范彩云，張志剛，劉堃，任靜，何青連，李生林，黃永瑞，李旭升（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

HVDC逆變側(cè)典型故障暫態(tài)響應(yīng)分析

范彩云，張志剛，劉堃，任靜，何青連，李生林，黃永瑞，李旭升
（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

基于PSCAD/EMTDC建立±500 kV直流輸電系統(tǒng)的詳細(xì)模型，仿真分析逆變側(cè)典型故障，包括交流系統(tǒng)單相接地故障、閥控系統(tǒng)誤開(kāi)通故障和不開(kāi)通故障3種，對(duì)故障引起的暫態(tài)響應(yīng)特性和控制策略進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明，故障會(huì)引起直流電壓、直流電流和直流功率等電氣量的劇烈變化，且會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗，換相失敗發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間與故障類(lèi)型有關(guān)；故障切除后，良好的控制策略使系統(tǒng)快速恢復(fù)。

HVDC；典型故障；暫態(tài)響應(yīng)；換相失??；控制策略

高壓直流輸電（high-voltage direct current，HVDC）是實(shí)現(xiàn)大容量電力遠(yuǎn)距離輸送，優(yōu)化電網(wǎng)資源配置，協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)手段[1-3]。它包括兩端換流站和直流輸電線路，換流站內(nèi)主要有換流器、交直流開(kāi)關(guān)一次設(shè)備和控制保護(hù)二次設(shè)備。其中任何一部分發(fā)生故障，都會(huì)影響整個(gè)直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和相關(guān)設(shè)備的安全[4]。按故障區(qū)域來(lái)分，HVDC故障可分為換流器故障和交直流系統(tǒng)故障。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，換流器采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧┠軌虮３窒到y(tǒng)穩(wěn)定，否則，可能造成直流功率傳輸中斷，影響交流電網(wǎng)的安全[5-7]。文獻(xiàn)[8]以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)為例，分析了交流系統(tǒng)單相故障、三相故障和直流線路短路故障3種工況下的暫態(tài)響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[9]以云廣±800 kV直流輸電系統(tǒng)為例，分析換流器內(nèi)部閥控系統(tǒng)誤開(kāi)通故障和不開(kāi)通故障2種工況下的暫態(tài)響應(yīng)特性，但缺乏對(duì)故障引起的換相失敗的詳細(xì)分析。

本文在文獻(xiàn)[8-9]的基礎(chǔ)上，通過(guò)電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC搭建±500 kV直流輸電系統(tǒng)仿真模型，基于該模型仿真逆變側(cè)交流系統(tǒng)單相接地故障、閥控系統(tǒng)誤觸發(fā)故障和不觸發(fā)故障3種工況，對(duì)不同故障下的直流電壓、直流電流和直流功率的詳細(xì)變化過(guò)程，換相失敗發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為工程分析提供有效依據(jù)。

1　系統(tǒng)參數(shù)及建模

以國(guó)內(nèi)已投運(yùn)某±500 kV直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象。系統(tǒng)運(yùn)行方式為雙極大地回線，系統(tǒng)額定直流功率3 200 MW，額定直流電壓±500 kV，額定直流電流3.2 kA。整流站和逆變站均有12臺(tái)單相雙繞組換流變壓器（不含備用），其中整流站換流變壓器額定容量為317.6 MV·A，變比為525 kV/210.5 kV，逆變站換流變壓器額定容量為300.4 MV·A，變比為525 kV/199.2 kV。整流站和逆變站交流濾波器ACF和電容器組SC總的無(wú)功補(bǔ)償容量分別為3 362 MV·A和3 828 MV·A?；赑SCAD/EMTDC建立的仿真模型如圖1所示。

圖1　PSCAD仿真模型Fig.1Simulation model in PSCAD

本仿真的極控制采用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)直流系統(tǒng)推薦的控制器，整流側(cè)采用閉環(huán)定電流控制，低壓限流控制（voltage dependent current order limiter，VDCOL）和最小觸發(fā)角αmin相結(jié)合的控制方式，逆變側(cè)采用閉環(huán)定電流控制和定熄弧角γ相結(jié)合的控制方式[10]。

2　仿真結(jié)果與分析

雙極系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行電壓±500 kV，運(yùn)行電流3 200 A，直流功率3 200 MW。本文在此基礎(chǔ)上，在逆變側(cè)設(shè)置交流系統(tǒng)單相接地，閥控系統(tǒng)誤開(kāi)通和不開(kāi)通3種故障工況。

2.1交流系統(tǒng)單相接地故障及分析

根據(jù)資料顯示，交流系統(tǒng)單相接地故障占全部故障的65%，由于其發(fā)生概率較高，故分析該擾動(dòng)下直流系統(tǒng)的運(yùn)行情況。交流故障發(fā)生后，換流站換流母線電壓會(huì)出現(xiàn)不同程度的跌落，距離故障點(diǎn)越近電壓跌落越嚴(yán)重，一般靠近故障點(diǎn)的換流站母線電壓可跌落到零附近。本文仿真設(shè)置A相發(fā)生單相接地故障，持續(xù)時(shí)間0.1s（0.6~0.7s），使換流站母線A相電壓下降幅度約30%，交流母線A相電壓和系統(tǒng)響應(yīng)特性如圖2所示。

圖2　交流系統(tǒng)A相接地故障仿真波形Fig.2Simulation wave of phase A short circuit fault occurred at the AC system

從圖2給出的仿真波形可以看出：故障瞬間，直流電壓和直流功率陡降，直流電流大幅上升，過(guò)電流可達(dá)到1.58 pu。由于交流電壓降低、直流電流增大，與故障相關(guān)的閥無(wú)法完成換相而造成換相失敗，逆變側(cè)熄弧角由15°降為0°，并在故障周期內(nèi)發(fā)生多次換相失敗，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間27 ms。本文從換相失敗本質(zhì)出發(fā)，認(rèn)為熄弧角小于10°，即發(fā)生換失敗[11-12]。對(duì)于直流電流增大，整流側(cè)閥快速增加觸發(fā)角以抑制其升高，經(jīng)過(guò)21°-90°-55°的過(guò)程之后，保持在55°附近。故障期間，由于直流電壓下降，正極整流側(cè)由定電流控制轉(zhuǎn)為VDCOL控制，逆變側(cè)定熄弧角控制保持不變。由于負(fù)極控制策略和控制角度與正極類(lèi)似，文中不再給出。交流故障清除后，交流電壓快速恢復(fù)，觸發(fā)角和熄弧角開(kāi)始回調(diào)，經(jīng)過(guò)140 ms，直流功率恢復(fù)到故障前輸送功率90%。

2.2閥控系統(tǒng)誤開(kāi)通故障及分析

誤開(kāi)通是指應(yīng)處于正向阻斷的閥出現(xiàn)非正常導(dǎo)通[13]。過(guò)大的正向電壓作用，或閥控制極觸發(fā)回路發(fā)生故障，均有可能造成誤開(kāi)通故障。本文設(shè)置逆變側(cè)正極高端6脈沖閥組一閥臂發(fā)生單次誤開(kāi)通故障，單次誤開(kāi)通觸發(fā)脈沖和系統(tǒng)響應(yīng)特性如圖3所示。

從圖3給出的仿真波形可以看出：故障開(kāi)始后，正極直流電壓降低，直流電流出現(xiàn)過(guò)電流，增大到1.502 pu，直流功率出現(xiàn)小幅度跌落，而負(fù)極直流電壓和電流基本沒(méi)有變化。正極逆變側(cè)發(fā)生單次換相失敗，持續(xù)時(shí)間7 ms，正極整流側(cè)的觸發(fā)角調(diào)整到68°以抑制直流電流增大。在整個(gè)故障過(guò)程中，正極整流側(cè)定電流控制和逆變側(cè)定熄弧角控制保持不變。

2.3閥控系統(tǒng)不開(kāi)通故障及分析

閥不開(kāi)通故障是由于觸發(fā)脈沖丟失或門(mén)極控制回路故障引起的[13]。本文設(shè)置逆變側(cè)正極高端6脈沖閥組一閥臂連續(xù)5個(gè)周期（0.6~0.7 s）丟失觸發(fā)脈沖，連續(xù)不開(kāi)通觸發(fā)脈沖和系統(tǒng)響應(yīng)特性如圖4所示。

從圖4給出的仿真波形可以看出：故障開(kāi)始后，正極直流電壓降低，直流電流出現(xiàn)過(guò)電流，增大至1.509 pu，且兩者出現(xiàn)周期性震蕩，直流功率最低降至0.67 pu，而負(fù)極直流電壓和電流基本沒(méi)有變化。由于逆變側(cè)連續(xù)5個(gè)周期丟失脈沖，導(dǎo)致連續(xù)發(fā)生5次換相失敗，持續(xù)時(shí)間均為7 ms，造成了六脈動(dòng)橋在直流側(cè)多次短路。整流側(cè)觸發(fā)角在40°~80°震蕩，周期與直流電流同步，以抑制直流電流增大。由于正極直流電壓降低，正極整流側(cè)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)采用VDCOL控制，逆變側(cè)定熄弧角控制保持不變。觸發(fā)脈沖恢復(fù)后，整流側(cè)觸發(fā)角和逆變側(cè)閥熄弧角快速調(diào)整至21°和15°，直流輸送功率經(jīng)過(guò)125 ms恢復(fù)到故障前的90%。

圖3　單次誤開(kāi)通故障仿真波形Fig.3Simulation wave of a single mis-conduction fault

圖4　連續(xù)不開(kāi)通故障仿真波形Fig.4Simulation wave of sustained non-conduction fault

3　結(jié)論

1）雙極系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，交流系統(tǒng)單相接地故障會(huì)影響雙極運(yùn)行，而單極發(fā)生誤開(kāi)通或不開(kāi)通故障時(shí)，對(duì)另一極的影響很小。

2）3種故障均會(huì)引起直流電壓、直流電流和直流功率的波動(dòng)，其中單相接地故障最為劇烈，故障切除后，其恢復(fù)時(shí)間也最長(zhǎng)。不開(kāi)通故障會(huì)引起直流電壓和直流電流震蕩，其波形有一定的周期性，直流電流增大后緩慢減小。

3）3種故障均會(huì)引起換相失敗，單次誤開(kāi)通故障引起單次換相失敗，單相接地故障和連續(xù)不開(kāi)通故障引起連續(xù)的換相失敗。連續(xù)不開(kāi)通故障引起的換相失敗次數(shù)和持續(xù)時(shí)間有一定規(guī)律。

4）故障會(huì)引起直流電壓降低，整流側(cè)由定電流控制變?yōu)閂DCOL控制，逆變側(cè)定熄弧角控制保持不變，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障切除后的快速恢復(fù)。

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（編輯馮露）

Analysis on Transient Response of Typical Faults at the Inverter Side in HVDC

FAN Caiyun，ZHANG Zhigang，LIU Kun，REN Jing，HE Qinglian，LI Shenglin，HUANG Yongrui，LI Xusheng
（XJ Electric Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

In this paper，a detailed model of the±500 kV HVDC power transmission system is built based on PSCAD/ EMTDC.The simulation analysis is made on three typical faults in the inverter，including single-phase fault in AC system，mis-conducting fault and non-conducting fault of valve control system，and the statistical analysis is made on the transient response characteristics of the±500 kV HVDC power transmission system and its controller.The research results suggest that the three faults can exert fierce influence on electrical quantities，such as DC voltage，DC current and DC power，and the commutation failure takes place in the fault period，and the number and duration of commutation failures depend on the fault.With the fault cleared，the HVDC system can be quickly recovered if the good control policy is adopted.

HVDC；typical faults；transient response；commutation failure；control policy

1674-3814（2015）06-0039-05

TM721

A

2015-02-03。

范彩云（1972—），女，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向是電力電子、高壓直流輸電換流閥的研發(fā)和工程應(yīng)用；

張志剛（1987—），男，工程師，碩士，主要研究方向是高壓直流輸電換流閥的研發(fā)和工程應(yīng)用；

劉堃（1983—），男，工程師，碩士，主要研究方向是高壓直流輸電換流閥的研發(fā)和工程應(yīng)用。