張 嵩，李國慶，姜 濤

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072)

在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，受端交流系統(tǒng)故障可能引起故障點附近逆變站發(fā)生換相失敗，甚至導致多回直流線路發(fā)生同時或相繼換相失敗。若不能恢復正常換相功能，將造成大范圍停電的災難性后果，嚴重威脅電網安全穩(wěn)定運行。然而，并不是所有的交流系統(tǒng)故障都能夠引起直流系統(tǒng)換相失敗，這決定于系統(tǒng)的網架結構和運行特性。隨著直流輸電系統(tǒng)的快速建設和不斷投運，建立準確快速科學的換相失敗判斷機制，減少或避免多回直流發(fā)生同時換相故障，指導電網規(guī)劃與安全穩(wěn)定運行，具有重要的理論研究意義。

大量理論研究工作和系統(tǒng)實際運行經驗證明，交流系統(tǒng)故障時，逆變器熄弧角減小是導致?lián)Q流閥組換相失敗的根本原因［1-4］。文獻［5］提出了基于臨界多饋入交互作用因子判斷多饋入直流系統(tǒng)換相失敗的方法，該方法只是針對一回直流換流母線發(fā)生三相短路故障，系統(tǒng)中其余直流是否發(fā)生換相失敗的問題，但不能解決系統(tǒng)中的非換流母線節(jié)點三相短路故障是否誘發(fā)多回直流同時換相失敗問題。文獻［6］分析了多饋入短路比與當地換相失敗的關系和多饋入交互作用因子與多回直流發(fā)生同時換相失敗的關系，但文中研究對象為純直流系統(tǒng)，與實際電力系統(tǒng)不符合，并不能體現交流系統(tǒng)網架結構對換相失敗的影響。文獻［7］基于節(jié)點阻抗矩陣提出了臨界故障阻抗邊界的概念，利用臨界故障阻抗邊界可以快速直觀地判斷導致直流換相故障的交流故障分布區(qū)域，但文中并沒有進一步分析交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時的換相失敗臨界故障阻抗邊界。

本文通過分析逆變站熄弧角與節(jié)點阻抗矩陣的關系，建立交流系統(tǒng)故障時的熄弧角計算式，以最小熄弧角為判據，可快速判定交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地故障時多饋入直流輸電系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗。

1 換相失敗機理

以典型的六橋臂換流電路為例，當2個橋臂之間換相結束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用的一段時間內如果未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程一直未能進行完畢，當加在該閥上的電壓為正時，立即重新導通，發(fā)生倒換相，使預計導通的閥重新關斷，稱之為換相失敗。逆變側發(fā)生換相失敗的概率遠大于整流側，整流側僅當觸發(fā)電路發(fā)生故障時才會換相失?。?-9］，因此對換相失敗的研究和判斷通常是針對于逆變換流器。

在多饋入交直流混合系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)擾動是引起直流換相失敗的主要原因［10-11］。在僅考慮交流系統(tǒng)故障因素的條件下，換流母線電壓跌落是引起換相失敗的主要原因，而熄弧角小于閥固有極限熄弧角是其本質。交流系統(tǒng)故障瞬間，換流母線電壓跌落，而變壓器變比調整以及直流系統(tǒng)控制器動作需要一定的響應時間。因此，故障瞬間超前觸發(fā)角和變比保持不變，熄弧角隨換流母線電壓降低而減小，當熄弧角小于閥固有極限熄弧角時發(fā)生換相失敗。

以CIGRE HVDC標準模型為研究對象，建立六脈動換流器的電磁暫態(tài)模型，對直流系統(tǒng)進行電磁暫態(tài)仿真。系統(tǒng)電壓等級為500 kv，輸送容量1 000 MW。整流側和逆變側交流系統(tǒng)短路比(Short Circuit Ratio，SCR)為2.5。以三相短路故障為例，假設t=1 s時，交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地故障，直流系統(tǒng)的電流和電壓波形，見圖1。

圖1 直流系統(tǒng)電流電壓波形圖

從圖1中可以看出，當交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，直流系統(tǒng)內部直流電壓急劇跌落，直流電流瞬時增大，發(fā)生了換相失敗。

在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析中，對于直流系統(tǒng)換相失敗，不僅應該研究其發(fā)生的根本機理，而且期望能夠建立快速準確的判斷方法，此外，對于多饋入直流輸電系統(tǒng)，還關注其是否發(fā)生多回直流同時換相失敗。為此本文提出了以最小熄弧角為判據的直流系統(tǒng)換相失敗判斷方法。

2 三相短路故障換相失敗判據

多饋入交互作用因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)是CIGRE WG B4-41工作組提出的用于衡量多饋入直流輸電系統(tǒng)中換流站間交互作用強弱的指標［12-13］。多饋入交互作用因子MIIFji定義為:當換流母線i投入對稱三相電抗器，使得該母線上的電壓下降1% 時，換流母線j的電壓變化率為:

式中:Ui0為投入電抗器前節(jié)點i的線電壓有效值，ΔUj為節(jié)點j的線電壓跌落值。

根據多饋入交互作用因子的定義和推導過程，定義節(jié)點電壓交互作用因子(voltage inter action factor，VIF)［8］:當交流節(jié)點i投入對稱三相電抗器，使得該節(jié)點電壓下降1% 時，換流母線j的電壓變化率即節(jié)點電壓交互作用因子Vji，表達式為:

式中:Zii為節(jié)點i的自阻抗，Zij為節(jié)點i和換流母線j之間的互阻抗，Ui0和ΔUj的意義與公式(1)中相同。

當交流節(jié)點i發(fā)生三相金屬性短路接地故障時，節(jié)點電壓由Ui0降為0，換流母線j的電壓跌落值為:

式中:UiN、UjN分別為節(jié)點i和節(jié)點j的額定電壓值。

由此推得，換流母線j電壓值計算公式為:

系統(tǒng)對稱時，逆變器熄弧角表達式為:

式中:n為變壓器變比;Id為直流電流;XL為換相電抗;UL為換流母線線電壓有效值;β為超前觸發(fā)角。

將式(4)代入式(5)中，逆變器j熄弧角表可以進一步表達為:

進行簡化計算時，假設系統(tǒng)處于理想情況下，認為換流母線裝有完善的濾波裝置，能夠使交流電壓波形不畸變保持完整正弦時，不計系統(tǒng)電抗，則換相電抗為換流變壓器的短路電抗，計算公式為:

將式(7)代入式(6)中，可以得到交流節(jié)點i發(fā)生三相短路故障時，逆變器j的熄弧角計算式:

設換流器最小熄弧角為γmin(大功率可控硅元件的去離子回復時間約為400 μs，考慮串聯(lián)元件誤差，則一般取換流閥最小熄弧角γmin=10°)，交流節(jié)點i發(fā)生三相金屬性短路接地故障時，若γj≤γmin，則第j回直流發(fā)生換相失敗。

3 仿真分析

采用PTI公司開發(fā)的PSS/E電力系統(tǒng)分析軟件中的動態(tài)仿真功能，對本文所提換相失敗臨界故障阻抗邊界計算方法的有效性進行仿真驗證，直流系統(tǒng)采用準穩(wěn)態(tài)模型。基于CIGRE HVDC標準模型，在IEEE-30節(jié)點標準測試系統(tǒng)中分別以1-4、5-6為首末節(jié)點，建立兩饋入直流輸電系統(tǒng)。初始參數為:直流功率Pd10=Pd20=PdN=200 MW，直流電壓Ud10=Ud20=UdN=200 kV，換流母線線電壓UL10=146.37 kV，UL20=144.87 kV，換流變壓器漏抗百分比XK1%=XK2%=15%，換流變壓器變比為1，超前觸發(fā)角 β10= β20=38.4°，熄弧角 γ10= γ20=18.4°。

圖2 IEEE-30節(jié)點兩饋入直流系統(tǒng)

根據本文所述臨界故障阻抗邊界界定步驟，對IEEE-30節(jié)點混合系統(tǒng)進行仿真計算，在網絡拓撲結構圖上繪出兩饋入直流系統(tǒng)的臨界故障阻抗邊界，見圖2。

從圖3(a)中可知，24母線位于直流子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2的同時換相失敗區(qū)域內，25母線僅位于直流子系統(tǒng)2的臨界故障阻抗邊界內。從圖3(b)中可知，3母線位于直流子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2的同時換相失敗區(qū)域內，9母線僅位于直流子系統(tǒng)2的臨界故障阻抗邊界內。通過對24母線和25母線做三相短路故障仿真、對3母線和9母線做單相短路故障仿真，驗證換相失敗臨界故障阻抗邊界計算方法的有效性。

假設t=2 s時，在24母線處發(fā)生三相金屬性短路接地故障，故障持續(xù)時間為100 ms，仿真結果見圖3。

圖3 24母線故障仿真波形

假設t=2 s時，在25母線處發(fā)生三相金屬性短路接地故障，故障持續(xù)時間為100ms，仿真結果見圖4。

圖4 25母線母線故障仿真波形

從圖3和圖4中可以看出:當24母線處發(fā)生三相短路故障時，兩個直流系統(tǒng)傳輸功率均跌落為0，發(fā)生同時換相失敗;而25母線處發(fā)生三相短路故障時，直流子系統(tǒng)1傳輸功率僅發(fā)生小范圍跌落，只有直流子系統(tǒng)2發(fā)生換相失敗。由此可見，動態(tài)仿真結果與本文提出的臨界故障阻抗邊界法計算結果一致。

4 結 論

(1)本文提出的基于臨界故障阻抗邊界的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗判斷方法，以最小熄弧角為判據，可以快速準確地判定系統(tǒng)發(fā)生三相短路接地和單相短路接地故障時能夠導致直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域。

(2)直流系統(tǒng)所連交流系統(tǒng)強度越小，其臨界故障阻抗邊界越大，即發(fā)生短路故障時能夠引起直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域越大;反之，受端系統(tǒng)強度越大，其臨界故障阻抗邊界越小。

(3)直流系統(tǒng)間互聯(lián)阻抗不變的情況下，系統(tǒng)強度的變化主要影響當地直流子系統(tǒng)的臨界故障阻抗邊界，對其他直流子系統(tǒng)影響較小。

利用臨界故障阻抗邊界判斷多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的方法，可以清晰直觀地判斷和分析故障時能夠導致直流系統(tǒng)換相失敗的交流系統(tǒng)區(qū)域，可以廣泛用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和安全穩(wěn)定運行評估，還可以直觀地體現交直流系統(tǒng)間的交互作用。

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