劉耀，謝晨曦，王華偉，李新年

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192;2.北京市電力公司海淀供電局，北京市 100086)

0 引言

傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)換流器采用晶閘管作為其閥單元基本元件，因晶閘管無(wú)法進(jìn)行自關(guān)斷，因此具有自身固有的缺點(diǎn)［1］。為了避免換相失敗，一般逆變側(cè)換流閥總要保證熄弧角具有17°或更大的裕度，導(dǎo)致消耗大量的無(wú)功功率，需大量的無(wú)功補(bǔ)償及濾波設(shè)備。因此，該系統(tǒng)不但投資大，一旦發(fā)生甩負(fù)荷還會(huì)引起無(wú)功過(guò)剩，可能導(dǎo)致過(guò)電壓，對(duì)于特高壓工程情況可能會(huì)更惡劣［2-10］;另外，由于換相電壓全部由交流電網(wǎng)提供，因此弱交流系統(tǒng)很容易發(fā)生換相失敗。采用串聯(lián)電容換相換流器(capacitor commutated converter，CCC)［11-14］技術(shù)一定程度上可以克服傳統(tǒng)電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter，LCC)的上述缺點(diǎn)。

CCC的結(jié)構(gòu)是將固定電容器串聯(lián)接入傳統(tǒng)換流系統(tǒng)的換流變壓器和換流器之間，通過(guò)串聯(lián)電容器來(lái)補(bǔ)償換流器的無(wú)功消耗，使當(dāng)換流器的觸發(fā)角 (整流)、關(guān)斷(逆變)角接近于0°甚至為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，從而在無(wú)功消耗大大減小的同時(shí)避免了換相失敗，尤其是CCC的正阻抗特性使CCC技術(shù)在長(zhǎng)電纜、弱交流系統(tǒng)直流輸電中的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢(shì)。

本文主要進(jìn)行3個(gè)方面的工作，首先分析CCC在整流側(cè)和逆變側(cè)的作用機(jī)理及特性，并根據(jù)建立的仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析，得出CCC直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性并與傳統(tǒng)LCC直流系統(tǒng)進(jìn)行比較;其次研究CCC直流系統(tǒng)抵御換相失敗的特性，得出仿真波形并進(jìn)行分析;最后著重研究CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)的交流故障恢復(fù)過(guò)程和機(jī)理，分析故障恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生的后續(xù)故障機(jī)理，以及串聯(lián)電容大小對(duì)恢復(fù)過(guò)程的影響。

1 CCC機(jī)理及穩(wěn)態(tài)特性

CCC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 CCC結(jié)構(gòu)示意Fig.1 CCC structure

圖1中電源側(cè)三相電壓分別為ea、eb、ec，三相電容兩側(cè)電壓分別為Eaa'、Ebb'、Ecc'，電容閥側(cè)即實(shí)際換相電壓分別為ea'、eb'、ec'。以圖中電流參考方向?yàn)檎较?，以a相為例，根據(jù)電路原理，有相量關(guān)系:

式中:w為電網(wǎng)角頻率，rad/s;C為串聯(lián)電容值，F(xiàn);Ia為電流，A。上式顯示實(shí)際換相電壓為原換相電壓(即電網(wǎng)側(cè)實(shí)際電壓)和電容電壓的疊加。此關(guān)系式可同時(shí)適用于整流側(cè)和逆變側(cè)，區(qū)別僅僅在于換相電壓與電流的相位關(guān)系。根據(jù)兩側(cè)觸發(fā)角的不同，對(duì)于整流側(cè)，通常電流滯后電壓角度為銳角，而逆變側(cè)相應(yīng)為鈍角，據(jù)此畫(huà)出相應(yīng)的如圖2所示的相量圖(為反映相同的變量，圖中兩側(cè)相同相量用了相同標(biāo)號(hào))，Xc為電容對(duì)應(yīng)的容抗模值。

圖2 CCC整流側(cè)/逆變側(cè)相量圖Fig.2 Phasor diagram of CCC rectifier and inverter

由圖2可見(jiàn)，對(duì)于整流側(cè)，實(shí)際換相電壓ea'相位超前于并且幅值大于原系統(tǒng)換相電壓ea;而對(duì)于逆變側(cè)，則有實(shí)際換相電壓ea'相位滯后于并且幅值大于原系統(tǒng)換相電壓ea。

由此可見(jiàn)，對(duì)于整流側(cè)，實(shí)際換相電壓的相位前移和幅值增大，可以實(shí)現(xiàn)視在觸發(fā)角減小甚至為0°、為負(fù)值的運(yùn)行工況，而實(shí)際換相電壓仍然能保證閥可以正常觸發(fā)，并大大減少換流器無(wú)功功率的吸收，甚至可以向交流系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率;對(duì)于逆變側(cè)，由于實(shí)際換相電壓的相位滯后和幅值增大，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷角進(jìn)一步減小甚至為0°、為負(fù)值(也即觸發(fā)角大于180°)的運(yùn)行工況，實(shí)際換相電壓仍然能保證關(guān)斷閥有足夠的、遠(yuǎn)大于視在關(guān)斷角的實(shí)際關(guān)斷角，從而在大大降低逆變側(cè)發(fā)生換相失敗概率的同時(shí)，大大減少了換流器無(wú)功功率的吸收，甚至可以向交流系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率。

為驗(yàn)證CCC直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性，本文基于1000MW，500kV直流系統(tǒng)，建立了CCC直流系統(tǒng)仿真模型，在不同交流系統(tǒng)強(qiáng)度及不同直流功率水平(也即不同電流水平)的工況下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)特性仿真研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與同一傳統(tǒng)LCC直流系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(均為逆變側(cè)波形);為便于反映CCC直流系統(tǒng)與LCC直流系統(tǒng)特性，模型中無(wú)功補(bǔ)償量為額定功率工況對(duì)應(yīng)量，并且保持不變。研究結(jié)果如圖3所示，圖中Rsc為交流系統(tǒng)短路比。

由圖3可見(jiàn):

(1)無(wú)論LCC直流系統(tǒng)還是CCC直流系統(tǒng)，隨著直流電流升、降，交、直流電壓均呈下降、上升趨勢(shì);

圖3 CCC直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性Fig.3 Steady-state characteristics of CCC HVDC transmission system

(2)相同短路比情況下，隨著直流電流的升降，LCC直流系統(tǒng)比CCC直流系統(tǒng)的交、直流電壓下降、上升更快，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定;

(3)隨著直流電流增大，LCC直流系統(tǒng)關(guān)斷角基本不變或略有下降，而CCC直流系統(tǒng)實(shí)際關(guān)斷角增大趨勢(shì)非常明顯，更有利于抵御換相失敗故障;

(4)對(duì)于CCC直流系統(tǒng)，短路比越大即交流系統(tǒng)越強(qiáng)，交、直流電壓下降越慢，系統(tǒng)運(yùn)行極限越高，越有利于系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4為仿真模型額定運(yùn)行工況下實(shí)際得到的同一串聯(lián)電容兩側(cè)的電壓波形，即原換相電壓Vab1和實(shí)際換相電壓Vab2波形。通過(guò)測(cè)量二者幅值和過(guò)零點(diǎn)相位差可知，實(shí)際換相電壓幅值大于原換相電壓，且實(shí)際關(guān)斷角遠(yuǎn)比視在關(guān)斷角大，可使CCC直流系統(tǒng)具有更好的抵御換相失敗的能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

圖4 CCC換流器與傳統(tǒng)直流換相電壓比較Fig.4 Comparison of commutation voltage between CCC and conventional HVDC

2 CCC直流系統(tǒng)暫態(tài)特性

鑒于CCC直流系統(tǒng)的特性，本文著重對(duì)CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)進(jìn)行故障特性研究。

2.1 CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)抵御換相失敗特性

為驗(yàn)證CCC逆變側(cè)抵御換相失敗的能力，基于CCC直流系統(tǒng)仿真模型(電容選取原則為使閥電壓不超過(guò)額定電壓的1.1倍)，額定功率運(yùn)行工況下，在逆變側(cè)交流系統(tǒng)適當(dāng)遠(yuǎn)處進(jìn)行單相瞬時(shí)短路試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與同一傳統(tǒng)直流系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖5所示(均為逆變側(cè)波形)。

由仿真波形可見(jiàn)，在逆變側(cè)相同的單相瞬時(shí)故障情況下，傳統(tǒng)直流系統(tǒng)交、直流電壓跌落更厲害(直流電壓跌落至0 kV以下)，且直流系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生了換相失敗，而CCC直流系統(tǒng)在受到一定擾動(dòng)后(直流電壓跌落至額定值的0.5倍左右)快速恢復(fù)了正常運(yùn)行，并未發(fā)生換相失敗，且直流電流過(guò)沖僅為額定值的1.3倍左右，而傳統(tǒng)直流電流過(guò)沖約為額定值的2倍，充分體現(xiàn)了CCC抵御換相失敗的優(yōu)越性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障發(fā)生在近端或逆變側(cè)出口時(shí)，CCC直流系統(tǒng)也不可避免地發(fā)生了換相失敗故障，但是由于CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)無(wú)功補(bǔ)償裝置少以及正斜率特性，故障時(shí)故障電流和交流電壓過(guò)沖均小于LCC直流系統(tǒng)，也在一定程度上體現(xiàn)了CCC直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

2.2 CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)故障恢復(fù)特性

2.2.1 故障仿真及波形

圖5 逆變側(cè)單相瞬時(shí)短路故障波形Fig.5 Fault waveform of single phase instantaneous short-circuit for inverter side

由于CCC直流系統(tǒng)實(shí)際換相電壓相位、幅值的變化，使得其具有傳統(tǒng)直流系統(tǒng)不具備的特殊性能，對(duì)于減少無(wú)功補(bǔ)償裝置及預(yù)防換相失敗具有明顯的優(yōu)越性，但是串聯(lián)電容的引入也帶來(lái)了新的問(wèn)題。如果逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重瞬時(shí)故障(例如出口短路故障)，不但傳統(tǒng)直流系統(tǒng)會(huì)發(fā)生換相失敗故障，CCC直流系統(tǒng)也無(wú)法避免換相失敗的發(fā)生。對(duì)于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，如果故障持續(xù)時(shí)間不是過(guò)長(zhǎng)，故障消失后系統(tǒng)一般可以順利恢復(fù)運(yùn)行，而CCC直流系統(tǒng)在故障后卻恢復(fù)很慢或根本無(wú)法恢復(fù)運(yùn)行，本文將就此問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先，本文基于仿真模型，分別在傳統(tǒng)直流系統(tǒng)模型和CCC直流系統(tǒng)模型逆變側(cè)進(jìn)行了逆變側(cè)出口單相瞬時(shí)短路試驗(yàn)。其中，對(duì)于CCC直流系統(tǒng)，基于不同的串聯(lián)電容值進(jìn)行了多次試驗(yàn)，選取其中3個(gè)不同電容值對(duì)應(yīng)的典型波形予以對(duì)比分析，最小電容對(duì)應(yīng)閥承受電壓極限值(1.1倍額定值)，單相故障仿真結(jié)果如圖6、7所示，圖中由上至下分別為交流電壓、直流電壓、直流電流和關(guān)斷角波形，圖7中圖(a)至圖(c)依次為串聯(lián)電容逐漸減小對(duì)應(yīng)波形。

由圖6可知，傳統(tǒng)(LCC)直流系統(tǒng)逆變側(cè)交流單相瞬時(shí)短路后發(fā)生換相失敗故障，一定時(shí)間后可恢復(fù)運(yùn)行。對(duì)于CCC直流系統(tǒng)，由圖7(a)可知，當(dāng)串聯(lián)電容較大時(shí)，電容作用不明顯，故障后恢復(fù)過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)直流擾動(dòng)略大些，但未發(fā)生新的后續(xù)故障;而由圖7(b)、(c)可見(jiàn)，隨著電容逐漸減小，作用越來(lái)越明顯，故障后的恢復(fù)過(guò)程擾動(dòng)也越來(lái)越大，恢復(fù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，甚至后續(xù)又發(fā)生了新的換相失敗故障，暴露了CCC故障后恢復(fù)能力的缺陷。

2.2.2 CCC直流系統(tǒng)故障恢復(fù)過(guò)程分析

基于以上故障仿真結(jié)果，圖7中，直流電壓第1次跌落為逆變側(cè)交流單相瞬時(shí)故障所導(dǎo)致，故障消失后，圖7(b)、(c)對(duì)應(yīng)的CCC直流系統(tǒng)又發(fā)生了后續(xù)換相失敗故障，本文針對(duì)這一后續(xù)故障原因進(jìn)行分析。圖8為CCC換相電壓及電容電壓波形。圖中ea'、eb'、ec'分別為電容閥側(cè)即實(shí)際換相電壓;C1～ C6分別為上述實(shí)際三相換相電壓線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn);V46、V62、V24、V35、V51、V13分別為閥4、閥6 換相，閥6、閥2換相，閥2、閥4換相，閥3、閥5換相，閥5、閥1換相，閥 1、閥 3 換相;Eaa'、Ebb'、Ecc'分別為三相串聯(lián)電容兩側(cè)電壓。

假設(shè)當(dāng)前閥5、閥6處于導(dǎo)通狀態(tài)，C4點(diǎn)前，當(dāng)閥5向閥1換相時(shí)，C相恰好發(fā)生出口單相瞬時(shí)短路故障(如圖8(a)中粗實(shí)線(xiàn)所示)，導(dǎo)致C相實(shí)際換相電壓ec'降至很低甚至幾乎為0，使得ea'＜ ec'，不滿(mǎn)足閥1導(dǎo)通條件，導(dǎo)致閥5、閥1換相不成功。

圖6 傳統(tǒng)直流系統(tǒng)逆變側(cè)交流出口單相短路故障波形Fig.6 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for conventional DC system

圖7 CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)交流出口單相短路故障波形Fig.7 Fault waveform of single phase short-circuit at inverter AC outlet for CCC DC system

圖8 CCC換相電壓及電容電壓Fig.8 Commutation voltage and capacitor voltage of CCC

閥5、閥6繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得閥5對(duì)應(yīng)的電容電壓ecc'由反向最大值繼續(xù)反向增大，如圖8(b)箭頭所示;C5點(diǎn)前，閥6向閥2換相，由圖8中電位關(guān)系可知eb'＞ec'，滿(mǎn)足閥2導(dǎo)通條件，閥2順利導(dǎo)通。此時(shí)，由于閥5、閥2同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致逆變側(cè)直流端短路，直流電壓降至0(即對(duì)應(yīng)第1次換向失敗波形)，且交流側(cè)三相回路中交流電流由于失去了回路也降至0，故各電容停止充放電過(guò)程，保持當(dāng)前電位不變。故障持續(xù)若干周期后消失，直流電壓、電流逐漸恢復(fù)，假設(shè)恢復(fù)時(shí)閥2、閥3順利觸發(fā)導(dǎo)通，至C1點(diǎn)前，觸發(fā)閥4，由于此前電容電壓ecc'比起正常情況下反向幅值有所增大，使得電位ec'也會(huì)有所下降，如圖8(a)中箭頭方向所示。當(dāng)ec'下降較少，恢復(fù)過(guò)程中電流過(guò)沖不大時(shí)，若能夠滿(mǎn)足ea'＜ec'，且閥4導(dǎo)通后閥2能夠有足夠長(zhǎng)的時(shí)間保持反向電壓從而保證關(guān)斷，則閥4導(dǎo)通后直流系統(tǒng)逐步繼續(xù)恢復(fù)正常運(yùn)行。如果ec'下降幅度較大，導(dǎo)致閥4根本不滿(mǎn)足觸發(fā)條件，或者即使?jié)M足閥4導(dǎo)通條件ea'＜ec'，但是換相完成后閥2由于不能承受足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，而有可能重新導(dǎo)通，導(dǎo)致閥2、4換相失敗。閥2、閥3繼續(xù)保持導(dǎo)通，至C2點(diǎn)前，閥5承受正向電壓觸發(fā)導(dǎo)通，閥2、閥5同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致直流側(cè)短路，直流電壓再次跌落至0，也就出現(xiàn)了后續(xù)的再次換相失敗故障。如此重復(fù)，直至電容電壓造成的不對(duì)稱(chēng)換相電壓影響逐步減小至可忽略時(shí)，直流系統(tǒng)才有可能逐步恢復(fù)運(yùn)行。

基于此分析結(jié)論，便可解釋圖7(b)、(c)中，隨著電容的減小，系統(tǒng)在故障后恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生后續(xù)換相失敗的次數(shù)會(huì)增多。由于電容越小，對(duì)應(yīng)的容抗值就越大，電容電壓在故障時(shí)的增大也就越大，從而對(duì)換相電壓的影響也就越大，造成后續(xù)換相失敗的概率就越高，系統(tǒng)恢復(fù)所需時(shí)間自然就越長(zhǎng)。因此，CCC直流系統(tǒng)串聯(lián)電容C選取合理與否將直接影響直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和故障恢復(fù)過(guò)程。

3 結(jié)論

本文基于相關(guān)理論和仿真模型，針對(duì)CCC直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性進(jìn)行了分析，并與常規(guī)LCC直流系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，著重對(duì)CCC抵御換相失敗及故障后的恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了研究，得出結(jié)論:

(1)串聯(lián)電容的引入使得CCC的 觸發(fā)角(整流)、關(guān)斷(逆變)角接近于0°甚至為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，大大減少了系統(tǒng)無(wú)功吸收。

(2)CCC直流系統(tǒng)的交、直流電壓穩(wěn)定極限相比傳統(tǒng)LCC直流系統(tǒng)大大提高，實(shí)際關(guān)斷角大大增大。

(3)逆變側(cè)遠(yuǎn)端故障時(shí)，CCC直流系統(tǒng)具有更好的抵御換相失敗的能力;近端故障時(shí)，CCC直流系統(tǒng)直流電流、交流電壓過(guò)沖均小于常規(guī)LCC直流系統(tǒng)。

(4)近端嚴(yán)重故障時(shí)，串聯(lián)電容的不平衡充電導(dǎo)致CCC直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性不如常規(guī)LCC直流系統(tǒng)，可能發(fā)生多次后續(xù)換相失敗故障。

(5)CCC直流系統(tǒng)中串聯(lián)電容越小，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)的恢復(fù)影響越不利，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

對(duì)于CCC直流系統(tǒng)故障后不利于系統(tǒng)恢復(fù)的情況，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討，通過(guò)研究采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗越鉀Q這一問(wèn)題，優(yōu)化提高CCC直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)特性。

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