解析柔直流输电换流阀桥故障特征与对策

徐荣军徐小军

摘要：柔性直流输电技术（HVDCFlexible）采用电压源型换流器（VSC）以及PWM技术，其中全控型IGBT换流阀是VSC换流站的核心器件。本文主要根据柔性直流输电换流阀桥的工作过程，分析了VSC换流站整流侧发生阀短路故障时系统交直流侧的故障特征。总结故障特征并与传统HVDC系统发生类似故障时的故障特征进行比较，分析传统HVDC的保护策略应用于柔性直流输电的可行性。

关键词：柔性直流输电；传统HVDC；阀短路；桥臂直通；保护策略

引言

柔性直流输电是基于电压源型换流器（VoltageSourceConverter，VSC）和全控型器件绝缘栅双极晶体管IGBT，以及脉宽调制技术（PWM）的一种新型的高压直流输电技术。它克服了传统HVDC应用的缺点[1]，继承了它的优点，依据其自身的特点[2-4，13]，具有广泛的应用前景[1，3]。目前，全球虽已有多项HVDCLight工程建成投产[1-2，4]，但对于柔性直流输电的研究主要集中在其技术本身以及控制器的研究方面。而对于它的保护配置问题，涉足尚少。文献[5]中提到，CSC工程的控制保护系统与传统直流输电系统基本相同。本文从原理上分析柔性直流输电系统换流桥短路时与传统HVDC故障特征的区别，由此讨论传统HVDC的保护策略应用于柔性直流输电的可行性。

1VSC换流站的工作过程

VSC换流站采用全控型高频IGBT器件以及PWM技术。其工作过程为：将正弦调制信号与三角载波比较而输出的信号，作为IGBT的开关信号以控制其导通和关断。整流侧将交流转变为直流，逆变侧将直流转变为交流，实现两端电网之间的功率传送。

VSC工作过程中，任何瞬间有三个开关管导通（全为IGBT器件，或为IGBT和二极管续流），所以理论上三相VSC有23=8种开关模式。“零模式[13]”时，即三个上桥臂全导通或三个下桥臂全导通的开关模式时，交流侧经开关器件形成三相短路，若柔性直流输电系统向无源网络供电，则VSC直流电压和直流电流为零，若连接两端有源网络，则整流侧运行与零模式时，逆变侧的功率倒送，潮流反转。实际运行时，只采用6中开关模式，每个瞬间导通的三个开关管为两个上桥臂、一个桥臂或两个下桥臂、一个上桥臂。阀的导通顺序如图2所示。

2.1系统模型在图1中做如下假设：

交流系统三相对称、且为纯正弦基波电动势；

滤波器及换流电抗器均为线性，不考虑其饱和；R1、L1等效整流

侧换流电抗器的损耗和电抗值；

功率开关器件等效成理想开关与电阻Rg串联，Rg表示功率开关器件的损耗；

直流输电电缆用R和L等效；

据以上假设，可推得系统交直流侧各电气量之间的联系，如下：

交流系统三相平衡，仅考虑a相，可列方程：

式中，下标1表示整流侧值；下标2表示逆变侧值。

2.2故障特征分析VSC1中阀1发生瞬时短路且不形成桥臂

直通故障时（可考虑为阀1只在T5、T6、T1，T6、T1、T2，T1、T2、T3的过程中短路），阀1的开关阻抗Rg=0，其他桥臂的开关损耗电阻为Rg，换流站存在很小的不对称情况，直流电压和直流电流的波动较小，短路故障消除后，由于定直流电压和定直流电流控制环节起作用，将直流电压和直流电流重调至稳态运行值。

当阀1发生永久性短路故障时，阀4一导通便形成桥臂直通故障。若忽略开关器件的损耗Rg，则直流侧被短路，直流侧电容电压udc1下降到零，不足以为逆变侧提供电压支撑，由式（2）、式（3）及式（8）可知，整流站交流侧送入换流站的功率降为零。由式（9）得直流线路电流idcline反向，潮流反转。同时，整流站阀侧三相交流经换流阀形成三相短路，（以T1短路，T3，T4，T5导通时为例，如图3所示），交流电流增大。

综上所述，该向有源网络供电的柔性直流输电整流侧阀短路故障的特征包括：系统周期性地发生桥臂直通故障，交流侧交替发生两相短路和三相短路，交流侧电流增大，故障相阀电流激增，非故障相阀电流增大，直流电压迅速下降到零，直流线路电流反向，潮流反转。

传统HVDC阀短路故障时，其故障特征包括：交流侧交替发生两相短路和三相短路，交流侧电流激增，通过故障阀的电流反向并剧烈增大，换流桥直流母线电压下降，换流桥直流侧电流下降[7]。但由于采用半控型晶闸管器件，直流线路电流不能反向。

因此，柔性直流输电阀短路故障的特征与传统HVDC的最大区别为直流线路电流反向。

2.3阀短路保护判据柔性直流输电系统与传统HVDC原理相似，但在结构、传输容量、控制方式等方面仍有所区别[2]。这导致两者在发生类似故障时的故障特征存在一定差别，从而可能导致阀短路保护判据的不同。对于连接有源网络的柔性直流输电系统与传统HVDC阀短路保护的判据具体分析如下：

对于传统HVDC系统，正常运行时，交流侧和直流侧的电流平衡[7]。而当阀短路故障时，交流电流增大、直流电流减小，因此可将故障时换流器交流侧电流大于直流侧电流的故障现象作为保护的判据[7]。同时，传统HVDC直流侧采用串联电感（平波电抗器），直流侧电流与直流线路电流相等，因此对于上述的判据也可以理解为交流电流增大、直流线路电流减小。

而对于柔性直流输电系统，由于直流侧采用并联电容而似的其阀侧直流电流idc1与直流线路电流idcline不同，如式（10）所示。

柔性直流输电系统正常运行时，整流站阀侧直流电流idc1可表示为交流电流ia1、ib1、ic1与开关函数sk构成的函数表达式表示为

由此可见，正常运行时，柔性直流输电阀侧直流电流与交流电流平衡，这与传统HVDC相似。故障后，逆变侧的有源交流网络功率倒送，阀侧直流电流将出现负值且具周期性，故障瞬间，阀侧直流电流及输电线路电流都有很大的冲击电流。此时，若将传统HVDC比较阀侧交流与阀侧直流电流有效值的保护动作策略应用于柔性直流输电系统，则其定制不易整定，且可能导致保护拒动。

据式（10）、式（11）知，系统正常运行时，直流线路电流可表示为：

由此得，直流线路电流与交流电流存在恒定差值。因此故障时可取交流侧电流增大和直流线路电流减小（反向）作为其保护判据，这与传统HVDC阀短路保护的保护判据类似。

3结论

传统HVDC系统阀短路保护可应用于柔性直流输电系统，但必须注意数据采集的位置。传统HVDC直流电路电流与阀侧直流电流相等，而柔性直流输电系统直流线路电流与阀侧直流电流不等。对于柔性直流输电系统，应取阀侧交流电流与直流线路电流的变化特征作为反应阀短路故障的保护判据。此外，根据发生阀短路故障时，柔性直流输电系统直流电流反向，而传统HVDC直流电流不反向的特点，也可进一步完善柔性直流输电的阀短路保护。

参考文献：

[1]文俊，张一工，韩民晓等.轻型直流输电———一种新一代的HVDC技术[J].电网技术，2003，27（1）：47-51.

[2]吕鹏飞，李庚银，李广凯.轻型高压直流输电技术简介[J].华中电力，2002，15（5）：69-73.

[3]李永坚，周有庆，宋强.轻型直流输电（HVDCLight）技术的发展和应用[J].高电压技术，2003，29（10）：26-28.

[4]郭丽，郭贺宏，李广凯.电压源型换流器直流输电的技术发展前景[J].中国电力教育.2005年研究综述与技术论坛专刊：12-15.

[5]陈凌云.美国康涅狄格至长岛轻型直流跨海电缆工程[J].中国电力，2008，41（10）：80-83.

[7]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[8]袁清云.直流输电换流站换流器保护的配置及原理[J].高电压技术，2004，30（11）：13-14.

[9]刘洪涛.新型直流输电的控制和保护策略研究[D].浙江：浙江大学，2003.

[10]张兴然，王霞.VSC-HVDC的稳态模型仿真研究[J].天津工程师范学院学报.2007，17（4）：23-25.

[11]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[12]刘志坚，王永治，束洪春.轻型高压直流输电HVDC-VSC动态建模与仿真[J].昆明理工大学学报（理工版），2007，32（5）：82-86，90.

[13]姚伟，程时杰，文劲宇.电压源型直流输电的动态相量建模与仿真[J].高电压技术，2008，34（6）：1115-1120.

作者简介：

徐荣军（1983.03.18），男，福建厦门，国网福建省电力有限公司检修分公司，研究方向：柔性直流输电换流站变电运维专业。

第二作者是徐小军（1984.10.01），男，福建泉州，国网福建省电力有限公司泉州供电公司，研究方向：电力系统及自动化专业。