基于谐波及直流电流变化的换相失败预测

孟光明，崔双喜，左 帅

(新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

高压直流输电(high voltage direct current transmission, 简称HVDC)系统具有低损耗、大容量、高稳定性、输送距离远、经济效益高等优点，广泛应用于跨区域电网互联、大容量远距离输电等方面.我国是世界上高压直流输电发展前景最好的国家之一.随着 “西电东送”和全国联网的实施，高压直流输电技术将会得到快速发展.

HVDC系统运行过程中的换相失败，是最常见的故障之一.换相失败会导致直流系统的电压降低和电流增大，严重时使阀控组出现闭锁.换相失败发生后，若控制系统响应迅速，直流系统将在两个工频周期左右自行恢复正常运行.若控制系统配置不合理，会出现多次换相失败,多次换相失败会中断功率输送.造成换相失败的原因有很多，最主要的是逆变侧故障造成的换相电压降低及相位偏移.为避免换相失败引起严重后果，快速准确预测换相失败显得尤为重要.只有准确迅速预测换相失败，才能及时采取相应的抑制和保护措施.

对换相失败的判定，常用方法有：关断角比较法、换相电压时间面积分析法、临界电压跌落法等.文献[15]提出了计算关断角的方法，但没有考虑谐波和直流变化对换相的影响.文献[16]分析了换相机理，指出电压跌落和相位偏移是换相失败的原因.文献[17]采用虚拟电阻电流控制方法，以降低换相失败发生的概率，但未考虑谐波电流对控制系统的影响.文献[18]采用临界电压跌落法，该方法通过换流母线电压与临界电压跌落的关系判断换相失败，但是没考虑控制系统的响应特性.文献[19]通过逆变侧交流电压的幅值和零序分量，判断换相失败的发生.文献[20]提出了换相电压时间面积法，该方法考虑了交流系统对换相电压的影响，但未考虑直流电流急剧增大带来的判断偏差.

该文分析HVDC系统换相失败的机理，基于直流变化对换相过程的影响，且考虑谐波因素，推导改进的关断角计算公式.提出基于改进关断角的预测换相失败的方法，通过对比实验验证所提预测方法的有效性.

1 换相失败的机理

通过换流阀的通断使电流从一换流臂转至另一换流臂的过程称为换相.在换相过程中，当阀电压为正向时，预定导通的阀断开，预定断开的阀导通，此情况称为换相失败.图1为逆变侧6脉动换流器的等效电路，其中：V1～V6为由晶闸管构成的换流阀，

I

为直流电流，

L

为平波电抗器的电感，

L

为换流器的换相电感，

U

,

U

，

U

均为换流器的换相电压.

图1 6脉动换流器的等效电路

以阀V4到阀V6的换相过程为例.根据基尔霍夫电压定律，可得

(1)

其中：

i

，

i

分别为流过阀V4，V6的电流.直流电流

I

从同一桥臂组的换流阀转至相邻换流阀需要一段时间，此过程阀V2断开, 阀V4,V6导通,故有：

i

+

i

=

I

.将

i

=

I

-

i

代入式(1)再进行相关运算，可得

(2)

其中：

U

=

U

-

U

.

对式(2)两端进行积分,得

(3)

其中：

t

=

α

/

ω

，

t

=(

α

+

μ

)/

ω

，

μ

为换相角，

α

为逆变侧延迟触发角，

ω

为角频率.假设交流系统为理想的三相电源，则

U

可表示为

U

=

E

sin

ωt

，

(4)

其中：

E

为交流系统基波线电压幅值.将式(4)代入式(3)，再结合

β

=π-

α

=

γ

+

μ

，可得

(5)

其中：

γ

为关断角，

β

为逆变侧超前触发角，

X

为基波换相电抗.换相失败的条件为:换相结束后导通阀的关断角

γ

小于固有极限关断角

γ

.

2 直流变化对换相过程的影响

换流器一个周期内换相6次，换相期间直流电流的变化影响关断角.图2为阀V4到阀V6换相过程的等效电路.

图2 阀V4到阀V6换相过程的等效电路

图2中，阀V4到阀V6的换相过程中，换相始末时刻流过阀V6的电流分别为

i

(

α

)=0，

i

(

α

+

μ

)=

I

(

α

+

μ

).基于直流电流

I

的变化，可得

(6)

将(4)式代入(6)式再进行相关运算，可得

(7)

故障期间关断角为

(8)

其中：

ΔI

=

I

(

α

+

μ

)-

I

(

α

).由式(8)可知，直流电流变化量

ΔI

将影响关断角的大小.当系统稳定运行时，直流电流

I

变化很小，

ΔI

≈0,式(8)就简化成了式(5)，即常用的关断角公式.但当逆变侧交流系统发生故障时，换相期间

ΔI

并不为0，此时使用式(5)计算关断角会出现较大误差.

3 考虑谐波和直流变化的改进关断角

当系统出现高次非特征谐波时，系统交流线电压

U

为

(9)

其中：

U

为

n

次非特征谐波电压幅值；

φ

为相角.逆变侧交流系统发生故障时，直流电流

I

明显增大.以阀V4到阀V6换相为例.设

t

，

t

分别为换相的始末时刻，

I

则从

I

(

t

)变为

I

(

t

).将式(9)代入(1)可得

(10)

基于式(9)～(10)进行相关计算可得

(11)

由于故障时直流电流增大，换相电压降低，关断角也随之降低，所以只需计算关断角的最小值，然后将其与固有极限关断角

γ

进行比较,就可判断是否发生换相失败.

换相角、关断角、超前触发角和延迟触发角的关系为

β

=π-

α

=

γ

′+

μ

′+

θ

.

(12)

(13)

将式(12)代入(13)，得到考虑直流变化和非特征谐波影响的改进关断角

γ

′为

(14)

式(5)没有考虑交流系统逆变侧发生故障后非特征谐波和直流电流变化对关断角的影响，误差较大.式(14)换相结束后能实时计算关断角，因此可精准预测换相失败.笔者基于式(14)提出预测换相失败的方法.

4 对比实验

注入不同次数的谐波情况下，将基于改进前后关断角的预测结果与实际情况进行对比，验证所提方法的有效性.综合各方面的因素，一般取固有极限关断角

γ

=10°.将关断角与固有极限关断角

γ

进行对比，即可判断是否发生换相失败.表1为各次谐波的相关特性及结果.

表1 各次谐波的相关特性及结果

由表1可知：谐波相移增大、直流电流增大均会导致关断角减小；若关断角小于

γ

，就会发生换相失败；(5)式预测结果的准确率为60%，(14)式预测结果的准确率为100%，可见基于改进关断角的预测方法的准确率非常高.

5 结束语

笔者综合考虑谐波和直流变化对关断角的影响，推导出改进关断角的计算公式，提高了关断角计算的精确度.提出了基于改进关断角的预测换相失败方法.通过不同次数谐波的对比实验，验证改进关断角预测方法的有效性.实验结果表明该文预测方法的准确率非常高.