从西站交流滤波器投入导致直流电压跌落分析

严伟, 秦金锋, 叶志良, 许浩强, 王子民，陈威

(1. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510663；2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

高压直流输电系统中的换流器在运行过程中需要吸收大量容性无功[1-3]，同时会产生大量谐波电压和电流[4-6]。交流滤波器是高压直流系统最主要的设备之一，其不仅可以滤除交流侧谐波，还可以提供无功补偿[7-9]。交流滤波器需要根据直流传输功率的变化进行投切，而滤波器投入瞬间会产生合闸涌流，对设备本身和系统造成冲击[10-11]。选相合闸装置能够控制断路器在适当时刻进行合闸操作，有效缩短滤波器投入产生的暂态过程，因此目前交流滤波器大多采用带选相合闸装置的断路器进行合闸[12-14]。

牛从直流工程是世界上第一个两回直流落点在同一个换流站的±500 kV同塔双回直流输电工程，作为其逆变站，从西换流站(以下简称“从西站”)安全稳定运行的重要性不言而喻[15]。2017年1月4日和3月8日，分别监测到从西站的直流电压跌落57 kV和63 kV，持续时间均为133 ms左右。异常发生时刻未监测到交流系统发生故障，牛从直流处于双回四极正常运行方式，且直流传输功率处于上升阶段，无功要求分别投入C型交流滤波器584及595。通过梳理2017年1月16日—2月17日期间交流滤波器的投入情况与极控系统录波发现，在此期间共发生24次交流滤波器投入导致的直流电压跌落情况，跌落幅值30～70 kV不等，且全站22组交流滤波器均出现过至少1次投退。

本文首先对交流滤波器合闸涌流的产生机理及其危害进行研究梳理，详细阐述选相合闸装置的工作原理；通过观察交流滤波器投入时刻的电压电流波形，对合闸涌流的抑制效果进行分析；并根据极控系统的控制响应情况，推导直流电压跌落的原因；基于溪洛渡直流工程模型，利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件进行仿真验证；最后根据断路器合闸数据对选相合闸装置合闸时间重新进行整定，以避免该异常现象的发生。

1 滤波器合闸涌流

1.1 涌流的危害

高压直流输电系统中的交流滤波器组需根据直流传输功率的变化进行投切，在滤波器投入时，由于其电容器上的电压与电网电压不完全同步，滤波器支路上会产生合闸涌流[10]。

对于滤波器本身而言，合闸涌流会对滤波器设备造成一定冲击，减少设备的使用寿命，严重时还会造成电容器熔丝群爆等损坏，同时有可能导致滤波器保护误动作；另一方面，涌流也会对系统造成冲击，影响电网的电能质量，并可能引起避雷器频繁动作、直流换相失败等现象的发生[11]。因此必须设法缩短交流滤波器投入的暂态过程，降低合闸涌流对设备和电网造成的危害。

1.2 滤波器合闸涌流的产生机理

从西站共配置有5大组、22小组交流滤波器，其中4组DT11/24双调谐滤波器，4组DT13/36双调谐滤波器，14组Shunt C并联电容器。上述不同型号的交流滤波器均可以简化为最基本的电阻电感电容串联电路，如图1所示，可将滤波器合闸过程看作电阻电感电容电路零状态响应过程来进行分析。

us—滤波器母线电压；R—回路总电阻；C—等效电容；L—等效电感。图1 交流滤波器等效电路Fig.1 Equivalent circuit of AC filter

由图1以及基尔霍夫电压定律可以得到：

(1)

考虑R通常较小，且ωL<1/ωC，此外滤波器在合闸前通常经过了充分放电，即电容初始电压uc(0)=0，回路初始电流i(0)=0，求解式(1)并进行一定简化后得到[10]：

(2)

(3)

(4)

将不同的θ代入上述公式发现，在θ=0(电压过零点)处合闸时产生的涌流i和过电压uc最小，而θ=π/2(电压峰值处)合闸时则最大。因此，滤波器合闸时刻应当选定在系统电压过零点附近，以最大限度减小滤波器投入造成的冲击。

2 选相合闸装置

选相分合闸(controlled switching，CS)技术是指利用一定的方法令断路器动、静触头在系统电压的指定相位处分合的电力技术。选相合闸装置广泛适用于电容器、滤波器和变压器等装置的投切操作，其能够控制电力设备在对自身和系统冲击最小的时间点进行投切，有效缩短断路器分合闸操作产生的暂态过程，大大降低设备投切造成的过电流和过电压，延长电力设备的使用寿命，提高整个电力系统的稳定性[12]。

不同厂家生产的选相合闸装置原理基本类似，如图2、3所示。以南瑞PCS-9830型选相合闸装置为例，对选相合闸装置的工作原理进行说明[12]。选相合闸装置接收来自控制系统的分合闸命令，并将受控分、合闸命令输出接点分别接至断路器分、合闸回路；装置需要接入电源侧电压作为选相控制的基准电压，通常取自断路器高压侧母线电压互感器；装置将负荷侧的电压/电流量作为回采模拟量，根据模拟量的突变点得到断路器实际投切时刻；基于模拟量回采，选相合闸装置可以根据本次断路器的动作时间调整下次断路器的预期动作时间，实现选相合闸控制自适应功能。

VT—电压互感器，voltage transformer的缩写；CT—电流互感器，current transformer的缩写。图2 选相合闸装置原理Fig.2 Schematic diagram of phase-selection controller

图3 选相合闸装置控制时序图Fig.3 Sequence diagram of phase-selection controller

在具体的合闸过程中，选相合闸装置在时刻①收到控制系统发来的投切命令后，为防止干扰，首先需要经过40 ms的确定时间以在时刻②确认命令有效。在安全模式下，随后开始连续检测3个正向电压过零点，根据过零点时间间隔相等与否来判断系统频率是否稳定，避免频率波动造成的合闸相位误差；如果检测到的频率不稳定，重新开始检测；快速模式下则跳过该频率稳定检测过程。在时刻③确定参考电压频率稳定后，在时刻④将20 ms后的下一个电压过零点作为最终参考过零点。假定时刻⑤为断路器的目标投切时刻，考虑断路器的动作时间，经过一定的等待时刻后，于时刻⑥向断路器分合闸回路发出动作指令。由上述过程可知，选相合闸装置从收到投切命令到向断路器发出动作指令，需要经过至少大约120 ms的延时。

由第1节的分析可知，理想情况下交流滤波器开关应当设置在电压过零点处合闸，由此产生的涌流最小。而在实际应用中，考虑到合闸过程中断路器的绝缘强度下降率和操作机构的动作离散性，为防止发生预击穿现象，在选相合闸装置定值整定时，应当适当延长等待时间，尽量将合闸点控制在系统电压过零点之后的某个相位(一般为18°，即时间1 ms)。此时实际合闸时刻的系统电压不高，产生的涌流较小，并且即使断路器动作时间出现偏移，实际合闸时刻变化也不大，保证了投切效果稳定[13]。

3 滤波器投入导致直流电压跌落分析

3.1 换相失败预测控制

换相失败预测控制(commutation failure prevention，CFPREV)是高压直流系统用于预防交流故障引发换相失败的控制策略，主要控制思路是：在检测到交流系统发生一定程度故障时，将逆变器触发角指令减去一定角度，从而通过提前触发来增大换相裕度[16]。

CFPREV包含并列运行的2个部分，一部分用于检测得到换流母线电压的零序分量，表征电压的畸变程度，即

u0=uA+uB+uC.

(5)

式中uA、uB、uC分别为A、B、C三相的电压。

当检测到的零序分量超过阈值时，则认为交流系统发生了不对称故障，并将零序分量按照一定比例关系转化为提前触发角度α1；另一部分将三相电压变换到静止坐标系下的uαβ，用以表征电压的跌落程度，其中

(6)

式中uα和uβ分别为uαβ在α-β坐标系α轴和β轴上对应的分量。当uαβ与故障前该量的差值大于阈值时，则将该差值按照一定比例关系转化为提前触发角度α2，并与α1比较取大，在逆变器触发角指令中减去该角度，提前触发以预防换相失败的发生[17-18]。

如果滤波器开关选相合闸装置的参数设置不合理，将可能使得滤波器投入时合闸涌流过大，导致交流母线电压发生畸变，程度严重时可能引起上述CFPREV出现误动作，进而对高压直流系统造成更严重的影响[19-23]。

3.2 波形分析

以从西换流站584小组交流滤波器为例，图4所示为交流滤波器投入时刻波形。由图4可见，对比断路器合闸瞬间(即各相电流出现时刻)的母线电压值，除C相合闸时电压较小外，其余A、B两相均处于电压较高值处，合闸后的电流峰值显著偏大，选相合闸装置的涌流抑制效果不佳。因此，交流滤波器开关选相合闸装置参数设置仍存在较大优化空间。

图4 交流滤波器投入时刻波形Fig.4 Waveforms at the moment of AC filter input

图5所示为极控系统控制响应与电压波形，图中UAC,A、UAC,B、UAC,C分别为A、B、C三相交流电压，UAC,RMS为交流电压有效值，UDL为直流电压，γG为关断角，SCFPREV为CFPREV的输出角度。异常时刻交流母线电压有效值出现了7～8 kV轻微下降，交流母线电压畸变引起直流极控系统CFPREV动作，逆变器提前触发，关断角增大了约12°，直流电压出现显著下降，随后逐渐恢复正常。

图5 极控系统控制响应与电压波形Fig.5 Control response and voltage waveforms of polar control system

逆变侧直流电压准稳态计算公式为[1]

(7)

式中：Ud为逆变侧直流电压；N为6脉动换流器数；U为换流变阀侧空载线电压有效值；Xr为换相电抗；Id为直流电流。

选相合闸装置涌流抑制效果不佳，将导致交流滤波器合闸涌流过大，交流电压发生畸变，从而可能引起CFPREV动作。逆变器提前触发，一方面将直接使得逆变器关断角增大，另一方面还会使得逆变器消耗的无功功率增大，交流电压幅值下降，由式(7)可知，二者将会共同导致直流电压降低。

从影响程度来看，忽略换相压降，分别将图5中交流滤波器投入前后的关断角和交流电压有效值代入式(7)可知，关断角的变化对直流电压下降起主要作用。

4 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，以溪洛渡直流工程模型为测试对象，对交流滤波器合闸相角对系统的影响进行仿真验证。

在交流电压峰值处和过零点处分别投入一组C型滤波器，得到的仿真波形如图6所示。

图6 交流滤波器投入时的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms as AC filter is input

由图6可以看到，在系统稳定运行状态下，CFPREV输出为0，关断角保持在20°左右；在交流电压峰值处投入滤波器时，系统交流电压和直流电压幅值均出现了显著下降，极控系统CFPREV动作，逆变器提前触发，导致关断角增大，这与系统录波情况基本吻合。而在相同条件下，在电压过零点处投入滤波器时，直流电压和交流电压维持稳定，CFPREV未动作，关断角未变化。

为了进一步验证CFPREV对直流电压下降的作用，在交流电压峰值处投入滤波器，当CFPREV闭锁时得到仿真波形如图7所示。由图7可以看到，交流滤波器投入后直流电压基本保持平稳，这说明滤波器合闸涌流本身并不会直接导致直流电压出现显著下降，直流电压下降是由CFPREV动作所导致。这进一步验证了上述理论分析的正确性。

图7 闭锁CFPREV时的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms as CFPREV is blocked

5 解决措施

为避免交流滤波器投入导致的合闸涌流引起CFPREV误动作，一方面可以提高预测控制的故障判定阈值，降低故障检测的灵敏度，但由此可能导致交流系统发生故障时预测控制无法及时准确动作；另一方面，可以对选相合闸装置参数进行优化，降低滤波器合闸涌流大小，使得此时电压畸变程度不足以引起预测控制动作。

除了预击穿特性以外，由于断路器动作离散性、装置误差等原因，交流滤波器投入时无法准确在电压过零点处合闸，实际合闸时刻偏离过零点的角度大小决定了其对设备和系统的冲击严重程度。工程经验表明，合闸时刻与过零点的偏差在1.5 ms内时通常可以获得较好的合闸效果。实际上，断路器在长期分合操作和外部环境的作用下，不可避免地会出现元器件老化更替和机械磨损，导致断路器电气特性和机械特性发生变化，实际合闸时间随之出现偏移。

表1为从西站584小组交流滤波器的部分合闸数据(2017年3月)，已知三相开关原本设定的合闸角度和合闸时间分别为180°、120°、60°和61.9 ms、62.1 ms、59.8 ms。从表中可以看到，断路器三相合闸时间与原本整定的合闸时间存在显著差别，A相与设定合闸时间最大相差4.6 ms，导致合闸角与目标合闸角最大相差75°，峰值电流最大达到8.14 kA；B、C相合闸时间最大相差分别为3.5 ms、3.3 ms，导致合闸角最大相差达到了58.2°、52.4°，峰值电流最大同样接近8 kA。除584小组交流滤波器外，根据从西站其余21小组交流滤波器的合闸录波数据可知，尽管选相合闸装置在投运前已进行参数调校，但绝大部分断路器在运行多年后都出现了实际合闸时间与最初设定的合闸时间发生偏移的现象。

表1 584断路器合闸数据
Tab.1 Closing data of 584 breaker

操作日期合闸角度/(°)A相B相C相合闸时间/msA相B相C相峰值电流/kAA相B相C相16日105.061.849.257.358.658.97.218.202.4317日108.068.412.657.558.856.87.577.456.8218日110.165.47.657.658.756.58.148.137.7620日119.873.135.358.159.158.17.647.706.1021日107.868.228.757.659.058.96.997.776.8922日108.070.230.757.558.958.07.507.346.46

由表1还可以看出，断路器的实际合闸时间与原本设定的合闸时间之间的误差大小基本是稳定的，因此可以通过将584交流滤波器的选相合闸装置按照57.6 ms、58.8 ms、57.8 ms重新设置三相合闸时间定值，以对应开关现有的合闸时间，改善合闸涌流的抑制效果。事实上，在对从西换流站全站22小组交流滤波器的选相合闸装置参数进行重新整定以后，没有再发生类似的由于交流滤波器投入导致CFPREV误动作直流电压显著下降的现象。

6 结束语

本文对交流滤波器合闸涌流的产生机理及其危害进行了研究梳理，详细阐述了选相合闸装置的工作原理；通过对异常发生时刻的交流滤波器录波和极控系统录波进行分析，认为断路器合闸时间偏移使得选相合闸装置参数设置不合理，从而导致合闸涌流抑制效果不佳，引起CFPREV动作，逆变器提前触发，最终导致直流电压跌落。基于溪洛渡直流工程模型，通过PSCAD/EMTDC仿真证明了结论的正确性。根据断路器历次合闸数据，对选相合闸装置的合闸时间重新进行整定，有效避免了该异常现象的发生。