天广直流输电系统换相失败的研究

都为额定值时XK％与ΔE的关系曲线。由图可见，ΔE随着XK％的减　　少而增大。所以，在直流输电系统设计时减少换流变压器漏电抗XK％可以在运行中减少换相失败的发生机会，因为其他条件不变时，XK％越小，换相所需的时间越短(即换相角越小)。而当越前触发角一定时，换相角越小，关断角越大，直流输电系统越不容易发生换相失败。　

3．4　临界关断角γmin对换相失败的影响
　　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γmin来表示，其大小与可控硅元件的参数有关，元件的额定电压和额定电流越大，γmin也越大［3］。根据天广直流输电系统的具体情况，本文取γmin＝10°。

　　图4为当β、XK％和都为额定值时γmin与ΔE的关系曲线。由图可见，γmin取值的增大，则逆变器发生换相失败所需的压降ΔE变小，所得结果要比γmin取值较小时所得的结果保守。
3．5　满载率Id/IdN对换相失败的影响
　　对天广直流输电系统，当β、γmin、XK％和都为额定值时，根据式(7)可得Id/IdN与ΔE的关系，如图5所示。　　

　　由图5可见，ΔE随着满载率Id/IdN的增大而减少。因为满载率增大，即直流电流增加，换相过程将拉长，即换相角增大，而越前触发角β一定，故关断角变小，逆变器发生换相失败所需的压降ΔE也变小。
3．6　换流变压器变比k对换相失败的影响　　
　　换流变压器变比调整的时间常数较大，因此故障暂态时它不能很好地防止换相失败的发生。但静态时，通过换流变压器分接头控制能使广州换流站的关断角保持在一定的范围内，从而减少换相失败的发生机会。天广直流输电系统中，换流变压器分接头的调节范围是－6％16％，档距为1％，一共23档。当广州换流站的关断角γ小于17．5°时，将降低分接头级数，提高换相电压，当γ大于21．5°时，将增加分接头级数，降低换相电压，使γ保持在17．5°～21．5°；当直流电压或换流变压器二次电压大于1． 02 p．u．时，将不再允许分接头降低，以防止换相电压太高。
　　图6给出了广州换流站在不同运行状况下换流变压器分接头位置与关断角的对应关系，其中曲线1为逆变器运行在初始运行点的情况，曲线2为β＝390167的情况，曲线3和曲线4分别是当换流母线电压下降到0．98 p．u．和0．95 p．u．时的情况。

　　由图可见，通过调整换流变压器的分接头，可以使广州换流站关断角保持在17．5°21．5°，既减少了换相失败的机会，也控制了逆变器的无功消耗。

4　天广直流系统换相失败仿真
　　本文利用以SUN工作站为硬件平台、以PSCAD/EMTDC为软件平台，采用与天广直流实际控制保护相一致的基于单个SIMANDYND组件的详细的直流控制和保护仿真模型［4～5］，对天广直流输电系统的换相失败进行了详细的仿真分析，所得的结果跟上述分析的结果是很相近的。
　　图7为当天广直流双极运行时，广州换流站附近发生故障导致逆变侧换流母线电压降低到0．6 p． u．，从而引起逆变器换相失败的仿真结果，图中PBipolar＿A、QBipolar＿A和VACA分别为整流侧的有功、无功和换流母线电压，PBipolar＿B、QBipolar＿B和VACB分别为整流侧的有功、无功和换流母线电压，IdH＿B1、UdL＿B1、Gamma＿B1、Iref＿B1分别为极1逆变侧直流电流、直流电流、关断角和直流电流参考值，IdH＿B2、UdL＿B2、Gamma＿B2、Iref＿B2分别为极2逆变侧直流电流、直流电流、关断角和直流电流参考值，横坐标均为时间(s)，纵坐标均为标幺值(p．u．)。由图7可见，换相失败发生后，广州侧双极直流电流均急剧增大，直流电压则降到零，天生桥侧和广州侧直流传输功率均暂时中断，广州侧无功消耗下降很大，而天生桥侧无功消耗则急剧上升。换相失败历时约 40 ms，直流系统将换相失败后约180 ms恢复。

5　天广直流系统换相失败工程实例
　　自天广直流输电系统投入运行以来广州换流站曾多次发生换相失败。图8为由于广州换流站附近220 kV交流线路发生单相接地故障引起的一次换相失败的录波图，图中Ud为逆变侧直流电压，Pd为逆变侧直流功率。由图可见，换相失败发生后，虽然直流电流上升，但由于直流电压降低很多，所以直流输送功率降低，同时关断角一度降低到零，不过通过采取增大越前触发角β等措施，直流输电系统很快从换相失败中恢复过来。

6　结论
　　本文对天广直流输电系统中影响换相失败的有关因素进行了比较详细的分析，得到了天广直流系统换相失败的一般规律。
　　在广州换流站，直流电流的上升、直流系统满载率的增加、换流变压器短路阻抗的增大和临界关断角的增大都会导致使逆变器发生换相失败的最小电压降落的减少，容易导致换相失败，而增大越前触发角有效地减少换相失败的发生概率。当天广直流输电系统降压运行时，由于有较大的关断角裕度，逆变器发生换相失败的机会较小。通过换流变压器分接头控制能使广州换流站的关断角保持在17．5°21． 5°，从而减少换相失败的发生机会，不过由于换流变压器变比调整的时间常数较大，因此故障暂态时它不能很好地防止换相失败的发生。
　　本文对广州换流站换相失败分析结果与天广直流输电系统仿真结果、实际故障录波结相近。

参考文献

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［2］Thio CV，Davies JB，Kent KL．Commutation Failures inHVDCTransmission Systems［J］．IEEETransaction on Power　　Delivery，1996，11(2)：946957
［3］Padiyar KR．HVDCPower Transmission System：Technologyand SystemInteractions［M］，John Wiley＆Sons，NewYork，1990
［4］Sadek K，Wild G，et al．Modelling of Digital HVDCControlSystems Using a Graphical［C］Electromagnetic SimulationProgram．Proceedings of International Conference on PowerSystems Transients，Lisbon，3－7 September，1995，pp．391－396
［5］任震，欧开健，荆勇，余军．基于PSCAD/EMTDC 软件的直流输电系统数字仿真［J］．电力自动化设备．2002，22(9)：11-12.

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