谐波对多馈入直流输电系统换相失败的影响

2017第六届新能源发电系统技术创新大会

中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。

文章正文开始

华北电力大学电气与电子工程学院、国网北京经济技术研究院的研究人员王玲、文俊、李亚男、刘婷婷、赵国鹏，在2017年第3期《电工技术学报》上撰文，从换相失败的产生机理出发，分析出谐波引起换相失败的根本原因，提出了电压时间面积的分析方法，同时定义并计算出了5、7、11、13次主导谐波分别导致换相失败时的换相失败临界偏移角和临界比例系数。

以实际上海多馈入直流输电系统为例，通过电网等效谐波模型及Ward等值算法，利用Matlab计算出背景谐波造成的直流接入点电压偏移量，给出各谐波引起换相失败的临界条件并进行了仿真验证。

最后提出了直流工程中防止谐波引起换相失败应满足的条件。所得结论对于交直流电网的规划与运行有实际参考作用。

多馈入直流(Multi-Infeed Direct Current，MIDC)输电系统是在单馈入直流输电基础上产生的，随着西电东送和全国联网战略的实施，目前，我国已形成两个含有超大规模多馈入直流输电系统的电网，华东电网和广东电网[1-3]。

MIDC输电系统直流总输送功率大，运行方式灵活，然而由于多回直流通过同一交流系统实现互连，各逆变站电气距离相对较近，电气耦合紧密，而每个逆变器都是一个巨大的谐波源，所以谐波不仅对受端交流系统产生谐波干扰，同时通过交流系统产生相互影响。一旦一回直流发生换相失败，且没得到有效的控制，可能会导致多回直流运行困难，甚至相继换相失败而闭锁，最终导致直流传输功率大幅度下跌，影响交流电网的频率稳定。

在对多馈入换相失败的研究中，文献[4]通过换相失败免疫因子（CFII）、多馈入短路比（MISCR）和多馈入相互作用因子（MIIF）来衡量直流系统对本地和同时换相失败的免疫程度；文献[5]提出了一种基于临界多馈入交互因子（CMIIF）判断多馈入直流系统换相失败的快速方法；文献[6]分析了电压畸变是导致MIDC输电系统发生异常换相失败的根本性的原因；文献[7]介绍了判断换相失败的主要方法并总结了换相失败的抑制措施以及换相失败后系统的恢复策略。

综上所述，以往的研究中针对换相失败的影响因素展开了深入的分析验证，但均未涉及谐波对换相失败的影响。文献[8]举例说明了三峡-广东直流发生的一次换相失败与电压畸变有关，与控制系统无关；文献[9]提出了谐波是导致后续换相失败和直流系统故障过程中功率波动的主要原因。但仅针对单回直流输电系统，并未得出导致换相失败的各影响因素的临界条件，也并未考虑MIDC输电系统中谐波的传递。

本文从换相失败的机理出发，提出电压时间面积的谐波分析方法，定义并定量计算了5、7、11、13次谐波导致换相失败的换相失败临界比例系数、临界偏移角及临界单次谐波电流含有率。

再通过电网等效谐波模型以及Ward等值算法计算出上海电网中四回逆变站在不同谐波频率下的节点阻抗矩阵，并利用Matlab软件计算出各直流逆变站发生临界换相失败时的临界谐波电压及临界谐波电流含有率，从而得出结论：谐波对MIDC输电系统换相失败的影响中，低次谐波电流在系统中的流动及相互作用是导致本站及其他各站发生换相失败的主要原因。

图1  多馈入直流输电系统

结论

本文从理论公式推导以及根据实际MIDC输电系统的等效模型及等值算法得到各直流接入点谐波频率下的节点导纳矩阵，进而定量研究谐波对MIDC输电系统换相失败的影响，得出各次谐波电流引起换相失败的各影响因素的临界值，并结合实际多馈入上海电网进行验证，得到以下结论：

1）谐波通过改变换相电压的幅值和相位影响逆变器的换相失败。谐波对换相失败的影响程度由换相失败临界偏移角、偏移限制角、换相失败临界比例系数等因素共同确定。

2）谐波对本站换相失败的影响普遍较强，但引发换相失败的单次谐波电流远高于换流站的谐波限值，只有当交流滤波器故障或严重失谐，以及交流系统发生谐波放大或谐振时，才可能发生单纯由于谐波而导致的换相失败。同时由其他站注入的谐波电流导致本站换相失败的概率很小。

3）谐波相互影响效果与直流额定容量PdN及逆变站间电气距离密切相关。直流容量越小，电气距离越小，谐波相互影响程度越大。

4）低次谐波对换相失败的影响更大。相同条件下，随着谐波电流频率的增高，逆变站间的谐波相互影响明显减弱，谐波导致换相失败的机率因此减小。这是由于，电网的阻尼能力随频率增高而加强所导致的。

本文的结论对于实际工程采取相应的保护和控制措施，减小换相失败发生的几率及多馈入直流输电的规划及运行有理论指导意义。未来还需要针对不同故障情况下谐波畸变造成的换相失败的抑制措施、故障时直流系统向交流系统注入的间谐波成分对换相失败的影响程度、多馈入互联阻抗对谐波传递的作用等方面展开研究，使多馈入直流输电系统在能源互联的大环境中能够更加安全可靠稳定的运行。