【正文】 西部地區(qū)，而負(fù)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(dòng)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(guān)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(jí)特高壓直流輸電線(xiàn)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(shù)成為可能。 800kV。我國(guó)從 20 世紀(jì) 50 年 代開(kāi)始從事高壓直流輸電技術(shù)研究， 60 年代在中國(guó)電力科學(xué)研究院建成國(guó)內(nèi)第一個(gè)晶閘管閥模擬裝置，并與 1977 年改造成一條 31kV 直流輸電實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，供 HVDC 系統(tǒng)研究。隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施， HVDC 在中國(guó)有了廣泛 的應(yīng)用和發(fā)展。 800kV 云南 — 廣東特高壓直流輸電工程是我國(guó)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(gè)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的特高 壓直流輸電工程，是國(guó)家“十一五建設(shè)的重點(diǎn)工程及特高壓直流輸電自主化示范工程；云廣177。目前， 中國(guó)、美國(guó)、加拿大、巴西、新西蘭、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、丹麥、意大利、挪威、瑞典、芬蘭、日本、印度、菲律賓、泰國(guó)、南非等國(guó)家都已建成或正在建設(shè) HVDC 工程，還有不少?lài)?guó)家也 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 6 頁(yè) 在規(guī)劃 HVDC 工程。 2021 年 12 月電壓等級(jí) 800kV，輸送容量 5000MW 的云廣直流輸電工程成功實(shí)現(xiàn)單極投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)在世界電力領(lǐng)域成功邁上了一個(gè)重要的制高點(diǎn)。 在高校中，浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)、華北電力大學(xué)等單位也開(kāi)展了卓有成效的研究工作，其中浙江大學(xué)開(kāi)展的最早也最深入。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 7 頁(yè) 直流輸電系統(tǒng)的非線(xiàn)性控制及對(duì)交流輸電系統(tǒng)的緊急支援，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目即 973 項(xiàng)目，批準(zhǔn)號(hào) :G1998020310( 一 )。 西電東送與全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中的重大技術(shù)問(wèn)題研究，中國(guó)電力咨詢(xún)集團(tuán)公司委托項(xiàng)目( 一 )。采用小波分析方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算故障信號(hào)的小波能量來(lái)提取暫態(tài)故障特征，但該方法沒(méi)有充分利用小波能量的各個(gè)尺度下的信息，進(jìn)行換相失敗故障診斷時(shí)仍需要綜合考慮系統(tǒng)直流電流和交流電壓信號(hào)才能區(qū)分各種故障。 具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： 一、 介紹 HVDC 輸電系統(tǒng)的基本構(gòu)成及 特點(diǎn)，分析 HVDC 輸電系統(tǒng)的換相過(guò) 程，總結(jié)影響 HVDC 輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的各種相關(guān)原因。具體為以下步驟： （ 1）在合理修正其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了 HVDC 輸電系統(tǒng)的詳細(xì)仿真模型，并采用 PSCAD/EMTDC 搭建了該仿真模型。 四、 針對(duì)以下多種故障類(lèi)型，仿真計(jì)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(xiàn)路，適用于不同頻率或者相同額定頻率非同步運(yùn)行的兩個(gè)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(zhǎng)的停運(yùn)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或受到擾動(dòng)時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)要求快速做出反應(yīng)，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(guò)程中，其短路電流也不會(huì)超過(guò)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(gè)交流系統(tǒng)都不會(huì)增大短路容量，從而 避免了更換大容量的斷路器等開(kāi)關(guān)設(shè)備。 HVDC 輸電系統(tǒng)缺點(diǎn) 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(diǎn)和不足： （ 1） HVDC 輸電系統(tǒng)換流站設(shè)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(shè)備，設(shè)備投資昂貴。 （ 6）控制裝置復(fù)雜，雖然直流輸電系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)和控制，但控制裝置復(fù)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(lèi) 高壓直流輸電 簡(jiǎn)單講就是利用換流站將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再以直流電的形式進(jìn)行傳 輸?shù)囊环N電流傳輸方式。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 13 頁(yè) 高壓直流輸電 分兩大類(lèi)： 單極線(xiàn)路方式； A、 單極線(xiàn)路方式； 采用一根導(dǎo)線(xiàn)或電纜線(xiàn)，以大地或海水作為返回線(xiàn)路組成 的直流輸電系統(tǒng)。 B、 單極兩線(xiàn)制線(xiàn)路方式； 將返回線(xiàn)路用一根導(dǎo)線(xiàn)代替的單極線(xiàn)路方式。所以仍要考慮 適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度。 由于兩側(cè)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(guò) 。 正常運(yùn)行時(shí)，與上一種方式相同； 故 障時(shí)，將無(wú)法運(yùn)行， 沒(méi)有形成回路 。 即沒(méi)有直流線(xiàn)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(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的互聯(lián)。 dI2du1V4V3V6V 2V5V2ai 2au 2bi 2bu2ci 2cu 0 圖 31 脈動(dòng)換流器接線(xiàn) 圖 31 中晶閘管換流閥有如下特：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?；換流閥 的導(dǎo)通條件是正極對(duì)負(fù)極為正電壓且必須加觸發(fā)脈沖；換流閥控制極無(wú)關(guān)斷能力，只有當(dāng)流經(jīng)它的電流為零時(shí)才能關(guān)斷。在 c3 時(shí)刻后， b 相電壓最高，閥 V1 向 V3 換相，輸出電壓為 cbbc eee ?? 。 計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊的換相過(guò)程 當(dāng)計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊時(shí)，換相過(guò)程電壓波形將如圖 34 所示： ? ? ae be ce 1c 圖 33 計(jì)及觸發(fā)角和重疊角的換相電壓波形圖 如圖 33 所示，當(dāng)換流閥可 控時(shí)，在 c1 時(shí)刻后，閥 V1 并不會(huì)立刻導(dǎo)通，只有收 C3 C5 C2 C4 C6 ae 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 16 頁(yè) 到觸發(fā)信號(hào)時(shí)才導(dǎo)通，假設(shè)觸發(fā)信號(hào)較 c1 晚 ? 角度才到來(lái)，此時(shí)閥 V1 才開(kāi)始導(dǎo)通，這一角度稱(chēng)為觸發(fā)角。01 8 090。039。此時(shí)換流器輸出的直流電壓由式 (33)表示。 ?dUU ?， 當(dāng) ??90 時(shí)，將反號(hào)，整流器輸出功率，可作為逆變器運(yùn)行。 如果觸發(fā)角值超過(guò) 0? ， ,就會(huì)由整流過(guò)程向逆變過(guò)程轉(zhuǎn)變 。 對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō) ,其觸發(fā)角 ，??? ? ，稱(chēng)為觸發(fā)超前角。 閥 1 向閥 3 換相的時(shí)候，當(dāng)閥 3 被觸發(fā)導(dǎo)通以后換相開(kāi)始。而閥 1 將會(huì)繼續(xù)開(kāi)通，這樣就會(huì)造成換相失敗，又稱(chēng)為一次換相失敗。 aUb 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 18 頁(yè) ?180 t? )cos(cos2s taI ?? i1 i1 dI i3 i3 t? a ? 圖 34 換相失敗示意圖（閥 1 對(duì)閥 3 換相失?。? 在上述的一次換相失敗過(guò)程中，閥 1 導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)周波 (是正常運(yùn)行情況的三倍 )。 超前角偏小，換相結(jié)束后出現(xiàn)換相失敗的情況 在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，以閥 1 對(duì)閥 3 的換相過(guò)程為例，如果閥 3 觸發(fā)時(shí)刻觸發(fā)超前角不夠大，或者換相角較大，以致?lián)Q相結(jié)束后閥 1 的關(guān)斷角小于關(guān)斷所需要的角度(時(shí)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(huì)重新開(kāi)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(dǎo)通，閥 1仍導(dǎo)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(guò)程中逆變器直流電 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 19 頁(yè) 流保持不變。例如在閥 3換相失敗后，接著又發(fā)生閥 2 對(duì)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(guò) C4 點(diǎn)以后才逐步恢復(fù)正常。此外，由于交流電壓被加到直流回路上，有可能在線(xiàn)路電容與電感元件之間造成基波頻率的諧振過(guò)電壓。 換相失敗使得逆變器在一段時(shí)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(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，所以?xún)H當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)，整流器才會(huì)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(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 20 頁(yè) 敗是逆變器最常見(jiàn)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(duì)稱(chēng)的。 換相失敗的特點(diǎn)及危害 換相失敗的特點(diǎn) 換相失敗具有以下特點(diǎn)： 1)換相的兩個(gè)閥發(fā)生倒換相 ,倒換相之后使己經(jīng)退出導(dǎo)通的閥又導(dǎo)通； 2)在一次換相失敗中 ,使得接在交流同一相上的一對(duì)閥同時(shí)導(dǎo)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(xiàn)路上。 換相失敗的危害 一次換相失敗對(duì) HVDC 系統(tǒng)影響不大，且在大多情況下是可以自愈的，但當(dāng)發(fā)生 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 。 造成換相失敗的原因是換流閥運(yùn)行的關(guān)斷角小于其固有極限關(guān)斷角，與換相失敗相關(guān)的因素主要有：換流母線(xiàn)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(duì)稱(chēng)故障時(shí)換相線(xiàn)電壓的過(guò)零點(diǎn)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(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 21 頁(yè) 換相失敗的原因不是因?yàn)殚y的任何誤操作，而是因?yàn)殚y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(guān)斷角過(guò)小引起的，它與其它因素之間的關(guān)系表為： ??? ? （ 38） 由式（ 38）可見(jiàn)， ? 角決定于 ? 和 ? 角。這種故障稱(chēng)為兩次不連續(xù)換相失敗。這種故障稱(chēng)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(shí)不再次發(fā)生換相失敗的故障，就能自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。倒換相結(jié)束后逆變橋仍有閥 1,閥 2 導(dǎo)通著。 由于整流器閥在 電流關(guān)斷后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，所以?xún)H當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)，整流器才會(huì)發(fā)生換相失敗。到閥 5 觸發(fā)時(shí)，因?yàn)殚y 5 兩端承受反向電壓，因此閥5 不能導(dǎo)通。在 baU 改變方向前（即 ?180 時(shí)刻），閥 1 的電流在 baU 未能減少到零，所以不能完成關(guān)斷。 換相失敗的過(guò)程 超前角過(guò)小，換相未結(jié)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(guò)程，如圖 34 所示。 U d 的反向即導(dǎo)致功率反向，因此對(duì)于逆變側(cè)來(lái)說(shuō)，其必須有交流電壓支持逆變器換相。 dd UUU ??? 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