电力系统保护与控制 第 49 卷 第 18 期 2021 年 9 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.18 Sep. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201498 UHVDC 系统换相失败故障过程分析及运行参数影响研究 韩平平 1，童青洋 1，杨 为２，陈 忠２，孙浩然 1，张 炎３ (1.新能源利用与节能安徽省重点实验室(合肥工业大学)，安徽 合肥 230009；2.国网安徽省电力有限公司 电力科学研究院，安徽 合肥 230601；3.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088) 摘要：受端交流系统故障是诱发特高压直流系统换相失败的主要原因，严重影响电网安全。为充分明晰交流系统 故障下特高压直流系统换相失败期间阀组换相过程和控制响应，通过故障过程的电磁暂态仿真，基于换相面积理 论对比阀组实际关断面积和最小关断面积，分析换相失败的主要原因。对运行参数与换相失败和故障恢复的灵敏 度展开研究，发现低压限流环节参数和逆变侧控制的比例系数、积分系数对换相失败和故障恢复过程有明显影响， 可以在控制系统优化时重点考虑。该研究可为特高压直流换流站换相失败故障分析及稳定运行提供参考。 关键词：特高压直流输电；换相失败；过程分析；运行参数；灵敏度 Analysis of the commutation failure process and a study on the influence of operation parameters on a UHVDC system HAN Pingping1, TONG Qingyang1, YANG Wei2, CHEN Zhong2, SUN Haoran1, ZHANG Yan3 (1. Anhui Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Utilization and Energy Saving (Hefei University of Technology), Hefei 230009, China; 2. State Grid Anhui Electric Power Company Limited Research Institute, Hefei 230601, China; 3. No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China) Abstract: An AC system fault at the receiving end is the main cause of commutation failure in an Ultra High Voltage Direct Current (UHVDC) system. This can seriously affect the security of the power grid. To fully clarify the commutation process and control response of a valve group during commutation failure of a UHVDC system under an AC system fault, the actual extinction area and the minimum extinction area of the valve group are compared, and the main reason for commutation failure is analyzed through the electromagnetic transient simulation of the fault process. Sensitivity of operational parameters and commutation failure and the fault recovery process is studied. It is found that the parameters of a Voltage Dependent Current Order Limiter (VDCOL), proportional coefficient and integral coefficient of inverter control have obvious effects on commutation failure and the fault recovery process. These aspects can be the first choice for optimizing of the control system. This paper can provide a reference for commutation failure analysis and stable operation of a UHVDC converter station. This work is supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900600). Key words: UHVDC; commutation failure; process analysis; operation parameters; sensitivity 0 引言 为增强西北等地区新能源电力消纳能力、调节 我国能源与负荷分配不均等问题，基于电网换相换流 器的高压直流输电系统(Line Commutated Converters High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)已成为现 阶段研究热点[1-3]。LCC-HVDC 系统均采用无自关断 基金项目：国家重点研发计划专项资助(2016YFB0900600) 能力的晶闸管作为换流元件，会受电网电压等因素 影响发生换相失败[4-5]，增加了华东和华南电网的多 馈入直流输电系统级联换相失败的风险 [6-7] 。部分 LCC-HVDC 系统采用分层接入方式，可以提高受端 系统电压支撑能力，但也会造成非故障层受故障层 耦合影响同时换相失败[8]，因此，抑制换相失败仍 是现阶段高压直流输电工程的难点。 目前，国内外学者针对换相失败产生机理和抑 制措施展开了广泛研究。文献[9]从原理上指出换相 电力系统保护与控制 - 26 - 失败的根本原因是晶闸管关断角过小，不足以恢复 正向阻断能力。文献[10]采用超前触发控制，根据 故障强度快速减小晶闸管触发角，确保足够的换相 裕度。文献[11]提出一种快速检测单相和三相故障 下瞬时电压、电流特性的功率分量检测方法，并采 用改进的 VDCOL 控制以快速降低直流电流，增加 换相裕度。针对高压直流输电分层接入方式，文献 [12]根据故障层关断角变化量提升非故障层关断角 整定值，避免故障层和非故障层换流器同时换相失 败。上述文献多以预防单次换相失败为主，对于多 次换相失败故障分析，文献[13]设计了以  作为触 发判据的 AC/DC-VDCOL 转换协调控制器，可有效 抑制连续换相失败并提升协调恢复速率。文献[14] 考虑低压限流控制与电流偏差控制的配合，确保直 流电流不超过恢复期间的最大值。 虽然当前对于换相失败研究较为重视，但从工 程实际来看，换相失败故障现象仍时有发生[15]。对 于实际特高压直流工程，仅根据交流电压、交流电 流、直流电流等录波数据，无法明晰换相失败期间 阀组换相、控制响应过程以及换相失败原因，难以 指导实际生产中的运行和维修工作[16-17]。为此，需 通过建模仿真，研究故障期间各阀组电压和电流、 直流控制系统和逆变侧控制响应等主要状态量的变 化特性，理清换相失败期间换相阀组的导通情况和 换相失败原因，分析 VDCOL 环节和逆变侧控制等 直流控制系统对故障过程的影响，提升换流站安全 运行能力。 基于此，本文搭建了±1 100 kV 分层接入特高 压直流系统仿真模型，从受端换流站双极低端换流 器换相失败故障入手，进行故障过程研究，分析阀 组换相过程和控制响应，并根据仿真结果，计算和 比对阀组实际关断面积和最小关断面积，以进行换 相失败原因分析，并研究了直流控制环节相关参数 与换相失败和故障恢复过程的灵敏度关系，这对换 流站实际维护和安全运行具有积极意义。 逆变侧换流器采用三相全波桥式电路，拓扑结 构如图 1 所示，ea 、eb 、ec 分别为受端交流系统 A、 1 id ，对式(2)等式两边进行积分，可得 换相失败机理分析 换流阀正常关断需要承受一定幅值、一定时间 的换相电压作用，换相电压与时间的积分面积包括 用于换相电感建立磁链的换相面积和阀组恢复正向 阻断能力的关断面积。假设换相面积和关断面积的 总量一定，则当阀组换相面积增加时，关断面积裕 度减小，从而引起阀组换相失败[18]。下文详细探究 了换相失败机理。 B、C 三相瞬时电压， Lc 为等效换相电感，换流阀 组 VT1-VT6 分别间隔 π/3 依次触发导通[19]。 图 1 逆变侧换流器电路结构图 Fig. 1 Circuit structure diagram of inverter side 换相过程起始于触发延迟角 α，终止于熄弧延 迟角 δ，叠弧角 μ 为电流从一相转移到另一相所需 的角度，关断角 γ 为阀组恢复正向阻断能力所需角 度[20]。当 0    60 时，换相过程中有三个阀同时 导通。以阀 VT1 向 VT3 换相为例，如图 2 所示，在 换相过程中，VT1、VT2 和 VT3 同时导通，对于阀 VT1 和 VT3 的回路，满足关系式(1)。 di di ea +Lc 1  e b + Lc 3 (1) dt dt 由于 id  i1  i3 ，式(1)可表示为 di di ea  eb  2U L sin(t )  2 Lc 3  Lc d (2) dt dt 式中， U L 为线电压有效值。 图 2 换相过程等值电路图 Fig. 2 Equivalent circuit diagram of commutation process 在叠弧过程中，i1 逐渐减小至 0，i3 逐渐增大至       2U L sin(t )dt    (2 Lc  di3 di  Lc d )dt dt dt (3)