直流输电系统中逆变器换相失败的因素分析

增大系统消耗 " 的增大会减少直流系统的传输功率、 的无功功率! 所以， 如何确定一个合适的 " 是直流输电 运行与控制的一个关键问题! # ! $" 换流变压器变比对换相失败的影响 由式 （#） 可以看出， 减小变比 " 可以使关断角 ! 增大， 避免静态时关断角 ! 过小， 从而减小换相失败的 发生机会! 不过由于换流变压器变比调整的时间常数 较大 （ 通常在 %& ’ 左右） ， 因此故障暂态时它不能很好 地防止换相失败的发生! 但静态时， 通过换流变压器分 接头控制能使常州换流站的关断角保持在一定范围 内， 从而减少换相失败的发生机会!
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收稿日期： "##% C B" C BG
万方数据 作者简介： 魏建炜 （ B)I" C ） ， 男， 甘肃天水人， 重庆大学硕士研究生， 主要从事电力系统及其自动化方向研究A
第 +* 卷第 " 期, , , , , , , , , , , 魏建炜，等： 直流输电系统中逆变器换相失败的因素分析
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重庆大学学报 （ 自然科学版） *+,-.’/ +0 12+.345.3 6.578-95:( （ ;’:,-’/ <=58.=8 >?5:5+.）
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! ! 文章编号： B### C %D"E （ "##$ ） #% C ##B$ C #F
［%］ " 浙江大学直流输电科研组) 直流输电 ［ *］ ) 北京： 电力工 图 !" ! 随 " 变化的曲线 业出版社， %+,#) ［#］ " 戴 熙 洁) 直 流 输 电 基 础 ［ *］ ) 北 京： 水利电力出版 社， %++&) ［(］ " 徐政， 蔡晔， 刘国平) 大规模交直流电力系统仿真计算的 相关问题 ［ -］ ) 电力系统自动化， #&&# ， #. （ %$ ） ： ! / ,) ［!］ " 李兴源) 高压直流输电系统的运行和控制 ［ *］ ) 北京： 科 %++,) 学出版社， ［$］ " 0123 4 5， 675289 - :， ;8<0 ; =) 4>??@ABAC>D EBCF@GH’ ［ -］ ) 2888 0GBD’BJAC>D >D CD 1564 0GBD’?C’’C>D 9I’AH?’ K>LHG 6HFCMHGI， %++. ， %% （#） ： +!. / +$N) ［.］ " 欧开健， 任震， 荆勇) 直流输电系统换相失败的研究 （ 一） ［ -］ ) 电力自动化设备， #&&( ， #( （$） ： #N / #+)
( ) 的大小， # 变化的曲线如图 + 所示$
图 +, # 随 ( ) 和 & ’ 变化的曲线
由图 + 可见， 当保 # 随 ( ) 的增大下降很快$ 例如， ( ) 从 ! $ $ 上升到 ! $ +! 时， 持 & ’ 为初始值 ! $ $ 时， #减 小 1$ )%， 并导致发生换相失败$ + $ ’, 换相电抗 + , 对换相失败的影响 换相电抗是换相电流所经过回路中每相的等值电 抗$ 当假设换流器交流母线装有完善的滤波装置而使 交流电压不畸变时， 换相电抗即为折算到阀侧的换流 变压器短路阻抗$
在不同的 ! 下 当 ( ) 和 & ’ 保持在初始值不变时， 改变换流变压器的漏抗大小， # 变化的曲线如图 ’ 所 示$ 由图 ’ 可知， 当 ( ) 和 & ’ 保持在初始值时， 对于确 定的 !， 换流变压器漏抗越大， 则关断角 # 越小$ 例如， 当 ! 2 ’) $ 1 % 时， 当 ! " 从 !" # 增 大 到 !1 # 时， # 从 !) $ ) % 下降到 1 % ， 从而导致换相失败$
直流输电系统中逆变器换相失败的因素分析
魏建炜B ， 林 ! 莉B ， 成 ! 涛" ， 牟道槐B
（电力公司， 重庆! G####B ）
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摘! 要： 换相失败是直流输电系统常见的故障之一， 其与许多因素有关A 为此分析了直流输电系统 中换流母线电压、 直流电流、 换相电抗、 触发越前角、 换流变压器变比等因素对换流站换相失败的影响， 得到了直流输电系统换相失败的一般规律， 对实际运行具有一定的借鉴意义A 关键词： 直流输电； 逆变器； 换相失败 中图分类号： H&IBB 南北互供的电网格局发展中， 直 ! ! 在中国西电东送、 流输电起着重要的作用A 由于直流输电系统传输功率 很大， 因此其故障的影响也很大A 换相失败是直流输电系统最常见的故障之一A 导 致换相失败的因素很多， 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A 为此， 笔者根据三峡—常州直流输电工程的有关 参数， 对影响换流站换相失败的主要因素进行了分析， 并阐述了直流输电系统发生换相失败的一般规律， 对 其实际运行具有一定的借鉴意义A 文献标识码： J 晶闸管需要一定时间完成载流子复合， 恢复阻断 能力， 其去离子恢复时间在 G## !（ 9 约 I " 电角度） 左 右， 考虑到串联元件的误差， 晶闸管阀的恢复时间以电
图 ’ , # 随 + - 和 ! 变化的曲线
+ $ 3, 触发越前角对换相失败的影响 & ’ 和 " 保持在初始值不变时， 当 () 、 # 随 ! 的变化 曲线如图 3 所示$ 由图 3 可知， 随着 ! 的增大， 关断角 这对避免逆变器发生换相失败是十分有 # 显著增大， 利的$ 例如， 当 ! 从 ’) $ 1 % 增大到时 3" % ， # 从!) $ ) % 增大 到’$ $ + %$ 增大 ! 虽能有效地减小逆变器换相失败， 但
变压器短路阻抗 ! " 为 !" # ； 初始运行点逆变侧的直流 电压为 # "$$ %&； 初始运行点逆变侧的直流电流为 ’ %(； 初始运行点逆变站交流母线电压为 "$$ %&$ 由上述原始条件可以计算出： 运行点的触发越前 运行点的换相角 " 为 +$ $ + % ； 运行点的 角 !$ 为 ’) $ * % ； 关断角为 !) $ ) %$ + $ !, 换流母线电压 & ’ 对换相失败的影响 图 ! 为直流电流 ( ) 和换流变压器变比 " 保持在 初始值不变， 关断角 # 随换流母线线电压 & ’ 和触发 越前角 ! 的变化曲线$
换相失败是逆变器最常见的故障， 因此文中主要 讨论逆变器换相失败的问题A 造成换相失败的原因有： 交流电压下降， 直流电流增大， 交流系统不对称故障引 起的线电压过零点相对移动， 触发越前角 ! 过小或整 ［ "］ 定使关断角过小 " 所致 !
［ F］ 换相各参数之间的相互关系可以用下式表示 ：
（B） " K ! C #! 式中： 简称为关断角； " 为关断越前角， ! 为触发 越前角； # 为换相角! 可见， " 直接决定于 ! 和 #!
［ %］ 备的额定值提出了更高的要求 ! ［ $］ 由文献可得系统对称时逆变器关断角为 ：
B! 直流输电系统换相失败
当 " 个桥臂之间换相结束后， 刚退出导通的阀在 反向电压作用的一段时间内， 如果未能恢复阻断能力， 或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕， 这 两种情况在阀电压转变为正向时被换相的阀将重新导
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结" 论
笔者以三峡—常州直流输电系统为例， 对影响换
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相失败的有关因素进行了比较详细的分析， 得出了直 流系统换相失败的一般规律! 在常州换流站， 换流母线 电压的下降、 触发越前角的减小以及直流电流和换相 电抗的增大都会使关断角 ! 减小， 容易导致换相失败； 通过调整换流变压器分接头可以避免静态时关断角过 小， 使逆变器的关断角保持在一定的范围， 从而减小换 相失败的发生机会! 因此合理整定逆变侧的越前角是 " 直流输电运行控制的关键问题之一! 参考文献：
图 !, # 随 & ’ 和 ! 变化的曲线
图 ! 也可用于分析逆变器在交流系统发生故障时 的响应特性曲线$ 正常运行时， 直流电压通常由逆变站 控制， 而直流电流由整流站控制$ 当逆变站控制直流电 压时， 其基本的控制方式是： 调节换流变压器变比来调 整慢速的电压变化， 而通过调节 ! 来控制较小的快速 电压变化$ 当逆变侧交流系统发生故障时， 换流站交流 母线电压瞬时跌落， 而换流变压器变比调整的时间常 数较大， 通常在 !$ - 左右$ 因此， 换流变压器变比根本 来不及变化$ 由于电压跌落是瞬时的， 直流输电系统控 制器也来不及将 ! 拉大$ 由此可视故障瞬间 ! 和 " 保 （+） 可见， 当其他变量不变时， &’ 持不变$ 由图 ! 和式 的降低将使 # 减小， 从而会导致换相失败$ 图 ! 中， 当 换流母线电压 & ’ 从初始运行点处的 ! $ $ ./ 0$ 降落到 * 处的 $ $ 1’ ./ 0$ 时， 逆变器发生 # 从 !) $ ) % 减少到 1 % ， 换相失败$ 交流系统发生故障时， 逆变站交流母线电压 的下降幅度决定于故障发生地点与逆变站交流母线之 间的电气距离及当时的运行方式$ 由图 ! 可见， 当时， 换相母线 ! 2 3$ % 电压要下降 到 $ $ 4$ ./ 0$ 时， 发生换相失败； 而当 ! 2 3) % 时， 换相 母线电 压 & ’ 要 下 降 到 $ $ "’ ./ 0$ 时 才 会 发 生 换 相 失败$ + $ +, 直流电流对换相失败的影响 当 ! 万方数据 和 " 保持在初始值不变， 在不同的 & ’ 下改变
［ B］ 通， 这称为换相失败 A
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式中： # 为换流变压器的变比； $ % 为直流电流； &’ 为换相电抗； ( ) 为换流母线线电压有效值； ! 为触发 越前角!
"! 导致常州换流站换相失败因素分析
由式 （"） 可见， 当系统对称时， 直流电流 $ % 、 触发 越前角 !、 换流母线线电压 ( ) 、 换流变压器变比 # 和换 从而确定是否会 相电抗 & ’ 都会影响逆变器的关断角， 导致换相失败! 下面考察三峡—常州直流输电工程中上述各因素 对常州换流站换相失败的影响! 计算的原始条件为： 逆 变站换流变压器额定容量为 D%B ! B &@J； 逆变站换流 变压器的额定变比为 %## N@ * "B# ! G N@； 逆变站换流
［ G］ 角度 " L5. 表示约为 D " ! 文中取 " L5. K D " ， 即当计算出
的关断角 ""D " 时就认为发生换相失败! 实际运行时， 通常 " 角的整定值总是要比晶闸管 实际需要的关断角 " L5. 大一些! 正常运行时 " 角整定 值取大一些对避免故障时的换相失败是有利的， 不利 的方面是增加了正常运行时的无功消耗以及对换流设