逆变器换相失败发生机理及其抑制方法研究

逆变器换相失败发生机理及其抑制方法研究

黄浩宇周勇汪伟

（国网江西九江供电分公司九江332000）

摘要：首先分析了换相失败的机理，明确了直流电流对换相失败的影响。其次，对VDCOL及动态VDCOL的参数进行改进，引入simplex算法对VDCOL参数优化，达到在交直流混合系统受端换流母线发生严重的三相短路故障时，减小受端系统逆变器消耗无功的峰值同时加快受端有功传输恢复速度，从而有效的抑制后续换相失败，在防止系统电压及功角失稳，具有一定的作用；最后，基于PSCAD/EMTDC仿真验证参数优化的有效性

关键词：换流器；换相失败；VDCOL；优化

引言

近年来我国高压直流技术迅速发展，交直流系统规模日趋扩大，电力系统网络庞大复杂，以往建立的电网的静态及暂态稳定性理论难以支撑当今复合大电网系统可靠性评估。就南方电网而言已经形成了多馈入直流交直流混合系统，规划到2018年将形成八回路（天广直流、贵广Ⅰ直流、贵广Ⅱ直流、三广直流、云广直流、糯扎渡直流、溪洛渡直流、鲁西直流）直流落点均在广东的混合复杂电网[1]。“强直弱交”系统使交直流相互影响的问题日趋突出，尤其是换流器换相失败的发生，给电网系统及用电用户造成了巨大冲击和经济损失，据统计就2010年11月到2012年六月期间南方电网已由于换相失败而发生了多起南网主网变压器跳闸事故，严重影响到国民日常生活的正常有序的进行。因而对于换相失败的发生发展机理的研究及如何有效的抑制其发生成为了电网安全运行的重要课题[2]。

本文从换相失败的宏观及微观机理进行定性分析，推导出发生换相失败的主要因素，进而究其主要因素，对VDCOL参数进行优化，减小故障后换流器无功消耗的峰值数值同时加快有功传输的恢复；基于PSCAD/EMTDC仿真平台，以某实际直流系统为原型，搭建仿真系统，在单馈入直流相系统的受端换流母线上作短路实例研究，基于Simplex算法对VDCOL控制系统参数进行改进优化，从而提高直流受端系统的暂态稳定性。

1.换流器机理分析

1.1换相失败发生原理及分析

另外，逆变器触发电路工作不可靠造成触发脉冲不能准确适时为晶闸管分配脉冲和晶闸管反向击穿也都会引发直流的换相失败。

综上分析可知，引发换相失败的因素有：逆变器交流侧线电压U大幅下降；超前触发角的降低；直流电流过大；交流系统发生不上对称故障引起换相电压的相角过零点漂移；逆变器系统内部故障。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地为晶闸管分配脉冲（如脉冲延迟、丢失、误触发等），晶闸管性质损坏（如反向击穿等）。

对于多直流落点系统，若各直流落点之间电气距离较小，将时换相失败问题更加复杂。一回直流逆变站发生换相失败可能会引起多直流同时换相失败，这种情况下各直流逆变站之间耦合关系成为多回路直流是否发生换相失败的重要因素。此外，交流系统故障的发生地点、故障严重程度也会影响到MIDC输电系统换相失败的发生。

1.2换相失败对直流输电系统的影响

逆变器发生换相失败将导致直流电流急剧上升，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，约为直流输送功率的30%~40%，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，从而逆变器消耗无功也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功流入交流系统，将导致弱交流系统出现过电压。交直流互联系统故障期间，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快速恢复，以缓解交流系统功率失衡，而换相失败是导致直流功率不能快速恢复的主要原因，因而过快的直流功率恢复可能造成后续换相失败及交流系统电压和功角失稳，产生严重事故。

由于换相失败带来以上严重影响，因而亟需采取必要继电保护措施防止换相失败及后续换相失败的发生，本文以下引入基于VDCOL控制的方法来抑制换相失败的发生，且依据目前的提出的方案在常规VDCOL基础上改进其控制性能，进一步提升直流系统故障后的恢复特性。

2.VDCOL控制参数优化

2.1VDCOL控制机理

VDCOL作用是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制。典型VDCOL控制模块如图3所示。

4.结论

（1）换相失败主要原因是熄弧角过小，引发直流换相失败因素主要有逆变侧交流线电压下降、直流电流剧增、超前触发角过小及直流逆变器内部故障。

（2）基于Simplex算法VDCOL参数优化改进能减小故障恢复期间受端无功消耗峰值，加快有功传输的恢复。

（3）对于受端多直流落点系统改进新型VDCOL有一定的局限性。本文只对对称故障且发生在逆变站附近故障进行了验证。

参考文献：

[1]李新年，易君，李柏青等.直流输电系统换相失败仿真分析及运行情况统计.电网技术[J]，2012，36，6：266-271

[2]艾飞，李兴源，李伟等.HVDC换相失败判据及其恢复策略的研究.四川电力技术[J]，2008，31，4，10-13

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].第2版.北京：中国电力出版社，2011.56-85

[4]林凌雪，张尧，钟庆等.多馈入直流输电系统中换相失败研究综述.电网技术[J]，2006，30，17.40-46

[5]黄玉东.高压直流输电换相失败的研究[D].北京：华北电力大学，2006，25-28

[6]黄浩宇.多直流馈入系统恢复特性及协调有序恢复策略研究[D].华南理工大学，2016.