控系统误开通故障和不开通故障2种工况下的暂态响应特性，但缺乏对故障引起的换相失败的详细分析。

本文在文献[8-9]的基础上，通过电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC搭建±500 kV直流输电系统仿真模型，基于该模型仿真逆变侧交流系统单相接地故障、阀控系统误触发故障和不触发故障3种工况，对不同故障下的直流电压、直流电流和直流功率的详细变化过程，换相失败发生次数和持续时间进行统计分析，为工程分析提供有效依据。

1　系统参数及建模

以国内已投运某±500 kV直流输电系统为研究对象。系统运行方式为双极大地回线，系统额定直流功率3 200 MW，额定直流电压±500 kV，额定直流电流3.2 kA。整流站和逆变站均有12台单相双绕组换流变压器（不含备用），其中整流站换流变压器额定容量为317.6 MV·A，变比为525 kV/210.5 kV，逆变站换流变压器额定容量为300.4 MV·A，变比为525 kV/199.2 kV。整流站和逆变站交流滤波器ACF和电容器组SC总的无功补偿容量分别为3 362 MV·A和3 828 MV·A。基于PSCAD/EMTDC建立的仿真模型如图1所示。

图1　PSCAD仿真模型Fig.1Simulation model in PSCAD

本仿真的极控制采用CIGRE标准直流系统推荐的控制器，整流侧采用闭环定电流控制，低压限流控制（voltage dependent current order limiter，VDCOL）和最小触发角αmin相结合的控制方式，逆变侧采用闭环定电流控制和定熄弧角γ相结合的控制方式[10]。

2　仿真结果与分析

双极系统正常运行时，运行电压±500 kV，运行电流3 200 A，直流功率3 200 MW。本文在此基础上，在逆变侧设置交流系统单相接地，阀控系统误开通和不开通3种故障工况。

2.1交流系统单相接地故障及分析

根据资料显示，交流系统单相接地故障占全部故障的65%，由于其发生概率较高，故分析该扰动下直流系统的运行情况。交流故障发生后，换流站换流母线电压会出现不同程度的跌落，距离故障点越近电压跌落越严重，一般靠近故障点的换流站母线电压可跌落到零附近。本文仿真设置A相发生单相接地故障，持续时间0.1s（0.6~0.7s），使换流站母线A相电压下降幅度约30%，交流母线A相电压和系统响应特性如图2所示。

图2　交流系统A相接地故障仿真波形Fig.2Simulation wave of phase A short circuit fault occurred at the AC system

从图2给出的仿真波形可以看出：故障瞬间，直流电压和直流功率陡降，直流电流大幅上升，过电流可达到1.58 pu。由于交流电压降低、直流电流增大，与故障相关的阀无法完成换相而造成换相失败，逆变侧熄弧角由15°降为0°，并在故障周期内发生多次换相失败，最长持续时间27 ms。本文从换相失败本质出发，认为熄弧角小于10°，即发生换失败[11-12]。对于直流电流增大，整流侧阀快速增加触发角以抑制其升高，经过21°-90°-55°的过程之后，保持在55°附近。故障期间，由于直流电压下降，正极整流侧由定电流控制转为VDCOL控制，逆变侧定熄弧角控制保持不变。由于负极控制策略和控制角度与正极类似，文中不再给出。交流故障清除后，交流电压快速恢复，触发角和熄弧角开始回调，经过140 ms，直流功率恢复到故障前输送功率90%。

2.2阀控系统误开通故障及分析

误开通是指应处于正向阻断的阀出现非正常导通[13]。过大的正向电压作用，或阀控制极触发回路发生故障，均有可能造成误开通故障。本文设置逆变侧正极高端6脉冲阀组一阀臂发生单次误开通故障，单次误开通触发脉冲和系统响应特性如图3所示。

从图3给出的仿真波形可以看出：故障开始后，正极直流电压降低，直流电流出现过电流，增大到1.502 pu，直流功率出现小幅度跌落，而负极直流电压和电流基本没有变化。正极逆变侧发生单次换相失败，持续时间7 ms，正极整流侧的触发角调整到68°以抑制直流电流增大。在整个故障过程中，正极整流侧定电流控制和逆变侧定熄弧角控制保持不变。

2.3阀控系统不开通故障及分析

阀不开通故障是由于触发脉冲丢失或门极控制回路故障引起的[13]。本文设置逆变侧正极高端6脉冲阀组一阀臂连续5个周期（0.6~0.7 s）丢失触发脉冲，连续不开通触发脉冲和系统响应特性如图4所示。

从图4给出的仿真波形可以看出：故障开始后，正极直流电压降低，直流电流出现过电流，增大至1.509 pu，且两者出现周期性震荡，直流功率最低降至0.67 pu，而负极直流电压和电流基本没有变化。由于逆变侧连续5个周期丢失脉冲，导致连续发生5次换相失败，持续时间均为7 ms，造成了六脉动桥在直流侧多次短路。整流侧触发角在40°~80°震荡，周期与直流电流同步，以抑制直流电流增大。由于正极直流电压降低，正极整流侧在较长一段时间内采用VDCOL控制，逆变侧定熄弧角控制保持不变。触发脉冲恢复后，整流侧触发角和逆变侧阀熄弧角快速调整至21°和15°，直流输送功率经过125 ms恢复到故障前的90%。

图3　单次误开通故障仿真波形Fig.3Simulation wave of a single mis-conduction fault

图4　连续不开通故障仿真波形Fig.4Simulation wave of sustained non-conduction fault

3　结论

1）双极系统正常运行时，交流系统单相接地故障会影响双极运行，而单极发生误开通或不开通故障时，对另一极的影响很小。

2）3种故障均会引起直流电压、直流电流和直流功率的波动，其中单相接地故障最为剧烈，故障切除后，其恢复时间也最长。不开通故障会引起直流电压和直流电流震荡，其波形有一定的周期性，直流电流增大后缓慢减小。

3）3种故障均会引起换相失败，单次误开通故障引起单次换相失败，单相接地故障和连续不开通故障引起连续的换相失败。连续不开通故障引起的换相失败次数和持续时间有一定规律。

4）故障会引起直流电压降低，整流侧由定电流控制变为VDCOL控制，逆变侧定熄弧角控制保持不变，有利于系统的稳定运行和故障切除后的快速恢复。

[1]王瑶．特高压直流输电控制与保护技术的研究[J]．电力系统保护与控制，2009，37（15）：53-58．WANG Yao．Study on the control and protection system of ultra high voltage direct current transmission[J]．Power System Protection and Control，2009，37（15）：53-58（in Chinese）．

[2]梁旭明，张平，常勇．高压直流输电技术现状及发展前景[J]．电网技术，2012，36（4）：1-9．LIANG Xuming，ZHANG Ping，CHANG Yong．Recent advances in high-voltage direct-current power transmission and its developing potential[J]．Power System Technology，2012，36（4）：1-9（in Chinese）．

[3]袁清云．我国特高压直流输电发展规划与研究成果[J]．电力设备，2007，8（3）：1-4．YUAN Qingyun．Development planning and research accomplishments of UHVDC power transmission in China[J]．Electrical Equipment，2007，8（3）：1-4（in Chinese）．

[4]李兴源．高压直流输电系统[M]．北京：科学出版社，2010．

[5]田庆．天广直流输电工程控制保护功能的完善[J]．高压电器，2013，47（11）：66-71．TIANQing．Enhancementofcontrolandprotection functions for Tian-Guang HVDC project[J]．High VoltageApparatus，2013，47（11）：66-71（in Chinese）．

[6]余海翔，陈立，梁家豪．天广直流广州换流站换相失败机理探讨[J]．高压电器，2015，51（3）：151-156．YU Haixiang，CHEN Li，LIANG Jiahao．Investigation of commutation failure in Guangzhou converter station of Tian-Guang HVDC project[J]．High Voltage Apparatus，2015，51（3）：151-156（in Chinese）．

[7]厉瑜，宋国超，张彩友．青藏联网工程VCU系统异常导致双极换相失败分析[J]．电网与清洁能源，2013，29（12）：61-69．LI Yu，SONG Guochao，ZHANG Caiyou．Failure analysis of bipolar commutation failure caused by the anomaly of the VCU system in the Qinhai-Tibet interconnection project[J]．Power System and Clean Enery，2013，29（12）：61-69（in Chinese）．

[8]杨汾艳，徐政．直流输电系统典型暂态响应特性分析[J]．电工技术学报，2005，20（3）：45-52．YANG Fenyan，XU Zheng．Typical transient responses in HVDC transmission system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（3）：45-52（in Chinese）．

[9]董曼玲，黎小林，何俊佳，等．特高压直流输电系统换流站内部故障电磁暂态响应特性及控制策略[J]．电网技术，2010，34（3）：5-10．DONG Manling，LI Xiaolin，HE Junjia，et al．Electromagnetic transient response characteristics of internal faults in UHVDC converter station and corresponding control strategy[J]．Power System Technology，2010，34（3）：5-10（in Chinese）．

[10]FARUQUE M O，ZHANG Yuyan，VENKATA DINAVAHI． Detailed modeling of CIGRE HVDC benchmark system using PSCAD/EMTDC and PCB/SIMULINK[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：378-387．

[11]欧开健，任震，荆勇．直流输电系统换相失败的研究（一）：换相失败的影响因素分析[J]．电力自动化设备，2003，23（5）：5-8．OU Kaijian，REN Zhen，JING Yong．Research on commutation failure in HVDC ttransmission system part 1：commutation failure factors analysis[J]．Electric Power Automation Equipment，2003，23（5）：5-8（in Chinese）．

[12]何朝荣，李兴源，金小明，等．高压直流输电系统换相失败判断标准的仿真分析[J]．电网技术，2007，31（1）：20-24．HE Chaorong，LI Xingyuan，JIN Xiaoming，et al．Simulation analysis on commutation failure criteria for HVDC transmission systems[J]．Power System Technology，2007，31（1）：20-24（in Chinese）．

[13]赵婉君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004．

（编辑冯露）

Analysis on Transient Response of Typical Faults at the Inverter Side in HVDC

FAN Caiyun，ZHANG Zhigang，LIU Kun，REN Jing，HE Qinglian，LI Shenglin，HUANG Yongrui，LI Xusheng
（XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

In this paper，a detailed model of the±500 kV HVDC power transmission system is built based on PSCAD/ EMTDC.The simulation analysis is made on three typical faults in the inverter，including single-phase fault in AC system，mis-conducting fault and non-conducting fault of valve control system，and the statistical analysis is made on the transient response characteristics of the±500 kV HVDC power transmission system and its controller.The research results suggest that the three faults can exert fierce influence on electrical quantities，such as DC voltage，DC current and DC power，and the commutation failure takes place in the fault period，and the number and duration of commutation failures depend on the fault.With the fault cleared，the HVDC system can be quickly recovered if the good control policy is adopted.

HVDC；typical faults；transient response；commutation failure；control policy

1674-3814（2015）06-0039-05

TM721

A

2015-02-03。

范彩云（1972—），女，高级工程师，硕士，主要研究方向是电力电子、高压直流输电换流阀的研发和工程应用；

张志刚（1987—），男，工程师，硕士，主要研究方向是高压直流输电换流阀的研发和工程应用；

刘堃（1983—），男，工程师，硕士，主要研究方向是高压直流输电换流阀的研发和工程应用。