直流输电整流器阀故障特征研究

孙福成 周 力

(丹东供电公司，辽宁丹东 118000)

0 引言

自从1954年，世界上第一个直流输电工程(瑞典本土至Gotland岛的20 MW，100 kV，95 km的海底直流电缆输电工程)投入运营，直流输电技术的商业化运行已有五十多年的历史[1]。随着能源开发、电能传输以及电力系统规模不断扩大，采用直流输电的必要性与日俱增。同时，由于高压直流输电自身所具有的巨大优势[1-3]，高压直流输电在我国得到了飞速发展。

高压直流输电系统包括换流器、直流输电线路和换流站内的交流部分。换流器是整个直流输电系统的核心，对其故障要高度重视[4]。

本文研究整流器的阀故障，包括误开通和不开通故障，并且在PSCAD/EMTDC环境下做了仿真研究，分析了这两种故障的影响。

1 系统模型

PSCAD/EMTDC仿真环境下的高压直流输电系统的模型由换流变压器、交流滤波器、平波电抗器、直流输电线路以及两侧相应的控制系统构成。该系统图如图1所示，系统额定值为直流电压500 kV，直流功率1 000 MW，直流电流2 kA，为12脉动单极系统，基本控制方式是:整流侧由定电流控制和αmin限制两部分组成;逆变侧配有定电流控制和定关断角(γ0)控制[4]。

2 换流阀故障原理分析

2.1 不开通原理

阀不开通故障是由阀门极控制回路的故障导致触发脉冲丢失引起。如图2所示，以整流侧换流器阀V3丢失脉冲为例，由于阀V3不开通，使得原来将要退出的阀V1继续开通，直到阀V4开通，发生直流短路，直流侧电压为零，这一过程一直持续到阀V5开通，直流电压恢复，历时120°。逆变侧不开通故障比整流侧更为严重。当触发脉冲连续丢失时，会导致直流电压和电流的严重振荡。

2.2 误开通原理

误开通即换流站阀在应处于正常阻断状态时间内出现了非正常导通现象。

整流器的阀在阻断期间的大部分时间承受着反向电压，阀在承受正向电压的时间内，如果受到过大的正向电压上升率的作用，或阀的控制极触发回路发生故障，都有可能造成阀的误开通[4]。单桥逆变器等效电路图见图3。

3 仿真结果及分析

因为对于双极高压直流输电系统，当其中一极发生故障时，另一健全极仍可运行[5]。对于实际高压直流输电系统而言，双极同时发生故障的可能性较小。因此，以单极高压直流输电系统整流器发生阀的不开通和误开通故障为研究对象。由于换流变压器接线方式对这两种故障的分析结果影响很小，因此，考虑Y/D接线方式换流变压器对应的换流器发生误开通和不开通。故障触发脉冲设置如图4a)，4b)，4c)所示。

3.1 单次不开通

在高压直流输电系统正常运行状况下，整流侧Y/D接线换流变压器对应的六脉动桥阀V3丢失触发脉冲，导致不开通，故障仿真波形如图5所示。

当整流器阀V3丢失触发脉冲时，造成阀V1，V3换相失败，阀V3不能正常开通，阀V1继续开通，阀V3承受正向电压，如图5a)所示与文献[1]的分析一致。之后，阀V4导通，形成直流短路，故障过程一直持续到阀V5触发导通后，故障过程结束。

故障过程中，由于整流侧阀的不开通，导致换相失败的发生，整流侧直流电压下降，如图5b)所示，导致整流侧电流下降，使得逆变侧电流下降。由于直流电压电流的降低，直流系统输送功率降低，会造成整流侧交流电压上升，逆变侧交流电压下降。

控制系统动作，在整流侧，降低定电流控制的触发角整定值(见图5c))，来提高直流电流，实现定电流控制;逆变侧取定电流控制和定关断角控制整定值中较大的一个作为控制系统整定的触发越前角。

故障过程中，逆变侧始终为定关断角控制。逆变侧由于换相电压下降，造成换相角增大，为维持定关断角控制，由式δ=β－γ可知，逆变侧触发越前角整定值增大，以实现定关断角控制，如图5d)所示。

在整流侧阀不开通的整个故障以及故障恢复的过程之中，高压直流系统没有出现大的过电压和过电流情况，电压、电流最大为 1.15 pu。

3.2 连续不开通

在正常运行工况下，整流站发生连续丢失触发脉冲故障，导致连续的不开通故障。故障脉冲设置如图4b)所示。

当整流侧发生触发脉冲连续丢失时，发生换相失败，造成直流侧短路。其故障开始阶段与单次不开通故障的故障过程相同。当连续丢失脉冲时换相失败故障重复发生，引起线路上电压和电流的波动，影响高压直流输电系统功率的传输。波形如图6所示。

3.3 误开通

由于高压直流输电系统的整流侧阀在大部分的时间内承受的都是反向电压，因此，整流侧阀的误开通故障，只是相当于故障阀的触发角提前，对整个高压直流系统电压和电流的影响及对系统控制的影响都非常小。阀电压见图7。

4 结语

本文在PSCAD/EMTDC仿真环境下，研究了高压直流输电系统整流器阀的不开通故障和误开通故障，对故障过程及控制策略进行了分析，并得到以下结论:

1)整流器阀的单次不开通故障，会引起高压直流系统过电流和过电压，但对高压直流系统的运行影响较小，故障消除后系统可以恢复。

2)整流器阀误开通对高压直流系统的影响很小。

3)当故障引起高压直流系统直流电压和电流的较大变化时，整流侧控制系统通过定电流控制与最小触发角控制来实现系统的恢复，逆变侧通过定关断角和定电流控制之间的切换来使系统恢复。

[1]浙江大学发电教研室直流输电科研组.直流输电[M].北京:电力工业出版社，1982.

[2]赵 杰.高压直流输电的前沿技术[J].中国电力，2009，38(10):1-6.

[3]王 遂，任 震.高压直流输电系统可靠性影响因素分析[J].电力系统及其自动化学报，2010，19(5):24-28.

[4]徐 政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京:机械工业出版社，2004.

[5]董曼玲，黎小林，何俊佳，等.特高压直流输电系统换流站内部故障电磁暂态响应特性及控制策略[J].电网技术，2010，34(3):5-10.