【正文】 西部地區(qū)，而負荷中心在東部沿海地區(qū)，決定了能源和 電力跨區(qū)大規(guī)模流動的必然性。二期的烏東德和白鶴灘水電站向華東、華中地區(qū)送電 ,錦屏水電站向華東地區(qū)送電，寧夏和關中煤電基地向華東地區(qū)送電，呼倫貝爾的煤電基地向京津地區(qū)送電大約需要 9 條輸電容量為 6GW 的 800kV 級特高壓直流輸電線路。 HVDC 換相失 敗研究現(xiàn)狀 HVDC 現(xiàn)狀分析 1928 年，具有柵極控制功能的汞弧閥研制成功，這使得高壓直流輸電技術成為可能。 800kV。我國從 20 世紀 50 年 代開始從事高壓直流輸電技術研究， 60 年代在中國電力科學研究院建成國內(nèi)第一個晶閘管閥模擬裝置，并與 1977 年改造成一條 31kV 直流輸電實驗線路，供 HVDC 系統(tǒng)研究。隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實施， HVDC 在中國有了廣泛 的應用和發(fā)展。 800kV 云南 — 廣東特高壓直流輸電工程是我國第一條177。能源戰(zhàn)略的特高壓直流示范工程；也是世界上第一個投入商業(yè)化運營的特高 壓直流輸電工程，是國家“十一五建設的重點工程及特高壓直流輸電自主化示范工程；云廣177。目前， 中國、美國、加拿大、巴西、新西蘭、法國、德國、英國、俄羅斯、丹麥、意大利、挪威、瑞典、芬蘭、日本、印度、菲律賓、泰國、南非等國家都已建成或正在建設 HVDC 工程，還有不少國家也 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 6 頁 在規(guī)劃 HVDC 工程。 2021 年 12 月電壓等級 800kV，輸送容量 5000MW 的云廣直流輸電工程成功實現(xiàn)單極投產(chǎn)，標志著我國在世界電力領域成功邁上了一個重要的制高點。 在高校中，浙江大學、重慶大學、華南理工大學、華北電力大學等單位也開展了卓有成效的研究工作，其中浙江大學開展的最早也最深入。 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 7 頁 直流輸電系統(tǒng)的非線性控制及對交流輸電系統(tǒng)的緊急支援，國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目即 973 項目，批準號 :G1998020310( 一 )。 西電東送與全國聯(lián)網(wǎng)中的重大技術問題研究，中國電力咨詢集團公司委托項目( 一 )。采用小波分析方法與統(tǒng)計學理論相結合，通過計算故障信號的小波能量來提取暫態(tài)故障特征，但該方法沒有充分利用小波能量的各個尺度下的信息，進行換相失敗故障診斷時仍需要綜合考慮系統(tǒng)直流電流和交流電壓信號才能區(qū)分各種故障。 具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面： 一、 介紹 HVDC 輸電系統(tǒng)的基本構成及 特點，分析 HVDC 輸電系統(tǒng)的換相過 程，總結影響 HVDC 輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的各種相關原因。具體為以下步驟： （ 1）在合理修正其系統(tǒng)結構和參數(shù)的基礎上，建立了 HVDC 輸電系統(tǒng)的詳細仿真模型，并采用 PSCAD/EMTDC 搭建了該仿真模型。 四、 針對以下多種故障類型，仿真計算了 HVDC的換相失敗。換流方式等。換流方式是將整流站和逆變站建在一起的直流輸電系統(tǒng)，該方式?jīng)]有直流輸電線路，適用于不同頻率或者相同額定頻率非同步運行的兩個交流系統(tǒng)之間的互聯(lián)。高壓直流輸電系統(tǒng)的性能主要受到換流變壓器可靠性的影響，一旦換流變壓器出現(xiàn)故障，就需要很長的停運時間。當系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動時，可根據(jù)系統(tǒng)要求快速做出反應，有利于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。措施可快速地把短路電流限制在額定電流之內(nèi)，即使在暫態(tài)過程中，其短路電流也不會超過額定電流的兩倍，高壓直流輸電系統(tǒng)的這種隔離作用，是的相互聯(lián)系的兩個交流系統(tǒng)都不會增大短路容量，從而 避免了更換大容量的斷路器等開關設備。 HVDC 輸電系統(tǒng)缺點 HVDC 輸電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)相比同樣也存在如下一些缺點和不足： （ 1） HVDC 輸電系統(tǒng)換流站設備昂貴，換流站中的換流裝置包括高電壓、大電流可控硅元件，并附有電容器、電抗器、均壓電阻、冷卻裝置等設備，設備投資昂貴。 （ 6）控制裝置復雜，雖然直流輸電系統(tǒng)可方便實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和控制，但控制裝置復雜，需采用雙重化措施，以保證可靠性。 高壓直流輸電原理與分類 高壓直流輸電 簡單講就是利用換流站將交流電轉換為直流電，再以直流電的形式進行傳 輸?shù)囊环N電流傳輸方式。 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 13 頁 高壓直流輸電 分兩大類： 單極線路方式； A、 單極線路方式； 采用一根導線或電纜線，以大地或海水作為返回線路組成 的直流輸電系統(tǒng)。 B、 單極兩線制線路方式； 將返回線路用一根導線代替的單極線路方式。所以仍要考慮 適當?shù)慕^緣強度。 由于兩側變壓器的阻抗和換流器控制角的不平衡，總有不平衡 電流流過 。 正常運行時，與上一種方式相同； 故 障時，將無法運行， 沒有形成回路 。 即沒有直流線路， 整流站和逆變站在一起的直流輸電系統(tǒng)使用于不同額定頻率或者相同 額定頻率非同步運行的交流系統(tǒng)之間的互聯(lián)。 dI2du1V4V3V6V 2V5V2ai 2au 2bi 2bu2ci 2cu 0 圖 31 脈動換流器接線 圖 31 中晶閘管換流閥有如下特：單向?qū)щ娦?；換流閥 的導通條件是正極對負極為正電壓且必須加觸發(fā)脈沖；換流閥控制極無關斷能力，只有當流經(jīng)它的電流為零時才能關斷。在 c3 時刻后， b 相電壓最高，閥 V1 向 V3 換相，輸出電壓為 cbbc eee ?? 。 計及觸發(fā)延遲和換相重疊的換相過程 當計及觸發(fā)延遲和換相重疊時，換相過程電壓波形將如圖 34 所示： ? ? ae be ce 1c 圖 33 計及觸發(fā)角和重疊角的換相電壓波形圖 如圖 33 所示，當換流閥可 控時，在 c1 時刻后，閥 V1 并不會立刻導通，只有收 C3 C5 C2 C4 C6 ae 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 16 頁 到觸發(fā)信號時才導通，假設觸發(fā)信號較 c1 晚 ? 角度才到來，此時閥 V1 才開始導通，這一角度稱為觸發(fā)角。01 8 090。039。此時換流器輸出的直流電壓由式 (33)表示。 ?dUU ?， 當 ??90 時，將反號，整流器輸出功率，可作為逆變器運行。 如果觸發(fā)角值超過 0? ， ,就會由整流過程向逆變過程轉變 。 對于逆變器來說 ,其觸發(fā)角 ，??? ? ，稱為觸發(fā)超前角。 閥 1 向閥 3 換相的時候，當閥 3 被觸發(fā)導通以后換相開始。而閥 1 將會繼續(xù)開通，這樣就會造成換相失敗，又稱為一次換相失敗。 aUb 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 18 頁 ?180 t? )cos(cos2s taI ?? i1 i1 dI i3 i3 t? a ? 圖 34 換相失敗示意圖（閥 1 對閥 3 換相失?。? 在上述的一次換相失敗過程中，閥 1 導通時間長達一個周波 (是正常運行情況的三倍 )。 超前角偏小，換相結束后出現(xiàn)換相失敗的情況 在逆變器運行過程中，以閥 1 對閥 3 的換相過程為例，如果閥 3 觸發(fā)時刻觸發(fā)超前角不夠大，或者換相角較大，以致?lián)Q相結束后閥 1 的關斷角小于關斷所需要的角度(時間 )，則由于閥 1 元件內(nèi)還有剩余載流子，因此在正向電壓作用下即使不加觸發(fā)也會重新開通，閥 3 已取得的電流又將倒換相到閥 1。在 C1~C2 間隔內(nèi)，閥 5 承受反向電壓，因此觸發(fā)不能使其導通，閥 1仍導通。 在上面的分析中假定直流電抗器的電感值非常大，所以故障過程中逆變器直流電 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 19 頁 流保持不變。例如在閥 3換相失敗后，接著又發(fā)生閥 2 對閥 4 的換相失敗，那么在閥 4 向閥 2 倒換相完成后，直流電流流經(jīng)閥 1，閥 2，和變壓器 a, c 兩相繞組。過 C4 點以后才逐步恢復正常。此外，由于交流電壓被加到直流回路上，有可能在線路電容與電感元件之間造成基波頻率的諧振過電壓。 換相失敗使得逆變器在一段時間內(nèi)發(fā)生直流反電壓降低 ,直流電流增大，由于整流器閥在電流關斷后的較長時間內(nèi)處于反向電壓下，所以僅當觸發(fā)電路發(fā)生故障時，整流器才會發(fā)生換相失敗， 直流輸電系統(tǒng)中大部分換相失敗都發(fā)生在逆變器，換相失 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 20 頁 敗是逆變器最常見的故障，因此 ,本文著重研究逆變器的換相失敗。 于是有， ?????? ?? ???c os2a rc os U XI cd （ 310） 式 (310)中參數(shù)意義與式 (39)中的相同，式 (310)只適用于交流電壓是對稱的。 換相失敗的特點及危害 換相失敗的特點 換相失敗具有以下特點： 1)換相的兩個閥發(fā)生倒換相 ,倒換相之后使己經(jīng)退出導通的閥又導通； 2)在一次換相失敗中 ,使得接在交流同一相上的一對閥同時導通形成了直流短路； 3)在兩次連續(xù)換相失敗故障中 ,將有工頻交流電壓加到直流線路上。 換相失敗的危害 一次換相失敗對 HVDC 系統(tǒng)影響不大，且在大多情況下是可以自愈的，但當發(fā)生 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 。 造成換相失敗的原因是換流閥運行的關斷角小于其固有極限關斷角，與換相失敗相關的因素主要有：換流母線電壓、換流變壓器變比、直流電流、換相電抗、超前觸發(fā)角、不對稱故障時換相線電壓的過零點相位移、換流閥的觸發(fā)脈沖控制方式、交流系統(tǒng)的頻譜特性等。 換相失敗的原因 昆明理工大學 設計（論文）專用紙 第 21 頁 換相失敗的原因不是因為閥的任何誤操作，而是因為閥的外電路條件引起的，由上式 (39)、式 (310)、式 (311)和式 (312)可以看出，引起換相失敗的原因主要有 。 換相失敗的根本原因是關斷角過小引起的，它與其它因素之間的關系表為： ??? ? （ 38） 由式（ 38）可見， ? 角決定于 ? 和 ? 角。這種故障稱為兩次不連續(xù)換相失敗。這種故障稱為兩次連續(xù)換相失敗。與整流器提供的直流電壓同向，所以在直流回路和變壓器繞組中，故障電流都很快的增大。 由上述分析可知，一次換相失敗以后，流經(jīng)逆變器的直流電流必將增加，因而有可能造成兩次連續(xù)的換相失敗。如果閥 1 和閥 3 再次換相時不再次發(fā)生換相失敗的故障，就能自動恢復正常運行。倒換相結束后逆變橋仍有閥 1,閥 2 導通著。 由于整流器閥在 電流關斷后的較長時間內(nèi)處于反向電壓下，所以僅當觸發(fā)電路發(fā)生故障時，整流器才會發(fā)生換相失敗。到閥 5 觸發(fā)時，因為閥 5 兩端承受反向電壓，因此閥5 不能導通。在 baU 改變方向前（即 ?180 時刻），閥 1 的電流在 baU 未能減少到零，所以不能完成關斷。 換相失敗的過程 超前角過小，換相未結束即出現(xiàn)換相失敗的情況 以圖 31 電路為例，分析閥 1 向閥 3 換相失敗的過程，如圖 34 所示。 U d 的反向即導致功率反向，因此對于逆變側來說，其必須有交流電壓支持逆變器換相。 dd UUU ??? 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