PDF《计及换相失败预测控制和故障合闸角的 HVDC 换相失败分析》

计及换相失败预测控制和故障合闸角的 H V D C换相失败分析 李程昊1 ,刘畅2, 3,

4 ,张振安1 ,姚伟2, 3,

4 ,文劲宇2, 3,

4 ,王建波1 ( 1.

国网河南省电力公司电力科学研究院,河南省郑州市

4 5

0 0

5 2;

2. 华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市

4 3

0 0

7 4;

3. 强电磁工程与新技术国家重点实验室( 华中科技大学) ,湖北省武汉市

4 3

0 0

7 4;

4. 电力安全与高效湖北省重点实验室( 华中科技大学) ,湖北省武汉市

4 3

0 0

7 4 ) 摘要:考虑实际直流输电系统中换流变压器的接法, 从换相电压―时间积分面积角度分析了换相失 败预测控制和故障合闸角对换相失败的影响机理, 分析了不同交流系统故障严重程度情况下影响 换相失败的主要因素, 提出了计及换相失败预测控制时引发换相失败的故障合闸角范围的计算方 法及换相失败概率计算步骤, 并指出换相失败预测控制加大了故障合闸角对换相失败的影响.以 典型的单极直流输电系统为例, 通过 P S C A D / EMT D C 软件仿真验证了理论分析的正确性和所提 计算方法的有效性. 关键词:直流输电;

换相失败;

换相失败预测控制;

故障合闸角 收稿日期:

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1 7 G

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2 6;

修回日期:

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0 5. 上网日期:

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1 2.

0 引言 中国正大力发展适应于远距离、 大容量输电的 高压直流( HV D C) 输电技术, 随着多项直流输电工 程的投入运行, 中国电网形成了典型的 强直弱交 结构, 极易发生换相失败[

1 G 3] .换相失败是指由于阀 电压反向, 导致被换相的阀将向原来预定退出导通 的阀倒换相的故障[ 4] .换相失败会造成直流电流、 电压、 功率的剧烈变化, 并可能引起继电保护误动, 严重影响交直流混联系统安全稳定运行, 是制约直 流输电发展的主要原因之一[

5 G

8 ] .因此, 有必要深入 研究换相失败机理及其影响因素. 针对换相失败机理及其影响因素, 国内外文献 开展了广泛研究, 文献[

9 ] 从原理上指出发生换相失 败的根本原因是换相电压―时间积分 面积过小, 文献[

1 0 ] 进一步指出换流母线电压、 直流电流、 换相电 抗等因素与换相失败密切相关.文献[

1 1 G

1 2] 简化 地认为故障后换流母线电压的跌落程度决定了是否 发生换相失败.文献[

1 3 ] 通过仿真发现即使故障后 换流母线电压跌落程度相同, 是否发生换相失败也 是一个概率性问题, 但未从理论上对该现象进行解 释.文献[

1 4 ] 表明换相失败呈现一定概率特性的部 分原因来源于故障时刻与规定的参考点之间的电角 度, 即故障合闸角.文献[

1 5] 详细地从机理上分析 了故障合闸角对换相失败的影响, 并通过求解换流 母线暂态电压, 得到换相电压―时间积分面积与故 障合闸角的数值关系, 进而分析了故障合闸角对换 相失败的影响.换流母线暂态电压的求解本质上属 于交流系统研究范畴, 因此从直流系统角度分析换 相失败机理时可假设换流母线电压已知, 且换流母 线电压在故障后瞬间跌落到稳态值.文献[

1 6 ] 考虑 直流电流变化, 从稳态换相电压角度分析了交流系 统故障后故障合闸角对换相失败的影响, 但其分析 方法不适用于最常见的单相故障. 换相失败预测控制( C F P R E V) 作为抑制换相失 败的有效方法已在越来越多的直流输电系统中得到 应用[

1 7] .C F P R E V 通过检测交流系统故障, 并根据 交流系统故障的严重程度增加逆变侧熄弧角参考 值, 从而起到抑制换相失败的作用.现有文献的换 相失败分析均未考虑 C F P R E V, 但其对换相失败的 分析结果影响较大.此外, 现有文献在分析换相失 败时未考虑换流变压器的不同接法, 未计及交流系 统单相短路后不对称分量对变压器阀侧换相电压的 影响, 存在一定的局限性.另外, 当交流系统发生不 同严重程度的故障时, 影响换相失败的主要因素也 不相同, 但现有文献均未对此进行详细分析[

9 G

1 6,

1 8 ] . 本文在计及 C F P R E V 的基础上, 研究了不同变 压器接法情况下, 逆变侧交流系统单相短路故障后 换相失败受故障合闸角的影响机理, 并讨论了不同

6 5 第4 2卷第3期2018年2月1 0日Vol.42N o . 3F e b .

1 0,

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1 8 D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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0 5

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0 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 交流故障严重程度下换相失败的主要影响因素;

提 出了当直流电流波动对换相失败影响不大时, 导致 换相失败的故障合闸角范围求取方法, 并提出了给 定电压跌落程度下发生换相失败概率的计算方法. 研究结果表明, 计及 C F P R E V 后, 故障合闸角对换 相失败的影响程度更大.最后, 利用电磁暂态仿真 软件 P S C A D / EMT D C验证了分析结论的正确性.

1 H V D C换相失败分析 当逆变侧换流阀换相结束后, 退出导通的换流 阀须继续承受一定时间的反压.若在该时间段内或 在换相未结束时反向电压转为正向电压, 则会导致 换相失败[

1 9 ] . 1.

1 换相失败与换相电压―时间积分面积 由文献[

2 0 ] 可推导得出, 考虑直流电流变化时, 若阀组 Vm →V n 成功换相, 则必然满足: Lc Id( t

2 m a x) +Lc Id( t 1)<

∫ t

2 m a x t

1 Δ Ud t (

1 ) 式中: Lc 为换相电抗;

Id( t 1) 和Id( t

2 m a x) 分别为t

1 和t

2 m a x时刻的直流电流;

t

1 为Vn的触发时刻;

t

2 m a x 为当熄弧角为γm i n时所对应的换相结束时刻, 其中 γm i n为使换相成功的最小熄弧角, 通常取为1

0 ° [

1 0] ;

Δ U 为换相电压. 将式(

1 ) 的左侧记为 A, 称为换相电压―时间积 分面积需求.将式( 1) 的右侧称为最大换相电压― 时间积分面积. 1.

2 故障后换相电压―时间积分面积分析 HV D C中常用的十二脉波换流器结 构示意图 如附录 A 图A1所示[

1 9] , 该换流器由上下两个六脉 波换流器串联而成, 其中上六脉波换流变压器为星 形/三角形接线, 下六脉波换流变压器为星形/星形 接线.V

1 至V12表示1 2个阀;

UA, UB, UC 分别为逆 变侧交流系统三相电压. 各换相 过程对应的换相电压ΔU如附录A表A1所示.表中: Ua ″ , Ub ″ , Uc ″为星形/三角形接线变压器归算到二次侧的相电压;

Ua ′ , Ub ′ , Uc ′ 为星 形/星形接线变压器归算到二次侧的相电压. 当系统 正常运行时, Ua ″ , Ub ″ , Uc ″分别为UA, UB, UC 的3k倍, 其中k 为附录 A 图A1所示变压 器的变比;

Ua ′ , Ub ′ , Uc ′ 分别为UA, UB, UC 的k 倍. 为方便 表述, 将正常运行时的Ua ′ , Ub ′ , Uc ′ , Ua ″ , Ub ″ , Uc ″ 分别记作Ua

0 ′ , Ub

0 ′ , Uc

0 ′ , Ua

0 ″ , Ub

0 ″ , Uc........