（电气工程专业论文）高压直流输电换相失败原因分析及其仿真研究.pdf

华北电力大学i ：程硕十学位论文摘要 摘要 随着高压直流输电技术突飞猛进的发展，直流输电技术在我国已得到了广泛 的研究应用。换向失败是直流高压输电过程中常见的故障。本文从理论上详细分 析了换向失败的机理，简明阐述了引起换相失败的原因、危害以及预防换相失败 的措施。用软件建立了电力系统直流输电仿真模型，模拟了单相接地短路故障、 相间短路故障、换流器桥臂以及单桥故障。 关键词：高压直流输电，换向失败，数字仿真，故障 a b s t r a c t w i t ht i l ed e v e l o p m e n to 九h et e c h n o l o g ) ，o fm eh i 曲v o l t a g ec i r c u i tt r a n s m i s s i o n ( h v d c ) ，h v d ci sw i d e l yi n v e s t i g a t e da n d 印p l i e di no u rc o u l l t i y c o m m u t a t i o n f 瓠l u r ei s t l l ec o m m o nf a u l tf o rt h eh v d c t h ec a u s e ，h 猢a 1 1 dm e a s u r e sf o r p r e v e n t i o nf b m t h ec o m m u t a t i o nf a i l u r eh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r d cp o w e r 眺m i s s i o ns i m u l a t i o nm o d e li ss c tu pi i lt h i sp a p e rw i mt h em a t l a bs o 行w a r e ，a 1 1 d v a r i o u sf a u l t ss u c ha s s i n g l e - p h a s eg r o u i l d i n g s h o i r tc i r c u i t ，p h a s et op h a s es h o n c i r c u i t ，t h r e e p h a s ec i r c u i t 毋o u n d i n gs h o r tc i r c u i ta i l di r l v e n e rb r i d g es h o nc i r c u i ta r e s i m u l a t e d z h uj i a nf e n g ( e l c t r i c a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n gg a n g k e yw o r d s ：h v d c ，c o m m u t a t i o nf a i l u r e ，d i g i t a ls i m u i a t i o n ，f a u l t 2 华北电力大学i ：程硕十学位论文摘要 摘要 随着高压直流输电技术突飞猛进的发展，直流输电技术在我国已得到了广泛 的研究应用。换向失败是直流高压输电过程中常见的故障。本文从理论上详细分 析了换向失败的机理，简明阐述了引起换相失败的原因、危害以及预防换相失败 的措施。用软件建立了电力系统直流输电仿真模型，模拟了单相接地短路故障、 相间短路故障、换流器桥臂以及单桥故障。 关键词：高压直流输电，换向失败，数字仿真，故障 a b s t r a c t w i t ht i l ed e v e l o p m e n to 九h et e c h n o l o g ) ，o fm eh i 曲v o l t a g ec i r c u i tt r a n s m i s s i o n ( h v d c ) ，h v d ci sw i d e l yi n v e s t i g a t e da n d 印p l i e di no u rc o u l l t i y c o m m u t a t i o n f 瓠l u r ei s t l l ec o m m o nf a u l tf o rt h eh v d c t h ec a u s e ，h 猢a 1 1 dm e a s u r e sf o r p r e v e n t i o nf b m t h ec o m m u t a t i o nf a i l u r eh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r d cp o w e r 眺m i s s i o ns i m u l a t i o nm o d e li ss c tu pi i lt h i sp a p e rw i mt h em a t l a bs o 行w a r e ，a 1 1 d v a r i o u sf a u l t ss u c ha s s i n g l e - p h a s eg r o u i l d i n g s h o i r tc i r c u i t ，p h a s et op h a s es h o n c i r c u i t ，t h r e e p h a s ec i r c u i t 毋o u n d i n gs h o r tc i r c u i ta i l di r l v e n e rb r i d g es h o nc i r c u i ta r e s i m u l a t e d z h uj i a nf e n g ( e l c t r i c a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iy o n gg a n g k e yw o r d s ：h v d c ，c o m m u t a t i o nf a i l u r e ，d i g i t a ls i m u i a t i o n ，f a u l t 2 声明户叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压直流输电换相失败原 冈分析及其仿真研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指 导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：! 兰：了 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 饺有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 套阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 铈躲辎 日 期：垄! 多：i 一 华北电力人学f ：程硕七学位论文 第一章引言 1 1 高压直流输电技术的发展 目前，直流输电因其技术和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和大区联网两 方面已得到了十分广泛的应用。随着电力电子技术和计算机控制技术的进步，进一步推 动了高压直流输电技术的发展。这些技术中有的是对传统输电技术的改进，有的是采用 高级控制技术来实现的。 1 1 1 高压直流输电发展概况 电在国民经济以及人民生活中起着不可估量的作用。人类对电的认识和应用以及电 力科学的发展首先是从直流电开始的【1 】。1 8 8 2 年，法国物理学家得彼列茨进行了历史上 第一个直流输电试验，将1 5 k w 、1 5 2 k v 的直流电通过电报线路驱动5 7 k m 外的水 泵旋转，这次试验虽然功耗高达7 8 ，几乎没有实用价值，但它标志着高电压、远距离 大容量输电的崭新开始。这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以被认为是世界 上第一个电力系统。 而世界上第一条采用换流技术将交流电转换成直流电，再将直流逆变为交流的工业 性直流输电线路是在1 9 5 4 年投入运行的。这条输电线路工程是从瑞典的哥特兰岛至瑞 典本土的一条长9 0 公里、输送电压1 l o k v 、输送功率2 0 m w 的海底电缆线路，其换流 阀为汞弧阀。晶闸管阀的首次采用是在加拿大的伊尔河直流输电工程，这个工程形成了 在加拿大的新布朗斯威克省和魁北克省之间的背靠背联络线，这条3 2 0 m w 、2 7 0 k v 的 输电工程首次全部采用了可控硅晶闸管阀换流器代替汞弧阀换流器，接着原有的直流输 电工程中也有相当一部分用可控硅换流器取代了汞弧阀换流器。6 0 年代可控硅元件的出 现，为换流器设备开辟了新的途径，高压直流输电也出现了新的发展前景。从此以后， 直流输电进入了大力发展阶段，各国都积极从事直流输电技术的研究和工程建设，使直 流输电技术得到了迅速的发展。随着可控硅元件制造水平的不断提高、成本的不断下降， 直流输电工程的发展更加迅速，工程规模也越来越大。近三十年来，随着电力电子技术、 计算机技术和控制理论的迅速发展，高压直流输电技术也同趋完善，直流输电的建设费 用和运行能耗也不断下降，直流输电越来越显示出它的重要性，目前在大功率远距离输 电、海底电缆和交流系统问异步联接等方面都得到了广泛的应用。 在我国，直流输电技术的发展，加速了区域电网互联和全国联网的进程。自舟山直 华北电力大学1 ：程硕+ 学位论文 流输电工程投入运行以来，已有葛洲坝一南桥、天生桥一广州、三峡一常州、三峡一广 东、贵州广东、灵宝背靠背直流输电工程相继投入运行、此外三峡一上海、贵州一广 东第二回等工程正在紧张建设之中。由于我国能源和电力消耗的地区分布不平衡，“西 电东送 成为我国电网规划和发展的重要举措。今后我国的电网将主要分为三大块，即 北部电网北通道、中部电网中通道和南部电网南通道。而今后联网主要采用高压直流或 高压交流实现互联。与交流输电相比，直流输电在远距离、大功率输电方面更具有优势， 如果采用高压直流技术，输送容量还可以更大，能达到现有高压交流输送功率的乱8 倍。 即便与近几年发展的交流高压h v a c ) 输电技术相比，u h v d c 输电优势也非常明显， 且有大量可借鉴的工程经验，而i 删c 输电可以借鉴的经验并不多。i 嗍c 在技术上 无法克服传统交流输电的弊病，即当输电距离超过1 0 0 0 l 【i n 时，输送功率将大大低于其自 然功率，需要加装大容量的无功补偿装置才能提高线路的输送功率，而且交流同步联网 的效益随着同步电网的扩大而逐渐消失。而h v d c 输电则非常灵活，可以通过完备的控 制取得最优的交流输电和联网效益。 1 1 2 直流输电在我国的应用现状 我国关于直流输电技术的研究工作在5 0 年代开始起步，但是发展曲折并且缓慢， 而且从设计、运行及制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大的差距。目前我国 电网正处于高速发展的时期，已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段， 虽然我国幅员辽阔，能源资源丰富，但是分布却很不均匀。水力资源的三分之二分布 在西南、西北地区，煤矿资源的6 0 左右集中在“三西 ( 山西、陕西、内蒙西部) 等 地区，而我国的电力消费中心却主要集中在中部、东部和南部的沿海地区，其电力消 耗超过全国的平均水平以上。而且这些地区其中的许多输电线路都超过了等价距离， 均适宜采用直流输电。在大电网时代，直流输电不仅成为交流输电的一种有力补充， 而且成为电力系统中具有重要经济和技术意义的环节。自从可控硅晶闸管出现后，换 流站的成本得到了显著降低，与交流输电的等价经济距离越来越短，直流输电方式就 此得到了越来越广泛的应用，直流输电技术也成为了国内外电力科研工作者研究的重 要方向。 目前，我国已经有多个高压直流输电工程投入运行，分别足： ( 1 ) 、1 9 8 7 年浙江舟山直流输电工程，这是我围第一个直流输电试点工程，整个工 程由我国自行设计、制造、施工、调试和运行。工程兴建的目的是为了解决舟山电力发 展的需要，同时也为发展我国的直流输电技术进行探索并积累经验。其参数为额定电压 2 华妊电力人学一l ：程硕+ 学位论文 1 0 0 k v 、额定容量1 0 0 0 m w 、输送距离5 5 m ( 其中水下电缆1 2 m ) 。 ( 2 ) 、1 9 8 9 年葛洲坝一上海南桥直流输电工程。这是我国第一个跨地区、跨系统的 超高压、远距离直流输电工程。华东地区是我国主要的工农业基地之一，工农业产值均 名列全国前茅，但是华东地区能源资源严重短缺，此工程就是为了加快华东地区的发展， 并迸一步为发展我国的直流输电技术总结经验而修建的。参数如下额定电压5 0 0 k v 、 额定容量1 2 0 0 m w 、输送距离1 0 4 7 l ( m ，从参数可以看出，该工程已经达到国际水平。 ( 3 ) 、2 0 0 0 年天生桥一广东交直流并联输电工程，其参数为额定电压5 0 0 k v 、额 定容量18 0 0 m w 、输送距离9 6 5 k m 。 ( 4 ) 、2 0 0 3 年三峡一江苏常州直流输电工程，其参数为额定电压5 0 0 k v 、额定容 量3 0 0 m w 、额定电流3 0 0 0 a 、输送距离8 9 0 k m 。 ( 5 ) 、三峡一广东直流输电工程，从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 3 年底建成单极5 0 0 k v ， 输送电力1 5 0 0 m w ；2 0 0 4 年上半年建成双极5 0 0 k v ，输送电力3 0 0 0 m w ，是华中一 一南方两大电网联络线。 ( 6 ) 、2 0 0 4 年贵州一广东二回直流输电工程，其参数为额定电压5 0 0 k v 、额定电 流3 0 0 0 a 、额定容量3 0 0 0 m w 、输送距离8 8 2 k m 。贵广直流输电工程西起贵州省安顺市 高坡镇，东至广东省肇庆市高要莲塘镇，是国家“西电东送的重点建设项目。 ( 7 ) 、背靠背灵宝换流站工程。这也是我国第一个背靠背直流工程，同时又是一个 直流设备国产化示范工程，将西北与华中联网。从2 0 0 3 年开始建设，计划2 0 0 5 年建成， 并投入运行，其参数为双极1 2 0 k v ，输送电力3 6 0 m w ，该直流工程设备完全国产化。 另外，在2 0 2 0 年前我国计划建设的直流输电工程有： ( 1 ) 、小湾、糯扎渡送广东3 0 0 0 m w 的工程 ( 2 ) 、溪洛渡、向家坝向华中、华东送电1 6 0 0 0 m w ( 3 ) 、西南水电送江西、福建的3 0 0 0 m w 项目 ( 4 ) 、东与海南用直流电缆联网，输送容量为l 0 0 0 m w 。2 0 0 8 年将投运三峡右一 练塘，5 0 0 k v ，3 0 0 0 m w 直流工程；开远江门，6 0 0 k v ，3 0 0 0 m w 直流工程；糯 扎渡一湛江市，6 0 0 k v ，3 5 0 0 m w ，向海南送电。 ( 5 ) 、三沪直流工程是继三常、三广和贵广直流工程后我国建设的第四个3 0 0 0 m w 的大型直流输电工程，工程西起三峡右岸电站以东的湖北宜昌市宜都换流站，东至位于 上海市清浦区的华新换流站。直流输电线路全长约1 0 7 5 k m 。工程计划于2 0 0 7 年3 月单 极带电投产，同年6 月双极投入商业运行。三峡输变电直流工程的国产化水平，从三常 1 华北电力人学l ：程硕十学位论文 直流的3 0 ，三广直流的5 0 ，到三沪直流的7 0 ，直流输变电设备制造能力和系统设 计水平都有明显的提局。 这些再加上目前己经投入运行的几条高压直流输电线路，可以断定我国的直流输电 发展前景将是十分乐观的。 1 1 3 高压直流输电的特点 1 直流输电技术特别适合于大功率、远距离输电1 2 1 。当输电距离超过这个等价距 离后，采用直流输电比采用交流输电要经济得多。我国的西电东送工程，其输电距离超 过几千公里，输送容量达数干亿兆瓦，采用直流输电是最经济且合理的方案。 2 输送相同功率时，线路造价低。 3 线路有功损耗小【3 1 。由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损 耗。 4 直流线路的短路电流较小，直流联网后，短路容量基本没有增大，不会对被联 交流系统的短路电流水平产生影响，所以直流输电可以限制系统的短路电流1 4 1 。 5 线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平稳线路部分不需要无功 补偿【5 1 。 6 调节速度快，运行可靠。直流输电通过晶闸管阀换流器能够快速、方便的调节 直流线路电流和功率，从而可实现各种调节和控制，不仅可以保证正常运行时稳定地输 出功率，也可以在事故情况下，提高系统运行的可靠性【6 1 。 1 2 本课题研究的背景和意义 基于直流输电技术应用的前景和实际，直流输电技术在我国已得到了比较广泛的研 究应用。 在高校中，浙江大学、重庆大学，华南理工大学、华北电力大学等单位也开展了卓 有成效的研究工作。其中浙江大学开展的最早也最深入。 近年来我国在高压直流输电方面从事的重大基础研究项目有： l 、研究制定通用的h v d c 技术标准及h v d c 工程设计规范。 2 、完善h v d c 技术的研究手段。开发h v d c 系统设计的软件包，建立h v d c 系 统的新型数学模型和开发接地极研究的相关软件。 3 、直流新技术的研究。包括h v d c 与相关技术的改进，如自动可调交流滤波器与 4 华北电力人学i ：程硕十学位论文 有源直流滤波器，户外阀技术、串联电容器的换流器技术( c c c ) 【 、深埋接地极技术 及多端直流技术等以及先进控制技术等方面的研究。 4 、输电与联网中的多直流落点问题及其对策，国家自然科学基金项目，批准号 5 0 2 7 7 0 3 4 ( 2 0 0 3 0 1 2 0 0 5 1 2 ) 。 5 、含多个换流站的电力网中的交直流系统相互作用特性研究，国家自然科学基金 项目。批准号5 9 7 0 7 0 0 5 ( 1 9 9 8 0 1 2 0 0 0 1 2 ) 。 6 、直流输电系统的非线性控制及对交流输电系统的紧急支援，国家重点基础研究 发展规划项目即项目。批准号g 1 9 9 8 0 2 0 3 1 0 ( 1 9 9 8 o l 2 0 0 3 1 2 ) 。 7 、供用电网络中的谐波扩散分析和谐波状态估计，浙江省自然科学基金项目一等。 近年来我国在高压直流输电方面从事的重大工程应用研究项目有： 1 、向广东送电系统电气计算稳定水平校核，国家电力公司战略规划部委托项目。 ( 2 0 0 1 0 l 2 0 0 1 0 6 ) 2 、溪落渡、向家坝水电站纯直流输电方案重大技术问题研究，国家电力公司战略 规划部委托项目。( 2 0 0 1 0 8 2 0 0 l 1 2 ) 3 、三峡广东直流输电工程直流系统对通信干扰的评估，北京网联直流输电工 程有限责任咨询公司委托项目。( 2 0 0 1 0 1 2 0 0 1 1 2 ) 4 、西电东送与全国联网中的重大技术问题研究【8 1 ，中国电力咨询集团公司委托项 目。( 2 0 0 2 1 0 2 0 0 3 0 6 ) 5 、三峡直流输电对华东电网次同步振荡的影响研究，华东电力试验研究院委托项 目一等。( 1 9 9 8 o l 1 9 9 8 1 2 ) 直流系统对所联交流系统的故障非常敏感，故障发生时交流母线电压会下降，下降 到一定程度时就会不可避免的导致逆变器发生换相失败，直流系统传输功率可能会出现 暂时的中断，这就要求直流系统能够快速进行自我恢复以使系统正常运行。当交流电压 下降时，工作在定关断角控制的逆变器的功率因数会下降，继而会引起直流电压的下降， 并有可能导致系统发生电压失稳，为换流器提供无功补偿的电容器和滤波器也会对交流 电压的恢复产生不利影响【9 】。所以对直流输电系统常出现的一些故障进行仿真，以及对 故障后系统的恢复情况、无功补偿装置对系统故障后恢复情况的影响，进行仿真分析是 十分必要的，而且也很有现实意义。 直流输电系统一个很重要的优点就是它的快速可控性，直流控制在直流输电系统中 占有重要的地位，直流系统的正常运行也是依靠其控制来实现的，它决定着直流运行点 s 华北电力人学t 程硕士学位论文 的币常运行，协调整流与逆变的过程，对于整个直流输电系统起着至关重要的作用，这 些控制就是直流输电系统的基本控制【l o l 。分析清楚直流系统这些基本控制的结构、功能 以及常用的控制方式和不同控制方式对系统的影响，对于进一步研究直流系统的控制策 略对所连交流电网暂态稳定性的影响、直流系统控制方式对扰动后电压和功率恢复的影 响有着很重要的作用，可以对控制系统的稳态响应特性以及交流系统故障时控制系统的 策略做出分析。 交直流系统具有复杂的相互作用关系，逆变器终端与弱交流系统互联的高压直流系 统会发生更多运行上的问题，例如逆变器发生换相失败、直流系统在扰动后难以快速恢 复、产生交流过电压、电压发生失稳、还可能引起谐波不稳定等多种问题，这些都是因 所联交流系统强度比较弱而引起的【1 1 1 。目前运行的受端为弱系统的直流系统多数是在逆 变端采用静止无功补偿器或同步调相机作为补偿设备，它是通过增加系统的短路比来降 低系统对暂态的敏感度，在交流电压下降时，会增加无功功率输出，提高换流母线电压。 不仅提供了无功补偿，而且起到控制电压的作用。但是同步调相机造价昂贵，维护费用 很高，响应缓慢、可靠性低，很大程度上影响了高压直流输电的经济性。而且，当系统 发生故障或受到大扰动时，系统交流电压大幅度下降，这时同步调相机的作用效力大大 降低。当联于直流系统受端的交流系统较弱时，系统的运行也可能出现一系列的问题， 比如逆变器发生换相失败、直流系统在发生扰动后难以快速恢复等【l2 1 。因此，研究当受 端交流系统为弱系统时，直流输电系统可能会出现的一些问题如换相失败、故障恢复以 及直流系统的控制功能对于提高终端与弱交流系统相联的高压直流系统的稳定性【l3 1 ，具 有十分重要的意义。 1 3 本论文所做的工作 针对高压直流输电系统中发生的换相失败故障的暂态过程，本论文进行重点、深入 的研究，通过建模和仿真，详细分析换相失败故障的特点，并由此对换流站逆变侧直流 和交流各种故障进行仿真研究。 本文所做的工作主要分为以下三个部分： 1 、深入分析直流输电换相失败的机理【1 4 】。 2 、通过仿真，分析比较各种故障方式下，高压直流输电系统换相失败的根源，主 要包括： 6 华北电力人学i ：程硕士学位论文 ( 1 ) 、建立高压直流输电系统的仿真模型。 ( 2 ) 、通过仿真对比验证所建仿真模型的正确性。 ( 3 ) 、针对交、直流系统各故障类型，仿真分析换相失败发生的特征和原因。 3 、利用上述仿真结果，提出预防换相失败的措施。 7 华北电力人学i ：稃硕士学位论文 第二章h v d c 换相失败的原因分析 直流输电系统对所连交流系统发生的故障非常敏感，微小的扰动都会对直流系统造 成很大的影响1 5 1 ，严重时将导致换相失败。换相失败是直流输电系统中最常见的故障 之一，对其进行分析研究是十分必要的。本章主要介绍本文仿真所用的软件工具，换相 失败的定义及危害并详细分析影响换相失败的各种因素，同时对交流系统常发生的各种 故障进行仿真，分析其暂态响应特性。 2 2 直流输电换相失败 2 2 1 换相失败的定义及检测方法 换流器发生故障将导致直流输送功率的下降，甚至直流系统的停运，更为严重的将 导致换流器的毁坏。换流器故障指换流器及其相关部件的非正常运行状态和过程。它们 可能是由换流器本身部件的故障，如换流器内部的短路或闪络、换流器触发脉冲回路故 障引起，或者是由于换流器外部的交直流系统故障引起的换流器工作异常。典型的换流 器故障有桥臂短路、桥出口短路、换相失败、误开通和不开通等。其中逆变器的换相失 败是最常见的换流器故障。 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在反向电压作用下的一段时间内，如 果未能恢复阻断能力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕，这两种情况在 阀电压转变为正向时被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这称之为换相失 败。 整流器一般不会发生换相失败，这是由于整流器阀在电流关断后的较长时间内处于 反向电压下，所以仅当触发电路发生故障时，整流器才会发生换相失败。直流输电系统 中大部分的换相失败都发生在逆变器。换相失败是直流输电系统最常见的故障之一，分 析清楚换相失败与哪些因素有关以及各因素对换相失败的影响程度如何，具有重要的理 论和现实意义。 由上面的分析可知，直流输电系统发生换相失败故障有以下特点： l 、换相的两个桥阀发生倒换相，倒换相之后使己经退出导通的阀又重新导通。 华北电力人学l ：程硕士学位论文 2 、一次换相失败中，使得接在交流同一相上的一对阀同时导通形成了直流短路。 3 、在两次连续换相失败的故障中，将有工频交流电压加到直流线路上。 利用上述换相失败的特点，可以采取一定的方法来检测换相失败故障的发生以便及 时采取控制措施防止故障进一步恶化。 对于直流输电系统换相失败问题的研究方法大致可分为以下两类：一类是晟小电压 降落法【l6 1 ，另一类是关断角判断法。最小电压降落法是通过比较换相电压的降落与使直 流输电系统发生换相失败所需的最小电压降落之间的大小来判断是否发生换相失败的 方法。在高压直流输电系统中，由于换相回路有电感存在，换相过程不能瞬时完成，需 要一定的电压时间面积，即换相齿电压时间面积【1 7 】。当系统故障使得三相电压突然下降， 而控制系统尚未动作，即触发角不变，则换相齿电压时间面积不变，换相电压的下降会 导致换相时间延长、换相角增大，关断角y 减小。当三相电压下降到一定程度时，就 会使7 小于厂曲。关断时间不足，导致可控硅元件不足以恢复正向阻断能力，从而导致 换相失败的发生。根据正常换相过程所需的换相齿电压时间面积可得出发生换相失败的 最小电压降落。由于电压降落是造成直流输电系统换相失败的主要原因，故所得的电压 降落可以作为用来衡量直流输电系统抗换相失败能力的指标。 关断角判断法是通过比较换流器关断角与引起换相失败的临界关断角之间的大小 来判断是否发生换相失败的方法。高压直流输电系统中的阀元件是可控硅，可控硅元件 中载流子复合和建立p n 结阻挡层所需的时间可以用固有临界关断角来表示【1 引。 若实际的关断角小于7 曲，则表示换流阀还没有恢复阻断能力，在重新承受正向电压时， 就会导致换相失败的发生。针对换流器三相电压不对称导致过零点偏移的情况，通过对 换流器换相过程中的实际关断角计算来判别换相失败。 2 2 2 换相失败的危害 逆变器发生换相失败对直流输电系统主要有以下影响【1 9 j ： 1 、一次换相失败使逆变器出现了一次历时约l 3 基波周期的直流短路，但一次 换相失败对直流输电系统影响不大，在许多情况下一次换相失败可以自动恢复； 2 、两次不连续的换相失败会延长直流短路时问，使直流输电系统受到更大的扰动； 3 、两次连续的换相失败会把工频交流引入到直流回路中，并将在直流回路中引起 自由振荡，可能会在直流系统中引起谐振过电压； 9 华北电力人学i ：程硕+ 学位论文 4 、发生多次连续换相失败后，直流系统将暂时停止运行，整流侧直流节点对交流 系统的注入电流为零。此状态将一直维持到故障切除，交流电压恢复后，直流系统再开 始启动、运行； 5 、换相失败将使得逆变器直流短路，其结果使得变压器部分或全部被旁通，直流 电压降低，直流电流上升，而且直流线路中的电流超过交流线路的电流，这种效应可用 来检测换相失败的出现； 6 、正常换相时，每个换流阀都只在l 3 基波周期内导通，发生换相失败后，换 相失败的那个换流阀将长期导通，而且此时直流电流也有所增长，所以如果不采取有效 的措施，换流阀会由于长期流过大电流而影响其运行寿命，甚至会遭到毁坏。 7 、换相失败期间，逆变器交流侧线电流的正负半周很不对称，即交流电流中存在 直流分量，这将造成换流变压器的直流偏磁，引起变压器空载损耗增加，甚至引起严重 的零序谐波使滤波器跳闸。 8 、逆变器发生换相失败会造成直流电流上升，整流侧电流调节器增大触发角以限 制直流电流，此时整流器将消耗更多的无功功率，从而使整流侧换相电压下降。而在逆 变侧，由于换相失败后逆变器侧直流电压为零，直流功率也降到零，从而逆变器的无功 消耗也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功功率流入交流系统，这会导致弱 交流系统出现过电压。 9 、在交流系统故障期间，直流系统应该输送尽可能多的功率，且在交流故障切除 后使直流功率尽快地恢复，以缓解交流系统功率的不平衡【2 0 1 ，而换相失败是导致直流功 率不能快速恢复的主要原因，因为过快的直流功率恢复可能造成后继的换相失败和交流 系统的电压失稳。 2 2 3 导致换相失败的因素分析 2 2 3 1 直流输电系统发生换相失败的机理 一堡= 1 _ 生土攀( 2 1 ) u ，c 。s 7 。i 。一c 。s 厂+ l ，删以 其中u 为换相电压的有效值，u 为使得直流输电系统发生换相失败的换相电压，l 为直流电流，j d 为当关段角7 达到临界值抽时的直流电流，剧为额定直流电流，x k l o 华北电力人学：1 ：稗硕十学位论文 为换流变压器短路阻抗百分比。 直流输电正常运行时，直流电流为 l 2 最( c o s o s ) 所以，由上式可得越前触发角与关断角厂之间的关系为 c o s 一即+ 华 ( 2 2 ) ( 2 3 ) h vdc 系统中阀元件是可控硅元件，晶闸管需要一定的时间完成载流子复合，所 需时间可以用固有极限关断角i n 来表示，即当实际计算出的关断角y = 时就认为 发生换相失败，阀运行的关断角7 与外部电路条件密切相关。换相角、越前触发角 和关断角y 之间的关系为 7 = 一 ( 2 4 ) 对于交流系统发生的三相对称故障，三相电压对称变化，不会发生换相电压过零点 相位的偏移，但是需要分析故障时交流电压下降的程度。当故障时的交流电压下降不太 严重时，恒定关断角的调节装置能够保持关断角不变，换相角和越前触发角的增大也不 会太多，一般不会发生换相失败。当故障电压下降比较严重时，换相角将大大增加，就 算定关断角控制器的调节装置来得及把角变大，但是可能由于换相角增大过多，以至 于关断角受到下一个换相过程的影响而变小，从而导致换相失败的发生。一般来说，换 相母线电压的下降程度与故障发生地点的远近不同有关，通常下降至额定电压的6o 一7o 时，逆变器就可能发生换相失败，但是由于直流输电系统采用了控制措施，通 常在额定电压的40 时，还可维持直流系统运行。再低的话，即使定关断角调节器起 作用，桥阀仍将发生换相失败故障而无法运行。 对于逆变侧发生的交流系统不对称短路故障，会使逆变站交流母线各相电压幅值和 相位发生不同程度的变化，也可导致逆变器换流阀实际关断角过小，从而引起换相失败。 计算时需要考虑到各换相电压降低的倍数不一样，而且各相电压之f h j 的相位也不再保持 1 2 0 。交流系统对称时关断角为： 华北电力人学_ 1 ：程硕士学位论文 y 。s 严+ c o s 刁 式中，d 为直流电流；x 。为换相电抗；u 为换流母线线电压有效值；k 为换流变 压器的变比；为越前触发角【2 。 由上式可知，关断角7 决定于5 个变量，其中、l 、u 是系统运行时的状态量， 在运行时是可以改变的；x 。是系统装置的特征参数，在系统运行时可以认为是固定不 变的：故障发生瞬间，由于换流变压器变比的变化需要一定的时间，所以故障瞬间可以 认为变比k 不变。 由此可知，直流系统发生故障时造成的交流电压下降、直流电流增大、触发角过 小或者整定的关断角。过小等都有可能造成换相失败的发生。 当逆变侧交流系统发生不对称故障时，交流换相线电压的过零点将会前移角度矽， 则此时逆变器的关断角为： 厂o s ( 帆s 卜 c2 由上式可知，线电压过零点前移，会使得关断角变小，逆变器更容易发生换相失败。 2 2 3 2 影响换相失致的因素分析 1 、换流母线电压对换相失败的影响【2 2 】 当逆变侧交流系统发生故障时，直流系统控制器的响应和换流变压器的变比的变化 都需要一定的时间，所以故障瞬间和k 保持不变。由式( 2 5 ) 可知，当其它量不 变时，换流母线线电压u 的降低将使关断角7 减小，从而可能导致换相失败的发生。下 图为当直流电流，d 和换流变压器的变比k 保持在初始值不变时，关断角y 随换流母线线 电压u 和越自订触发角的变化曲线，也就是逆变器在不同的触发角下当逆变侧交流系 统发生三相故障时的响应特性曲线。 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 、| n - ，“一一一 ! j 一 - 。7 7 。i 。i “”1 _ ku -u 嵋”m _慵 图2 - 1 关断角y 随换流母线电压u 和触发角变化的曲线 2 、逆变器直流电流l 的增大对换相失败的影响 弘4 8 。 叫5 。 秘2 a 鼻= 3 6 u 如 交流电压降落及直流极故障都会引起直流电流上升，通常直流电流上升会有一定的 限度，当阀侧交流电压下降到一定值时，系统会启动“低电压限电流”控制措施，从而 控制直流电流的持续上升，保证直流输电系统的稳定运行。在实际的直流输电系统中， 当系统发生故障时，由于直流电抗器的电感为有限值，不能完全抑制直流电流的上升， 同时整流器定电流控制装置也会存在延时，它不能立即起到明显的恒定电流的作用，所 以系统故障时逆变器直流电流会有一个增大的过程。下图当越前触发角和换流变比k 保持在初始值不变，关断角y 随直流电流，。和换流母线电压之间的变化曲线，由式( 2 5 ) 可知，换流母线电压的降低和直流电流的上升都会导致关断角y 的减小，从而可能导致 换相失败的发生。 华北电力人学，j ：样硕十学位论文 图2 2 关断角厂随直流电流，d 和换流母线电压u 变化的曲线 3 、触发角对换相失败的影响 u 或 越前触发角和关断角厂之间的关系曲线如下图所示，可以看出，如果增大触发角， 关断角会明显的增加，这将使得换相失败不容易发生，对避免发生此故障是十分有利的 f 2 引。但是另一方面，实际系统当中一般不会采用增大触发角的方式来作为避免发生换 相失败的措施，这是因为角的增加会减少直流输电系统所传输的功率，同时也会加大 系统对无功功率的消耗。 p ；一 ，。一 。 图2 3 关断角y 随超前触发角变化的曲线 4 、逆变侧交流系统不对称故障对换相失败的影响 e 弘 当交流系统发生故障时，换流站交流母线电压瞬时跌落，而换流变压器电压比 1 4 华北电力人学1 ：程硕十学位论文 调整的时间常数较大，通常在1 0 s 左右，因此换流变压器变比根本来不及变化，从而导 致换流变压器阀侧电压等比例跌落，而阀侧电压瞬时跌落意味着换相角瞬时增大。另 外，由于电压跌落是瞬时的，直流输电系统控制器还来不及将触发超前角增大，也就 是说，故障的瞬问角还运行在原来的初始值，由式 y = 6 一u ( 2 7 ) 可得关断角y 从原来的初始值瞬时跌落，如果关断角跌落至换相失败的临界值， 逆变器就会发生换相失败。 交流系统发生三相对称性故障，逆变器是否发生换相失败与换相电压变化的速度 和幅值有关。由于三相换相电压是对称的，故障点离换流器越近，幅值下降就越大，对 换流器的影响也越大，直至交流电压幅值为零。实际运行情况是随着换相电压的下降， 直流电压也下降，造成直流电流上升，这也将使逆变器的关断角减小。考虑十二脉波换 流器，如果在实侧的关断角调节器完成换相电压变化对应的角度调节时间内，相应于换 相电压变化的关断角变化，大于控制器调节的角度变化，将会发生换相失败【2 4 r o 但是， 换相失败发生后，如果在控制器作用下的关断角大于相对稳定的换相电压对应的关断 角，逆变器将恢复正常换相，即使此时的换相电压水平仍然低于额定水平。 逆变侧交流系统发生不对称故障时，一方面，换相电压大小的变化会影响逆变器各 阀间的换相角，从而影响关断角的大小，换相失败与交流电压下降的变化率、幅值和直 流控制器的性能有关另一方面，不对称性故障对于不同换流变压器的接线，对换相电压 的影响也有所不同，需要考虑换相线电压过零点变化的影响，这是因为换相电压过零点 产生相位移也会使得关断角变化。单相故障是交流系统中最常见的不对称故障，单相故 障点离换流站越远，故障相的换相电压下降得越少，发生换相失败的机会就越小。在考 虑关断角调节器作用的情况下，为保证足够的关断角，触发角被立即减小，换相失败几 十毫秒就能恢复正常换相顺序。 2 2 4 换相失败的预防措施 2 2 4 1 利用无功补偿维持换相电压稳定 采用无功补偿装置对直流输电系统尤其是联于弱交流系统的直流系统进行无功补 偿，增大系统的有效短路比( e s c r ) 【25 1 ，可以维持电压的稳定。不同的无功补偿装置 l5 华北电力人学。t ：程硕+ 学位论文 性能也不同，换流站配备无功补偿装置时应根据交流系统情况选择适当的装置。静止无 功补偿器s v c 技术是从7 0 年代初发展起来的，目前在全世界的输配电系统中得到了广 泛应用，它在提高电网稳定性以及改善配电系统的电能质量等方面发挥了重要作用。静 止无功补偿装置采用晶闸管串联控制技术，损耗小、速度快、控制灵活，是比较成熟、 实用的技术，用在换流站中可提高暂态电压稳定性，减小发生换相失败发生的几率。当 系统的有效短路比e s c r 5 时，系统可以全部采用电容器来作为无功补偿；当3 e s c r 5 ，即有效短路比在3 到5 之间时，电容器容量占无功补偿容量的比例应为4 0 一7 0 ； 当e s c r 3 时，电容器容量占无功补偿容量的比例应为2 0 一3 0 。 2 2 4 2 采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的上升【2 6 】 暂态时直流电流的上升容易导致换相失败，例如，当逆变器发生换相失败，逆变侧 的直流电压为零时，相当于直流线路末端短路，造成直流电流上升，如果直流电流上升 较快，容易造成继发性换相失败，所以应该采用较大的平波电抗器限制暂态时的直流电 流。当逆变侧直流电压降低时，线路电容将放电，为了抑制线路电容的放电电流，逆变 侧平波电抗器的电感量可比整流侧适当大些。 2 2 4 3 增大触发超前角或关断角y 的整定值 由前面的分析可知，触发角过小也是导致换相失败的一个因素，所以增大可以 有效地减少逆变器发生换相失败的可能性，但是的增大是以减少直流系统传输的功率 以及增大系统消耗的无功功率为代价的【2 刀。如果保持阀侧电压不变，增大将会导致逆 变侧直流电压的降低，如果保持直流电流不变，则直流传输的功率将会减少，所以，通 过增大或7 整定值的方法来避免换相失败的方法是以牺牲直流输电系统运行的经济 性为代价的。 2 2 4 4 系统规划时降低换流变压器的短路电抗 换流变压器短路电抗的降低将减小换相电抗，从而使换流器换相时的叠弧角变小， 关断角变大，减少换相失败的发生【2 引。但由于换流变压器的短路阻抗是换流运行中换相 阻抗的一部分，当换流器换相失败时，换流变压器副边短路，故障电流主要是由变压器 短路阻抗限制，如果换流变压器的短路电抗过小，故障电流很大，这对换流变压器和换 流器是很不利的。 1 6 华北电力大学，i ：程硕十学位论文 2 3m a t l a b 仿真工具简介 2 3 1m a t l a b 简介 m a t l a b 是美国1 1 1 em a t h 、o r k s 公司推出的科技应用软件，是目前较流行的工程软 件，可以应用于科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图象处理、通讯 系统仿真与设计、金融财经系统分析等领域。 2 3 1 1 m a t l a b 的发展 m a n 。a b 名字由m a n i x 和l a b o r a t o 巧两词的前三个字母组合而成。2 0 世纪7 0 年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的c l e v e rm o l e r 教授为了减轻学生 编程负担，为学生设计了一组调用库程序的“通俗易用”的接口，就是用f o r t r a n 编 写的萌芽状态的m a t i ，a b 。 经几年的校际流传，在1 9 8 4 年m a t h w o r k s 公司成立，并把m a t l a b 正式推向市场。 m a t l a b 以商品形式出现以后，短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先 控制领域罩的封闭式软件包纷纷淘汰，而改以m a t l a b 为平台加以重建。在进入2 0 世纪 9 0 年代的时候，m a t l a b 已经成为国际控制界公认的标准计算软件。 到2 0 世纪9 0 年代初期，在国际上三十几个数学类科技应用软件中，m a t l a b 在数 值计算方面独占熬头。 1 9 9 7 年春m a t l a b 5 o 版问世。紧接着是5 1 、5 2 ，以及1 9 9 9 年的5 3 版。2 0 0 2 年推出了全新的m a t l a b 6 5 版，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸 多方面有了极大改进。 在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数 字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把作为一项重要学习内容。这 几乎成了2 0 世纪9 0 年代教科书与旧版书籍的区别性标志。m a t l a b 更是攻读学位的大学 生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。 在学术界，m a t l a b 已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流 学术期刊上尤其是信息科学刊物，都可以看到m a t l a b 的应用。在设计研究单位和工业 部门，m a t l a b 被认为是迸行高效研究丌发的首选软件工具。 2 3 1 2