張松濤，陳 陳，周孝法

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.上海市電力公司 檢修公司直流運(yùn)檢中心，上海 201708）

我國能源分布與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平很不均衡，重要的煤電、水電基地主要集中于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西部和西南地區(qū)，而負(fù)荷中心地區(qū)主要位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中部和東部沿海地區(qū)。為了緩解中東部地區(qū)的負(fù)荷壓力，同時(shí)也為了促進(jìn)西北部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國于20世紀(jì)70年代后期開始進(jìn)行大規(guī)模的水電和火電外送，形成西電東送和南北互供的全國大聯(lián)網(wǎng)格局［1－3］。與傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)相比，直流輸電具有輸送容量大、損耗小、功率調(diào)節(jié)迅速而且能夠?qū)崿F(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)［4］，在西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)工程中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)國家直流建設(shè)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2015年，將有10條直流線路落點(diǎn)華東電網(wǎng)，5條直流線路落點(diǎn)華北電網(wǎng)，7條直流線路落點(diǎn)南方電網(wǎng)［5－6］。屆時(shí)，我國將擁有世界上規(guī)模最大的交直流混合輸電系統(tǒng)。

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)最常見的故障之一，換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流輸電短時(shí)中斷，若換相失敗不能及時(shí)消除，可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)換相失敗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致直流閉鎖，造成受端系統(tǒng)巨大功率缺額，嚴(yán)重危害系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而機(jī)電暫態(tài)程序具有模型簡單、仿真規(guī)模大和計(jì)算時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，常被用于大型交直流混合電網(wǎng)的仿真研究。

1 直流輸電系統(tǒng)換相失敗概述

1.1 換相失敗的機(jī)理

6脈沖橋式電路換相過程，是指直流電流從同一排閥中的一個(gè)閥，按正常導(dǎo)通順序轉(zhuǎn)移到下一個(gè)閥的過程，如圖1所示。正常換相時(shí)上排閥的導(dǎo)通順序?yàn)閂1—V3—V5，下排閥的導(dǎo)通順序?yàn)閂2—V4—V6，任意時(shí)刻同一橋臂上的上下兩個(gè)閥（如V1和V4，）不能同時(shí)導(dǎo)通，否則換流橋直流側(cè)將被短路。

圖1 6脈沖橋式整流電路

圖2為逆變側(cè)閥V1—V3的正常換相過程，當(dāng)ωt＜0時(shí)，V1處于導(dǎo)通狀態(tài)，在ωt＝α?xí)rV3觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)i1＝id，i3＝0，由于濾波電感Ld的影響，閥電流不能突變，經(jīng)過換相重疊角μ時(shí)間（在此期間上排閥中V1和V3均導(dǎo)通），在ωt＝α＋μ時(shí)直流電流i1減小至零，i3變?yōu)閕d，V1關(guān)斷，直流電流由i1過渡為i3，即完成了V1到V3的換相。

圖2 逆變站V1—V3正常換相過程

如果換相過程中受到外部擾動(dòng)，一般為交流電壓的降低、直流電流增大或觸發(fā)故障，閥V1電流在eba反向時(shí)尚未減小到零而截止，閥3承受反向電壓，電流逐漸減小到零而被關(guān)斷，閥1電流增大到直流電流id而繼續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)下排閥中V4觸發(fā)導(dǎo)通，換流橋被短路，直流電壓變?yōu)榱?，V5無法導(dǎo)通，V1繼續(xù)導(dǎo)通直到下一次V1向V3換相，由圖3可以看出，在換相失敗期間V1導(dǎo)通時(shí)間為正常運(yùn)行時(shí)的3倍。

圖3 換相失敗時(shí)閥電流的變化

由此可見，只要換流閥關(guān)斷后處于反向電壓的時(shí)間能充分滿足其恢復(fù)阻斷能力的要求便可順利完成換相過程，否則便會(huì)換相失?。?］。如圖4所示，閥V1在eba過零點(diǎn)時(shí)預(yù)計(jì)被關(guān)斷，但閥電流i1并沒有變?yōu)榱?，即閥V1沒有阻斷，當(dāng)閥電壓由負(fù)變正時(shí)，V1又重新導(dǎo)通，發(fā)生換相失敗。

圖4 逆變站V1—V3換相失敗過程

1.2 逆變側(cè)換相失敗的影響因素

高壓直流的換相失敗大多發(fā)生在逆變器，由于整流器的閥在電流關(guān)斷后的較長時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，具有足夠的阻斷能力，幾乎不可能發(fā)生換相失敗。

直流輸電系統(tǒng)對(duì)稱時(shí)，逆變器熄弧角的計(jì)算公式為：

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，換相線電壓過零點(diǎn)前移角度φ時(shí)，逆變器的熄弧角的計(jì)算公式為：

式中：K為變壓器的變比；UL為逆變器交流側(cè)母線線電壓有效值；Id為直流電流；Xc為換流變壓器電抗。

由式（1）、式（2）可知，熄弧角γ的值與交流電壓UL、直流電流Id、超前觸發(fā)角β、換流變壓器變比K和漏抗Xc有關(guān)，在交流系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱故障時(shí)，還與電壓過零點(diǎn)偏移角度φ有關(guān)，這些因素均直接影響到換相失敗的發(fā)生。其中Id和β均為直流系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)，K、Xc和UL實(shí)際上調(diào)節(jié)的是換流閥側(cè)的交流電壓。

2 交直流系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真

機(jī)電暫態(tài)仿真考慮了電力系統(tǒng)中的機(jī)械暫態(tài)特性和電磁暫態(tài)特性，主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動(dòng)后的靜態(tài)穩(wěn)定性能［8］，仿真采用基波相量原理，計(jì)算步長一般取10ms左右［9］。在交直流電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真中，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的計(jì)算是相互獨(dú)立的。直流閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)反饋出的直流電流、電壓值，計(jì)算出換流站的直流觸發(fā)角和注入交流系統(tǒng)的功率。因此，直流系統(tǒng)可以看作為換流母線處的變化負(fù)荷參與交流系統(tǒng)計(jì)算過程。

2.1 機(jī)電暫態(tài)的直流模型

機(jī)電暫態(tài)程序采用直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，根據(jù)對(duì)直流換流站、控制系統(tǒng)和直流輸電線路模擬的程度，機(jī)電暫態(tài)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)直流模型還可分為兩類，一類為直流響應(yīng)模型，另一類為直流詳細(xì)模型。

2.1.1 直流響應(yīng)模型

直流響應(yīng)模型只考慮直流控制系統(tǒng)的外部特性，而不考慮詳細(xì)的控制系統(tǒng)、換流站內(nèi)部特性和輸電線路動(dòng)態(tài)特性，認(rèn)為直流控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，受到擾動(dòng)后能夠立即過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，忽略暫態(tài)變化過程，直流線路使用電阻表示。響應(yīng)模型包含了直流系統(tǒng)的一些基本控制，如定電流（功率或電壓）控制，最小觸發(fā)角控制、定熄弧角控制和低壓限流環(huán)節(jié)（VDCOL）等，是一種通用模型，一般用于直流系統(tǒng)規(guī)劃研究。常用的直流響應(yīng)模型包括BPA直流模型、PSS／E程序的CDC4和CDC6模型等。

2.1.2 直流詳細(xì)模型

直流詳細(xì)模型對(duì)直流換流器、直流控制系統(tǒng)和直流輸電線路進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，除了直流基本控制以外，還具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的VDCOL環(huán)節(jié)、電流控制放大器（CCA）、換流站觸發(fā)角控制（CFC）和直流附加控制功能（頻率調(diào)整、功率調(diào)制和緊急功率控制），能夠模擬直流系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性、輸電線路的容性和感性特性以及交直流系統(tǒng)間的相互作用特性［10］，仿真步長較小。詳細(xì)模型具有三大特點(diǎn)：一是控制系統(tǒng)詳細(xì)，能夠準(zhǔn)確計(jì)算熄弧角γ值，從而可通過熄弧角判斷換相失敗是否發(fā)生；二是直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的控制是獨(dú)立的，能夠模擬直流線路的故障；三是能夠模擬直流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)過程，而不是按指定恢復(fù)速度恢復(fù)。直流詳細(xì)模型類型不多，其模型一般取自于某些特定的直流工程，常見的詳細(xì)模型有PSS／E程序的CDCAB1模型等。

2.2 機(jī)電暫態(tài)程序的直流換相失敗

由于機(jī)電暫態(tài)程序模型簡單、仿真步長較大，仿真計(jì)算時(shí)間短，仿真精度能夠滿足一般交直流系統(tǒng)穩(wěn)定分析要求，因此機(jī)電暫態(tài)程序也可用于交直流系統(tǒng)中直流換相失敗的研究。

文獻(xiàn)［11］提出了通過計(jì)算換流器的實(shí)際熄弧角來判斷換相失敗的方法，并使用EPRI－36算例證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性。該方法從換相失敗的本質(zhì)出發(fā)，認(rèn)為逆變器熄弧角小于臨界熄弧角時(shí)發(fā)生換相失敗，是判斷換相失敗的根本方法。而在機(jī)電暫態(tài)程序中使用直流響應(yīng)模型，可以快速算出直流熄弧角，用于換相失敗的初步判斷。

文獻(xiàn)［5］采用機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSD－BPA，深入研究了華北和華東多饋入直流輸電系統(tǒng)的換相失敗問題，認(rèn)為當(dāng)逆變站換流母線電壓低于0.6pu，則換相失敗發(fā)生；若故障后母線電壓恢復(fù)到0.75pu及以上，則認(rèn)為恢復(fù)換相。該方法使用最小電壓降落法來判斷換相失敗的發(fā)生和恢復(fù)，0.6pu和0.75pu即為換相失敗和恢復(fù)的電壓門檻值，該門檻值來自工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，具有較高的可信度，但由于直流控制系統(tǒng)、受端交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱以及交流系統(tǒng)的故障類型的不同，直流換相失敗的電壓門檻值并不相同，因此該方法可作為換相失敗的第一判據(jù)，能夠直觀、便捷的判斷出換相失敗發(fā)生與否。

文獻(xiàn)［12］提出了使用電磁暫態(tài)仿真方法整定機(jī)電暫態(tài)程序直流換相失敗電壓判據(jù)的方法。首先將交流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值處理，并搭建等值后的PSCAD／EMTDC交直流系統(tǒng)模型，然后設(shè)置交流系統(tǒng)三相、單相接地短路故障，通過改變接地電阻的大小，統(tǒng)計(jì)換相失敗發(fā)生的狀況，得到可用于機(jī)電暫態(tài)程序判斷換相失敗的換流母線臨界電壓值。該方法能夠獲得準(zhǔn)確的換相失敗臨界電壓，為使用機(jī)電暫態(tài)程序進(jìn)行交直流系統(tǒng)換相失敗研究提供理論指導(dǎo)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值，如可以通過短路電流計(jì)算獲取換流母線的短路電壓來初步判斷換相失敗發(fā)生的可能。

文獻(xiàn)［13］應(yīng)用文獻(xiàn)［12］的方法確定了±660kV銀東直流換相失敗的臨界電壓，在此基礎(chǔ)上使用機(jī)電暫態(tài)程序PSS／E，分析了交流系統(tǒng)三相短路故障對(duì)直流換相失敗的影響，并與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

3 機(jī)電暫態(tài)程序BPA和PSS／E的仿真研究

3.1 BPA和PSS／E程序簡介

BPA和PSS／E是使用較多的主流機(jī)電暫態(tài)程序。BPA程序的優(yōu)點(diǎn)是輸出支持漢字，操作簡單，缺點(diǎn)是沒有用戶自定義功能，直流模型不夠豐富；PSS／E程序的優(yōu)點(diǎn)是仿真規(guī)模大于BPA，便于聯(lián)網(wǎng)研究、計(jì)算功能豐富、直流模型種類較多，缺點(diǎn)是操作不方便、自定義功能復(fù)雜。

3.2 BPA和PSS／E仿真對(duì)比

研究數(shù)據(jù)取自于BPA自帶2DC算例，該系統(tǒng)包含4條500kV交流母線，共有5臺(tái)發(fā)電機(jī)（3臺(tái)經(jīng)典二階發(fā)電機(jī)和1臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)），并含有一條單極800kV、輸送容量為1 440MW的直流輸電線路，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.1 潮流計(jì)算比較

BPA和PSS／E的潮流數(shù)據(jù)比對(duì)，如表1所示。可以看出，由于BPA和PSS／E對(duì)潮流結(jié)果的有效位數(shù)不同，導(dǎo)致兩者的潮流結(jié)果存在較小差異，但誤差均在許可范圍之內(nèi)，可見這兩個(gè)程序?qū)τ诮恢绷飨到y(tǒng)的潮流計(jì)算是一致的。

圖5 系統(tǒng)單線圖

表1 BPA與PSS／E潮流比較

3.2.2 暫態(tài)分析比較

故障設(shè)為SOUTH母線處0s發(fā)生三相短路接地，0.1s后故障消失，不切除線路，用BPA暫態(tài)程序和PSS／E仿真該故障，結(jié)果如圖6所示。

圖6 暫態(tài)仿真結(jié)果比較圖

圖6表明，故障發(fā)生時(shí)直流逆變側(cè)交流母線電壓迅速降為0，BPA和PSS／E直流系統(tǒng)都發(fā)生換相失敗故障，直流電壓也迅速降為0，0.1s故障切除后，由于直流控制系統(tǒng)的差異，BPA模型直流電壓立即恢復(fù)，而PSS／E直流模型需要按電壓恢復(fù)速率（VRAMP），經(jīng)過最小旁通時(shí)間（TBYPAS）后恢復(fù)正常，恢復(fù)過程略有差異，但故障母線電壓恢復(fù)一致，表明兩個(gè)程序在暫態(tài)仿真時(shí)也具有較好的一致性，同時(shí)也表明PSS／E直流模型同樣能夠正確反映直流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿足系統(tǒng)仿真要求。

綜上所述，BPA和PSS／E對(duì)于交直流系統(tǒng)的潮流和暫態(tài)仿真結(jié)果基本一致，均能夠滿足交直流系統(tǒng)研究需求，一般BPA程序常使用電壓判據(jù)來判斷換相失敗，而PSS／E常被用于研究換相失敗后的系統(tǒng)響應(yīng)以及換相失敗的控制措施。

4 結(jié)論

1）由于機(jī)電暫態(tài)程序采用基波相量原理計(jì)算，不能獲取系統(tǒng)三相瞬時(shí)值，直流模型簡單，不能用于準(zhǔn)確模擬換相失敗過程。但是，由于其能夠計(jì)算全部的交直流系統(tǒng)，無需進(jìn)行系統(tǒng)等值，而且計(jì)算精度能夠滿足一般穩(wěn)定計(jì)算要求，因此機(jī)電暫態(tài)仿真程序仍是研究交直流大電網(wǎng)的主要手段，可用于直流換相失敗研究。

2）判斷換相失敗的依據(jù)是熄弧角，由于實(shí)際應(yīng)用中不可能獲得每個(gè)閥的熄弧角數(shù)據(jù)，在工程應(yīng)用中傾向于使用電壓判據(jù)。換流母線電壓降落是引起換相失敗的主要原因，其電壓降落門檻值一般來自工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，使用電壓判據(jù)能夠直觀、便捷和有效地判斷出換相失敗發(fā)生與否。如果需要更加精確地確定換相失敗，則需要借助于電磁暫態(tài)程序獲得準(zhǔn)確的臨界電壓降落值，應(yīng)用該臨界值的機(jī)電暫態(tài)換相失敗判斷具有和電磁暫態(tài)仿真相當(dāng)?shù)呐袛嗑取?/p>

3）PSS／E和BPA對(duì)于交直流系統(tǒng)的仿真結(jié)果基本接近，由于在PSS／E程序中用戶可以設(shè)定換相失敗和恢復(fù)的電壓闕值，而且PSS／E仿真規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BPA，所以進(jìn)行交直流混合大電網(wǎng)換相失敗相關(guān)問題研究時(shí)，建議使用PSS／E程序。

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