华东多直流馈入系统换相失败仿真研究

李新年，李 涛，刘 耀，王晶芳，庞广恒，陈树勇，雷 霄，杨 鹏

(1．北京交通大学电气工程学院，北京市100044;2．中电普瑞科技有限公司，北京市100192;3．中国电力科学研究院，北京市100192)

0 引 言

换相失败［1-2］是采用半控元件晶闸管组成的换流器处于逆变工作状态时一种常见的瞬时故障过程，逆变站近区发生交流系统故障，易造成换流母线电压大幅跌落，直流系统发生瞬时换相失败难以避免。2013年落点华东地区的直流已有6 回，包括葛洲坝—南桥、龙泉—政平、宜都—华新、团林—枫泾4 回三峡电站送出的±500 kV 直流输电系统，复龙—奉贤和锦屏—苏州2 回四川送出的±800 kV 特高压直流输电系统。华东地区多个直流逆变站落点密集，各回直流之间以及直流与交流之间的相互作用将更为复杂，可能会导致多个直流同时换相失败，给整个交直流系统带来冲击。2012 和2013年出现过交流故障导致华东地区葛南、宜华、林枫、复奉4 回直流同时发生换相失败，引起受端交流系统有功、无功和电压瞬间大幅度波动，对交流系统产生一定冲击，由于事故发生时华东电网正处于迎峰度夏阶段，系统短路容量水平较高，随着故障的消失，交直流系统可以恢复正常运行。多直流馈入系统换相失败对交直流输电系统的影响日益成为值得关注的问题［3-9］。

近年来研究主要针对多直流馈入系统［10-15］，但研究中直流控制大多采用简化模型［16-23］，导致换相失败及其恢复过程与实际工程存在一定差异。近2年虽然利用与工程一致的直流控制保护仿真模型进行换相失败研究，但均为单馈入直流输电模型。

本文在电磁暂态程序中根据华东电网2013年夏季高峰方式电力系统分析软件(Bonnevile Power Administration，BPA)动态等值数据，建立了华东电网多直流馈入输电系统研究模型，采用了与直流工程控制保护一致的详细模型，研究了华东地区交流系统发生单相和三相故障时，交直流系统的动态性能和相互影响:包括换相失败持续时间，直流恢复时间以及逆变站与交流系统交换无功功率在故障及其恢复期间的变化规律，研究结果可为调度运行提供技术参考。

1 华东电网动态等值

随着电网的不断发展，电网的规模越来越大，而电磁暂态仿真程序受到计算速度的限制，规模又不能太大，因此进行电磁暂态分析时一般根据研究需要对原网进行等值，在保持系统动态性能的前提下，简化系统网络。本文采用PSD_BPA 对华东电网2013年夏大数据进行了动态等值，等值电网保留了宜都—华新、葛洲坝—南桥、团林—枫泾、复龙—奉贤、锦屏—苏州、龙泉—政平6 回直流;保留了上海电网的500 kV双环网，以及上海至江苏、上海至安徽的500 kV省际联络线。等值网节点约80个，其中等值机19 台、保留机组4 台、保留线路约110条。

等值网与原网的节点母线电压偏差不超过0.5%，线路潮流误差不超过3%;另外，通过保留线路的三相永久故障，比较了等值网与原始网的动态响应性能。图1 给出了亭卫—远东交流三相永久性线路故障下原网和等值网的BPA 有功功率响应曲线。由图1 可以看出，等值网故障后的动态性能与原网基本一致。

图1 亭卫—远东500 kV 交流线路三相永久性故障BPA 波形Fig.1 BPA wave of Tingwei-Yuandong 500 kV three-phase AC line faults

2 仿真建模

根据等值后的华东2013年夏季高峰方式，在EMTDC 程序［21］上建立了华东多直流馈入系统研究模型。其中锦屏—苏州、葛洲坝—南桥、团林—枫泾、复龙—奉贤采用了与实际工程一致的直流控制保护模型，首次实现了南瑞、许继和ABB 公司多种技术路线直流控制保护详细模型的有效结合，而受电网规模限制宜都—华新和龙泉—政平采用相对简化的控制保护模型，但直流模型中均包含与工程一致的换相失败预测逻辑，可以进行换相失败过程的详细研究。

发电机采用详细电磁暂态模型，包括励磁调节器、调速器和电力系统稳定器(power system stabilization，PSS);交流负荷由恒阻抗、恒电流和恒功率负荷组成;输电线路采用Bergeron 模型。

为验证模型的有效性，选取了8月8 日上海外高桥三厂出线路桥5138 线C 相故障，导致复奉、林枫、宜华、葛南4 回直流同时发生换相失败的案例，在电磁暂态模型上进行了故障再现。

从图2 给出顾路—外高桥C 相故障葛洲坝—南桥仿真和现场的对比波形上看，直流电压、直流电流以及触发角在故障和恢复过程中仿真与现场波形基本一致，仿真模型可以精确反映换相失败及其恢复的动态过程。

图2 顾路—外高桥单相故障葛洲坝—南桥直流波形(图中Ud 为直流电压，Id 为直流电流，α 为触发角)Fig.2 Wave of Gezhouba-Nanqiao HVDC in Gulu-Waigaoqiao single-phase AC line faults

3 仿真研究

基于研究模型，对复奉、宜华、林枫、葛南、锦苏、龙政6 回直流落点华东电网情况下，发生交直流系统故障时的各回直流换相失败及恢复情况进行了研究。主要研究内容包括:(1)受端交流线路单相故障;(2)受端交流线路三相故障;(3)逆变站丢失脉冲故障。最后根据研究结果给出了单相和三相交流线路故障可能导致华东6 回直流同时发生换相失败的区域。

3.1 交流线路单相故障

华东地区换流站出线、上海环网和江苏地区500 kV交流线路上进行单相永久性接地故障试验。计算中葛南、宜华、林枫、复奉、龙政、锦苏直流均采用整流侧定电流控制、逆变侧预测型关断角控制，采用文［15］提出的利用换流变阀侧电流判别是否发生换相失败，研究结果见表1 ～3。

表1 华东地区单相交流故障时直流换相失败持续时间Table 1 DC commutation failure duration caused by single-phase AC fault in the East China Power Grid ms

表2 华东地区单相故障时逆变侧换流母线最低电压Table 2 Inverter bus minimum voltage during single-phase fault in the East China Power Grid pu

表3 华东地区单相故障时直流恢复时间Table 3 DC power recovery time for single-phase fault in the East China Power Grid ms

从研究结果可见，在上海和江苏地区主要保留线路上发生单相永久性故障时，会导致葛南、宜华、林枫、复奉、锦苏5 回直流逆变器发生换相失败，部分线路会导致6 回直流同时换相失败。一般交流故障后，换相失败预防功能(commutation failure prediction，CFPREV)迅速启动(见图3)，立即减小逆变站触发角，从而增大换相裕度，避免发生连续换相失败。换相失败持续时间根据逆变站与故障点的电气距离远近不同，换流母线电压的跌落情况不同而不同，为10 ～103 ms，政平站与其他5 回直流的落点距离相对较远，因此在上海环网发生交流线路故障时，龙政直流发生换相失败的次数较少。在换相失败期间，直流电流上升，直流电压下降甚至反向，导致直流输送功率瞬时下降至0，甚至有时反向最低可降至－1.0 pu，直流功率为0 的时间一般不超过100 ms。从故障清除算起，恢复到故障前输送功率90%的时间为27 ～220 ms。

图3 熟南—石牌500 kV 交流线路单相永久性故障锦屏—苏州特高压直流的仿真波形Fig.3 Jinping-Suzhou UHVDC simulation waveform during Shunan-Shipai single-phase AC line faults

重合于故障时，直流一般会再次发生换相失败，对系统的扰动比发生单相瞬时故障时要强烈，表现在换相失败的时间和故障后恢复的时间要略长一些。发生单相永久故障后，交直流系统都能保持稳定。图3 给出了熟南—石牌交流线路单相永久性故障锦屏—苏州特高压直流的仿真波形。

为掌握华东地区交流线路发生单相故障导致华东地区6 回直流同时换相失败的区域(用粗线标记)，为调度运行提供参考，对华东地区主要的交流线路进行仿真计算，并给出华东地区单相故障导致华东地区6 回直流同时换相失败的线路(见图4)。从图4 中可以看出:导致华东地区6 回直流同时换相失败的线路有茅山—斗山、斗山—熟南、熟南—石牌、石牌—黄渡、徐行—黄渡、泗泾—黄渡、黄渡—宜华、晋陵—张家港、张家港—熟北、惠泉—梅里、梅里—木渎、木渎—同里。

图4 华东地区单相故障导致6 回直流同时换相失败的区域Fig.4 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by single-phase fault in the East China Power Grid

3.2 交流线路三相故障

在华东地区换流站出线、上海环网和江苏地区500 kV 交流线路上进行三相永久性接地故障试验，研究结果见表4 ～6。

表4 华东地区三相故障时直流换相失败持续时间Table 4 Commutation failure duration during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

从研究结果可见，在上海地区保留线路上发生三相故障时，部分线路会导致6 回直流同时换相失败，换相失败持续时间为10 ～108 ms，在逆变器换相失败期间，直流电流上升，直流电压下降甚至反向，导致直流的输送功率瞬时下降至0。恢复到故障前输送功率90%的时间，从故障清除算起，为7 ～245 ms，从研究结果上看:500 kV 交流线路三相永久故障，交直流系统均保持稳定。三相永久性故障典型波形见图5。

表5 华东地区三相故障时逆变侧换流母线最低电压Table 5 The minimum converter voltage during three-phase AC fault in the East China Power Grid pu

表6 华东地区单相故障时直流恢复时间Table 6 DC power recovery time during three-phase AC fault in the East China Power Grid ms

逆变站与交流系统交换无功功率在故障及其恢复期间的变化，可分为3 种情况:

第1 类为换流站出口交流线路故障。由于换流母线三相电压降至0 附近，所以在故障期间交换无功功率在0 附近;由于故障期间直流换相失败，在电流调节器和低压限流环节(voltage dependent current order limiter，VDCOL)作用下，直流电流大幅下降甚至降至0 附近;当故障清除后，直流电流在VDCOL 的作用下，随着直流电压的恢复逐渐上升，而换流母线电压在故障清除后可快速恢复，此时逆变站交流滤波器发出无功功率一般会大于换流器消耗无功功率，短时向交流系统注入大量无功功率，持续时间大于50 ms。直流额定功率下，特高压直流向交流系统注入无功功率为3 000 Mvar，常规直流注入无功功率为1 400 Mvar。

图5 亭卫—远东交流三相故障复龙—奉贤特高压直流的仿真波形Fig.5 Fulong-Fengxian UHVDC simulation waveform during Tingwei-Yuandong three-phase AC line faults

第2 类为逆变站附近交流线路故障。换流母线电压跌落导致直流逆变器发生换相失败，换相失败期间直流消耗无功功率增加，持续时间约50 ms，特高压直流从交流系统吸收无功功率为2 500 Mvar，常规直流一般从交流系统吸收无功功率为1 200 Mvar，随后在直流电流调节器和VDCOL 的作用下，直流电流下降，换流器消耗无功功率大幅下降。故障清除后，直流电流在VDCOL 的作用下随着直流电压的恢复逐渐上升，此时逆变站交流滤波器发出无功功率大于换流器消耗无功功率，短时向交流系统注入大量无功功率，持续时间大于50 ms，直流额定功率下，特高压直流最大注入无功功率为2 500 Mvar，常规直流最大注入无功功率为1 100 Mvar，一般比第1 类向交流系统注入的无功功率略小。

第3 类为逆变侧远端交流线路故障。若交流故障引起换流母线电压下降幅度较大导致直流发生换相失败，此种情况与第2 类相似。若交流故障没有导致直流发生换相失败，则在交流故障期间，由于交流扰动引起换相失败预防功能启动，瞬时减小逆变侧触发角，引起直流电压下降，导致逆变站触发角增大，直流电流上升，导致换流器消耗的无功功率上升;直流额定功率下，交流扰动期间，特高压直流最大吸收无功功率为2 700 Mvar，常规500 kV 直流吸收的无功功率最大为1 500 Mvar。图6 给出华东地区三相故障导致华东地区6 回直流同时换相失败的区域(用粗线标记)，从图6 中可以看出:导致华东地区6 回直流同时换相失败的线路主要集中在上海双环网和上海至江苏的联络线上。由于受端地区交流线路发生三相故障，导致各换流站换流母线电压下降幅度更大，因此三相故障导致6 回直流同时换相失败的范围明显大于单相故障。

图6 华东地区三相故障导致6 回直流同时换相失败的区域Fig.6 Simultaneous commutation failure region of DC systems in six circuits caused by three-phase fault in the East China Power Grid

3.3 丢失脉冲故障

引起直流输电系统发生换相失败的原因除了受端交流系统故障外，还有直流系统自身的原因，如逆变站控制系统触发异常［22-24］。为掌握华东地区多回直流集中落点的情况下，某一直流逆变器发生丢失脉冲故障是否会导致多回直流同时换相失败，为多直流馈入系统的运行提供技术支持。在模型中分别研究了葛南、龙政、宜华、林枫、复奉、锦苏直流逆变侧单极发生丢失单次和丢失多次脉冲故障后，是否会引发其他直流发生换相失败。由于葛南与林枫直流线路采用同塔架设，根据文献［24］关于同塔架设直流线路对换相失败的影响，同塔直流输电系统某一极发生丢失脉冲故障可能会导致同塔的另一回直流发生换相失败，因此葛南和林枫直流分别考虑了极1 和极2 丢失脉冲的情况，其他直流仅考虑了极1 丢失脉冲的情况。

从表7 研究结果看:林枫极I、极II 逆变器Y 桥分别发生丢脉冲故障，林枫双极双桥均发生换相失败。葛南双极双桥均发生换相失败。其余4 回直流均未发生换相失败，典型波形如图7 所示。葛南极I、极II 逆变器Y 桥分别发生丢脉冲故障，葛南故障桥换相失败，其余桥未发生换相失败，林枫未发生换相失败，其余4 回直流均未发生换相失败。由此可以看出虽然林枫和葛南直流线路同塔架设，由于葛南直流额定输送电流1 200 A 远小于林枫直流的3 000 A，因此在故障过程中，林枫直流对葛南直流的影响更大。

表7 逆变站发生丢失多次脉冲故障对华东地区其他直流的影响Table 7 Influence of multiple misfire faults in the inverter on other HVDC in East China Power Grid

图7 枫泾站极1 丢失脉冲故障华东地区6 回直流仿真波形Fig.7 DC simulation waveform of six circuits in the East China Power Grid after misfire fault of pole 1 in Fengjing Station

4 结 论

基于华东2013年夏季高峰方式电磁暂态模型，对复奉、宜华、林枫、葛南、锦苏、龙政6 回直流落点华东电网的情况下，发生交直流系统故障时的各回直流换相失败及恢复情况进行研究，得出如下结论。

(1)在上海、江苏地区保留线路上发生单相和三相故障时，一般均会导致多回直流逆变器发生换相失败，部分线路会导致6 回直流同时换相失败。换相失败的时间根据直流与故障点的电气距离远近不同，换流母线电压的跌落情况不同而不同，为10 ～108 ms，直流恢复时间为7 ～245 ms。计算中的任意一回500 kV 交流线路故障，保护正确动作，交直流系统均保持稳定。

(2)通过上海和江苏主要保留线路的仿真研究，对交流故障导致华东直流发生换相失败的风险进行了分析，给出了可能导致华东地区6 回直流同时换相失败的区域，研究分析了换相失败及其恢复期间逆变站与交流系统交换无功功率的变化规律。

(3)林枫极I 或极II 逆变器发生丢失脉冲故障时，林枫双极均发生换相失败，葛南双极均发生换相失败，其余4 回直流均未发生换相失败。而南桥和其他4 回直流发生丢失脉冲故障时，仅导致本回直流发生换相失败，不会引起华东其他5 回直流发生换相失败。

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