【正文】 換流變壓器 2送入受端的交流電力系統(tǒng)Ⅱ。 （ 4）換流設(shè)備過載能力小，高壓直流輸電系統(tǒng)中換流起的設(shè)計(jì)運(yùn)行持續(xù)過負(fù)載能力和短時(shí)過負(fù)載能力都較小，高壓直流輸電系統(tǒng)如果需要具備更大的過負(fù)載能力就必須在設(shè)備選型時(shí)預(yù)先考慮，從而會(huì)增大投資； （ 5）目前，高壓直流斷路器發(fā)展技術(shù)不夠成熟，限制了多端直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展；由于高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流不像交流電流那樣有過零點(diǎn)，因此高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流中直流電流比較難以熄弧，通常是采用閉鎖換流器的觸發(fā)控制脈沖，從而使電流降為零，起到開關(guān)的功能，在多端輸電系統(tǒng)中不如交流輸電方便。高壓直流輸電系統(tǒng)的定電流控制。 換流變壓器的作用是聯(lián)系交流系統(tǒng)與質(zhì)量系統(tǒng)的紐帶，它利用兩側(cè)繞組的磁耦合來傳輸功率，實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)的隔離與電絕緣，避免了交流系統(tǒng)中性點(diǎn)接地故障和直流系統(tǒng)的接地故障造成的元件損壞。 圖 21 高壓直流輸電系統(tǒng)示意圖 目前 HVDC 直流輸電大多采用兩端輸電系統(tǒng)接線方式分單極接線方式、雙極接線方式、“背靠背 。比較了各種故障方式下的高壓直流輸電換相失敗。小波 分析分析方法能有效地提取直流電流和直流電壓故障信號的暫態(tài)特征，在非平穩(wěn)信號的處理方面具有較大的優(yōu)勢。 含多個(gè)換流站的電力網(wǎng)中的交直流系統(tǒng)相互作用特性研究，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，批準(zhǔn)號 59707005( 一 )。 2021 年以后，我國又相繼建成了天生橋 廣州、三峽 常州、三峽 廣州、貴州 廣州、高坡 肇 慶、興仁 寶安電壓等級500kV，容量達(dá) 3000MW 的 HVDC 工程。 800kV 特高壓直流工程是落實(shí)國家“西電東送。 500kV 葛南直流輸電工程，輸送功率達(dá) 1200MW。全世界共有約 100 多項(xiàng)直流輸電工程投入了運(yùn)行，電壓等級達(dá)到了177。隨著國民經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長，還將會(huì)有大量的 HVDC 工程在建設(shè)和規(guī)劃中， 2020 年前后西部水電的大部分電力將通過特高壓直流線路向華中和華東地區(qū)輸送，其中金沙江一期的溪洛渡和向家壩水電站。 隨著電網(wǎng)高壓直流輸電系統(tǒng)的大量接入，電網(wǎng)具有多直流饋入、交直流混合運(yùn)行、含特高壓直流等特點(diǎn)，高壓直流輸電系統(tǒng)的工作機(jī)理、系統(tǒng)運(yùn)行方式、故障電氣特征等與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)有比較大差異，有一系列亟待解決的理論和工程難題。特別是隨著晶閘管閥的出現(xiàn)，高壓直流輸電應(yīng)用越來越廣。比較明顯的是，背靠背非同步聯(lián)網(wǎng)和多端直流輸電工程以及采用新型半導(dǎo)體器件的輕型直流輸電工程，近年來發(fā)展得很快。 首先本文介紹了 HVDC 輸電系統(tǒng)及其換相失敗故障診斷的研究現(xiàn)狀，指出目前HVDC 換相失敗故障診斷方法存在的不足。其次，本文對 HVDC 輸電系統(tǒng)換相失敗進(jìn)行故障分析，分析研究了換相失敗的發(fā)生機(jī)理及換相失敗的影響因素，介紹了換相失敗的危害 ，提出了換相失敗的預(yù)防控制措施。 隨著高壓直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對高壓直流輸電系統(tǒng)的控制方法和特性研究也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，文中對高壓直流輸電系統(tǒng)的控制原理和特性進(jìn)行了介紹，并且基于 PSCAD/EMTDC仿真程序研究了 CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)在各種故障下的典型響應(yīng)特性。到 2021年世界上已有 63 項(xiàng)直流輸電工程成功投入運(yùn)行，與交流輸電相比，直流輸電具有非同步聯(lián)絡(luò)能力、無穩(wěn)態(tài)電容電流、線路輸送容量大、網(wǎng)損小、功率容易控制等優(yōu)點(diǎn)。換相失敗就是 HVDC 輸電系統(tǒng)中比較突出的問題，發(fā)生換相失敗會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直流電流劇增、電壓下降、系統(tǒng)輸送功率減少等后果，對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此對換相失敗進(jìn)行研究，判斷引起高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的原因，保障 HVDC 系統(tǒng)運(yùn)行安全具有非常重要的意義 。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 級特高壓直流輸電線路。 800kV。隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施， HVDC 在中國有了廣泛 的應(yīng)用和發(fā)展。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)營的特高 壓直流輸電工程，是國家“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。 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(shí)現(xiàn)單極投產(chǎn)，標(biāo)志著我國在世界電力領(lǐng)域成功邁上了一個(gè)重要的制高點(diǎn)。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目即 973 項(xiàng)目，批準(zhǔn)號 :G1998020310( 一 )。采用小波分析方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合，通過計(jì)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(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才能區(qū)分各種故障。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。換流方式等。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(yùn)時(shí)間。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(huì)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(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關(guān)設(shè)備。 （ 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。 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（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(dǎo)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)。所以仍要考慮 適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度。 正常運(yùn)行時(shí)，與上一種方式相同； 故 障時(shí)，將無法運(yùn)行， 沒有形成回路 。 dI2du1V4V3V6V 2V5V2ai 2au 2bi 2bu2ci 2cu 0 圖 31 脈動(dòng)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(dǎo)通條件是正極對負(fù)極為正電壓且必須加觸發(fā)脈沖；換流閥控制極無關(guān)斷能力，只有當(dāng)流經(jīng)它的電流為零時(shí)才能關(guān)斷。 計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊的換相過程 當(dāng)計(jì)及觸發(fā)延遲和換相重疊時(shí)，換相過程電壓波形將如圖 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）專用紙 第 16 頁 到觸發(fā)信號時(shí)才導(dǎo)通，假設(shè)觸發(fā)信號較 c1 晚 ? 角度才到來，此時(shí)閥 V1 才開始導(dǎo)通，這一角度稱為觸發(fā)角。039。 ?dUU ?， 當(dāng) ??90 時(shí)，將反號，整流器輸出功率，可作為逆變器運(yùn)行。 對于逆變器來說 ,其觸發(fā)角 ，??? ? ，稱為觸發(fā)超前角。而閥 1 將會(huì)繼續(xù)開通，這樣就會(huì)造成換相失敗，又稱為一次換相失敗。 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)行過程中，以閥 1 對閥 3 的換相過程為例，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)重新開通，閥 3 已取得的電流又將倒換相到閥 1。 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(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 19 頁 流保持不變。過 C4 點(diǎn)以后才逐步恢復(fù)正常。 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)斷后的較長時(shí)間內(nèi)處于反向電壓下，所以僅當(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。 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路上。 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(shí)換相線電壓的過零點(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。 換相失敗的根本原因是關(guān)斷角過小引起的，它與其它因素之間的關(guān)系表為： ??? ? （ 38） 由式（ 38）可見， ? 角決定于 ? 和 ? 角。這種故障稱為兩次連續(xù)換相失敗。 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。倒換相結(jié)束后逆變橋仍有閥 1,閥 2 導(dǎo)通著。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。 換相失敗的過程 超前角過小，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 換相失敗的過程，如圖 34 所示。 dd UUU ??? ?co s0d （ 35） ）（ ?? c osc os2 0d ??? dUU （ 36） 于是有， ）（ ?? c o sc o s2 0d ?? dUU （ 37） 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 17 頁 式（ 37）中， ??? ?? 。 計(jì)及換相電抗 rL 后，當(dāng) V1 向 V3 換相時(shí)，由于電感的續(xù)流作用，即使觸發(fā)脈沖已經(jīng)到來， V1 也不會(huì)立即截止，這時(shí) V1 和 V3 將同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，持續(xù)一定角度 ? 后， V1 截止 V3 導(dǎo)通，換相過程結(jié)束，其余閥換相過程類似。 ?cos039。 C3 C5 ae 昆明理工大學(xué) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 15 頁 ae be ce 1c 圖 32 換相過程電壓波形圖 圖 32 示出了換相過程電壓波形圖，圖中，在 c1 時(shí)刻后 ,a 相電壓最高 ,換流閥 VV3 和 V5 中的閥 V1 導(dǎo)通， b 相電壓最低，閥 V6 處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出的直流電壓為 ba eee ??ab 。 當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，能用健全極繼續(xù)輸送功率，同時(shí)避免了大地和海水作為 回路， 這種運(yùn)行方式在減輕電磁干擾、防止腐蝕方面有優(yōu)點(diǎn)， 在日本被標(biāo)準(zhǔn)采用， 但經(jīng)濟(jì)上增 加了一定的投資。 2 、 雙極線路方式； A、 雙極兩線中性點(diǎn)兩端接地方式； 將整流站和逆變站的中性點(diǎn)均接地，兩極對地電壓分別為 +V 和 V。應(yīng)注意：接地板的材料， 埋設(shè)方式