直流输电系统换相失败探讨_朱韬析
第36卷 第23期 电力系统保护与控制 V ol.36 No.23 2008年12月1日 Power System Protection and Control Dec. 1, 2008
直流输电系统换相失败探讨
朱韬析1,宁武军2,欧开健3
(1.南方电网超高压输电公司广州局,广东 广州 510405;2..河南电力物资公司,河南 郑州 450052;
3. 南方电网技术研究中心,广东 广州 510623)
摘要:换相失败是高压直流输电系统逆变器最常见的故障之一,以天广直流输电系统为例,简介南方电网采用德国Siemens 直流输电技术的各直流输电系统中换相失败的检测、故障恢复及相关后备保护,并结合实例和RTDS 实时仿真初步探讨了换相失败故障过程中低压限流功能可能带来的不良影响、交直流混联系统间的相互影响等问题,这不仅有助于直流输电系统运行维护工作,还为交直流混联系统的进一步研究提供了有益的参考。最后还比较了ABB 直流输电换相失败相关技术,并提出了一些建议。
关键词: 直流输电; 换相失败; RTDS
Discussion on commutation failure in HVDC transmission system
ZHU Tao-xi1, NING Wu-jun2, OU Kai-jian3
(1.CSG EHV Power Transmission Company, GZ Bureau, Guangzhou 510405,China; 2.Henan Power Company,Zhengzhou
450052,China; 3. CSG Technology Research Center, Guangzhou 510623, China)
Abstract: Commutation failure is one of the most frequently occurred faults in inverter stations of HVDC transmission system. In this paper, the technology of detecting、recovery and backup protection of commutation failures adopted in HVDC transmission system of Southern Power Grid is introduced first, then, based on the operational cases and simulation results on RTDS, the negative influence of VDCL and the impact of multi-DC systems and AC system are discussed. All of these will be benefit to operation and maintenance of HVDC transmission system and the research on the security and stability of AC/ DC hybrid system. At last, compared with the technology which ABB adopted, some useful suggestions are discussed. Key words: HVDC; Commutation Failure; RTDS 中图分类号: TM72 文献标识码: A 文章编号: 1674-3415(2008)23-0116-05
0 引言
换相失败是高压直流输电系统逆变器最常见的故障之一,它将导致直流电压降低、输送功率减少、电流增大、换流阀寿命缩短、换流变压器直流偏磁及逆变侧弱交流系统过电压等不良后果;若换相失败后控制不当,还会引发连续的换相失败,最终导致直流停运[1~4]。而换相失败故障期间输入交流系统的电流发生了改变,引起系统潮流方向发生变化,还可能导致交流系统保护误动[5~7]。因此,迅速检测到换相失败并采取适当措施使直流输电系统尽快从故障中恢复,对整个电网的稳定运行至关重要。
据统计,天广直流输电系统仅在2006~2007年便发生了14次换相失败,原因均为逆变侧交流系统故障。南方电网的天广、高肇、兴安直流输电工程控制系统主要采用了德国Siemens 公司的技术,
本文首先以天广直流输电系统为例,简介其换相失败的检测、故障恢复及相关后备保护,并结合RTDS 仿真进行了说明,讨论了存在的一些问题,然后还对比了ABB 直流输电系统针对换相失败的检测和故障恢复措施,最后提出了改进建议。
1 天广直流输电系统换相失败相关技术简介
1.1 换相失败的检测
根据换相失败的定义[1],如果阀电流结束时刻晚于对应的交流线电压过零时刻,则该阀处于反向电压作用下的时间过短,阻断能力未完全恢复,在交流电压过零时刻后又将承受正向电压,此时即使不加触发也会再次导通,从而出现换相失败故障。
天广直流极控系统根据上述基本定义检测换相失败,阀电流结束时刻由该阀对应的可控硅电子设备测量,经阀基电子设备送至极控;对应的交流
朱韬析,等 直流输电系统换相失败探讨 - 117 -
线电压过零时刻则由极控根据换流变压器一次侧电压计算得到,如果发现某阀电流结束时刻晚于对应的交流线电压过零时刻,则判断出现了“换相失败”[8]。
1.2 换相失败故障的恢复
使直流输电系统从换相失败中恢复的策略主要有[1,4,9]:
(1)增大正常运行时整定的关断角r ,但这需要消耗更多的无功;
(2)在检测到将要发生换相失败时,将触发角a 减小,以增加换相裕度,减少换相失败的发生;
(3)检测到发生换相失败后,相应的减小触发角a ,使直流系统尽快从换相失败中恢复。 天广直流输电系统中采用了第三种方法:检测到换相失败后,通过将控制方式切为定熄弧角控制方式,使直流系统从换相失败故障中恢复[8]。 1.3 换相失败的后备保护
在天广直流输电系统中,如果发生了连续换相失败,总延时达到保护动作时限后,首先通过保护出口将动作降低直流电流至0.3pu ——随着直流电流的降低,换相失败的机率会大大减小;如果换相失败是由于交流电压下降引起,保护I 段动作、降低电流后仍不能恢复正常,经过更长时间的延时后,将停运直流系统以免损坏设备。
传输的负荷可能短时减少。 2.2 仿真实例 天广直流输电系统自投运以来,逆变侧交流系统故障均能在较短时间内恢复,为验证相关后备保护,利用南方电网技术研究中心RTDS 实时仿真系统[11,12]进行了如下仿真:
(1)模拟天广直流双极负荷1000 MW、交流单相系统故障持续300 ms,故障录波如图2。
图2 换相失败仿真录波
Fig.2 Simulation record of commutation failure
2 运行、仿真案例及存在的问题
2.1 运行实例 图1为天广直流输电系统某次换相失败故障的录波。
保护动作情况:故障发生后200 ms,100 Hz保护[13]I 段动作。 根据录波,故障发生后,直流电压和电流中均出现较大的二次谐波分量,达到延时后100 Hz保护动作;但由于之前直流电压的下降已经启动低压限流功能(VDCL )降低了直流电流参考值,所以100 Hz保护I 段的动作并无影响。
(2)模拟天广直流双极负荷1000 MW、交流单相系统故障持续1.1 s,故障录波如图3。
图1 换相失败录波
Fig.1 Transient record of commutation failure
图3 换相失败仿真录波
Fig.3 Simulation record of commutation failure
根据图1,可以证明,通过控制系统本身的调节功能,可以使直流输电系统从换相失败中快速自行恢复;同时,由于换相失败引起直流电压降低,因此将启动低压限流功能(VDCL )[10],直流系统
保护动作情况:故障发生后200 ms,100 Hz保护I 段、II 段动作。
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根据录波,故障发生后,直流电压和电流中均出现较大的二次谐波分量,达到延时后100 Hz保护I 段动作;但同样由于之前直流电压的下降已经启动低压限流功能(VDCL )[11]降低了直流电流参考值,所以100 Hz保护I 段的动作并未造成影响。随后,经1 s的延时后,100 Hz保护II 段动作,停运直流系统。
2.3 存在的问题
交流系统出现单相故障时,直流电压和电流中会出现100 Hz分量,根据这一特点,构成了100 Hz保护[13]。根据《中国南方电网2007年运行方式》的计算和分析,交流系统故障,如主保护或断路器拒动,将可能引发单回或多回直流同时降功率或闭锁,导致系统稳定破坏,且无法通过安稳控制系统维持电网稳定。但对多数断路器拒动故障、失灵保护动作前,如果直流输电系统不降功率,电网便可以保持稳定。因此在断路器保护动作前,直流100 Hz保护I 段不宜动作。且鉴于断路器失灵发生的几率较高,而且因断路器失灵导致多回直流同时降功率的动作后果比较严重,考虑到开关拒动,与失灵保护动作时间的配合,故对天广和贵广I 、II 回直流系统100 Hz保护做如表1调整。
表1 对100 Hz保护做的修改
Tab1 Modification of 100 Hz fundamental protection
保护 100 Hz保护I 段 100 Hz保护II 段
天广直流
输电工程 取消 延时3 s
贵广I 回直 流输电工程
取消 ≤3000 ms
贵广II 回直 流输电工程 取消 ≤
3000 ms
但是,根据上述仿真可以发现,即使取消了100 Hz 保护I 段,交流系统发生严重故障后,直流输电系统仍可能由于直流电压的下降启动低压限流功能,造成直流输电系统功率的降低。2008年07月30日,天广直流逆变侧交流系统发生严重故障,故障录波如图4。
仿真和实例都证明,交流系统故障造成直流输电系统换相失败、直流电压降低后,随即启动了低压限流功能,将造成直流输电系统传输功率大幅降低,而这无法通过安稳控制系统识别,很可能对系统的稳定造成威胁。如何避免低压限流功能造成的直流系统传输功率降低对系统稳定、交流故障后系统快速恢复的不良影响,还需要进一步的深入研究。
3 交流三相故障引起的换相失败
3.1 实例
2007年10月19日14:08,高肇直流输电系统因换流变压器故障导致单极闭锁瞬间,天广直流输电系统也发生了一次双极换相失败,逆变侧极2故障录波如图5所示。
图5 换相失败录波
Fig.5 Transient record of commutation failure
图4逆变侧换相失败录波图
Fig.4 Transient recorded curves of commutation failure in
inverter side
从故障录波图中可以看出,交流三相电压都发生了一定的跌落,这是一起比较典型的交直流混联系统相互影响的故障;而对于交流系统三相故障引起的换相失败,天广直流输电系统仍采用相同的检测手段。
3.2 ABB直流输电系统换相失败相关技术简介 ABB直流控制系统采用预测的方式检测换相失败:当检测到交流系统故障可能引发换相失败时,则在逆变侧触发角中减去一定角度,实现提前触
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发[4,14]。
(1)检测零序电压来检测单相故障 当逆变侧交流系统发生单相接地故障时,逆变器交流侧电压中将出现零序分量:
u 0=ua +u b +uc (1)
式中: u 0为三相交流电压零序分量,u α、u b 、u c 分别为交流三相电压。如果u 0大于设定值,则认为此时的交流系统故障将引起直流系统换相失败,于是相应的将逆变侧触发角减小。
(2)通过Clark 变换[15,16]检测三相故障
通过Clark 变换可以将三相交流电压用一个旋转矢量来表示:
⎡⎤211−−⎥⎡U a ⎤⎡U α⎤⎢
⎢⎥⎢⎥⎢
U 0=−−⎢U b ⎥ (2) ⎢β⎥⎢
⎥U ⎥⎢U ⎥⎢111⎥⎢⎣c ⎦⎣0⎦⎢
⎣⎦
复。
4 结语
(1)仿真证明,交流系统发生严重故障时,
Siemens 直流输电系统通过100 Hz保护I 段启动降电流、II 段停运直流系统;出于系统稳定的考虑,目前南方电网直流输电系统退出了100 Hz保护I 段,但是低压限流功能同样可能在这一情况下引起安稳系统无法识别的传输功率降低、对系统的稳定造成严重威胁。
(2)在南方电网目前“强直弱交”的格局下,单条直流的紧急停运很可能造成其他直流换流站交流母线的电压跌落,从而引起多个直流输电系统同时发生换相失败,这将对电网造成更严重的冲击,如果直流输电系统不能从换相失败中快速恢复、或者换相失败又引起了交流保护误动[5~7],甚至会对电网稳定造成严重威胁。
(3)Siemens 直流输电系统根据换相失败的原理来检测,采用了事后补救的措施——检测到出现换相失败后,通过定熄弧角控制使系统从故障中恢复;而ABB 直流输电系统的换相失败相关技术主要采用了预测手段,通过对交流系统故障的严重程度进行判断,提前采取措施以避免换相失败。
虽然ABB 直流输电系统采用的预测型定熄弧角控制策略同样不可能完全避免换相失败[13],而且其换相失败预测技术还存在一些难点和缺陷,如换相失败的判断标准[17]、未考虑阀丢失触发脉冲或直流电流增大等其他可能引起换相失败的因素等,但其事先预防的思路从理论上来说,可以更好地避免换相失败故障期间直流电流突增、直流电压降低、换流阀寿命缩短等一系列的问题。而且,从运行经验来看,交流系统故障是近年来引起换相失败最主要的原因,因此,建议考虑在天广、高肇及兴安直流输电系统中借鉴、参考ABB 直流系统的换相失败预测技术,进一步完善控制保护功能,确保设备的安全和系统的稳定运行。 参考文献
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即:
21
U α=U a −(U b +U c ) (3)
33U β=U b −U c ) (4)
其中: u α、u b 、u c 分别为交流三相电压,u α和u β为u α-β矢量在α-β平面α轴和β 轴上对应的分量,三相对称分量经变换后在α-β平面得到一个以角速度w 旋转的矢量,其幅值为:
22
U αβ=α+U β
(5)
如果在时刻t ,幅值u αβ与故障前该量的差大于设
定值,则认为将发生换相失败,并将该差值转换为角度量,相应的减小逆变侧触发角。 3.3 结论 由“10·19”这一实例也可以看出,单条直流的紧急停运,不但会对交流系统造成不良冲击,还可能引起其他直流输电系统发生换相失败等故障,如果不能从换相失败中快速恢复、或者换相失败又引起了交流保护误动[5~7],这甚至将严重威胁到电网的稳定。随着南方电网直流输电系统规模的进一步扩大,交直流系统之间的相互影响需要更深入的研究。而ABB 直流输电系统采用的预测型定熄弧角控制策略,其事先预防的思路从理论上来说,可以更好地避免换相失败故障期间直流电流突增、直流电压降低、换流阀寿命缩短等一系列的问题,建议有关部门对其进行深入的研究,考察这种方法是否有助于直流输电系统更快的从换相失败故障中恢
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朱韬析(1980-),男,硕士,工程师,目前从事直流输电维护工作;E-mail :[email protected]
宁武军(1970-),男,工程师,从事电力物资管理及招标工作;
欧开健(1974-),男,硕士,工程师,研究方向为直流系统仿真、交直流电力系统仿真分析。