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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_董曼玲

第34卷第3期电网技术V ol. 34 No. 3 2010年3月Power System Technology Mar. 2010 文章编号：1000-3673（2010）03-0005-06 中图分类号：TM 723 文献标志码：A 学科代码：470·4051

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

董曼玲1，黎小林2，何俊佳1，张丹丹1，黄莹2，蔡宗远2，谢施君1（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074；

2．南方电网技术研究中心，广东省广州市 510623）

Electromagnetic Transient Response Characteristics of Internal Faults in

UHVDC Converter Station and Corresponding Control Strategy

DONG Man-ling1, LI Xiao-lin2, HE Jun-jia1, ZHANG Dan-dan1, HUANG Ying2, CAI Zong-yuan2, XIE Shi-jun1

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074, Hubei Province, China;

2. Technology Research Centre of China Southern Power Grid, Guangzhou 510623, Guangdong Province, China)

ABSTRACT: Taking ±800kV DC power transmission project from Yunnan to Guangdong for example, based on PSCAD/ EMTDC a simulation model is built to research operation modes of converter station under internal faults of mis-conducting and non-conducting, and simulate the conditions that mis-conducting and non-conducting faults occur inside rectifier station and converter station respectively, and the electromagnetic transient process of DC transmission system and corresponding control strategies are research in depth. Research results are as following: the mis-conduction of inverter will cause commutation failure, however, because in general the mis-conducting fault will not recur, so the over-voltage and over-current due to oscillation will not appear; there is less possibility of mis-conducting fault of rectifier, so its affect on DC transmission system is slight; the non- conducting fault occurred in inverter side one after another will cause higher amplitude of current oscillation than that caused by the same fault occurred in rectifier side, and the caused over-voltage of neutral line will make an evident affect on negative pole; during the bipolar operation, when single-time non-conducting of a pole occurs or non-conducting of a pole occur one after another will affect on the operation of the another pole and cause narrow fluctuation, however the transmitted power will be reduced by half; when the mis-conducting or non-conducting faults lead to stronger oscillation of DC voltage and current, at rectifier side by means

基金项目：

“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A21)。

Project Supported by Key Project of the National Eleventh-Five Year Research Program of China (2006BAA02A21)．of the switchings between constant current control and minimum αmin the system can be quickly recovered, and at inverter side by means of the switchings between constant extinguish angle the system can be returned to normal condition.

KEY WORDS: UHVDC power transmission; converter station internal fault; mis-conduction; non-conduction; control strategy

摘要：以云广±800kV直流输电系统为例，基于PSCAD/ EMTDC搭建仿真模型，研究换流站内部阀误开通和不开通2种故障工况，仿真分析整流站和逆变站内部分别发生阀误开通和不开通故障的情况，并对故障引起的系统电磁暂态过程及相应的控制系统策略进行了深入研究。得出以下结论：1）逆变阀发生误开通故障时，会引起换相失败，同时在极线上会出现过电流。但由于一般不会连续发生误开通故障，因而不会出现振荡过电流和过电压；2）整流阀发生误开通故障的可能性比较小，即使开通也仅是提前开通，因此对直流系统的影响比较小；3）逆变侧发生连续不开通故障比整流侧发生连续不开通故障所引起的直流电流振荡幅值大，同时引起的中性线过电压及对负极的影响也大；4）双极运行时，一极发生连续不开通或发生单次误开通，会对另一极运行有影响，引起较小波动。但是该健全极仍可运行，传输一半的功率；5）当故障引起直流电流、电压较大振荡时，整流侧控制系统通过定电流控制与αmin之间的切换来实现系统快速恢复，逆变侧则通过定关断角控制和定电流控制之间的相互切换，使系统快速恢复正常。

关键词：特高压直流输电；换流站内部故障；误开通；不开通；控制策略

6 董曼玲等：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V ol. 34 No. 3

0 引言

特高压直流输电系统包括换流站、直流输电线路和换流站的交流系统部分。其中任何一部分发生故障，都会影响整个直流输电系统运行的可靠性和相关设备的安全。而换流站作为直流输电系统的心脏，其主要功能是实现交流电力和直流电力间的变换，因此换流站的稳定运行直接决定了直流系统的安全可靠性。同时，对于直流输电系统而言，交、直流系统的故障都通过换流站控制系统的动作反应出来，换流站的控制响应特性对故障发展及全系统的稳定性起着决定性的作用[1-3]。因此需要对换流站的运行及保护特性作深入研究。

从故障来源来看，换流站的异常运行主要分3类：1）阀及其相关设备故障，主要形式有误开通和不开通；2）换相失败；3）换流站内部短路。已有大量文献对换相失败进行了深入细致的研究，而针对换流站内部短路故障的文献很少见。本文主要基于PSCAD/EMTDC，以云广±800kV直流输电系统为例，深入分析研究阀及其设备故障中的误开通和不开通2种异常运行的形式及其控制系统运行特性，旨在为进一步优化特高压直流输电的控制系统，提高系统运行的稳定性提供有效依据。

1 误开通和不开通原理分析

1.1 误开通原理

误开通即换流站阀在应处于正向阻断状态时间内出现了非正常导通现象。触发、控制回路受干扰而产生的非正常触发脉冲，或换流站阀承受过大的电压上升率作用，都可能导致发生误开通故障。

逆变器发生误开通故障的机会比整流器阀多。主要原因为：对于逆变器的阀而言，在阻断期间的大部分时间内都承受着正向电压，若此时受到过大的正向电压作用，或阀的控制极触发回路发生故障，都可能造成桥阀的误开通故障。逆变器的误开通故障发展过程与一次换相失败类似。

以逆变侧六脉动桥单阀误触发为例(见图1)，假设阀V1、V3换相结束后，当阀V1开始承受正向电压时，阀V1故障，误开通，阀V3与V1发生倒换相，阀V1与V2同时导通，发生换相失败[4-9]。当阀V4触发导通后，阀V4和V1同时导通形成桥臂直流短路，使阀V5的触发脉冲到来时承受反向电压而不能导通，直至阀V6触发导通后，换相失败才结束，换相恢复正常。

X b

时间/s

(b) 阀电压及触发脉冲

阀

电

压

触

发

脉

冲

正常阀电压

故障阀电压

正常触发脉冲故障触发脉冲

图1逆变侧阀误开通简图

Fig. 1 Inverter mis-conduction diagram

整流器阀在关断期间大部分时间都承受反向电压，发生误开通的可能性较小。即使发生误开通也仅相当于提早开通。由于正常运行下整流器阀的触发角本来就较小，提早开通不会对系统运行产生较大扰动。当整流侧发生误开通时，直流电压稍有提升，直流电流波形稍有上扬，但上升幅值都较小。

1.2 不开通原理

当换流站的触发、控制回路发生故障，或受到干扰时，触发回路未能发出正常触发脉冲，或阀门极故障，施加触发脉冲后阀不能开通，这些原因都可能导致换流站的阀发生不开通故障。

以逆变侧阀丢失脉冲不开通故障为例，其故障过程与换相失败完全相同。逆变侧的丢失脉冲故障，其影响比整流侧的丢失脉冲故障更为严重。逆变站发生单次不开通故障，不会对整流器运行构成较大扰动；只有当丢失脉冲故障持续存在时，才会导致直流侧电压和电流产生严重振荡。

2 系统参数及建模

2.1 系统参数

以云广±800kV直流输电系统(雄楚—穗东站)为研究对象。系统运行在双极大地回线运行方式。系统在直流额定功率和额定运行模式下，额定直流输送功率为5000MW，额定运行电压±800kV，额定电流3.125kA，直流输电线路总长1438km[10-11]。具体系统参数的设置均直接参考实际设计参数。在PSCAD/EMTDC中搭建的仿真模型如图2所示。

其中全长1438km的直流输电线路的导线布置如图3所示，为同塔双回结构，C1、C2为导线，G1、G2为地线。沿线大地电阻率取平均值1000Ω?m。

第34卷第3期电网技术 7

负极整流侧换流站负极逆变侧换流站

正极整流侧换流站

正极逆变侧换流站

图2 EMTDC 中的仿真模型

Fig. 2

Simulation model in EMTDC

图3 输电线路杆塔布置

Fig. 3 Transmission line tower wiring diagram

导线采用6分裂结构，导线半径33.6 mm ，直流电阻44.33 m Ω/km ，地线半径17.5 mm ，直流电阻

709.8 m Ω/km 。 2.2 控制系统及建模

云广系统的极控制层控制与标准的CIGRE 直流输电测试系统的极控制方法及原理相似。因此在本仿真计算中直接采用标准的CIGRE 直流系统推荐的控制器[12-13](如图4所示)。整流侧采用闭环定电流控制和最小α min 结合的控制方式；逆变侧采用闭环定电流控制和定关断角γ 控制相结合的控制方式。对换流阀的触发脉冲采用了与实际情况相一致的等间隔触发模拟[14-16]。

整流侧触发角触发超

图4 系统控制原理

Fig. 4 System control scheme

3 仿真结果及分析

3.1 故障设置

对于双极系统而言，其显著特点是当一极发生故障时，另一健全极仍可运行，输送一半的额定功率。且对于实际系统而言，双极同时发生故障的可能性较小，因此本文以单极故障为研究对象。由于变压器的接线方式(Y/D ，Y/Y)对故障分析结果的

影响很小，故考虑Y/D 接线方式对应的换流器发生误开通和不开通故障。故障触发脉冲设置如图5所示。

时间/s

(a) 误开通(单次误触发) 触发脉冲

故障触发脉冲

0.3

0.8

0.7 0.6 0.5 0.4

时间/s

(b) 不开通(连续丢失脉冲)

触发脉冲

故障触发脉冲0.4

0.8

0.7 0.6 0.5

01正常触发脉冲

图5 故障触发脉冲设计 Fig. 5 Fault trigger pulse setting

3.2 误开通故障及分析

图6给出了正常运行工况下，逆变侧正极上换流站Y/D 六脉动桥V4发生单次误开通故障的仿真波形及控制策略。其中图6(c)给出了逆变侧控制策略及逻辑，逆变侧控制器对闭环定电流控制器输出的Beta_定电流控制角和定关断角γ 控制器输出的

Beta_定关断角控制角取最大值，作为逆变侧控制输出的Beta 角，从而获得逆变侧触发延迟角α。单次误开通故障导致正极直流电压在故障发生时开始下降，而直流电流上升，出现过电流，逆变侧过电流可达1.314 pu 。同时引起中性线过电压，逆变侧中性线过电压可达0.763 kV 。误开通故障也会对负极线的直流电压、直流电流产生一定的影响，但所引起的扰动较小。

一般阀的误开通故障不会连续发生，因此不会造成直流电流、直流电压的振荡。对于单次误开通故障，整流侧控制系统仅通过定电流调节，逆变侧

仅通过定关断角γ 控制就可以使系统恢复正常工作。而当整流侧发生误开通时，也仅相当于提早开通，并不会对直流电流和电压产生较大的扰动。因此不再详述。

董曼玲等：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 V ol. 34 No. 3

时间/s

(a) 直流过电压和过电流逆变侧直流电流/p u

逆变侧直流电压/p u 正极电流0.4 0.6 0.8

负极电流

1010?1

1正极电压负极电压

时间/s

(b) 中性线过电压逆变侧中性

线电压/k V

整流侧中性线电压/k V

0.4 0.6 0.8

?101

0?1

时间/s

控制逻辑

0.4 0.6 0.8

0.4

0.81.201?1

Beta_定电流控制Beta_定关断角控制

Beta

0：定关断角控制；1：定电流控制。

图6 逆变侧单次误开通

Fig. 6 A single mis-conduction on inverter side

3.3 不开通故障及分析

在正常运行工况下，正极上换流站Y/D 六脉动桥V4发生连续(5个周期)丢失脉冲故障，导致连续不开通故障。故障仿真波形及控制策略如图7所示。

当逆变器丢失脉冲时，发生换相失败并造成直流侧短路，直流系统的逆变失去反电动势，会在直流侧出现较大的短路过电流，直流电压下降。当换相失败恢复时，由于交流电势重新作用在换流阀上，直流电流开始下降，直流电压上升。当连续丢失脉冲时，换相失败故障会重复发生，这样会造成直流电流、直流电压振荡。其中逆变侧过电流最大值可达1.340 pu 。由于逆变侧丢失脉冲会出现较大振荡电流，故障电流通过接地极流向大地时，会在中性线上产生较大的振荡电压，逆变侧中性线过电压可达2.598 kV 。同时对负极线也会产生一定的影响，引起相应的波动。

逆变阀连续丢失脉冲，导致逆变侧连续的换相失败，将形成该六脉动桥的直流侧多次短路。逆变

时间/s

(a) 直流过电压和过电流逆变侧直流电流/p u

逆变侧直流电压/p u 正极电流 0.4

0.6 0.8 负极电流

?1010?1

1正极电压负极电压

时间/s

(b) 中性线过电压逆变侧中性

线电压/k V

整流侧中性线电压/k V 0.4

0.6 0.8 ?1

010?2

时间/s

控制逻辑

0.4

0.6 0.8 0.4

0.81.201?1

Beta_定电流控制

Beta_定关断角控制

Beta

0：定关断角控制；

1：定电流控制。

图7 逆变侧连续不开通

Fig. 7 Sustained non-conduction on inverter side

侧短路时，逆变器处于定γ 控制。短路消失时，由于整流侧的电流整定值与实际电流存在偏差，逆变侧控制会出现定关断角γ 控制和定电流控制之间的相互切换，见图7(c)。

而当整流侧连续丢失脉冲时，会重复发生换相失败，造成直流电流、电压振荡。与逆变侧丢失脉冲一样，在中线上也会出现振荡的电压、电流。但由于过电流比较小(逆变侧故障时，逆变侧过电流为

1.340 pu ；整流侧故障时，逆变侧过电流为1.264 pu)，振荡的幅度比逆变侧丢失脉冲要小，在中性线上引起的过电压以及对负极的影响均比逆变侧丢失脉冲的影响小(逆变侧故障时，逆变侧中性线过电压为

2.598 kV ；整流侧故障时，逆变侧中性线过电压为0.524 kV)。如图8所示。

整流阀连续丢失脉冲，造成直流电流振荡，控制系统会出现定电流控制和最小α min 控制相切换的控制方式，使系统快速恢复，见图8(c)。

故障分析结果见表1。

第34卷第3期

电网技术 9

时间/s

(a) 直流过电压和过电流逆变侧直流电流/p u

逆变侧直流电压/p u 正极电流 0.6 0.8 负极电流

010?1

1正极电压负极电压

0.4

时间/s

(b) 中性线过电压

逆变侧中性线电压/k V

整流侧中性线电压/k V

0.60.8

?1010?1

10.4

时间/s

角度/r a d

控制逻辑

0.4 0.6 0.8

0.0

0.51.0

01?1

Beta_定电流控制

Beta_定关断角控制 Beta

0：定电流控制；1：αmin 控制。

图8 整流侧连续不开通

Fig. 8 Sustained non-conduction on rectifier side 表1 双极系统故障分析结果

Tab. 1 UHV bipolar system failure analysis results

整流侧

逆变侧

中性线

故障类型

U d_rec /pu

I d_rec /pu U d_inv /pu I d_inv /pu ?U 0_rec ?/kV

?U 0_inv ?/kV

+800 kV 1.026 1.372 1.003 1.314 逆变侧单次误开通 ?800 kV ?1.050 ?1.323 ?1.033 ?1.074 0.807 0.763 +800 kV 1.040 1.020 1.003 1.003 整流侧单次误开通 ?800 kV ?1.049 ?1.015 ?1.003 ?1.004 0.041 0.037 +800 kV 1.044 1.4055 1.023 1.340 逆变侧连续不开通 ?800 kV ?1.099 ?1.138 ?1.028 ?1.138 2.477 2.598 +800 kV 1.096 1.237 1.028 1.264

整流侧连续不开通

?800 kV

?1.057

?1.074

?1.008

?1.262

0.540 0.524

4 结论

本文以云广 ±800 kV 直流系统(雄楚—穗东站)为例，研究换流站内部发生误开通和不开通2种故障时系统的性能及其控制系统运行特性，并得到以下结论：

1）逆变阀发生误开通故障时，会引起换相失败，同时在极线上会出现过电流。但由于一般不会连续发生误开通故障，因而不会出现振荡过电流和过电压。

2）整流阀发生误开通故障的可能性比较小，即使开通也仅是提前开通，因此对直流系统的影响比较小。

3）逆变侧发生连续不开通故障比整流侧发生连续不开通故障所引起的直流电流振荡幅值大；同时引起的中性线过电压及对负极的影响也大。

4）双极运行时，一极发生连续不开通或发生单次误开通，会对另一极运行有影响，引起较小波动。但是该健全极仍可运行，传输一半的功率。

5）当故障引起直流电流、电压较大振荡时，整流侧控制系统通过定电流控制与最小α min 之间的切换来实现系统快速恢复，逆变侧则通过定关断角控制和定电流控制之间的相互切换，使系统快速恢复正常。

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收稿日期：2009-09-22。

作者简介：

董曼玲(1983—)，女，博士研究生，主要从事直

流输电方面的研究，E-mail：dongmanling0211@

https://www.wendangku.net/doc/9b17489475.html,；

黎小林(1963—)，男，高级工程师，主要从事直

流输电和FACTS方面的研究；

何俊佳(1968—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事高压电器及试验技术和电力系统过电压等方面的研究；

张丹丹(1968—)，女，博士，副教授，主要从事高电压绝缘技术的科研和教学工作；

黄莹(1977—)

，女，工学博士，主要从事直流输电方面的研究。

董曼玲

（责任编辑李兰欣）