云廣特高壓直流換相失?。河绊懸蛩仄饰雠c抑制策略探究一、引言1.1研究背景與意義隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性日益增加。特高壓直流輸電作為一種高效、大容量的輸電方式，在實(shí)現(xiàn)能源資源優(yōu)化配置、促進(jìn)電力系統(tǒng)互聯(lián)互通等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。云廣特高壓直流輸電工程作為我國(guó)特高壓直流輸電的重要示范項(xiàng)目，對(duì)于保障南方地區(qū)的電力供應(yīng)、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有不可替代的作用。該工程西起云南楚雄州祿豐縣，東至廣東增城市，線路全長(zhǎng)1438公里，額定輸送容量500萬千瓦，于2009年12月28日單極投運(yùn)，2010年6月18日雙極投產(chǎn)。它不僅是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)史上的一個(gè)里程碑，也在世界電力工程史上具有重大意義。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換相失敗是一種常見且嚴(yán)重的故障。換相失敗是指在換流器中，退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的一段時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓期間換相過程未進(jìn)行完畢，則在閥電壓變成正向時(shí)，被換相的閥都將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相。這種故障一旦發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致直流功率迅速下降，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大沖擊。嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致直流閉鎖，電能供應(yīng)徹底中斷，給生產(chǎn)生活帶來極大的不便和損失。例如，在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，一處換相失敗可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致多個(gè)逆變站同時(shí)發(fā)生換相失敗，甚至可能引發(fā)電網(wǎng)崩潰。而且，換相失敗還可能對(duì)電氣設(shè)備造成損害，如引起設(shè)備過熱、絕緣老化加速等問題，縮短設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本和更換頻率。深入研究云廣特高壓直流換相失敗的影響因素及抑制方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)影響因素的分析，可以更好地理解換相失敗的發(fā)生機(jī)理，從而為制定有效的抑制策略提供理論依據(jù)。有效的抑制方法能夠降低換相失敗的發(fā)生概率，提高云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保障電力的安全、穩(wěn)定供應(yīng)，為南方地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的電力支撐。研究成果還可以為其他特高壓直流輸電工程提供參考和借鑒，推動(dòng)我國(guó)特高壓直流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀換相失敗作為特高壓直流輸電系統(tǒng)中備受關(guān)注的問題，多年來吸引了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的深入探索，積累了豐富的研究成果。在國(guó)外，學(xué)者們對(duì)換相失敗的基礎(chǔ)理論研究開展較早，深入剖析了換相失敗的內(nèi)在機(jī)理。[國(guó)外文獻(xiàn)1]從晶閘管的物理特性出發(fā)，詳細(xì)闡述了換相失敗發(fā)生時(shí)晶閘管的工作狀態(tài)變化，指出晶閘管在反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力或換相過程未完成是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的關(guān)鍵因素，并建立了基于晶閘管特性的換相失敗數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。[國(guó)外文獻(xiàn)2]通過對(duì)大量實(shí)際工程案例的分析，總結(jié)出交流系統(tǒng)故障是引發(fā)換相失敗的主要外部原因，尤其是交流系統(tǒng)的短路故障，會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)換流母線電壓急劇下降，進(jìn)而增加換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)，不同類型的短路故障對(duì)換相失敗的影響程度存在差異，例如兩相短路和單相接地短路在某些特定條件下更容易引發(fā)換相失敗。在抑制方法研究方面，國(guó)外也取得了顯著進(jìn)展。[國(guó)外文獻(xiàn)3]提出了基于附加控制器的換相失敗抑制策略，通過在直流控制系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制環(huán)節(jié)，能夠根據(jù)交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整觸發(fā)角，有效增加換相裕度，降低換相失敗的發(fā)生概率。[國(guó)外文獻(xiàn)4]則致力于研發(fā)新型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用VSC換流器無換相失敗的特性，在交流系統(tǒng)故障時(shí)為常規(guī)直流系統(tǒng)提供電壓和無功支撐，顯著緩解了換相失敗問題。國(guó)內(nèi)對(duì)于云廣特高壓直流換相失敗的研究緊密結(jié)合工程實(shí)際，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。眾多學(xué)者運(yùn)用PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等仿真軟件，對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)建立了精確的電磁暫態(tài)仿真模型，深入研究換相失敗的影響因素和抑制方法。[國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)1]以南方電網(wǎng)2010年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上對(duì)云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)變壓器變比的調(diào)整對(duì)換相失敗有重要影響，減小變比可在一定程度上避免換相失敗，而過大變比則可能引發(fā)故障。該研究還詳細(xì)分析了不同類型故障下系統(tǒng)的響應(yīng)特性，為制定針對(duì)性的抑制策略提供了依據(jù)。[國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)2]針對(duì)云廣特高壓直流輸電負(fù)極運(yùn)行時(shí)的換相失敗問題展開研究，采用仿真與理論分析相結(jié)合的方法，探討了開關(guān)控制信號(hào)、換流閥絕緣性能等因素對(duì)換相失敗的影響，并提出了一系列控制策略，如安裝過流、過壓保護(hù)裝置，優(yōu)化控制策略，定期檢查維護(hù)設(shè)備以及強(qiáng)化人員培訓(xùn)等，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。在抑制方法研究上，國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了許多創(chuàng)新思路。[國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)3]提出通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)來抑制換相失敗，包括實(shí)施負(fù)載管理策略、優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)方案和頻率控制策略等，以改善系統(tǒng)的運(yùn)行特性，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。[國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)4]則從改進(jìn)繼電保護(hù)系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出了新的故障判別策略和保護(hù)裝置升級(jí)方案，能夠更快速、準(zhǔn)確地識(shí)別故障并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，有效減少因保護(hù)裝置誤動(dòng)作或拒動(dòng)導(dǎo)致的換相失敗。盡管國(guó)內(nèi)外在云廣特高壓直流換相失敗研究領(lǐng)域已取得豐碩成果，但仍存在一些不足與空白?，F(xiàn)有研究在考慮多種復(fù)雜因素耦合作用對(duì)換相失敗的影響方面還不夠深入，例如不同控制策略之間的交互影響、交直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的相互作用等。在抑制方法方面，雖然已提出多種方案，但部分方法在實(shí)際工程應(yīng)用中存在成本高、實(shí)施難度大等問題，缺乏綜合考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的優(yōu)化方案。針對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下（如極端天氣、特殊負(fù)荷變化等）的換相失敗問題，研究還不夠充分，缺乏具有針對(duì)性和適應(yīng)性的應(yīng)對(duì)策略。本文將在已有研究的基礎(chǔ)上，深入研究多種復(fù)雜因素耦合作用下云廣特高壓直流換相失敗的影響機(jī)制，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可靠性等因素，提出更加優(yōu)化、實(shí)用的抑制方法。同時(shí)，針對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的特殊運(yùn)行工況，開展深入研究，制定具有針對(duì)性和適應(yīng)性的換相失敗預(yù)防與應(yīng)對(duì)策略，以期為云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更加堅(jiān)實(shí)的理論支持和技術(shù)保障。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文聚焦云廣特高壓直流換相失敗這一關(guān)鍵問題，圍繞其原理、影響因素及抑制方法展開深入研究，具體內(nèi)容如下：換相失敗原理剖析：深入探究換相失敗的基本原理，從晶閘管的工作特性出發(fā)，分析在換流器中換相失敗發(fā)生的具體過程和內(nèi)在機(jī)制。研究換相過程中晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件，以及當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如反向電壓作用下晶閘管未能恢復(fù)阻斷能力或換相過程未完成，導(dǎo)致?lián)Q相失敗的詳細(xì)原因。通過對(duì)六脈動(dòng)換流器和十二脈動(dòng)換流器換相原理的研究，明確換相失敗在不同換流器結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)形式和特點(diǎn)，為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。影響因素全面分析：綜合考慮多種因素對(duì)云廣特高壓直流換相失敗的影響。研究交流系統(tǒng)故障類型，如三相短路、兩相短路、單相接地短路等不同故障形式對(duì)換相失敗的影響機(jī)制，分析故障發(fā)生時(shí)交流母線電壓的變化、電流的波動(dòng)以及這些變化如何導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生。探討故障持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)換相失敗的影響程度，以及故障切除時(shí)間對(duì)系統(tǒng)恢復(fù)和換相失敗再次發(fā)生的可能性。深入研究變壓器變比的調(diào)整對(duì)換相失敗的影響，分析不同變比設(shè)置下系統(tǒng)的運(yùn)行特性和換相裕度的變化，找出變壓器變比與換相失敗之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時(shí)，考慮直流輸電系統(tǒng)的控制策略，如觸發(fā)角控制、熄弧角控制等對(duì)換相失敗的影響，研究不同控制策略在面對(duì)各種工況時(shí)的有效性和局限性。抑制方法深入研究：在充分了解換相失敗原理和影響因素的基礎(chǔ)上，研究并提出有效的抑制方法。從改進(jìn)控制策略的角度出發(fā)，提出基于自適應(yīng)控制的方法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如電壓、電流、頻率等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)角和熄弧角，以增加換相裕度，降低換相失敗的發(fā)生概率。探討采用附加控制器的方式，如引入功率平衡控制器、無功補(bǔ)償控制器等，來優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行特性，提高系統(tǒng)對(duì)換相失敗的抵御能力。研究新型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在抑制換相失敗方面的應(yīng)用，分析混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等新型拓?fù)淙绾卫闷渥陨韮?yōu)勢(shì)，如VSC換流器無換相失敗的特性，為常規(guī)直流系統(tǒng)提供電壓和無功支撐，從而有效緩解換相失敗問題。結(jié)合云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際工程需求，綜合考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素，對(duì)提出的抑制方法進(jìn)行優(yōu)化和篩選，提出適合云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的綜合抑制方案。仿真分析與案例驗(yàn)證：運(yùn)用PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)建立精確的電磁暫態(tài)仿真模型。在仿真模型中，模擬各種可能導(dǎo)致?lián)Q相失敗的工況，如不同類型的交流系統(tǒng)故障、變壓器變比的變化、控制策略的調(diào)整等，通過對(duì)仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，深入研究換相失敗的發(fā)生過程、影響因素之間的相互作用以及抑制方法的有效性。收集云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的換相失敗案例，對(duì)案例進(jìn)行深入剖析，將仿真結(jié)果與實(shí)際案例進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善和優(yōu)化研究成果，確保研究結(jié)論的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。1.3.2研究方法本文采用多種研究方法相結(jié)合的方式，以確保研究的全面性、深入性和可靠性，具體方法如下：理論分析：從電力電子學(xué)、電力系統(tǒng)分析等基礎(chǔ)理論出發(fā)，深入研究換相失敗的基本原理和內(nèi)在機(jī)制。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和公式推導(dǎo)，分析換相過程中晶閘管的工作狀態(tài)、電壓電流關(guān)系以及各種因素對(duì)換相失敗的影響規(guī)律。通過理論分析，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，明確研究的方向和重點(diǎn)。案例研究：收集和整理云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)以及其他相關(guān)直流輸電工程中發(fā)生的換相失敗案例，對(duì)這些案例進(jìn)行詳細(xì)的分析和總結(jié)。研究案例中換相失敗發(fā)生的背景、原因、過程和影響，從中提取有價(jià)值的信息和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過案例研究，深入了解換相失敗在實(shí)際工程中的表現(xiàn)形式和特點(diǎn)，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，并為提出有效的抑制方法提供實(shí)踐依據(jù)。仿真分析：利用PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等先進(jìn)的仿真軟件，建立云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的精確仿真模型。在仿真模型中，設(shè)置各種不同的運(yùn)行工況和故障場(chǎng)景，模擬換相失敗的發(fā)生過程。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，如電壓、電流、功率等參數(shù)的變化曲線，深入研究換相失敗的影響因素和抑制方法的效果。仿真分析能夠在虛擬環(huán)境中對(duì)各種情況進(jìn)行全面、深入的研究，避免了實(shí)際試驗(yàn)的高成本和高風(fēng)險(xiǎn)，為研究提供了高效、靈活的手段。二、云廣特高壓直流輸電工程概述2.1工程簡(jiǎn)介云廣特高壓直流輸電工程作為我國(guó)特高壓直流輸電領(lǐng)域的重要示范工程，具有重大的戰(zhàn)略意義和工程價(jià)值。該工程西起云南楚雄州祿豐縣的楚雄換流站，東至廣東增城市的穗東換流站，線路全長(zhǎng)1438公里，橫跨云南、廣西、廣東三省區(qū)。其額定輸電電壓為±800千伏，額定輸送容量達(dá)500萬千瓦，動(dòng)態(tài)總投資137億元，于2006年12月19日開工建設(shè)，2009年12月28日單極投運(yùn)，2010年6月18日雙極投產(chǎn)。在西電東送戰(zhàn)略布局中，云廣特高壓直流輸電工程扮演著關(guān)鍵角色。我國(guó)能源資源與電力負(fù)荷分布極不均衡，80%以上的能源資源集中在西部、北部地區(qū)，而70%以上的電力消費(fèi)卻集中在中部、東部等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。云南擁有豐富的水電資源，如小灣、金安橋水電站等，而廣東作為經(jīng)濟(jì)大省，電力需求旺盛。云廣特高壓直流輸電工程的建成，將云南的清潔水電高效、大容量地輸送到廣東，實(shí)現(xiàn)了能源資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，有力地促進(jìn)了東西部地區(qū)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)調(diào)發(fā)展。自投運(yùn)以來，云廣特高壓直流輸電工程在保障電力供應(yīng)、促進(jìn)節(jié)能減排等方面發(fā)揮了顯著作用。截至2022年，該工程累計(jì)向廣東珠三角負(fù)荷中心輸送云南清潔水電超3000億千瓦時(shí)，相當(dāng)于1.5億戶普通家庭1年的用電量，為廣東的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的電力支撐。同時(shí)，這些清潔水電的輸送，有效減少了廣東地區(qū)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低了碳排放和污染物排放，對(duì)改善廣東的大氣環(huán)境質(zhì)量、助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有積極意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，云廣直流工程累計(jì)向廣東輸送的清潔電量，相當(dāng)于為國(guó)家節(jié)約標(biāo)煤3600余萬噸，減少二氧化碳排放9000余萬噸，節(jié)能減排成效顯著。云廣特高壓直流輸電工程還榮獲了“亞洲最佳輸配電工程獎(jiǎng)”等多項(xiàng)榮譽(yù)，其成功建設(shè)和運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在特高壓直流輸電技術(shù)、裝備制造和工程建設(shè)等方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為后續(xù)特高壓直流輸電工程的建設(shè)和發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)主要由送端楚雄換流站、受端穗東換流站以及連接兩站的直流輸電線路組成。送端楚雄換流站位于云南楚雄州祿豐縣，通過2回500kV交流線路與云南主網(wǎng)500kV廠口變電站相連，小灣水電站和金橋水電站分別通過2回和2回500kV線路向楚雄站送電，負(fù)責(zé)將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，為整個(gè)輸電系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源輸出。受端穗東換流站位于廣東增城市，分別以2回500kV交流出線接入增城、橫瀝和水鄉(xiāng)變電站，承擔(dān)著將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔懿⒔尤霃V東電網(wǎng)的關(guān)鍵任務(wù)，確保電能能夠順利輸送到廣東的電力負(fù)荷中心。兩站之間的直流輸電線路全長(zhǎng)1438公里，采用±800千伏的電壓等級(jí)進(jìn)行輸電，線路采用雙極配置，每極都能獨(dú)立運(yùn)行，在一極發(fā)生故障時(shí)，另一極可繼續(xù)運(yùn)行并發(fā)揮過負(fù)荷能力，保持一定的送電功率或減少功率損失，極大地提高了輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)運(yùn)行具有顯著特點(diǎn)。大功率輸電能力是其突出優(yōu)勢(shì)，額定輸送容量達(dá)500萬千瓦，能夠滿足廣東地區(qū)大規(guī)模的電力需求，為廣東的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)大的電力支撐。長(zhǎng)距離傳輸特性也十分明顯，1438公里的輸電距離跨越了云南、廣西、廣東三省區(qū)，實(shí)現(xiàn)了能源資源在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的優(yōu)化配置，將云南豐富的水電資源高效地輸送到廣東。在控制靈活性方面，云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)配備了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，能夠快速、精確地調(diào)節(jié)電流、功率等參數(shù)。例如，當(dāng)廣東地區(qū)電力需求發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)可以迅速調(diào)整直流輸電的功率，以滿足負(fù)荷需求；在交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)還能通過快速調(diào)節(jié)觸發(fā)角等方式，保障直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，有效提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在電力系統(tǒng)適應(yīng)性上，該系統(tǒng)表現(xiàn)出色。它能夠與云南和廣東的交流電網(wǎng)良好配合，在不同的電網(wǎng)運(yùn)行工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。在云南電網(wǎng)水電大發(fā)期間，能夠及時(shí)將多余的水電輸送到廣東；在廣東電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，也能確保足夠的電力供應(yīng)，為南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。三、換相失敗原理分析3.1換相過程解析在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流器是實(shí)現(xiàn)交直流電能轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，其正常換相過程對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的換流器采用晶閘管作為開關(guān)器件，通過對(duì)晶閘管的精確控制來實(shí)現(xiàn)換相操作。以六脈動(dòng)換流器為例，其由六個(gè)晶閘管組成，分別標(biāo)記為V1-V6，這些晶閘管按一定順序連接成三相橋式結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，晶閘管的觸發(fā)、導(dǎo)通與關(guān)斷遵循嚴(yán)格的順序。當(dāng)交流電源的正半周時(shí)，假設(shè)A相電壓高于B相和C相電壓，此時(shí)觸發(fā)晶閘管V1，V1導(dǎo)通，電流從A相電源經(jīng)V1、負(fù)載、直流電抗器流向直流側(cè)。在ωt=60°時(shí)，觸發(fā)晶閘管V2，由于B相電壓此時(shí)高于A相電壓，電流開始從V1轉(zhuǎn)移到V2，這個(gè)過程稱為換相，V1承受反向電壓而關(guān)斷。隨著交流電源的變化，依次觸發(fā)V3、V4、V5、V6，完成一個(gè)周期的換相過程。在這個(gè)過程中，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°，相鄰兩個(gè)晶閘管之間的換相間隔為60°。在十二脈動(dòng)換流器中，它是由兩個(gè)六脈動(dòng)換流器串聯(lián)組成，通過換流變壓器的不同接線方式，使兩個(gè)六脈動(dòng)換流器的輸出電壓在相位上相差30°。這樣可以有效減少直流側(cè)的諧波含量，提高輸電效率。其換相過程更為復(fù)雜，需要精確協(xié)調(diào)兩個(gè)六脈動(dòng)換流器中晶閘管的觸發(fā)、導(dǎo)通與關(guān)斷順序。例如，在一個(gè)六脈動(dòng)換流器進(jìn)行換相時(shí)，另一個(gè)六脈動(dòng)換流器也在按照自身的換相順序運(yùn)行，兩者之間的相互配合確保了十二脈動(dòng)換流器的穩(wěn)定工作。在實(shí)際運(yùn)行中，云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的換流器通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)，精確控制晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻和觸發(fā)脈沖寬度，以保證換相過程的順利進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)調(diào)整觸發(fā)策略，確保換流器在各種工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。3.2換相失敗定義與現(xiàn)象換相失敗是逆變器運(yùn)行過程中常見且影響嚴(yán)重的故障，對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成重大威脅。當(dāng)逆變器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí)，若換相過程未能順利完成，或者預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥在關(guān)斷后，于反向電壓期間未能恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)加在該閥上的電壓變?yōu)檎龝r(shí)，該閥立即重新導(dǎo)通，發(fā)生倒換相，致使預(yù)計(jì)開通的閥重新關(guān)斷，這種情況即為換相失敗。從本質(zhì)上講，換相失敗是由于晶閘管在換相過程中的異常工作狀態(tài)導(dǎo)致的，它打破了換流器正常的換相順序和規(guī)律，使電能轉(zhuǎn)換過程出現(xiàn)紊亂。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換相失敗發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列明顯的現(xiàn)象。直流電流會(huì)急劇增大，這是因?yàn)閾Q相失敗導(dǎo)致逆變器的工作狀態(tài)異常，無法正?？刂浦绷麟娏?，使得直流電流失去穩(wěn)定，呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí)，直流電流可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)上升至額定值的數(shù)倍，對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備造成巨大的電流沖擊。交流電流也會(huì)出現(xiàn)異常，可能表現(xiàn)為電流波形畸變、幅值大幅波動(dòng)等。換相失敗還會(huì)引發(fā)交流電壓的波動(dòng)，導(dǎo)致交流母線電壓下降或出現(xiàn)大幅振蕩，嚴(yán)重影響交流系統(tǒng)的電能質(zhì)量。當(dāng)交流系統(tǒng)與多個(gè)換流站相連時(shí)，一處換流站發(fā)生換相失敗引發(fā)的交流電壓波動(dòng)，可能會(huì)通過交流電網(wǎng)傳播，影響其他換流站的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致多個(gè)換流站同時(shí)出現(xiàn)換相失敗，危及整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。換相失敗還可能導(dǎo)致直流功率迅速下降，使輸電系統(tǒng)的輸電能力大幅降低，無法滿足負(fù)荷需求，對(duì)電力系統(tǒng)的正常供電造成嚴(yán)重影響。在某些情況下，換相失敗如果不能及時(shí)得到有效處理，可能會(huì)進(jìn)一步引發(fā)直流閉鎖，導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)完全停止運(yùn)行，造成大面積停電事故，給社會(huì)生產(chǎn)和生活帶來極大的不便和損失。在2012年9月12日云廣特高壓直流發(fā)生的“9?12”事故中，500kV增穗甲線A相故障跳閘重合成功，引發(fā)穗東站雙極四閥組均發(fā)生換相失敗，隨后極1直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作而停運(yùn)極1，此次事故不僅導(dǎo)致了該條直流輸電線路的停運(yùn)，還對(duì)廣東電網(wǎng)的電力供應(yīng)產(chǎn)生了較大影響，充分體現(xiàn)了換相失敗的嚴(yán)重危害。3.3換相失敗危害換相失敗對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)及整個(gè)電網(wǎng)的危害是多方面的，且影響深遠(yuǎn)。在設(shè)備層面，換相失敗發(fā)生時(shí)，直流電流的急劇增大和交流電流的異常波動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)中的電氣設(shè)備承受遠(yuǎn)超正常運(yùn)行時(shí)的電流和電壓應(yīng)力。例如，換流變壓器在換相失敗時(shí)，會(huì)受到劇烈的電磁力沖擊，可能導(dǎo)致繞組變形、絕緣損壞等問題，嚴(yán)重影響變壓器的使用壽命和可靠性。換流閥也會(huì)因承受過高的電流和電壓而加速老化，甚至可能直接損壞，更換換流閥不僅成本高昂，而且會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停電，給電力供應(yīng)帶來極大的不便。在電網(wǎng)運(yùn)行方面，換相失敗引發(fā)的交流電壓波動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。當(dāng)交流母線電壓下降或出現(xiàn)大幅振蕩時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的其他設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等無法正常運(yùn)行。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，一處換流站發(fā)生換相失敗引發(fā)的交流電壓波動(dòng)，可能會(huì)通過交流電網(wǎng)傳播，影響其他換流站的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致多個(gè)換流站同時(shí)出現(xiàn)換相失敗，進(jìn)而引發(fā)電網(wǎng)的電壓崩潰，造成大面積停電事故。在2003年美加“8?14”大停電事故中，雖然事故的直接原因是樹木接觸輸電線路引發(fā)的繼電保護(hù)誤動(dòng)作，但后續(xù)的連鎖反應(yīng)中，多個(gè)直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)的崩潰，導(dǎo)致美國(guó)東北部和加拿大安大略省大面積停電，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)生活帶來了巨大損失。換相失敗還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的供電可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。由于換相失敗可能導(dǎo)致直流功率迅速下降甚至直流閉鎖，使輸電系統(tǒng)的輸電能力大幅降低，無法滿足負(fù)荷需求，從而導(dǎo)致用戶端出現(xiàn)停電或電壓質(zhì)量下降的情況。對(duì)于一些對(duì)電力供應(yīng)可靠性要求極高的用戶，如醫(yī)院、金融機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)中心等，短暫的停電或電壓波動(dòng)都可能造成嚴(yán)重的后果。醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備可能因停電而無法正常工作，危及患者生命安全；金融機(jī)構(gòu)的交易系統(tǒng)可能因電壓波動(dòng)而出現(xiàn)故障，導(dǎo)致交易中斷和經(jīng)濟(jì)損失；數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器可能因電力問題而丟失數(shù)據(jù)，影響企業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)。換相失敗對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)及整個(gè)電網(wǎng)的危害不容忽視，它不僅會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還會(huì)降低供電可靠性，給社會(huì)生產(chǎn)和生活帶來諸多不便和損失。因此，深入研究換相失敗的影響因素及抑制方法，對(duì)于保障云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)整個(gè)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要意義。四、影響因素分析4.1內(nèi)部因素4.1.1晶閘管特性晶閘管作為云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)換流器的核心元件，其特性對(duì)換相失敗有著至關(guān)重要的影響。晶閘管的恢復(fù)時(shí)間是指其在關(guān)斷后，從失去正向阻斷能力到重新恢復(fù)正向阻斷能力所需的時(shí)間。在換相過程中，當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，其內(nèi)部的載流子需要一定時(shí)間復(fù)合，以恢復(fù)阻斷能力。如果晶閘管的恢復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，在反向電壓消失后，晶閘管仍未恢復(fù)阻斷能力，就容易導(dǎo)致?lián)Q相失敗。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障，電壓瞬間跌落時(shí)，晶閘管的恢復(fù)時(shí)間可能會(huì)受到影響而延長(zhǎng)。若此時(shí)晶閘管未能及時(shí)恢復(fù)阻斷能力，在電壓恢復(fù)正向時(shí)，就會(huì)發(fā)生倒換相，引發(fā)換相失敗。極限熄弧角也是晶閘管的一個(gè)關(guān)鍵特性。極限熄弧角γmin是指在特定條件下，晶閘管能夠可靠關(guān)斷的最小熄弧角。在實(shí)際運(yùn)行中，如果逆變器的熄弧角γ小于γmin，就意味著晶閘管在關(guān)斷過程中承受反向電壓的時(shí)間不足，無法充分恢復(fù)阻斷能力，從而增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)直流電流增大或交流系統(tǒng)電壓降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逆變器的熄弧角減小。如果此時(shí)熄弧角小于極限熄弧角，就極有可能發(fā)生換相失敗。通過優(yōu)化晶閘管參數(shù)，可以有效降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。在晶閘管的設(shè)計(jì)和制造過程中，可以采用先進(jìn)的材料和工藝，縮短晶閘管的恢復(fù)時(shí)間，提高其關(guān)斷速度。通過優(yōu)化晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少載流子復(fù)合所需的時(shí)間，從而使晶閘管能夠更快地恢復(fù)阻斷能力。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，合理調(diào)整觸發(fā)角和熄弧角，確保晶閘管在換相過程中能夠可靠地關(guān)斷和導(dǎo)通。在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，可以適當(dāng)增大觸發(fā)角，以增加晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，避免因電壓過低導(dǎo)致?lián)Q相失??；同時(shí)，合理調(diào)整熄弧角，使其始終大于極限熄弧角，確保晶閘管能夠正常關(guān)斷。4.1.2換流變壓器變比換流變壓器作為云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其變比的變化對(duì)換相失敗有著顯著影響。換流變壓器的主要作用是實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，為換流器提供合適的交流電壓，同時(shí)起到電氣隔離和抑制諧波的作用。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器的變比直接影響著換流器的運(yùn)行特性和換相過程。當(dāng)換流變壓器變比發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器交流側(cè)電壓的幅值和相位發(fā)生改變，進(jìn)而影響換相過程中的電壓和電流分布。若變比設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)使換流器在換相過程中無法提供足夠的換相電壓，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。當(dāng)變比過大時(shí)，換流器交流側(cè)電壓會(huì)降低，使得換相過程中晶閘管承受的反向電壓不足，無法及時(shí)關(guān)斷，從而引發(fā)換相失??；相反，若變比過小，換流器交流側(cè)電壓會(huì)升高，可能導(dǎo)致晶閘管承受過高的電壓應(yīng)力，影響其正常工作，也增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。以云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中的某一實(shí)際運(yùn)行工況為例，當(dāng)換流變壓器變比由設(shè)計(jì)值1.05調(diào)整為1.1時(shí)，通過PSCAD/EMTDC仿真軟件進(jìn)行模擬分析。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，換相過程順利進(jìn)行。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生輕微故障，電壓下降5%時(shí)，變比為1.05的情況下，系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制維持穩(wěn)定運(yùn)行，換相未出現(xiàn)失?。欢儽葹?.1時(shí)，由于交流側(cè)電壓降低幅度較大，換相電壓不足，導(dǎo)致晶閘管在換相過程中無法正常關(guān)斷，發(fā)生了換相失敗。此次換相失敗使得直流電流瞬間增大了20%，交流電流出現(xiàn)大幅波動(dòng)，交流母線電壓下降了8%，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響。這充分說明了換流變壓器變比不當(dāng)會(huì)顯著增加換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際工程中，必須合理選擇和調(diào)整換流變壓器變比，以確保云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.1.3控制系統(tǒng)性能控制系統(tǒng)在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中起著核心作用，其性能直接關(guān)系到換相過程的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)換相失敗有著深遠(yuǎn)影響?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)速度是其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，它決定了系統(tǒng)在面對(duì)各種運(yùn)行工況變化和故障時(shí)，能否及時(shí)、準(zhǔn)確地做出調(diào)整。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障，如短路故障導(dǎo)致交流母線電壓瞬間下降時(shí)，控制系統(tǒng)需要迅速響應(yīng)，調(diào)整觸發(fā)角、熄弧角等控制參數(shù)，以維持換流器的正常運(yùn)行，避免換相失敗。如果控制系統(tǒng)響應(yīng)速度過慢，無法在短時(shí)間內(nèi)完成參數(shù)調(diào)整，就可能導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在交流系統(tǒng)故障發(fā)生后的幾十毫秒內(nèi)，控制系統(tǒng)若不能及時(shí)增大觸發(fā)角，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間就無法得到有效調(diào)整，換相過程中的電壓和電流分布會(huì)出現(xiàn)異常，從而增加換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)?？刂撇呗砸彩怯绊憮Q相失敗的重要因素。云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)通常采用定電流控制、定功率控制、定熄弧角控制等多種控制策略。在不同的運(yùn)行工況下，合理選擇和切換控制策略對(duì)于維持系統(tǒng)穩(wěn)定、防止換相失敗至關(guān)重要。在正常運(yùn)行時(shí)，定電流控制策略可以有效維持直流電流的穩(wěn)定，確保換流器的正常工作；但當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，電壓大幅下降時(shí)，定電流控制策略可能無法及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，此時(shí)若能及時(shí)切換到定熄弧角控制策略，通過調(diào)整觸發(fā)角來保證熄弧角在安全范圍內(nèi)，就可以有效避免換相失敗。現(xiàn)有控制系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況時(shí)仍存在一些問題。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，各直流輸電線路之間存在電氣耦合，當(dāng)一條線路發(fā)生換相失敗時(shí)，可能會(huì)通過交流系統(tǒng)影響其他線路的運(yùn)行?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)在協(xié)調(diào)多回直流輸電線路的控制方面還不夠完善，難以有效應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜的交互影響，容易導(dǎo)致連鎖換相失敗。在面對(duì)快速變化的新能源接入等新情況時(shí)，現(xiàn)有控制系統(tǒng)的適應(yīng)性也有待提高。隨著風(fēng)電、光伏等新能源的大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性發(fā)生了顯著變化，如電壓和頻率的波動(dòng)更加頻繁和劇烈?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)可能無法及時(shí)準(zhǔn)確地感知這些變化，也難以快速調(diào)整控制策略以適應(yīng)新的運(yùn)行工況，從而增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高控制系統(tǒng)性能，需要從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。在硬件方面，采用高速、高性能的處理器和通信設(shè)備，提高控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度和信息傳輸效率，從而提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在軟件方面，優(yōu)化控制算法，引入智能控制技術(shù)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，使控制系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行工況。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)交流系統(tǒng)的變化趨勢(shì)，并提前調(diào)整控制參數(shù)，有效預(yù)防換相失敗的發(fā)生。還需要加強(qiáng)對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)中各直流線路之間的協(xié)調(diào)控制研究，開發(fā)更加完善的協(xié)調(diào)控制策略，以提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。4.2外部因素4.2.1交流系統(tǒng)故障交流系統(tǒng)故障是導(dǎo)致云廣特高壓直流換相失敗的重要外部因素之一，其中短路和接地故障對(duì)換相失敗有著顯著影響。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，如三相短路、兩相短路或單相接地短路，會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)換流母線電壓急劇下降。以三相短路故障為例，在短路瞬間，短路點(diǎn)附近的電壓幾乎降為零，通過交流電網(wǎng)的傳輸，換流母線電壓也會(huì)大幅降低。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)交流系統(tǒng)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，距離故障點(diǎn)較近的換流母線電壓可能在幾十毫秒內(nèi)下降50%以上。換流母線電壓的下降會(huì)嚴(yán)重影響換相過程。在正常換相過程中，換流閥需要一定的電壓來實(shí)現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)移和晶閘管的關(guān)斷。當(dāng)換流母線電壓降低時(shí)，換相電壓不足，晶閘管在換相過程中承受的反向電壓減小，關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)。如果反向電壓持續(xù)時(shí)間不足以使晶閘管恢復(fù)阻斷能力，當(dāng)電壓變?yōu)檎驎r(shí)，晶閘管就會(huì)重新導(dǎo)通，發(fā)生換相失敗。在某一實(shí)際案例中，云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的交流系統(tǒng)發(fā)生了一次兩相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為100毫秒。故障發(fā)生后，換流母線電壓下降了30%，導(dǎo)致正在進(jìn)行換相的晶閘管無法正常關(guān)斷，發(fā)生了換相失敗。此次換相失敗使得直流電流瞬間增大了15%，交流電流出現(xiàn)大幅波動(dòng)，交流母線電壓進(jìn)一步下降，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響。接地故障同樣會(huì)對(duì)換相失敗產(chǎn)生影響。單相接地故障時(shí)，接地相電壓會(huì)大幅降低，而其他兩相電壓會(huì)升高，這會(huì)導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓不平衡，進(jìn)而影響換相過程。在某些情況下，接地電阻的大小也會(huì)影響故障電流的大小和分布，從而對(duì)換相失敗產(chǎn)生不同程度的影響。當(dāng)接地電阻較小時(shí)，故障電流較大，對(duì)交流系統(tǒng)電壓的影響更為顯著，增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)；而當(dāng)接地電阻較大時(shí)，故障電流相對(duì)較小，但仍可能通過影響交流系統(tǒng)的電壓和相位，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的一次實(shí)際運(yùn)行中，交流系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，接地電阻為10歐姆。故障發(fā)生后，交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不平衡，換流母線電壓波動(dòng)較大，最終導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生。此次換相失敗導(dǎo)致直流功率下降了20%，影響了電力的正常輸送。故障位置和持續(xù)時(shí)間與換相失敗也密切相關(guān)。故障位置越靠近換流站，對(duì)換流母線電壓的影響越大，換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)也就越高。當(dāng)交流系統(tǒng)在換流站附近發(fā)生故障時(shí)，故障電流會(huì)直接影響換流站的交流母線電壓，導(dǎo)致?lián)Q相電壓嚴(yán)重不足，從而引發(fā)換相失敗。故障持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，換相失敗的可能性和危害程度也越大。長(zhǎng)時(shí)間的故障會(huì)使換流母線電壓持續(xù)處于低水平，晶閘管無法正常恢復(fù)阻斷能力，增加了換相失敗的概率。而且，持續(xù)的換相失敗會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備造成更大的損害，如換流閥過熱、換流變壓器絕緣老化加速等，進(jìn)一步危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在一次云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的故障中，交流系統(tǒng)在距離換流站10公里處發(fā)生了短路故障，故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200毫秒。由于故障位置靠近換流站且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，換流母線電壓急劇下降且長(zhǎng)時(shí)間無法恢復(fù)，導(dǎo)致多次換相失敗，最終引發(fā)了直流閉鎖，造成了大面積停電事故，給社會(huì)生產(chǎn)和生活帶來了極大的影響。4.2.2電網(wǎng)諧波干擾電網(wǎng)中存在的諧波對(duì)云廣特高壓直流換相失敗有著重要的影響，其產(chǎn)生原因主要源于電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷。隨著工業(yè)的發(fā)展，大量的電力電子設(shè)備、電弧爐、整流器等非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)。這些設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)將正弦波的交流電流或電壓畸變，產(chǎn)生一系列頻率為基波整數(shù)倍的諧波電流和電壓。例如，電力電子設(shè)備中的晶閘管在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波；電弧爐在煉鋼過程中，由于電極與爐料之間的電弧不穩(wěn)定，也會(huì)產(chǎn)生豐富的諧波。諧波對(duì)換相失敗的影響機(jī)制較為復(fù)雜。諧波會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓波形畸變，使換相過程中的電壓條件發(fā)生變化。當(dāng)換流母線電壓中含有諧波時(shí)，其峰值和有效值會(huì)發(fā)生改變，從而影響晶閘管的觸發(fā)和關(guān)斷時(shí)刻。高次諧波還會(huì)使晶閘管的開通和關(guān)斷時(shí)間發(fā)生變化，導(dǎo)致?lián)Q相過程中的電流和電壓分布異常。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)換流母線電壓中含有5次諧波時(shí)，會(huì)使晶閘管的觸發(fā)角發(fā)生偏移，導(dǎo)致?lián)Q相提前或延遲，增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。諧波還會(huì)與系統(tǒng)中的電感、電容等元件發(fā)生諧振，產(chǎn)生過電壓和過電流，進(jìn)一步影響換相過程的穩(wěn)定性。當(dāng)諧波頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，使電壓和電流急劇增大，可能導(dǎo)致晶閘管損壞，引發(fā)換相失敗。為減少諧波干擾，濾波裝置發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前，常用的濾波裝置有單調(diào)諧濾波器、高通濾波器和有源電力濾波器等。單調(diào)諧濾波器通過選擇合適的電感和電容參數(shù)，使其對(duì)特定頻率的諧波具有極低的阻抗，從而將諧波電流旁路到大地。高通濾波器則主要用于濾除高次諧波，其具有較寬的通頻帶，能夠有效抑制高次諧波的傳輸。有源電力濾波器是一種新型的濾波裝置，它通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流，產(chǎn)生與之大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而抵消諧波電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的有效治理。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，在換流站交流側(cè)安裝了單調(diào)諧濾波器和有源電力濾波器。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，安裝濾波裝置后，換流母線電壓中的諧波含量明顯降低，5次諧波含量從原來的8%降低到了2%以下，11次諧波含量從5%降低到了1%以下。這有效改善了換相過程中的電壓條件，降低了換相失敗的發(fā)生概率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。4.2.3環(huán)境因素環(huán)境因素對(duì)云廣特高壓直流換相失敗有著不可忽視的影響，高溫、高濕、雷電等惡劣環(huán)境條件會(huì)對(duì)換流閥的絕緣性能產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在高溫環(huán)境下，換流閥內(nèi)部的晶閘管等元件的溫度會(huì)升高，其物理特性會(huì)發(fā)生變化。晶閘管的導(dǎo)通電阻會(huì)增大，這會(huì)導(dǎo)致元件在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步升高溫度，形成惡性循環(huán)。過高的溫度還會(huì)使晶閘管的恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，在換相過程中，晶閘管無法及時(shí)恢復(fù)阻斷能力，從而增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到40℃以上時(shí)，換流閥的故障率明顯上升，換相失敗的概率也隨之增加。高濕環(huán)境會(huì)使換流閥的絕緣性能下降。水分會(huì)在絕緣材料表面凝結(jié)，形成水膜，降低絕緣電阻。當(dāng)絕緣電阻降低到一定程度時(shí)，在換相過程中，可能會(huì)發(fā)生絕緣擊穿，導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)或關(guān)斷失敗，引發(fā)換相失敗。在濕度達(dá)到80%以上的高濕環(huán)境下，換流閥的絕緣性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，需要采取特殊的防潮措施來保證其正常運(yùn)行。雷電是一種強(qiáng)大的自然電磁干擾源，對(duì)換流閥的影響也較為嚴(yán)重。當(dāng)雷電擊中輸電線路或換流站附近的物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖。這些電磁脈沖會(huì)通過輸電線路、接地系統(tǒng)等途徑耦合到換流閥中，產(chǎn)生過電壓和過電流。過電壓可能會(huì)超過換流閥的耐受電壓，導(dǎo)致絕緣擊穿，損壞晶閘管等元件，從而引發(fā)換相失敗。在一次實(shí)際的雷電天氣中，云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)附近發(fā)生了雷擊事件，雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖導(dǎo)致?lián)Q流閥上出現(xiàn)了高達(dá)10倍額定電壓的過電壓，雖然系統(tǒng)中的避雷器等保護(hù)裝置動(dòng)作，但仍有部分晶閘管被擊穿，引發(fā)了換相失敗，導(dǎo)致直流功率下降，影響了電力的正常輸送。為應(yīng)對(duì)這些環(huán)境因素，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。在高溫環(huán)境下，可以加強(qiáng)換流閥的散熱措施，如增加散熱器的面積、提高冷卻介質(zhì)的流量等，以降低換流閥的溫度。采用高效的風(fēng)冷或水冷散熱系統(tǒng)，確保在高溫環(huán)境下?lián)Q流閥的溫度能夠保持在正常范圍內(nèi)。在高濕環(huán)境中，應(yīng)加強(qiáng)換流閥的防潮處理，如采用防潮涂料、安裝除濕設(shè)備等，提高絕緣性能。在換流站內(nèi)部安裝除濕機(jī)，將濕度控制在合適的范圍內(nèi)，防止水分對(duì)絕緣性能的影響。針對(duì)雷電防護(hù)，可以安裝避雷器、避雷針等裝置，將雷電產(chǎn)生的過電壓和過電流引入大地，保護(hù)換流閥免受雷擊損害。在換流站的進(jìn)線和出線處安裝氧化鋅避雷器，能夠有效限制雷電過電壓，提高系統(tǒng)的防雷能力。還可以采用電磁屏蔽措施，減少電磁脈沖對(duì)換流閥的影響，確保云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)在各種環(huán)境條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。五、抑制方法研究5.1優(yōu)化控制策略5.1.1基于熄弧角控制的策略在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，基于熄弧角控制的策略是防止換相失敗的重要手段之一，其原理基于對(duì)逆變器熄弧角的精確調(diào)控。熄弧角γ是指換流閥在關(guān)斷后，承受反向電壓的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度。在換相過程中，確保熄弧角大于極限熄弧角γmin是防止換相失敗的關(guān)鍵。當(dāng)熄弧角較小時(shí)，晶閘管在關(guān)斷后可能無法充分恢復(fù)阻斷能力，一旦電壓變?yōu)檎?，晶閘管就會(huì)重新導(dǎo)通，從而引發(fā)換相失敗。通過控制逆變器的觸發(fā)角α，能夠間接調(diào)整熄弧角γ。在正常運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)交流系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)，計(jì)算出合適的觸發(fā)角，以保證熄弧角處于安全范圍內(nèi)。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)增大觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，從而增加熄弧角，確保換相過程的順利進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，該策略取得了一定的效果。通過對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在采用基于熄弧角控制的策略后，換相失敗的發(fā)生次數(shù)明顯減少。在某一時(shí)間段內(nèi)，未采用該策略時(shí)，系統(tǒng)共發(fā)生換相失敗5次；采用該策略后，相同時(shí)間段內(nèi)換相失敗次數(shù)降低至2次。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整觸發(fā)角，有效應(yīng)對(duì)交流系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和故障，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但該策略也存在一定的局限性。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障，電壓大幅下降時(shí)，單純依靠調(diào)整觸發(fā)角來增大熄弧角可能無法滿足要求，此時(shí)需要結(jié)合其他控制策略或技術(shù)手段來共同抑制換相失敗。在交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，電壓瞬間大幅下降，即使將觸發(fā)角調(diào)整到最大，熄弧角仍可能小于極限熄弧角，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況，綜合運(yùn)用多種控制策略，以提高云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)換相失敗的抵御能力。5.1.2故障快速檢測(cè)與自適應(yīng)控制在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，故障快速檢測(cè)與自適應(yīng)控制對(duì)于抑制換相失敗至關(guān)重要?？焖贆z測(cè)系統(tǒng)故障是采取有效抑制措施的前提，而自適應(yīng)控制則能夠根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度靈活調(diào)整控制策略，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。故障快速檢測(cè)技術(shù)主要通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的關(guān)鍵電氣量來實(shí)現(xiàn)。利用電壓傳感器和電流傳感器，實(shí)時(shí)采集換流母線電壓、交流電流、直流電流等參數(shù)。通過對(duì)這些參數(shù)的變化進(jìn)行分析，判斷是否發(fā)生故障以及故障的類型和位置。當(dāng)檢測(cè)到換流母線電壓突然下降且超過一定閾值時(shí)，可初步判斷交流系統(tǒng)發(fā)生故障；再結(jié)合電流的變化情況，如交流電流的畸變程度和直流電流的突變情況，進(jìn)一步確定故障類型是短路故障還是接地故障等。還可以利用故障分量檢測(cè)技術(shù)，提取故障發(fā)生瞬間產(chǎn)生的故障分量，這些故障分量包含了豐富的故障信息，能夠幫助快速準(zhǔn)確地識(shí)別故障。在檢測(cè)到故障后，自適應(yīng)控制策略發(fā)揮關(guān)鍵作用。根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，自適應(yīng)調(diào)整觸發(fā)角、熄弧角等控制參數(shù)。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓下降時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)迅速增大觸發(fā)角，以增加熄弧角，提高換相裕度，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在嚴(yán)重故障情況下，可能還需要降低直流電流參考值，以減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，避免因電流過大導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的一次實(shí)際故障中，交流系統(tǒng)發(fā)生兩相短路故障，故障檢測(cè)系統(tǒng)在5毫秒內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)到故障，并迅速將故障信息傳遞給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，在10毫秒內(nèi)將觸發(fā)角增大了15°，同時(shí)將直流電流參考值降低了20%。通過這些自適應(yīng)控制措施，成功避免了換相失敗的發(fā)生，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高故障快速檢測(cè)與自適應(yīng)控制的性能，還可以引入智能算法。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)大量的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別不同類型的故障，并根據(jù)故障特征快速做出響應(yīng)。利用模糊控制算法，根據(jù)故障的模糊程度和嚴(yán)重程度，靈活調(diào)整控制策略，提高控制的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。通過這些智能算法的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)換相失敗的抑制能力，確保系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。5.2改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)5.2.1增強(qiáng)換流閥絕緣性能換流閥作為云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心部件，其絕緣性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)換相失敗有著重要影響。為增強(qiáng)換流閥絕緣性能，可從新型絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)兩方面入手。在新型絕緣材料應(yīng)用上，近年來，納米復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能在電力設(shè)備絕緣領(lǐng)域備受關(guān)注。納米復(fù)合材料是將納米級(jí)的填料均勻分散在傳統(tǒng)絕緣材料基體中形成的復(fù)合材料。以納米二氧化硅填充環(huán)氧樹脂為例，納米二氧化硅具有高比表面積和高活性，能夠與環(huán)氧樹脂充分結(jié)合。研究表明，添加適量的納米二氧化硅后，環(huán)氧樹脂的電氣強(qiáng)度可提高20%-30%，同時(shí)其耐電暈性能和熱穩(wěn)定性也得到顯著提升。在云廣特高壓直流換流閥中應(yīng)用納米復(fù)合材料，可有效增強(qiáng)其絕緣性能，降低因絕緣損壞導(dǎo)致?lián)Q相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。陶瓷絕緣材料也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。陶瓷材料具有高硬度、高熔點(diǎn)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的絕緣性能。例如，氮化硅陶瓷的絕緣電阻可達(dá)1014Ω?cm以上，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)100-200kV/mm。在換流閥中，采用陶瓷絕緣材料制作支撐絕緣子等部件，能夠承受更高的電壓和機(jī)械應(yīng)力，提高換流閥的絕緣可靠性。改進(jìn)絕緣結(jié)構(gòu)同樣是提升換流閥絕緣性能的關(guān)鍵。優(yōu)化均壓環(huán)設(shè)計(jì)是重要措施之一。均壓環(huán)能夠改善換流閥表面的電場(chǎng)分布，避免電場(chǎng)集中導(dǎo)致的絕緣擊穿。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用新型的均壓環(huán)結(jié)構(gòu)，如采用不等徑、變曲率的設(shè)計(jì)，可以使換流閥表面電場(chǎng)分布更加均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降低15%-20%。在云廣特高壓直流換流閥中應(yīng)用優(yōu)化后的均壓環(huán)，有效提高了絕緣性能，降低了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。采用新型絕緣套管也能增強(qiáng)絕緣性能。傳統(tǒng)的油紙絕緣套管在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，可能會(huì)受到水分、溫度等因素的影響，導(dǎo)致絕緣性能下降。而新型的硅橡膠絕緣套管具有良好的憎水性和耐老化性能，能夠有效抵御環(huán)境因素的影響。在高濕度環(huán)境下，硅橡膠絕緣套管的表面泄漏電流比油紙絕緣套管降低50%以上，大大提高了換流閥的絕緣可靠性，減少了因絕緣問題引發(fā)的換相失敗。5.2.2優(yōu)化換流變壓器設(shè)計(jì)換流變壓器作為云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)于提高系統(tǒng)抗換相失敗能力至關(guān)重要。通過優(yōu)化換流變壓器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，可以有效提升其性能，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在參數(shù)優(yōu)化方面，合理調(diào)整短路阻抗是關(guān)鍵。短路阻抗是換流變壓器的重要參數(shù)之一，它直接影響著換流變壓器的運(yùn)行特性和換相過程。當(dāng)短路阻抗增大時(shí)，換相電抗也會(huì)相應(yīng)增大，這會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相過程中的電壓降增大，從而影響換相的順利進(jìn)行。若短路阻抗過小，換流變壓器在故障時(shí)可能會(huì)承受過大的短路電流，對(duì)設(shè)備造成損壞。因此，需要根據(jù)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，合理選擇短路阻抗。在某一實(shí)際工程中，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短路阻抗從18%調(diào)整為16%時(shí)，在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，換相失敗的概率降低了30%。這是因?yàn)檫m當(dāng)降低短路阻抗，減小了換相電抗，使得換相過程中的電壓降減小，提高了換相的成功率。優(yōu)化變比設(shè)置也不容忽視。換流變壓器的變比直接影響著換流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，進(jìn)而影響換相過程。若變比設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器在換相過程中無法提供足夠的換相電壓，從而引發(fā)換相失敗。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，需要根據(jù)交流系統(tǒng)的電壓水平和直流輸電的要求，精確計(jì)算和調(diào)整換流變壓器的變比。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和仿真分析，確定了在不同運(yùn)行工況下的最佳變比設(shè)置，有效降低了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大的情況下，通過合理調(diào)整變比，使得換流器交流側(cè)電壓能夠保持在合適的范圍內(nèi)，確保了換相過程的順利進(jìn)行。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，改進(jìn)繞組結(jié)構(gòu)可以提高換流變壓器的抗短路能力和絕緣性能。采用分裂繞組結(jié)構(gòu)，將繞組分成多個(gè)分支，可以有效降低短路電流的大小和分布不均的問題，提高換流變壓器的抗短路能力。分裂繞組結(jié)構(gòu)還能改善繞組的電場(chǎng)分布，提高絕緣性能。在某一換流變壓器中，采用分裂繞組結(jié)構(gòu)后，短路電流降低了25%，繞組的絕緣可靠性得到了顯著提升，減少了因短路故障導(dǎo)致的換相失敗。增強(qiáng)鐵芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也十分重要。鐵芯是換流變壓器的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響著換流變壓器的穩(wěn)定性和可靠性。采用高強(qiáng)度的鐵芯材料和合理的鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高鐵芯的抗振動(dòng)和抗變形能力。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器可能會(huì)受到短路電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力的作用，若鐵芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，可能會(huì)導(dǎo)致鐵芯變形，影響變壓器的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)換相失敗。通過采用新型的鐵芯材料和優(yōu)化的鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增加鐵芯的支撐結(jié)構(gòu)和加固措施，有效提高了鐵芯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保了換流變壓器在各種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，降低了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。5.3加裝輔助設(shè)備5.3.1動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中對(duì)于維持交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、抑制換相失敗起著至關(guān)重要的作用，其中靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是兩種典型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。SVC由晶閘管所控制投切電抗器和電容器組成，其工作原理基于晶閘管對(duì)控制信號(hào)的快速響應(yīng)特性。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓發(fā)生變化時(shí)，SVC能夠迅速、平滑地調(diào)節(jié)無功功率輸出。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓下降時(shí)，SVC可以快速切除電抗器并投入電容器，向系統(tǒng)注入感性無功功率，從而提高交流母線電壓。SVC還能實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償，對(duì)于三相不平衡負(fù)荷及沖擊負(fù)荷具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)某一相出現(xiàn)負(fù)荷突變時(shí)，SVC能夠根據(jù)該相的電壓和無功需求，單獨(dú)調(diào)節(jié)該相的無功補(bǔ)償量，有效改善三相不平衡狀況。由于晶閘管控制電抗器的投切過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，因此需要加裝專門的濾波器來濾除諧波，以保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量。STATCOM作為當(dāng)今無功補(bǔ)償領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。它并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可控的無功電流源，其無功電流可以快速跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化。STATCOM利用可關(guān)斷大功率電力電子器件（如IGBT、GTO等）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)時(shí)，STATCOM能夠在極短的時(shí)間內(nèi)（通常在幾毫秒內(nèi)）響應(yīng)并調(diào)整無功輸出，有效維持交流母線電壓的穩(wěn)定。與SVC相比，STATCOM具有更快的響應(yīng)速度和更精確的無功控制能力，在抑制換相失敗方面具有更顯著的優(yōu)勢(shì)。在交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，STATCOM能夠迅速提供大量的無功支撐，有效提高換相電壓，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，通過在換流站交流側(cè)安裝SVC或STATCOM，能夠顯著改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，SVC和STATCOM能夠快速向系統(tǒng)注入無功功率，使交流母線電壓的下降幅度得到有效抑制。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和仿真分析，安裝SVC后，交流母線電壓在故障期間的最低值可提高10%-15%；安裝STATCOM后，交流母線電壓的最低值可提高15%-20%，從而有效降低了換相失敗的發(fā)生概率，保障了云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。5.3.2諧波濾波器諧波濾波器在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中對(duì)于濾除電網(wǎng)諧波、減少諧波對(duì)換相失敗的影響具有重要作用，常見的諧波濾波器類型包括單調(diào)諧濾波器、高通濾波器和有源電力濾波器等，它們各自具有獨(dú)特的工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)。單調(diào)諧濾波器是一種常見的無源濾波器，它由電感、電容和電阻串聯(lián)組成，通過選擇合適的電感和電容參數(shù)，使其對(duì)特定頻率的諧波具有極低的阻抗。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，單調(diào)諧濾波器主要用于濾除特定次數(shù)的諧波，如5次、7次諧波等。當(dāng)電網(wǎng)中存在這些特定頻率的諧波時(shí)，諧波電流會(huì)通過單調(diào)諧濾波器形成低阻抗通路，從而被旁路到大地，減少了諧波電流在電網(wǎng)中的流通。在換流站交流側(cè)安裝針對(duì)5次諧波的單調(diào)諧濾波器后，5次諧波電流含量可降低70%-80%，有效改善了交流電壓和電流的波形質(zhì)量，減少了諧波對(duì)換相過程的干擾，降低了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。高通濾波器也是一種無源濾波器，主要用于濾除高次諧波。它具有較寬的通頻帶，能夠有效抑制高次諧波的傳輸。高通濾波器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在某一實(shí)際工程中，在換流站交流側(cè)安裝高通濾波器后，11次及以上高次諧波電流含量明顯降低，有效減少了高次諧波對(duì)換相失敗的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有源電力濾波器是一種新型的濾波裝置，它通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流，產(chǎn)生與之大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而抵消諧波電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的有效治理。有源電力濾波器采用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)和控制算法，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償精度高、能夠動(dòng)態(tài)跟蹤諧波變化等優(yōu)點(diǎn)。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，有源電力濾波器能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)并補(bǔ)償諧波電流，有效改善換流母線電壓的波形質(zhì)量。在交流系統(tǒng)中存在復(fù)雜的諧波成分時(shí)，有源電力濾波器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整補(bǔ)償電流，使換流母線電壓的總諧波畸變率降低到5%以下，大大減少了諧波對(duì)換相失敗的影響，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)中，通過合理配置不同類型的諧波濾波器，能夠有效濾除電網(wǎng)中的諧波，改善換相過程中的電壓和電流條件，減少諧波對(duì)換相失敗的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。六、案例分析6.1“9?12”事故案例2012年9月12日，云廣特高壓直流發(fā)生了一起嚴(yán)重的雙極換相失敗并導(dǎo)致極1單極閉鎖事故，簡(jiǎn)稱“9?12”事故，此次事故引起了電力行業(yè)的廣泛關(guān)注，為研究云廣特高壓直流換相失敗提供了典型案例。事故發(fā)生的背景是云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行，承擔(dān)著將云南水電輸送到廣東的重要任務(wù)。當(dāng)日，500kV增穗甲線A相突發(fā)故障跳閘，隨后重合成功，但這一短暫的故障卻引發(fā)了一系列嚴(yán)重后果。故障發(fā)生后，穗東站雙極四閥組均發(fā)生換相失敗，這是由于交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致逆變側(cè)換流母線電壓急劇下降，換相過程受到嚴(yán)重影響。在換相失敗過程中，極1高端閥組Y橋和低端閥組D橋的換相出現(xiàn)異常。以極1高端閥組Y橋?yàn)槔?，T1時(shí)刻，觸發(fā)閥V3，V1開始向V3換相；然而1ms后，V1向V3換相不成功，V3向V1倒換相，本應(yīng)關(guān)斷的V1繼續(xù)導(dǎo)通，本應(yīng)導(dǎo)通的V3電流卻開始減少。T3時(shí)刻，觸發(fā)V4，V1和V4同時(shí)導(dǎo)通，形成直流短路，逆變側(cè)交流系統(tǒng)被旁路，直流電流迅速增大，A相、B相交流電流下降至零。后續(xù)的換相過程也持續(xù)異常，多個(gè)閥的導(dǎo)通和關(guān)斷出現(xiàn)紊亂，導(dǎo)致?lián)Q相失敗不斷加劇。此次事故造成了極1單極閉鎖，極大地影響了云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的輸電能力，減少了廣東地區(qū)的電力供應(yīng)。極1直流差動(dòng)保護(hù)（87DCM）動(dòng)作是導(dǎo)致極1單極閉鎖的直接原因，而該保護(hù)動(dòng)作的背后原因是換相失敗過程中極1高、低壓直流電流互感器暫態(tài)特性不一致。這種不一致使得高、低壓側(cè)直流電流測(cè)量值差值增大，滿足了直流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，最終導(dǎo)致直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，極1單極被迫閉鎖。此次事故還對(duì)廣東電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了沖擊，引起了電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。事故發(fā)生后，相關(guān)部門迅速采取措施，對(duì)事故原因進(jìn)行深入調(diào)查分析，并對(duì)云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的控制保護(hù)策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以防止類似事故再次發(fā)生，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。6.2事故原因深入剖析在“9?12”事故中，交流系統(tǒng)故障是引發(fā)換相失敗的首要因素。500kV增穗甲線A相故障跳閘重合成功這一事件，導(dǎo)致逆變側(cè)換流母線電壓急劇下降。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流瞬間增大，使得故障點(diǎn)附近的電壓大幅降低。由于輸電線路的阻抗存在，這種電壓降低會(huì)沿著線路傳播到換流站，導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓受到嚴(yán)重影響。在此次事故中，換流母線電壓在故障發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)下降幅度超過了30%，嚴(yán)重破壞了換相過程中的正常電壓條件，使得換相所需的電壓差無法滿足要求，從而為換相失敗埋下了隱患。從換相失敗過程來看，極1高端閥組Y橋和低端閥組D橋的換相過程出現(xiàn)了嚴(yán)重異常。以極1高端閥組Y橋?yàn)槔?，在正常情況下，觸發(fā)閥V3后，V1應(yīng)順利向V3換相。然而，在此次事故中，1ms后V1向V3換相不成功，反而出現(xiàn)V3向V1倒換相的情況。這是因?yàn)閾Q流母線電壓的下降導(dǎo)致?lián)Q相電壓不足，晶閘管在換相過程中承受的反向電壓減小，無法及時(shí)關(guān)斷，從而使得換相失敗。T3時(shí)刻，觸發(fā)V4后，V1和V4同時(shí)導(dǎo)通，形成直流短路，逆變側(cè)交流系統(tǒng)被旁路，直流電流迅速增大，A相、B相交流電流下降至零。這種異常的導(dǎo)通和電流變化進(jìn)一步加劇了換相失敗的程度，使得整個(gè)換相過程陷入混亂。極1直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)也是此次事故的關(guān)鍵問題。通常情況下，直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時(shí)，高壓直流電流與低壓直流電流大小相等，直流差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。在“9?12”事故中，極1高、低壓直流電流互感器暫態(tài)特性不一致，是導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的主要原因。在換相失敗過程中，由于電流的劇烈變化和電磁暫態(tài)過程的影響，高壓和低壓側(cè)的直流電流互感器在暫態(tài)響應(yīng)上出現(xiàn)差異。這種差異使得高、低壓側(cè)直流電流測(cè)量值差值增大，當(dāng)差值超過直流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)時(shí)，保護(hù)裝置誤動(dòng)作，最終導(dǎo)致極1單極閉鎖。通過對(duì)事故錄波數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)高壓側(cè)直流電流互感器在暫態(tài)過程中的響應(yīng)速度比低壓側(cè)快5-10ms，這短暫的時(shí)間差導(dǎo)致了電流測(cè)量值的不一致，從而引發(fā)了保護(hù)誤動(dòng)。此次事故充分暴露出云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)、換相過程穩(wěn)定性以及保護(hù)裝置可靠性等方面存在的問題，為后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了重要的方向。6.3應(yīng)對(duì)措施與效果評(píng)估針對(duì)“9?12”事故，相關(guān)部門采取了一系列改進(jìn)措施，旨在優(yōu)化控制策略，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，提高云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在控制策略優(yōu)化方面，改進(jìn)了故障檢測(cè)算法，采用了更加先進(jìn)的故障特征提取和識(shí)別技術(shù)，以提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性和速度。通過對(duì)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，利用小波變換、傅里葉變換等信號(hào)處理方法，能夠更精確地提取故障特征，快速判斷故障類型和位置。這使得系統(tǒng)在檢測(cè)到交流系統(tǒng)故障后，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，為后續(xù)的控制策略調(diào)整爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。在一次模擬交流系統(tǒng)短路故障的實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)后的故障檢測(cè)算法將故障檢測(cè)時(shí)間從原來的10毫秒縮短至5毫秒，大大提高了故障響應(yīng)速度。優(yōu)化了觸發(fā)角和熄弧角的控制策略。根據(jù)交流系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，如電壓、電流、頻率等參數(shù)，采用自適應(yīng)控制算法動(dòng)態(tài)調(diào)整觸發(fā)角和熄弧角。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，自動(dòng)增大觸發(fā)角，提前導(dǎo)通晶閘管，以增加熄弧角，確保換相過程的順利進(jìn)行。通過仿真分析，在交流系統(tǒng)電壓下降15%的情況下，采用優(yōu)化后的控制策略，熄弧角能夠保持在安全范圍內(nèi)，有效避免了換相失敗的發(fā)生。在設(shè)備維護(hù)方面，加強(qiáng)了對(duì)換流閥、換流變壓器等關(guān)鍵設(shè)備的巡檢和維護(hù)。制定了更加嚴(yán)格的巡檢制度，增加巡檢頻率，從原來的每周一次巡檢增加到每天一次巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的問題和隱患。在一次巡檢中，工作人員通過紅外測(cè)溫技術(shù)發(fā)現(xiàn)換流閥中某晶閘管的溫度異常升高，經(jīng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)是晶閘管的散熱片松動(dòng)導(dǎo)致散熱不良。及時(shí)對(duì)散熱片進(jìn)行緊固處理后，避免了因晶閘管過熱引發(fā)的換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的檢測(cè)和維護(hù)，包括對(duì)換流閥的絕緣性能檢測(cè)、換流變壓器的油質(zhì)檢測(cè)和繞組絕緣檢測(cè)等。在對(duì)換流變壓器進(jìn)行油質(zhì)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)油中的水分和雜質(zhì)含量超標(biāo)，及時(shí)進(jìn)行了濾油處理，更換了部分老化的絕緣材料，提高了換流變壓器的絕緣性能和可靠性，降低了因設(shè)備故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗的可能性。這些措施實(shí)施后，取得了顯著的效果。換相失敗的發(fā)生次數(shù)明顯減少，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在實(shí)施改進(jìn)措施后的一年時(shí)間里，云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)僅發(fā)生了1次換相失敗，而在措施實(shí)施前的一年，換相失敗發(fā)生次數(shù)為5次，下降幅度達(dá)到80%。交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了顯著提升，交流母線電壓的波動(dòng)范圍明顯減小