逆变侧不对称故障时连续换相失败的风险评估

赵君，李晓华，王玉麟，罗一杰，孟祥宇

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641)

0 引 言

基于电网电压换相的高压直流输电系统(line-commutated-converter high voltage direct current，LCC-HVDC)在远距离、大容量输电中广泛应用，但由于晶闸管无自关断能力，LCC-HVDC存在换相失败的风险[1]。连续换相失败可能导致直流闭锁，严重威胁交直流系统的安全稳定运行[2]。因此，对发生连续换相失败的风险进行评估具有重要意义。

现有文献评估连续换相失败风险的指标主要为交流系统的特征量，比如换相电压的幅值跌落、相位偏移和谐波等因素。文献[3]给出了单相故障和三相故障时引起换相失败的电压幅值跌落的临界值。文献[4]研究了相位偏移对换相过程的影响。文献[5]提出了谐波影响系数以评估不同次数谐波引起换相失败的风险。目前换相失败的风险评估方法多是从交流系统的角度提出，鲜有从直流控制的角度研究连续换相失败的风险评估。鉴于此，本文从直流控制的角度考虑，提出利用最大换相电流进行连续换相失败的风险评估，这对于连续换相失败的抑制措施研究也同样具有指导意义。

本文首先提出将最大换相电流作为换相失败的判据，计算出不对称故障时各个阀对应的最大换相电流特性曲面；然后通过与VDCOL特性曲面的比较来评估连续换相失败的风险；最后，基于CIGRE HVDC标准模型的仿真验证文中所提的最大换相电流用于连续换相失败的风险评估的正确性。

1 不对称故障对连续换相失败的影响

1.1 连续换相失败和最大换相电流判据

LCC-HVDC采用晶闸管作为换流阀，晶闸管恢复关断能力所需的最小关断角γmin为7.2°,当关断角γ<γmin时，将引起换相失败[6]。关断角的表达式为：

(1)

式中：Xc为等效换相电抗；Id为直流电流；UL为换相电压；α为触发延迟角。由于关断角不能直接控制，也不便于反映换相的动态过程，根据式(1)定义最大换相电流为：

(2)

将Idmax作为换相失败的判据，通过Idmax和Id的比较，就能判断某次换相过程能否成功。当Id>Idmax时，换相时间变长，导致关断角减小;当γ<γmin就会引发换相失败。交流系统发生故障后，若直流控制系统调节不当，造成多次Id>Idmax，进而导致多次γ<γmin，就会引发连续换相失败。

1.2 最大换相电流的计算

图1 电压负序分量对换相电压的影响

逆变侧交流系统发生不对称故障后，负序分量导致换相电压不再对称,更容易引发连续换相失败,而且各换流阀发生连续换相失败的风险不一致。换相电压如图1所示。图1中：虚线为考虑了负序分量后的换相电压;下标1为换相电压正序分量；下标2为换相电压负序分量。负序分量将导致换相电压相位偏移，其中ΔΨac为换相电压uac的相位偏移量。

不对称故障导致换相电压不再对称时，根据式(2)定义最大换相电流为：

(3)

本文将Y桥a相向b相换相对应的最大换相电流记为IdmaxYab,对应的换流阀换相过程为Y桥阀4向阀6换相；将Y桥b相向a相换相对应的最大换相电流记为IdmaxYba，对应的换流阀换相过程为Y桥阀1向阀3换相。同理可得Y桥和D桥其他换流阀对应的最大换相电流。由图1可知，换相电压uab和uba的幅值和相位偏移量相同，则IdmaxYba=IdmaxYab，因此文章将IdmaxYab对应Y桥阀4向阀6、阀1向阀3的换相过程，12脉动换流阀只需要计算6个最大换相电流即可。

(4)

式中：Uf1、Uf2分别为电网电压正序、负序分量；φ21为电压负序分量和正序分量的相位差。根据序分量合成，同理可计算其他换相电压的幅值和相位偏移[8]。在系统参数确定的情况下，序分量主要与故障类型和过渡阻抗Zf有关[9]。

Uf1=y1(Zf)，Uf2=y2(Zf)，φ21=y3(Zf)

(5)

式中：Zf为过渡阻抗。将式(4)、式(5)代入式(3)可以得到IdmaxYab，同理，可以计算出其他阀对应的最大换相电流，最后结果简化为：

Idmax=f(Zf,α)

(6)

2 连续换相失败的风险评估方法

2.1 VDCOL特性曲面

VDCOL根据电压幅值调节直流电流指令，能在一定程度上减小换相失败的风险。典型的VDCOL特性方程为：

(7)

式中：IdVDCOL为VDCOL电流指令；Udc为直流电压。

Idmax表征了系统的极限换相能力，而IdVDCOL表征了控制系统所感知的换相能力。当IdVDCOL超过Idmax时，将导致实际直流电流偏大，无法保证关断角裕度，导致连续换相失败。将IdVDCOL和Idmax进行对比，就可以评估各个换流阀发生连续换相失败的风险。但是，VDCOL特性曲线仅反映了电流指令随直流电压变化的规律，并不便于和Idmax进行比较，因此，需要将现有的VDCOL特性曲线转化为VDCOL特性曲面，以便进行比较。

不对称故障后，首次换相失败恢复期间的直流电压为：

(8)

IdVDCOL=g(Zf,α)

(9)

图2 VDCOL特性曲面

图3 最大换相电流特性曲面

根据式(9)可计算出单相故障时过渡阻抗为纯电感时的VDCOL特性曲面，如图2所示。同理也可以计算出不同故障类型和过渡阻抗时的VDCOL特性曲面。

2.2 连续换相失败的风险评估机理

在首次换相失败后的故障恢复期间，在控制系统调节的过程中，随着α增大，直流电压逐渐增大，IdVDCOL逐渐增大，则Id随之增大，但是Idmax逐渐减小。负序分量造成换相电压相位超前且幅值跌落，导致Idmax进一步减小，当IdVDCOL>Idmax时引起控制系统调节不当,随着α的增大，将导致Id大于Idmax而发生连续换相失败。

为评估连续换相失败的风险，根据式(6)计算出各个换相电压对应的最大换相电流曲面，并与式(9)计算出的VDCOL特性曲面进行对比，图3(a)是A相故障且过渡阻抗为纯电感时计算出的最大换相电流特性曲面，图3(b)是A相故障且过渡阻抗为纯电阻时计算出的最大换相电流特性曲面。

由图3(a)可以看到，A相故障且过渡阻抗为纯电感时，在调节的过程中，随着α的增大，IdmaxYab最先小于IdVDCOL，因此最易发生连续换相失败的环节为最大换相电流IdmaxYab所对应的换相过程：Y桥阀1向阀3换相、阀4向阀6换相。同理，由图3(b)可以看出，A相故障且过渡阻抗为纯电阻时，随着α的增大，IdmaxDbc最先小于IdVDCOL，因此最易发生连续换相失败的环节为最大换相电流IdmaxDbc对应的换相过程：D桥阀3向阀5换相、阀6向阀2换相。

3 仿真分析

本文基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，以CIGRE HVDC标准模型为算例验证所提连续换相失败的风险评估方法的正确性。

3.1 最大换相电流判据的合理性验证

为验证本文所提最大换相电流作为换相失败判据的合理性，1.0 s时在逆变侧交流系统设置过渡电感Lf为0.8 H、持续时间为0.4 s的AB两相接地故障(AB-G)，仿真波形如图4所示。图4中：Idmax取自12脉动换流阀的最大换相电流的最小值，可根据式(3)求得；i21～i26为D桥阀1～阀6的阀电流。

图4 AB-G故障过渡电感为0.8 H时的仿真波形

由图4可知，首次换相失败后的故障恢复阶段，在控制系统的调节下触发角逐渐增大，IdVDCOL逐渐增大，Id随之增大，而Idmax逐渐减小，直流输电系统面临连续换相失败的风险。1.157 s时D桥阀6向阀2换相,对应的Idmax=1.082 p.u.，而此时Id=1.083 p.u.,Id大于Idmax导致换相时间偏长，阀6无法正常关断，随后1.158 s时阀6重新导通，导致D桥阀6向阀2换相失败。可见，将Idmax作为换相失败判据，然后通过Idmax和Id的比较，能够灵敏和准确地反映换相失败发生的情况。

3.2 连续换相失败的风险评估效果验证

为验证本文所提的最大换相电流用于连续换相失败风险评估的效果，1.0 s时在逆变侧交流系统分别设置过渡电感为0.55 H、过渡电阻为100 Ω的A相故障，故障持续时间为0.4 s，阀电流波形如图5所示。图5中：i11～i16分别为Y桥阀1～阀6的阀电流；i21～i26分别为D桥阀1～阀6的阀电流。

图5 A相故障时阀电流波形

由图5(a)可知：过渡阻抗为纯电感的A相故障持续期间，首次换相失败后Y桥换流阀于1.157 s最先发生连续换相失败，且Y桥换相失败发生在阀1向阀3换相的环节，因为其对应的最大换相电流IdmaxYab最小，直流电流偏大时最先超过该电流，导致连续换相失败，这符合图3(a)的理论计算结果。

由图5(b)可知：过渡阻抗为纯电阻的A相故障持续期间，首次换相失败后D桥换流阀于1.136 s最先发生连续换相失败，且D桥换相失败发生在阀6向阀2换相的环节，因为其对应的最大换相电流IdmaxDbc最小，直流电流偏大时最先超过该电流，导致连续换相失败，这与图3(b)的仿真计算结果一致。

为进一步验证本文所提评估方法的有效性，以A相故障为例，在首次换相失败后换流阀发生连续换相失败的情况如表1和表2所示。表1和表2的数据表明，本文所提出的最大换相电流的评估方法，可以有效评估不对称故障时各个阀发生连续换相失败的风险。

对于其他类型的不对称故障，在获取了Uf1、Uf2以及φ21等特征量后，根据式(3)、式(4)就可以求解各个阀对应的最大换相电流，根据式(7)、式(8)求解IdVDCOL，然后通过IdVDCOL和Idmax的对比来评估发生连续换相失败的风险。

表1 过渡阻抗为电感时连续换相失败情况统计表

表2 过渡阻抗为电阻时连续换相失败情况统计表

4 结束语

针对不对称故障造成连续换相失败的问题，本文从直流控制的角度出发，将最大换相电流作为换相失败判据，并提出不同换流阀发生连续换相失败的风险评估方法。通过理论分析和大量仿真验证，得到以下结论。

(1) 将最大换相电流作为换相失败判据，能够准确和灵敏地反映换相失败的情况。

(2) 通过对比最大换相电流和VDCOL电流指令,能够有效评估不同换流阀发生连续换相失败的风险。当某个换相过程所对应的最大换相电流小于VDCOL电流指令时，说明该换相过程抵御换相失败的能力最弱，最容易发生连续换相失败。

限制直流电流能够有效避免换相失败，在今后，可将本文所提的最大换相电流用于连续换相失败的抑制措施研究。