李猷民，姜建平，武守遠(yuǎn)，王 睿

(1.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250018) (2.北京中電泰瑞科技有限公司，北京 100096)

高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)具有經(jīng)濟(jì)、靈活、快速可控等優(yōu)點，在遠(yuǎn)距離大容量輸電及大型電網(wǎng)互聯(lián)中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于晶閘管不具備自關(guān)斷能力，容易出現(xiàn)換相失敗的問題。換相失敗將引起直流電流短時增大，對換流閥產(chǎn)生較大沖擊，還會造成直流功率的損失，而發(fā)生連續(xù)換相失敗時，易引起直流系統(tǒng)閉鎖，威脅電網(wǎng)的安全[1-3]。

交流系統(tǒng)故障是引發(fā)直流換相失敗的主要原因，對于多饋入直流系統(tǒng)，此類故障還可能導(dǎo)致多個直流換流站同時發(fā)生換相失敗[4-6]。此外，變壓器勵磁涌流引起的電壓畸變，也可能導(dǎo)致直流換相失敗。2013年8月19日華東電網(wǎng)練塘變電站1 000 kV變壓器空載投入運(yùn)行時，導(dǎo)致近區(qū)林楓直流楓涇換流站的換相失敗保護(hù)動作，引起直流閉鎖[7]。從第一次換相失敗到直流閉鎖這段時間內(nèi)共發(fā)生了11次換相失敗。類似的，換流變壓器投入運(yùn)行時也可能導(dǎo)致?lián)Q相失敗[8]。

國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)針對直流換相失敗的應(yīng)對策略進(jìn)行了大量研究。對于直流換相失敗的預(yù)測，文獻(xiàn)[9] ～[13]提出了包括電壓零序分量檢測、交直流電流比較、正余弦分量檢測在內(nèi)的多種預(yù)測方法；對于換相失敗的預(yù)防控制，文獻(xiàn)[14] ～[20]提出了包括基于直流電流預(yù)測控制，基于換相電流時間面積、最小關(guān)斷面積控制，虛擬電阻電流限制在內(nèi)的多種控制方法；對于多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗問題，文獻(xiàn)[21]～[23]提出了多饋入交互作用因子等換相失敗判斷方法，以及提高換相失敗恢復(fù)能力的直流控制保護(hù)優(yōu)化方法。然而，對于變壓器勵磁涌流引發(fā)的換相失敗研究成果相對較少，仍需針對這類換相失敗開展研究。

針對上述問題，本文以交流電壓總諧波畸變率(total harmonic distortion rate，THD)指標(biāo)評估換相失敗的風(fēng)險，提出了具體的預(yù)測方法和換相控制策略，并基于電磁暫態(tài)仿真對其有效性進(jìn)行了驗證。

1 直流換相失敗過程分析

分析文獻(xiàn)[7]所述的林楓直流換相失敗過程發(fā)現(xiàn)，直流換相失敗的主要原因是勵磁涌流引發(fā)的換流母線電壓嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致?lián)Q相裕度不足。在直流功率的恢復(fù)過程中，內(nèi)部邏輯增大直流電流指令，也加劇了后續(xù)多次換相失敗的風(fēng)險。本文建立直流輸電系統(tǒng)仿真模型，針對變壓器勵磁涌流引發(fā)的直流換相失敗過程進(jìn)行分析，并找出換相失敗與電網(wǎng)電壓THD間的關(guān)聯(lián)。

在電網(wǎng)電能質(zhì)量研究中，一般采用總諧波畸變率THD表征電網(wǎng)諧波水平，其計算公式如下：

(1)

式中：Uh為h次諧波電壓幅值；U1為基波電壓幅值。

1.1 仿真建模

在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示的簡化電網(wǎng)模型，接入電網(wǎng)中的設(shè)備包括直流輸電系統(tǒng)與特高壓變壓器(空載)。其中，直流輸電系統(tǒng)的額定電壓為500 kV，額定容量為3 000 MW；變壓器的額定電壓為1 000 kV，額定容量為3 000 MVA，其飽和特性曲線取工程典型值；500 kV輸電線路的長度為400 km，其單位長度正序電阻、電抗、電容分別為0.17 Ω/km、0.275 Ω/km和0.012 μF/km；線路兩側(cè)各裝設(shè)1組300 Mvar高抗；Xg,XR,XI分別為電網(wǎng)等值電源內(nèi)阻抗，其電抗取值分別為0.017 1 pu、0.017 1 pu和0.006 0 pu(基準(zhǔn)容量100 MVA)，其中pu是電抗、電壓、電流等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)幺后的單位。

圖1 仿真系統(tǒng)模型示意圖

在建立直流輸電系統(tǒng)模型的過程中，將CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型增容為雙極3 000 MW，增加了預(yù)測型定關(guān)斷角控制[1]，以及工程中的典型換相失敗預(yù)測環(huán)節(jié)。本文針對穩(wěn)態(tài)諧波注入和實際變壓器投入兩個過程，定性分析穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)諧波畸變對于換相過程的影響，為了排除附加控制的作用，仿真中暫不考慮換相失敗預(yù)測及控制功能。

1.2 諧波注入法分析

采用注入不同幅值多次諧波的方法，分析換流母線電壓THD與直流換相失敗的關(guān)聯(lián)。令輸入諧波電流中含有2次、3次、4次諧波，其幅值比為4∶1∶2，仿真波形如圖2所示。由圖可見，隨著諧波幅值的增大，換流母線電壓THD增大，直流逆變側(cè)關(guān)斷角、關(guān)斷面積的波動范圍增大，其最小值接近于零，最終導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

1.3 變壓器投入過程仿真分析

變壓器投入過程的仿真波形如圖3所示。由圖可見，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)明顯畸變，合閘后直流電壓、電流中均可見多次換相失敗現(xiàn)象。在每個換相失敗周期內(nèi)，直流功率即將恢復(fù)時，換流母線電壓THD為7%～10%，但仍不能正常恢復(fù)運(yùn)行。

圖2 注入不同幅值諧波條件下直流系統(tǒng)仿真波形

圖3 近區(qū)變壓器投入時直流發(fā)生換相失敗的仿真波形

考慮到換相失敗與換流母線電壓THD間的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓存在持續(xù)畸變時，采用換流母線電壓THD預(yù)測換相失敗的風(fēng)險可能是一種有效的方法，后文將詳細(xì)論述。

2 基于母線電壓THD的換相失敗風(fēng)險預(yù)測

目前在高壓直流輸電工程中應(yīng)用較多的換相失敗預(yù)測方法包括零序檢測法、α/β轉(zhuǎn)換法及交直流電流差判據(jù)法[9-12]，從林楓直流工程可見，上述換相失敗預(yù)測方法尚不能準(zhǔn)確預(yù)測勵磁涌流引發(fā)的直流多次換相失敗。

采用THD作為指標(biāo)預(yù)測換相失敗，其步驟為：首先，采用傅里葉算法分析換流母線電壓的諧波分量，并計算實時的THD；其次，將THD與門檻值進(jìn)行比較，當(dāng)其值大于門檻值時判定即將發(fā)生換相失敗。

這里基于1.3節(jié)的仿真算例，加入換流母線電壓THD計算模塊，以8%作為門檻值，分析變壓器投入運(yùn)行時多個換相失敗預(yù)測功能的啟動情況。仿真波形如圖4所示，由圖可見，判據(jù)1即零序電壓判據(jù)未啟動；判據(jù)2即α/β電壓判據(jù)，在交流電壓有效值較低時啟動，但受門檻值的取值影響較大；判據(jù)3即交直流電流差判據(jù)，在換相失敗發(fā)生時啟動。判據(jù)4為本文所提出的THD判據(jù)?；谇?種判據(jù)的換相失敗預(yù)測及控制方法主要針對交流系統(tǒng)故障，因而其動作的返回時間較短，難以在交流電壓持續(xù)畸變的情況下起到預(yù)防連續(xù)換相失敗的作用；而THD判據(jù)啟動且返回時間較為充裕，可考慮用基于換流母線電壓THD的方法預(yù)測和控制換相失敗風(fēng)險。

圖4 多個換相失敗預(yù)測功能的啟動情況仿真波形

3 基于THD原理的換相失敗預(yù)防控制策略

當(dāng)換相失敗發(fā)生后，直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)多個控制環(huán)節(jié)可促進(jìn)直流功率的恢復(fù)、預(yù)防后續(xù)換相失敗，包括低壓限流環(huán)節(jié)(voltage dependent current limit，VDCL)、增大關(guān)斷角、定關(guān)斷面積控制等?；诘?節(jié)所述的THD檢測環(huán)節(jié)，判定換相失敗發(fā)生后，同樣可采用類似控制環(huán)節(jié)預(yù)防后續(xù)換相失敗。這里采用增大關(guān)斷角的方法，其原理簡單、可靠性高，且與原有的換相控制策略間有較好的通用性。

具體的控制策略為：檢測到換流母線電壓THD超過門檻值(仿真中取值8%)時，關(guān)斷角參考值增加15°，退出時以一定斜率衰減(退出時間400 ms)，以利于直流功率恢復(fù)。仿真波形如圖5所示。與圖3所示的不采取附加措施時的仿真波形對比可知，采取該控制策略后，直流僅發(fā)生一次換相失敗，有效預(yù)防了多次換相失敗的發(fā)生，驗證了這種控制策略的有效性。

圖5 基于THD原理換相控制策略下的仿真波形

4 結(jié)論

本文就空載變壓器投入運(yùn)行引起直流換相失敗后的應(yīng)對策略進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：

1)在勵磁涌流的作用下，交流系統(tǒng)電壓將出現(xiàn)持續(xù)時間較長的諧波畸變，并導(dǎo)致直流換流閥的換相時間增加、關(guān)斷角及關(guān)斷面積減小，嚴(yán)重時造成直流換相失敗。

2)目前工程中應(yīng)用的3種換相失敗預(yù)測功能，對于此類電壓畸變的情況適應(yīng)性不足，而采用換流母線電壓總諧波畸變率作為評估指標(biāo)，更有利于對換相失敗的預(yù)測和控制。

3)基于本文提出的換相失敗預(yù)測方法，采用增大關(guān)斷角的控制策略，有助于直流功率的平穩(wěn)恢復(fù)，從而降低直流連續(xù)換相失敗的風(fēng)險。