【正文】 交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障、逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障，以及直流線路發(fā)生短路故障時交直流輸電系統(tǒng)相關(guān)電氣量的變化及其控制器的響應(yīng)特性。隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的進步，進一步推動了高壓直流 (High Voltage Direct Circuit HVDC)輸電技術(shù)的發(fā)展 ， 這些技術(shù)中有的是對傳統(tǒng) HVDC 輸電技術(shù)的改進，有的是采用高級控制技術(shù)來實現(xiàn)的 。目前，直流輸電因其技術(shù)和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、背靠背聯(lián)網(wǎng)、海底及地下電纜輸電及向孤立負荷送電工程中得到應(yīng)用， HVDC 輸電技術(shù)經(jīng)歷了階躍式的發(fā)展，上世紀 80 年代，由于聯(lián)網(wǎng)需要，建設(shè)了 14 項背靠背工 程；建成了目前世界上最長的直流線路，即扎伊爾的英加一沙巴工程 (1700km)及電壓等級最高 (? 600KV、輸送容量最大 (3150MW)的巴西伊太普工程，到了 90 年代，世界第一個復雜的三端 HVDC 工程 (魁北克一新英格蘭工程 )完成，并建成了世界上最長的海纜(250km)HVDC 工程 (瑞典一德國的 BALTIC 工程 )，目前，投入運行的 HVDC 輸電工程主要分布在美國、加拿大、印度、日本等國家。提高交流電壓等級已經(jīng)不能滿足當前的大電網(wǎng)、大容量、遠距離輸電的要求，因此在一定條件下采用高壓直流（ High Voltage Direct Current， HVDC）輸電技術(shù)將更為合理，高壓直流輸電與交流輸電系統(tǒng)相比具有線路造價低、線路有功損耗小、不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制、運行靈活、可實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)與控制等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。 高壓直流 (High Voltage Direct Current, HVDC)與交流輸電相比，具有線路投資較 昆明理工大學 設(shè)計（論文）專用紙 第 4 頁 低、運行靈活多變、不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制。由高壓直流輸電的特點可知，在我國發(fā)展 HVDC 輸電是解決電力跨區(qū)輸送較好的方法。 隨著大量 HVDC 工程的投入使用，其運行中的問題也日益突現(xiàn)，其中的換相失敗就會導致直流電流增大，直流電壓下降、輸送功率減少，換流變壓器直流偏磁加劇、換流閥壽命縮短以及逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定等不良后果，是 HVDC 系統(tǒng)中最常見的故障之一。高壓直流輸電技術(shù)首先是被應(yīng)用到海底電纜輸電系統(tǒng)中，早期的直流輸電工程包括瑞典哥特蘭島工程（于 1954 年投運）及意大利撒丁島工程（于 1967 年投運），之后高壓直流輸電技術(shù)被應(yīng)用到長距離、大容量輸電系統(tǒng)中，與此對應(yīng)的直流輸電工程包括美國太平洋聯(lián)絡(luò)線工程（于 1970 年投運）及納爾遜河工程（于 1973 年投運）等。進入 21 世紀，傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)作為成熟 昆明理工大學 設(shè)計（論文）專用紙 第 5 頁 的技術(shù)在包括中國、印度、馬來西亞、阿拉伯地區(qū)、澳洲等國家和地區(qū)得到快速發(fā)展。從 80 年代末以來，我國高壓直流輸電技術(shù)研究和發(fā)展取得了突飛猛進的提高，在 1987 年自行研制了浙江舟山海底直流輸電工程，額定電壓 100kV，額定電流 500A，額定容量 50MW，輸送距離 54km。中國規(guī)劃建設(shè)177。 800kV 直流輸電線路，同時也是世界上第一條177。 800kV 特高壓直流輸電工程采用雙 12 脈動閥組串聯(lián)接線方式，該接線方式使其運行方式更加多樣化，換流器采用 400kV+400kV 的電壓分配方案，送電距離約 1418km，主回路接線方案采用典型的雙極兩端中性點接地的高壓直流輸電系統(tǒng)。 HVDC 在我國起步相對較晚，但發(fā)展很快。 2021 年 12 月 26 日，由我國自主設(shè)計和建設(shè)的向家壩 上海 800kV 特高壓直流工程奉賢換流站極 209。 近 年來我國在高壓直流輸電方面從事的重大基礎(chǔ)研究項目有： 研究制定通用的 HVDC 技術(shù)標準及 HVDC 工程設(shè)計規(guī)范； 完善 HVDC 技術(shù)的研究手段，開發(fā) HVDC 系統(tǒng)設(shè)計的軟件包 ,建立 HVDC 系統(tǒng)的新型數(shù)學模型和開發(fā)接地極研究的相關(guān)軟件； 直流新技術(shù)的研究。 供用電網(wǎng)絡(luò)中的諧波擴散分析和諧波狀態(tài)估計，浙江省自然科學基金項目( 一 )等； 近年來我國在高壓直流輸電方面從事的重大 工程應(yīng)用研究項目有 748： 向廣東送電 1000 萬千瓦系統(tǒng)電氣計算穩(wěn)定水平校核，國家電力公司戰(zhàn)略規(guī)劃部委托項目， ( 一 )。 三峽直流輸電對華東電網(wǎng)次同步振蕩的影響研究，華東電力試驗研究院委托項目( 一 )等； HVDC 換相失敗故障診斷現(xiàn)狀 換相失敗（ Commutation Failure）是 HVDC 系統(tǒng)中最常見的故障之一，對換相失敗進 行快速準確的診斷是保證 HVDC 系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要前提，國內(nèi)外對高壓直流輸電換相失敗故障診斷已有一些相關(guān)研究。采用小波奇異值分解來提取故障信號特征，采用支持向量機（ SVM）對故障進行分類， SVM 算法的核函數(shù)及相關(guān)參數(shù)的選取較為復雜，參數(shù)選取對故障診斷影響較大；此外，該故障診斷方法無法實現(xiàn)只采集逆變側(cè)故障直流電流 信號來實現(xiàn)換相失敗故障診斷，對于交流系統(tǒng)故障引發(fā)的換相失敗診斷，該方法仍需結(jié)合三相交流故障電壓信號才能實現(xiàn)故障選相，增加了換相失敗故障診斷的難度和算法的復雜度。分析發(fā)生換相失敗的危害及其預(yù)防措施。 （ 2）通過仿真對比驗證了所建仿真模型的正確性。 （ 1） 交流系統(tǒng)故障類型 A、單相直接接地短路故障 B、單相經(jīng)電阻接地短路故障 C、相間短路故障 D、三相直接接地短路故障 E、三相經(jīng)電阻接地短路故障 （ 2）直流系統(tǒng)故障 A、橋臂 短路故障 B、單橋短路故障 五、 針對上述各種仿真結(jié)果，對 HVDC的換相失敗展開討論。單極方式通常是采用一根架空導線或者電纜線，以大地或海水作為返回線路組成的直流輸電系統(tǒng)，這種接線方式可以節(jié)省線路投資。 ~ ~ 換 流 變壓器 1 換 流 變壓器 2 Vd1 Vd2 整流器 逆變器 ＋ ＋ － － Id Id 交流電力 系統(tǒng) I 交流 電 力 系 統(tǒng)Ⅱ 換流站 1 （整流站） 換流站 2 （逆變站） 直流線路 直流輸電系統(tǒng) 昆明理工大學 設(shè)計（論文）專用紙 第 10 頁 換換 流流 站站 是是 高高 壓壓 直直 流流 輸輸 電電 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 核核 心心 ， 換換 流流 站站 主主 要要 包包 括括 ：： 換換 流流 橋橋 、 換換 流流 變變 壓壓 器器 、 平平波波 電電 抗抗 器器 、 無無 功功 補補 償償 裝裝 置置 、 濾濾 波波 器器 等等 ；； 換換 流流 橋橋 主主 要要 用用 于于 實實 現(xiàn)現(xiàn) 交交 流流 與與 直直 流流 的的 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 ， 換換 流流變變 壓壓 器器 主主 要要 用用 于于 實實 現(xiàn)現(xiàn) 交交 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 與與 直直 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 之之 間間 的的 電電 壓壓 變變 換換 、 實實 現(xiàn)現(xiàn) 電電 絕絕 緣緣 與與 隔隔 離離 等等 功功 能能同同 時時 對對 交交 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 入入 侵侵 直直 流流 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 過過 電電 壓壓 起起 到到 一一 定定 的的 抑抑 制制 作作 用用 ， 平平 波波 電電 抗抗 器器 主主 要要 用用 于于 抑抑制制 直直 流流 過過 電電 流流 的的 上上 升升 速速 度度 ， 實實 現(xiàn)現(xiàn) 濾濾 波波 、 緩緩 沖沖 過過 電電 壓壓 等等 功功 能能 ， 無無 功功 補補 償償 裝裝 置置 主主 要要 用用 于于 提提高高 無無 功功 功功 率率 、 起起 到到 電電 壓壓 調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 及及 提提 高高 電電 壓壓 穩(wěn)穩(wěn) 定定 性性 的的 作作 用用 。 平波電抗器可以在直流線路發(fā)生短路時有效抑制短路電流的上升速度，防止繼發(fā)性換相失敗的發(fā)生；平波電抗器在系統(tǒng)小電流時起 到保持電流連續(xù)的作用，在正常運行時可有效減少直流電流諧波；平波電抗器的選取原則為：減少直流側(cè)交流脈動分量、小電流時保持電流的連續(xù)性、直流短路時抑制電流的上升速度。此外，直流輸電系統(tǒng)與系統(tǒng)頻率、系統(tǒng)相位等無關(guān)，因此可以采用直流輸電線路連接兩個頻率不同的交流輸電系統(tǒng)，也可以用來提高與直流輸電線路并聯(lián)運行的交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 4） HVDC 輸電系統(tǒng)可實現(xiàn)對輸送功率大小和方向的快速控制和調(diào)節(jié)，通過直流聯(lián)網(wǎng)的輸送功率可以按規(guī)定和需求進行控制， HVDC 輸電系統(tǒng)通過控制晶閘管換流器可快速實現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和實現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)；通過高壓直流輸電系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的兩個交流系統(tǒng)彼此隔離，因此一側(cè)交流系統(tǒng)故障對另一次交流系統(tǒng)的影響很小，從而可減少聯(lián)合大電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故的頻率，從而提大電網(wǎng)系統(tǒng)的運行可靠性。 昆明理工大學 設(shè)計（論文）專用紙 第 12 頁 （ 2）換流設(shè)備需要消耗大量無功功率，高壓直流輸電系統(tǒng)中整流器和逆變器需要消耗大量 的無功功率，整流器和逆變器消耗的無功功率分別約為有功功率的 30%~50%和 40%~60%。 （ 7）以大地或者海水作為回路時會對沿途的金屬構(gòu)件、金屬管道等產(chǎn)生腐蝕。常用于海底電纜輸電，非同步運行的交流系統(tǒng)之間的連絡(luò)等方面。 正常運行時，電流經(jīng)大地或海水構(gòu)成回路。 單極兩線單點接地是將導線任一根在一側(cè)換流站進行單點接地。 這種方式大多用于無法采用大地或海水作為回路，以及雙極方式的過度方案 。當某一方的換流器和線路有故障時，可以利用健全極和大地作為回路維持單極運 行方式。 C、 雙極中性點線方式； 將兩端中 性點用導線連接起來，在任一側(cè)接地。 由于沒有直流輸電線路，直流系統(tǒng)可用較低的額定電壓， 這樣整個直流系統(tǒng)的絕緣費用可降低，有色金屬的消耗量和電能損耗的增加就減少。 整流器不可控時的換相過程 假設(shè)換相電抗 0?rL ，換流閥均不可控，換流閥通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流均忽略不計 , ae ， be ， ce 為工頻正弦電壓。如此往復，換流器時刻都只有兩個閥導通，導通時間為工頻周期的 1/3，阻斷 2/3 工頻周期。計及觸發(fā)角后 ,整流器的空載直流電壓將變?yōu)槭剑?32 ）。0 U900。00d ??? ddd UUU 換流閥不具備導通條件。 dd IRUU ?? ?? co s0d (33) 式 (33)中，??? ?? XLwR 33 ??。計及換相角 ? 后，輸出的直流電壓如式 (35)所示。 由于閥的單向?qū)щ娦?,換流器中的電流不可能反向。還規(guī)定從閥關(guān)斷到閥上 電壓由負變正的過零點之間的時間用 ? 表示，它稱為逆變器的關(guān)斷角。因為 bU 高于 aU ，所以通過閥 1 的電流減少，通 過閥 3 的電流增加。 然而閥 4 開始導通，因為閥 1 依然導通，故形成 a 相的上下兩個橋臂同時導通，致使逆變器的直流側(cè)發(fā)生短路。在閥 1 和閥 4 同時導通的時間里 (即 ?120 )，逆變器直流電壓持續(xù)為零，所以直流系統(tǒng)無功率送出。到 A 時刻，倒 換相結(jié)束，閥 3 關(guān)斷。當閥 4 換相到閥 6 以后，直流短路消失，逆變器直流電壓開始逐漸恢復正常。實際上，由于直流電抗器的電感為有限值，線路上存在電容，整流器定電流調(diào)節(jié)裝置有延時等原因，直流電流有個增大的過程。在前半個周期中，變壓器線 電壓。如果在下一個周期中閥 3 和閥 4 不再發(fā)生換相失敗，則將自行恢復正常運行。 在閥 3 換相失敗以后，雖然閥 4 與閥 2 換相成功，但是由于故障期中，直流電流增大有一個過程，閥 6 與閥 4 的換相有可能會失敗。 換相失敗是發(fā)生在 HVDC 逆變側(cè)最常見的一種故障，在換流器中兩個換流閥換相結(jié)束后，剛退出運行的閥在反向電壓作用的一段時間內(nèi)，未能恢復阻斷能力，在閥電壓變?yōu)檎龝r，該閥在沒有觸發(fā)脈沖的情況下，也會重新導通，導致?lián)Q相失敗。 當用交流母線線電壓的有效值 LU 來表示式 (210)時，設(shè)換流變壓器的變比為 k ，則式 (310)變?yōu)椋? ?????? ?? ?? c os2a rc osLcdU XkI （ 311） 當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障，此時換相電壓不再對稱，設(shè)換相線電壓過零點前移角度為 ? 時，關(guān)斷角的計算公式變?yōu)椋? ????c os2a rc os ?????? ?? U XI cd （ 312） 式 (312)中其它參數(shù)意義與式 (39)中的相同。使直流諧波加劇，同時使直流 短路電流上升