孟祥宇, 李曉華, 李昊, 王玉麟

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510641)

0 引 言

基于線路換相換流器的高壓直流輸電(line commutated coverter-high voltage direct current, LCC-HVDC)由于輸送容量大和功率調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點而被大規(guī)模應(yīng)用［1］。晶閘管換流器是LCC-HVDC的核心設(shè)備,因其不具有自關(guān)斷能力,易發(fā)生換相失敗［2］。換相失敗是LCC-HVDC系統(tǒng)最常見的故障之一,它會使直流電壓跌落,嚴(yán)重時甚至?xí)箓鬏敼β手袛?對直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成威脅［3］。準(zhǔn)確、可靠地檢測出換相失敗能夠為控制保護(hù)系統(tǒng)提供狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果,方便其更有區(qū)分度地做出對應(yīng)的處理。

當(dāng)前換相失敗的檢測方法主要分為實測型和預(yù)測型兩類［4］。通常情況下,實測型測量方法擁有更高的準(zhǔn)確性。但是在實際工程中,很多情況下無法實現(xiàn)對關(guān)斷角的直接測量［5］,并且會存在一定的盲區(qū),測量誤差較大,存在誤動的風(fēng)險［6］。文獻(xiàn)［7］通過檢測閥電流的極小值點以及后續(xù)閥電流增大且導(dǎo)通時間延長的特征來檢測換相失敗,但在極端情況下特征量丟失嚴(yán)重,存在盲區(qū)。文獻(xiàn)［8］利用交流極性電流追蹤閥導(dǎo)通寬度的加長或縮短來判斷換相失敗,能夠?qū)崿F(xiàn)對換相失敗較為可靠的判定,但是過程繁瑣,門檻值適應(yīng)性低。文獻(xiàn)［9］通過檢測閥電壓持續(xù)為零或閥電流持續(xù)非零的時間是否超過一個工頻周期來判斷換相失敗,但易受環(huán)境干擾,響應(yīng)較慢。

為此,本文首先分析了高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗的發(fā)展過程,選取換流母線電流負(fù)序二次諧波分量為特征量并分析了它的影響因素,提出了一種基于負(fù)序二次分量大小來檢測換相失敗的新方法,最后在仿真平臺PSCAD上基于工程模型驗證該方法的有效性。

1 換相失敗時換流母線電流的特征及分析

1.1 換相失敗的特征量提取

換相失敗時的波形特征如圖1所示。圖1(a)為發(fā)生換相失敗時逆變側(cè)交流母線電流波形圖。換相失敗時,電流對稱性被破壞,波形畸變較嚴(yán)重,與未發(fā)生換相失敗時有根本性區(qū)別,可用負(fù)序分量和諧波分量作為特征量研究換相失敗的檢測方法。在發(fā)生和未發(fā)生換相失敗時負(fù)序基波、二次諧波分量波形如圖1(b)所示,兩種情況下負(fù)序分量有明顯區(qū)別,并且負(fù)序二次分量區(qū)別更加顯著,波形特征質(zhì)量更高。

1.2 負(fù)序二次諧波分量的產(chǎn)生原因

換流器正常運行時,各閥按照周期循環(huán)交替導(dǎo)通,換流器出口電流在時間和空間上均具有對稱性。換相失敗時,交替導(dǎo)通的對稱性被破壞,產(chǎn)生不對稱分量,該分量會通過換流變壓器傳遞到交流母線,引起交流側(cè)電氣量的不對稱。換相失敗時換流閥的導(dǎo)通時間寬度會發(fā)生變化,換流器出口波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生較多的諧波。由于發(fā)生倒換相形成旁通對,直流側(cè)發(fā)生短路,故障量通過換流器傳遞到交流側(cè)時以二次諧波的形式疊加到原本交流故障的基波量上,因此可在交流側(cè)檢測到大量的二次諧波分量,該分量可以從電氣量上反映電路拓?fù)涞淖兓?。由于不對稱故障本身也會產(chǎn)生負(fù)序分量,因此選擇更難判斷的不對稱故障,以交流側(cè)a相發(fā)生接地短路故障為例,分析故障過程。

若故障未導(dǎo)致?lián)Q相失敗,系統(tǒng)故障為純交流故障,由對稱分量法可得其復(fù)合序網(wǎng),算得負(fù)序電流為:

(1)

式中:Uf|0|為基本相相電壓;Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)為系統(tǒng)正負(fù)零序阻抗;Zf為過渡阻抗。負(fù)序電流和過渡阻抗呈負(fù)相關(guān),其大小與交流故障嚴(yán)重及不對稱程度有關(guān)。最大邊界值I2(2)0_max取決于未引起換相失敗情況下的最小過渡阻抗,記作Zf0_min,它受系統(tǒng)短路比(KSCR)影響。

若故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗,以閥3向閥5換相為例分析換相失敗的具體過程:

階段一:初始狀態(tài)下閥3、閥4導(dǎo)通,此時尚未倒換相,復(fù)合序網(wǎng)和負(fù)序電流的形式與未發(fā)生換相失敗時相同。當(dāng)閥5的觸發(fā)脈沖到來時,閥5向閥3倒換相。之后閥4向閥6換相,閥3、閥6構(gòu)成旁通對,直流側(cè)短路,與交流側(cè)隔離,負(fù)序電流由故障本身提供。第一階段的負(fù)序電流取決于交流故障本身,與故障的類型和嚴(yán)重程度有關(guān)。

階段二:閥5向閥1換相,由于旁通短路,閥1導(dǎo)通失敗。之后閥6向閥2換相,閥2導(dǎo)通,而由于旁通對的存在閥6未能關(guān)斷,此時閥3、閥4、閥6同時導(dǎo)通,相當(dāng)于在換流器出口處發(fā)生兩相金屬短路,整體可等效為交流故障疊加兩相短路的復(fù)雜故障。圖2為換相失敗過程復(fù)雜故障等效回路圖。如圖2(a)所示,故障類型為串聯(lián)-并聯(lián)型雙重故障,特殊項均為a相,移相變壓器變比取1。可將復(fù)合序網(wǎng)圖化簡并得到負(fù)序電流如式(2)所示。

圖2 換相失敗過程復(fù)雜故障等效回路圖

(2)

式中:Uf|0|為基本相相電壓;Z∑(1)、Z∑(2)、Z∑(0)為系統(tǒng)正負(fù)零序阻抗;ZT(1)、ZT(2)為變壓器正負(fù)序阻抗;Zf為過渡阻抗。

之后閥2向閥4換相,閥6由于旁通關(guān)斷失敗,閥2、閥3、閥6同時導(dǎo)通,如圖2(b)所示。同樣可等效為交流故障疊加兩相短路的復(fù)雜故障,兩相短路故障的特殊相為c相,移相變壓器的比為:n2(1)=a,n2(2)=a2,n2(0)=1?；啅?fù)合序網(wǎng)圖并得到負(fù)序電流如式(3)所示。

(3)

式中各物理量與式(2)相同。第二階段時出現(xiàn)同一側(cè)橋臂有多個閥同時導(dǎo)通的情況,可等效為在換流器出口處發(fā)生兩相金屬短路,負(fù)序電流的大小取決于換相失敗和交流故障的嚴(yán)重程度;負(fù)序電流和過渡阻抗呈負(fù)相關(guān),且遠(yuǎn)大于階段一。換相失敗時負(fù)序電流的最小邊界值I2(2)1_min取決于引起換相失敗的最大過渡阻抗,記作Zf1_max。同樣地,它也受系統(tǒng)短路比影響。

之后閥3向閥5換相,旁通對消失,本次換相失敗結(jié)束,后續(xù)換相逐漸恢復(fù)正常。

綜上,發(fā)生換相失敗時,同側(cè)橋臂多個閥同時導(dǎo)通導(dǎo)致交流側(cè)兩相金屬短路,交流母線產(chǎn)生大量的負(fù)序分量。由于基波分量直接反映交流故障,二次諧波分量更能反映直流故障,可將負(fù)序二次諧波分量作為特征量構(gòu)造新的換相失敗檢測判據(jù)。

2 基于負(fù)序二次諧波分量的換相失敗檢測方法

2.1 負(fù)序二次諧波分量的影響因素

由上文分析可知,換相失敗時會產(chǎn)生負(fù)序二次諧波分量,它的大小由換相失敗的嚴(yán)重程度決定,它主要受故障類型、過渡阻抗和故障時刻影響。

常見的交流故障類型有單相接地、兩相接地、三相短路和相間短路四種。圖3為不同影響因素下負(fù)序二測諧波分布情況 。每種故障類型下發(fā)生和未發(fā)生換相失敗時,負(fù)序二次分量的分布如圖3(a)所示,它集中地分布在兩個區(qū)域,分別對應(yīng)著發(fā)生和未發(fā)生換相失敗的情況。換相失敗時相間短路的負(fù)序二次諧波分量相對較大。設(shè)置不同故障時刻的三相短路故障,得到負(fù)序二次分量以及發(fā)生換相失敗情況如圖3(b)所示,它隨著故障時刻呈周期循環(huán)分布,且按照發(fā)生和未發(fā)生換相失敗集中分布在兩個區(qū)間上。設(shè)置不同過渡電感、電阻的三相短路故障,得到負(fù)序二次分量分布以及發(fā)生換相失敗情況如圖3(c)、3(d)所示,它隨著阻抗的增大呈現(xiàn)出分段連續(xù)單調(diào)上升的特點。

圖3 各種因影響素下負(fù)序二測諧波分布圖

綜上,故障類型、過渡阻抗、故障時刻,即不同換相失敗的程度,都會對負(fù)序二次諧波分量產(chǎn)生影響。在各種故障條件下,負(fù)序二次諧波分量都能明顯地區(qū)別換相失敗的發(fā)生情況,是一個良好的特征指標(biāo)。

對于特征量的邊界,可通過各種故障條件下,發(fā)生與未發(fā)生換相失敗時負(fù)序二次分量的分布范圍來確定。設(shè)置各種條件下的故障,負(fù)序二次分量分布如圖4所示。它集中地分布在兩個區(qū)域,分別對應(yīng)著發(fā)生和未發(fā)生換相失敗的情況。這兩個區(qū)域無交集,相隔較遠(yuǎn),且邊界差別明顯。

圖4 負(fù)序二次諧波分布圖

2.2 換相失敗實用判據(jù)構(gòu)造

以負(fù)序二次分量為特征量可構(gòu)造換相失敗的判據(jù):當(dāng)換流母線電流負(fù)序二次諧波分量大于臨界門檻值時判定為發(fā)生換相失敗。需整定出能夠自適應(yīng)各種系統(tǒng)環(huán)境的門檻值,取負(fù)序二次分量在未發(fā)生換相失敗時上邊界I2(2)0_max和發(fā)生換相失敗時下邊界I2(2)1_min的平均值作為門檻值,可得I2(2)th=0.112 77。由前文分析可知,邊界值受系統(tǒng)短路比影響。標(biāo)準(zhǔn)模型的原始短路比為2.5,設(shè)置短路比為2、3.5、4.5、5,發(fā)生和未發(fā)生換相失敗的情況下,負(fù)序二次分量的分布情況如圖5所示。

圖5 不同短路比下負(fù)序二次諧波分量分布圖

不同短路比下負(fù)序二次分量依然擁有良好的判定性能?？伤愕貌煌搪繁认碌拈T檻基準(zhǔn)值,其波動并不大,可將計算結(jié)果近似擬合,所得擬合曲線如圖6所示。該曲線是一條斜率為正的直線,并且其斜率非常小,圖像近乎平緩?？芍T檻值的近似計算公式為:

圖6 短路比擬合曲線

I2(2)th=AKSCR+B

(4)

式中:KSCR為系統(tǒng)短路比;A、B為常數(shù),A=0.003 45,B=0.108 64。負(fù)序二次分量判據(jù)能夠適應(yīng)各種系統(tǒng)環(huán)境,門檻值穩(wěn)定,魯棒性強(qiáng)。

3 仿真驗證

為驗證檢測方法的有效性,現(xiàn)利用PSCAD建立某直流工程模型,該工程模型為雙12脈波直流系統(tǒng),額定功率為3 000 MV,額定直流電流為3 kA,逆變側(cè)交流電源電壓為525 kV,逆變側(cè)短路比為10,由式(4)算得此時門檻值為0.143 14。

在逆變側(cè)交流母線分別設(shè)置四種類型故障,故障時刻為3.135 s,每種故障類型下分別設(shè)置應(yīng)發(fā)生和未發(fā)生換相失敗情況過渡電感。結(jié)果如圖7所示,其中左半側(cè)對應(yīng)發(fā)生換相失敗情況,右半側(cè)對應(yīng)未發(fā)生換相失敗情況,上半側(cè)為負(fù)序二次諧波分量,下半側(cè)為閥電流,可反映換相失敗的實際發(fā)生情況。各種故障類型下,本文所提出的判據(jù)均能夠準(zhǔn)確地檢測出換相失敗的發(fā)生情況,從而驗證了該方法的有效性。

圖7 工程模型下?lián)Q相失敗檢測情況

4 結(jié)束語

本文分析了換相失敗的過程中負(fù)序二次分量的變化特征及產(chǎn)生原因;研究了與換相失敗發(fā)展過程之間的關(guān)系,并依據(jù)此提出了一種基于換流母線電流負(fù)序二次諧波分量的換相失敗檢測方法;分析了特征量的影響因素并給出了門檻值的整定方法。研究表明,所提方法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性。最后用工程模型驗證了所提檢測方法的有效性。該方法判定方式簡單易測,有著非常高的應(yīng)用價值,可為后續(xù)換相失敗的控制抑制及提高保護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)性提供有效的狀態(tài)識別手段。