逆变器换相失败发生机理及其抑制方法研究
送端交流系统故障引发逆变侧换相失败机理分析及抑制策略
送端交流系统故障引发逆变侧换相失败机理分析及抑制策略史映萍;尹纯亚;李凤婷;韩璐;刘江山;张雨乐
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2024(52)10
【摘要】针对送端交流系统故障恢复期间引发逆变侧换相失败的问题,首先,基于交直流系统无功功率交互作用机理及关断角表达式深入剖析了逆变侧的运行特性,阐明了不同故障严重程度下直流电流上升速度与幅值变化规律,得出直流电流在轻微故障下过大的幅值及严重故障下过快的上升速度是导致换相失败的主要原因。
其次,定量计算了不同故障严重程度下的整流器无功消耗量指令值,建立了整流器无功消耗量与直流电流、直流电压的数学关系,据此提出一种基于整流器无功功率控制的换相失败抑制策略。
最后,基于PSCAD/EMTDC的仿真结果验证了理论分析的准确性以及所提抑制策略的有效性。
【总页数】10页(P54-63)
【作者】史映萍;尹纯亚;李凤婷;韩璐;刘江山;张雨乐
【作者单位】新疆大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM7
【相关文献】
1.抑制换相失败期间送端电网过电压的控制策略研究
2.换相失败下直流送端SVC 无功反调机理分析及控制策略研究
3.换相失败引发送端混合级联直流系统换流母
线暂态电压波动机理及抑制策略4.整流侧交流系统故障引发逆变器换相失败的原因分析及抑制方法研究5.HVDC送端系统振荡引发受端换相失败的机理分析
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逆变侧控制策略对换相失败影响的研究
逆变侧控制策略对换相失败影响的研究
1 换相失败影响
随着新能源发电系统的发展，如风力发电、太阳能发电等新能源
不断涌入网络，调整对网络负荷及功率仿真的复杂性和灵活性日益增长，而新能源中的反向变压器在PV和风电发电系统中经常涉及换相操作。
它的失败不仅会影响发电系统的可靠性和安全性，而且还会影响
反向变压器的正常运行，重新启动换相需要一定的时间，换相失败还
会对有效负荷的变动造成严重的影响，严重时可能会造成短路。
2 逆变侧控制策略
逆变侧控制策略是改善换相失败影响的一种有效方法。
由于换相
失败在普通换相过程中运用最普遍的反向变压器控制策略时很容易发生，而且可能导致负荷变动的异常，因此使用逆变侧控制的主要目的
是通过优化具体的换相策略来改善换相过程中的反向变压器工作性能，以保证正常的换相过程顺利完成并减少变动过程中负载变动量。
3 研究目标
为此，本文旨在探讨逆变侧控制策略对换相失败影响的研究：首先，介绍基于模拟和仿真的反向逆变技术对换相操作中变压器故障和
暂态条件的改善；其次，研究不同的换相策略结果用于换相操作，从
而有效改善换相失败的风险；最后，基于仿真的结果比较不同控制策
略对换相操作改善效果。
4 研究结论
逆变侧控制策略可以有效改善换相失败中变压器损害的风险，从而有效改善反向变压器换相稳定性和换相危险性，最大限度保证反向变压器的正常运行和可靠性。
通过实验和仿真，可以看出逆变侧控制策略对换相失败的影响是显著的，可以有效地提高换相稳定性，并降低换相失败的风险，对网络的可靠性和安全性起到了重要的作用。
换相失败研讨
主要原因是工作人员对操作规程不熟 悉，未严格按照规定执行。此外，设 备本身存在一定的缺陷，如过载保护 装置未能及时动作。
加强工作人员对换相操作的培训，严 格遵守操作规程，加强设备的维护和 保养，确保其正常运转。
Байду номын сангаас例二
事故经过
该供电局对某线路进行换相操 作时，因设备故障导致相位指 示不准确，最终引起大面积停
换相失败类型
不同类型的换相失败可以根据其产生的原因 和表现形式进行分类。
常见的换相失败类型包括：振荡型换相失败 、瞬态型换相失败、断路型换相失败等。
换相失败的影响
换相失败会对电力系统和用电设备产生一系列不利影响。 换相失败可能导致电力系统的稳定性降低、设备损坏、保护装置误动作等问题。
02
换相失败的原因分析
电网污染
电网中的高次谐波、浪涌 电流等干扰导致换相失败
原因四：其他因素
环境影响
1
如雷击、风暴等自然灾害导致换相失败
程序设计
2
程序设计缺陷导致换相失败
人为破坏
3
人为破坏导致设备损坏或换相失败
03
换相失败的预防措施
措施一：加强设备维护管理
定期检修设备
建立健全维护档案
及时更新设备
对换相设备进行定期的检修， 及时发现和处理可能存在的故 障和问题。
措施四：其他处理措施
检查设备
及时检查设备内部结构，以确保设备正常运行。
维护保养
定期对设备进行维护保养，以使其长期保持良好的工作状态。
05
换相失败的案例分析
案例一：某工厂换相失败导致设备损坏事故
事故经过
原因分析
总结教训
该工厂变电所进行换相操作时，工作 人员操作失误，导致某线路的相位错 误，设备因过载而损坏。
换相失败研讨
换相失败研讨pptxx年xx月xx日contents •换相失败的介绍•换相失败的判断和处理•换相失败的防范措施•换相失败的安全管理措施•结论与展望目录01换相失败的介绍换相失败是指直流电路中，三相或两相负荷电流产生的磁场由于相互作用而使电动机的旋转磁场暂时失去平衡状态，导致电动机旋转方向改变的现象。
换相失败多发生在采用滑环电动机的直流可逆系统中，是直流电动机的一种常见故障。
换相失败的定义换相失败的常见原因机械负载不平衡或机械传动卡死。
转子和定子气隙不均匀或磁通不平衡。
电动机本身故障（电枢短路、断路或接地等）。
电源缺相或绕组接反。
电源电压过低或不平衡。
影响电动机的运行和生产工艺，使生产设备被迫停机或损坏。
引起电网电压波动，影响其他用电设备的正常运行。
产生强烈的电磁干扰信号，对通信设备和电子设备造成干扰。
换相失败的影响02换相失败的判断和处理换相失败的判断换相失败常导致电流出现异常波动，如过载、过流或断流。
电流异常电压异常相位异常机械故障换相失败可能导致电压波动，如过压或欠压。
换相失败可能导致相位波动，如不同步或失步。
换相失败可能伴随机械故障，如电机振动或噪声。
换相失败的处理方法调整与换相相关的控制参数，如触发延迟角或换相重叠角。
调整控制参数检查电机接线是否正确，如相位和旋转方向。
检查电机接线检查机械负载是否过重或存在不平衡，调整负载分布。
检查机械负载若换相失败持续存在，考虑更换电机或驱动器。
更换电机或驱动器处理换相失败时，应确保操作安全，避免直接接触电机和驱动器。
注意安全在处理换相失败时，应记录异常信息以供参考和分析。
记录异常信息处理换相失败时，应了解问题原因并采取针对性措施，避免盲目操作。
避免盲目操作若换相失败情况复杂或严重，应及时联系专业维护人员进行排查和处理。
及时联系维护人员处理换相失败的注意事项03换相失败的防范措施严格按照操作规程进行换相在电力系统中，换相操作具有严格的操作规程和安全要求，操作人员必须认真学习并熟练掌握。
电容换相逆变器换相失败的研究
但是对于一个给定的电容换相换流器ＣＣＣ （Ｃａｐａｃｉ心Ｃｏｍｍｕ脚ｅｄ Ｃ明ｖｅｎｅｒ）直流输电工程，其 换相电容在设计初期就确定了。运行过程中是静态 值，不会发生变化。因此在设计换相电容时，需要保 证适当的静态换相裕度。如果换相电容设计值过
电容换相逆变器换相失败的研究
项玲，胡敏强，郑建勇 （东南大学电气工程系．江苏南京２１００９６）
摘要：换相失赃是直流输电系统的常见故障之一．研究逆变器的熄孤角对理解换相失败的本质及 设计保护措施具有重要意义。详细描述传统逆变器熄孤角、电容换相逆变器的视在熄孤角和实际 熄弧角的概念和数学模型．比较、分析三者之间的区剐与联系。根据熄弧角的数学模型推导实际熄 弧角的数学模型，分析影响电容换相逆变器换相失败的主要因素以覆影响规律：电容换相逆变器 在直流电流下降和交流母线电压升高时，实际熄弧角均减小。可能导致换相失败；换相电容设计值过 大，静态换相裕度较小；变流系统不对称会恶化电容换相逆变器的换相性能．甚至导致换相失败。 关键词：电容挨相逆变器；换相失败；视在熄弧角；实际熄弧角 中国分类号：ＴＭ ４６４；１Ｍ ７２１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—６０４７（２００７）１０—００５６一０３
大，静态换相裕度较小，则由于直流电流下降或者 换流母线电压上升而引起换相失败的几率将增大。
此外．换相电容还有一个作用．可以看成ｘ。的
存在相对削弱了丘对，划的影响。当红和“恒定 时．对于确定的口，换相电抗丘越大，ｙ越小。从图４ 可以看出，盖。增大，７砌和７均减小；当ｘ。一定时，ｙ触随 口的增大而减小，而ｙ却随目的减小而减小。 ２４交流系统不对称
2-12-逆变失败及其抑制办法
逆变失败及其抑制办法◆逆变失败的概念。
◆逆变失败的原因。
◆安全工作条件与最小逆变角。
◆什么是逆变失败？☞逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。
◆逆变失败的原因☞触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常配脉冲如脉冲丢失脉冲延时等致使晶闸管不能正常换相。
☞晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。
发生故障该断时不断或该通时不通☞交流电源缺相或突然消失。
☞换相的裕量角不足，引起换相失败。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）◆考虑变压器漏抗引起重叠角对逆变电路换相的影响☞以VT 3和VT 1的换相过程来分析，在β>γ时，经过换相过程后程后，a 相电压u a 仍高于c 相电压u c ，所以换相结束时，能使VT 3承受反压而关断。
☞当β<γ时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点p 点之后，u c 将高于u a ，晶闸管VT 1承受反压而重新关断，使得应该关断的VT 3不能关断却继续导通，且c 相电压随着时间的推迟愈来愈高电动势迟愈来愈高，电动势顺向串联导致逆变失败。
☞逆变角β不能太小。
◆确定最小逆变角的依据'minθγδβ++=βmin ☞逆变时允许采用的最小逆变角β应等于1. δ为晶闸管的关断时间t q 折合的电角度,约4°~5°2. 为换相重叠角，根据换相重叠表格计算γ为换相重叠角根据换相重叠表格计算3. θ'为安全裕量角(针对脉冲不对称)约取为10°。
◆设计逆变电路时minββ≥本节要点一、逆变失败的含义和原因二、最小逆变角的限制。
换相失败研讨
基本原理图
������
为故障 发生时刻； t1 为故障清除时刻； t2 为直流功率恢复 至原指令值的时刻，此时开始提升直流功率， t3 为 直流功率回降时刻。
������������为直流实际输送功率；������������������������ 为直流功率指令值；t0
第三部分 |换相失败抑制措施
第三部分
换相失败抑制措施
第三部分 | 换相失败抑制措施
70%
提前触发脉冲，减小触发角
60%
直流功率的能量面积补偿方法
第三部分 |换相失败抑制措施
基本原理
������ = ������ − ������ = ������ + ������ α是触发延迟角，β为触发超前角，γ为熄弧角（关断角），μ为换向重叠角。 当������ ≤ ������min ，直流系统发生换相失败，其中������min 为固有极限熄弧角。 交流系统对称时，逆变器的关断角为������ = arccos[
U:交流电压幅值
Xc:换相电抗
K:换流变比
第一部分 |换相失败的原因
交流电压幅值U的影响
• 当逆变侧交流系统发生故障时，直流系统控制器的响应 和换流变压器的分接头变化都需一定的时间，所以故障瞬间γ 和变压器变比K保持不变。由上式知当其它变量不变时，U的 降低将使关断角y减少，从而导致换相失败。
直流输电系统中逆变器换相失败的因素分析
增大系统消耗 " 的增大会减少直流系统的传输功率、 的无功功率! 所以， 如何确定一个合适的 " 是直流输电 运行与控制的一个关键问题! # ! $" 换流变压器变比对换相失败的影响 由式 （#） 可以看出， 减小变比 " 可以使关断角 ! 增大， 避免静态时关断角 ! 过小， 从而减小换相失败的 发生机会! 不过由于换流变压器变比调整的时间常数 较大 （ 通常在 %& ’ 左右） ， 因此故障暂态时它不能很好 地防止换相失败的发生! 但静态时， 通过换流变压器分 接头控制能使常州换流站的关断角保持在一定范围 内， 从而减少换相失败的发生机会!
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收稿日期： "##% C B" C BG
万方数据 作者简介： 魏建炜 （ B)I" C ） ， 男， 甘肃天水人， 重庆大学硕士研究生， 主要从事电力系统及其自动化方向研究A
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逆变器换相失败发生机理及其抑制方法研究
发表时间：2018-06-08T10:15:49.457Z 来源：《电力设备》2018年第2期作者：黄浩宇周勇汪伟
[导读] 摘要：首先分析了换相失败的机理，明确了直流电流对换相失败的影响。
（国网江西九江供电分公司九江 332000）
摘要：首先分析了换相失败的机理，明确了直流电流对换相失败的影响。
其次，对VDCOL及动态VDCOL的参数进行改进，引入simplex算法对VDCOL参数优化，达到在交直流混合系统受端换流母线发生严重的三相短路故障时，减小受端系统逆变器消耗无功的峰值同时加快受端有功传输恢复速度，从而有效的抑制后续换相失败，在防止系统电压及功角失稳，具有一定的作用；最后，基于
PSCAD/EMTDC仿真验证参数优化的有效性
关键词：换流器；换相失败；VDCOL；优化
引言
近年来我国高压直流技术迅速发展，交直流系统规模日趋扩大，电力系统网络庞大复杂，以往建立的电网的静态及暂态稳定性理论难以支撑当今复合大电网系统可靠性评估。
就南方电网而言已经形成了多馈入直流交直流混合系统，规划到2018年将形成八回路（天广直流、贵广Ⅰ直流、贵广Ⅱ直流、三广直流、云广直流、糯扎渡直流、溪洛渡直流、鲁西直流）直流落点均在广东的混合复杂电网[1]。
“强直弱交”系统使交直流相互影响的问题日趋突出，尤其是换流器换相失败的发生，给电网系统及用电用户造成了巨大冲击和经济损失，据统计就2010年11月到2012年六月期间南方电网已由于换相失败而发生了多起南网主网变压器跳闸事故，严重影响到国民日常生活的正常有序的进行。
因而对于换相失败的发生发展机理的研究及如何有效的抑制其发生成为了电网安全运行的重要课题[2]。
本文从换相失败的宏观及微观机理进行定性分析，推导出发生换相失败的主要因素，进而究其主要因素，对VDCOL参数进行优化，减小故障后换流器无功消耗的峰值数值同时加快有功传输的恢复；基于PSCAD/EMTDC仿真平台，以某实际直流系统为原型，搭建仿真系统，在单馈入直流相系统的受端换流母线上作短路实例研究，基于Simplex算法对VDCOL控制系统参数进行改进优化，从而提高直流受端系统的暂态稳定性。
1.换流器机理分析
1.1换相失败发生原理及分析
另外，逆变器触发电路工作不可靠造成触发脉冲不能准确适时为晶闸管分配脉冲和晶闸管反向击穿也都会引发直流的换相失败。
综上分析可知，引发换相失败的因素有：逆变器交流侧线电压U大幅下降；超前触发角的降低；直流电流过大；交流系统发生不上对称故障引起换相电压的相角过零点漂移；逆变器系统内部故障。
触发电路工作不可靠，不能适时、准确地为晶闸管分配脉冲（如脉冲延迟、丢失、误触发等），晶闸管性质损坏（如反向击穿等）。
对于多直流落点系统，若各直流落点之间电气距离较小，将时换相失败问题更加复杂。
一回直流逆变站发生换相失败可能会引起多直流同时换相失败，这种情况下各直流逆变站之间耦合关系成为多回路直流是否发生换相失败的重要因素。
此外，交流系统故障的发生地点、故障严重程度也会影响到MIDC输电系统换相失败的发生。
1.2换相失败对直流输电系统的影响
逆变器发生换相失败将导致直流电流急剧上升，整流侧电流调节器增大触发角以限制直流电流，此时整流器将消耗更多的无功功率，约为直流输送功率的30%~40%，使整流侧换相电压下降。
而在逆变侧，由于换相失败后逆变器侧直流电压为零，直流功率也降到零，从而逆变器消耗无功也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功流入交流系统，将导致弱交流系统出现过电压。
交直流互联系统故障期
间，直流系统应该输送尽可能多的功率，且在交流故障切除后使直流功率快速恢复，以缓解交流系统功率失衡，而换相失败是导致直流功率不能快速恢复的主要原因，因而过快的直流功率恢复可能造成后续换相失败及交流系统电压和功角失稳，产生严重事故。
由于换相失败带来以上严重影响，因而亟需采取必要继电保护措施防止换相失败及后续换相失败的发生，本文以下引入基于VDCOL控制的方法来抑制换相失败的发生，且依据目前的提出的方案在常规VDCOL基础上改进其控制性能，进一步提升直流系统故障后的恢复特性。
2.VDCOL控制参数优化
2.1VDCOL控制机理
VDCOL作用是在直流电压或交流电压跌落到某个指定值时对直流电流指令进行限制。
典型VDCOL控制模块如图3所示。
4.结论
（1）换相失败主要原因是熄弧角过小，引发直流换相失败因素主要有逆变侧交流线电压下降、直流电流剧增、超前触发角过小及直流逆变器内部故障。
（2）基于Simplex算法VDCOL参数优化改进能减小故障恢复期间受端无功消耗峰值，加快有功传输的恢复。
（3）对于受端多直流落点系统改进新型VDCOL有一定的局限性。
本文只对对称故障且发生在逆变站附近故障进行了验证。
参考文献：
[1]李新年，易君，李柏青等.直流输电系统换相失败仿真分析及运行情况统计.电网技术[J]，2012，36，6：266-271
[2]艾飞，李兴源，李伟等.HVDC换相失败判据及其恢复策略的研究.四川电力技术[J]，2008，31，4，10-13
[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].第2版.北京：中国电力出版社，2011.56-85
[4]林凌雪，张尧，钟庆等.多馈入直流输电系统中换相失败研究综述.电网技术[J]，2006，30，17.40-46
[5]黄玉东.高压直流输电换相失败的研究[D].北京：华北电力大学，2006，25-28
[6]黄浩宇.多直流馈入系统恢复特性及协调有序恢复策略研究[D].华南理工大学，2016.。