高压直流输电极易发生换相失败，新方法可实现其快速预防
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网北京市电力公司的研究人员王增平、刘席洋、郑博文、李永光，在2020年第7期《电工技术学报》上撰文，为减少高压直流输电系统换相失败的发生概率，从换相失败机理出发，提出了一种基于电压波形拟合的换相失败快速预测与抑制措施。仿真结果表明，所提方法不但可以实现换相失败的快速预测，同时还能在一定程度上抑制换相失败的发生，改善系统的故障恢复性能。
传统的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）凭借输送容量大、功率调节能力强、造价相对较低等特点，在我国“南北互供”、“西电东送”以及“全国联网”等国家电网发展战略中扮演了重要的角色。我国目前已有30多条高压直流输电工程建成并投入运行，已成为拥有直流输电工程最多、输送容量最大、输送线路最长的国家。
然而该输电技术的核心元件晶闸管却没有自关断能力，这导致其在逆变侧交流系统电压支撑不足的情况下极易发生换相失败。换相失败不仅会引发直流电流激增、导致换流阀受到冲击，还会造成直流功率的大幅度波动，严重情况甚至导致直流系统闭锁，该功率波动将给直流系统的送、受端电网安全稳定运行带来更为严峻的考验。
虽然传统高压直流输电技术有与生俱来的换相失败缺陷，但其在输送能力、输送距离、造价等方面的显著优点使其工程应用依旧广泛。因此，国内外学者针对换相失败的预防研究已经开展了大量的工作，其预防措施主要分为拓扑结构改进和控制策略优化两个方面。然而拓扑结构的改进虽然能从换相机理上消除换相失败，但改进成本过高，同时工程实施难度较大。
在控制策略优化方面，为实现换相失败的快速预防，其研究思路主要分为两个步骤：首先是换相失败的快速检测，其次是换相失败的快速抑制。目前应用于直流输电系统的换相失败检测分为实测型和预测型两大类。
1）实测型，是通过量测各换流阀换相结束时刻与对应的换相电压过零时刻的间隔，并将其转换为角度量从而获得熄弧角，通过与最小熄弧角的比较判断是否发生换相失败。首先实测型是对已经发生的换相失败进行检测，所以其后续采取的控制措施都在换相失败发生后，会导致控制系统的响应速度降低，其次因为直流工程中一个换流桥臂的晶闸管数量太多，故晶闸管的熄弧角不易测量。
2）预测型，是在逆变侧交流母线对三相电压提取零序分量或αβ变换，从而预测单相故障和三相对称故障所引发的换相失败。在此基础上，有学者针对电压过零点启动慢的缺点，提出了增加正弦-余弦分量的检测方法。虽然预测法在检测速度上大大提高，为抑制换相失败发生争取了更多的时间，但现有预测法针对换相失败是否发生的判据主要依赖仿真计算，无法建立换相失败与预测判据之间的物理关系，缺乏理论依据，需针对各个工况进行仿真，普适性有待提高。
目前针对换相失败的抑制措施主要为提前触发，增大换相裕度。但是有研究指出提前触发过大会导致无功需求增大，直流电流增大，这将更不利于换相过程。提前触发角度过大的主要原因是现有方法并未将提前触发角度与换相失败的边界条件建立物理关系，这也恰恰导致提前触发控制存在超调的可能性。
综合上述研究成果，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网北京市电力公司的研究人员从换相失败的物理判据出发，以换相需求面积和可供应最小换相面积之间的关系作为换相失败判断标准，利用三点法对故障前后的换相线电压波形进行拟合，从而实现对换相失败的快速预测；并在此基础上，通过换相失败的边界条件，借助换相面积理论求解出控制器的最大触发延迟角，增大换相裕度以实现对换相失败的快速抑制。
图1 换相失败预测示意图
图2 控制结构框图
图3 基于换相面积的触发角控制框图
基于CIGRE直流输电标准模型，对所提换相失败快速预测及抑制措施进行仿真验证，仿真结果表明本方法可以实现对换相失败的准确、快速预测，并在一定程度上抑制HVDC系统发生换相失败，并得到以下结论。
1）换相失败机理层面的原因是可供应最小换相面积小于换相需求面积，两者之间的关系可用来作为换相失败的检测判据，且物理意义清晰。
2）利用三点法快速拟合故障后的电压波形，可以完成换相失败的快速预测，且该预测不受故障类型、故障时间以及故障位置等因素的影响，且启动判据不依赖仿真，具有明晰的物理意义，保证预测的可靠性。
3）基于临界换相面积的量化触发角控制策略，可以实现更为精准的提前触发，不但能降低换相失败的发生风险，还能避免过度超前触发所引起的连续换相失败，从而有利于系统的故障恢复。