王嘉銘，余浩，陳武暉*

多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述

王嘉銘1，余浩2，陳武暉1*

（1．江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇省 鎮(zhèn)江市 212013；2．廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東省 廣州市 510080）

常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于多饋入直流輸電系統(tǒng)而言，由于各交直流系統(tǒng)間的互相作用影響，單個(gè)直流回路發(fā)生換相失敗可能會(huì)引起多條直流回路同時(shí)或者相繼發(fā)生換相失敗，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。從換相失敗的機(jī)理出發(fā)，引入多饋入交互作用因子來(lái)分析多饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的影響因素和判據(jù)，總結(jié)了目前抑制換相失敗的手段和策略，最后指出了在數(shù)學(xué)模型、換相失敗耦合機(jī)理和抑制措施方面值得更深入的探討和研究。

多饋入直流輸電系統(tǒng)；換相失?。欢囵伻虢换プ饔靡蜃?/p>

0 引言

隨著我國(guó)直流輸電技術(shù)的發(fā)展以及“西電東送、南電北送”戰(zhàn)略工程的落實(shí)，華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)已成為我國(guó)最大的多饋入直流輸電系統(tǒng)。截至2019年年底，已有11回直流輸電線路饋入華東電網(wǎng)[1]，另有3回在建中。根據(jù)規(guī)劃，在2020年廣東電網(wǎng)將有9回或者更多的直流落點(diǎn)[2]。屆時(shí)，中國(guó)將形成世界上容量最大、運(yùn)行最復(fù)雜的多饋入直流輸電系統(tǒng)。

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)最常見的故障之一，僅2017 年1—9 月，我國(guó)華東地區(qū)因交流故障而導(dǎo)致的換相失敗就有20 次[3]。換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流電壓下降和直流電流上升，當(dāng)故障嚴(yán)重或者控制不得當(dāng)時(shí)，可能會(huì)造成直流閉鎖而中斷直流功率的傳輸[4]，最終會(huì)危害到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。多饋入直流輸電系統(tǒng)相較于單饋入直流輸電系統(tǒng)具有更大的容量和更靈活的運(yùn)行方式，由于各直流線路間的相互耦合，以及交直流系統(tǒng)間的相互作用，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)引起多條直流線路發(fā)生同時(shí)或者相繼換相失敗，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的問題[5]。

換相失敗問題的研究較為復(fù)雜，本文根據(jù)多饋入直流輸電換相失敗的研究現(xiàn)狀，從換相失敗的機(jī)理出發(fā)，闡述了影響換相失敗的因素，總結(jié)換相失敗的判據(jù)，并討論了換相失敗的抑制措施和恢復(fù)策略，最后指出了研究多饋入直流輸電系統(tǒng)尚待解決的問題。

1 換相失敗的機(jī)理

在換流器中，退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用的時(shí)間過短，以至于退出換相的閥臂未能恢復(fù)阻斷正向電壓的能力，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?yōu)檎驎r(shí)，預(yù)定退出導(dǎo)通的閥重新導(dǎo)通，準(zhǔn)備導(dǎo)通的閥被重新關(guān)閉，這個(gè)過程稱為換相失敗[6]。

圖1為6脈動(dòng)逆變器原理圖，以VT1換相到VT3為例，在時(shí)刻給予VT3觸發(fā)電流，VT3導(dǎo)通，由VT1向VT3換相，換相期間，VT1電流逐漸減小，VT3電流逐漸增加。

圖1 6脈動(dòng)逆變器原理圖

1）若關(guān)斷角過小，VT1在承受正向電壓前依舊殘余載流子，VT1沒有完全關(guān)斷，由于其承受反向電壓的時(shí)間過短，VT1沒有恢復(fù)阻斷正向電壓的能力，則在其承受正向電壓時(shí)，VT1又重新導(dǎo)通，使得VT1向VT3換相失敗。

2）若VT1在承受反向電壓期間換相并沒有結(jié)束，即VT1電流并沒有減小到其維持電流以下，則當(dāng)VT1承受正向電壓時(shí)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通，VT3由于承受反向電壓而關(guān)斷，導(dǎo)致VT1向VT3換相失敗。

給予VT4觸發(fā)電流，VT2向VT4換相，VT4導(dǎo)通，此時(shí)VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通，則A相發(fā)生短路，導(dǎo)致直流側(cè)短路，無(wú)法傳輸直流功率。之后給予VT5觸發(fā)電流，由于VT5承受反向電壓，VT5不能導(dǎo)通。接著給予VT6觸發(fā)脈沖，VT4向VT6換相，此時(shí)直流側(cè)電流恢復(fù)正常。這是一次換相失敗，VT1導(dǎo)通了一個(gè)周波，VT2到VT4再到VT6換相正常。

上述1）的產(chǎn)生機(jī)理是與晶閘管的物理結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。晶閘管的關(guān)斷有一定的時(shí)延，晶間管中載流子在反向電壓作用下，通過遷移、擴(kuò)散和復(fù)合重新建立電勢(shì)壁壘[7]，直到完全恢復(fù)阻斷能力。但若晶閘管在關(guān)斷的過程中被重新施加正向電壓，即使門極沒有觸發(fā)電流，晶間管中仍有正向電流流過而導(dǎo)通[8]，從而發(fā)生換相失敗。

綜上所述，關(guān)斷角不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗。一般認(rèn)為，<min則會(huì)發(fā)生換相失敗。min為晶閘管固有的臨界關(guān)斷角，為載流子復(fù)合開關(guān)建立P-N 結(jié)阻擋層，以恢復(fù)正向阻斷能力所必需的時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度[9]，一般取min=7°。換相失敗多發(fā)生在逆變器中，整流器很少發(fā)生換相失敗，因?yàn)檎鱾?cè)換流閥在直流電流關(guān)斷后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均承受反向電壓，不存在再導(dǎo)通的物理?xiàng)l件，只有當(dāng)觸發(fā)電路發(fā)生故障時(shí)整流器才會(huì)發(fā)生換相失敗。

2 影響換相失敗的因素

多饋入直流輸電系統(tǒng)模型如圖2所示，各交流系統(tǒng)之間通過耦合阻抗[10]來(lái)表示。

圖2 多饋入直流輸電系統(tǒng)模型

逆變站的關(guān)斷角為

式中：n為換流變壓器變比；I為直流電流；X為換流阻抗cn和交流系統(tǒng)阻抗Nn歸算到換流器內(nèi)的等效換相阻抗；β為超前觸發(fā)角；U為逆變站換流母線上的電壓，此電壓還受其他逆變站換流母線的電壓和與其他逆變站之間的耦合阻抗影響。U應(yīng)表示為

換相失敗的本質(zhì)是

換相失敗的最主要原因是換流母線電壓的跌落[12]。由于各個(gè)換流母線電壓通過逆變器耦合會(huì)相互影響，所以為了方便研究多饋入直流輸電系統(tǒng)各個(gè)換流站之間電壓的相互作用，CIGRE WG B4提出了多饋入交互作用因子(multi-infeed interaction factor，MIIF)，其定義為：當(dāng)換流母線投入對(duì)稱三相電抗器，使得該母線上的電壓下降1%時(shí)，換流母線的電壓變化率為

顯然 0￡IIFji￡1，IIFji越大，則換流站與換流站間的相互作用越強(qiáng)[15]。多饋入交互作用因子MIIF可以表示逆變站之間的電氣耦合程度，研究影響MIIF的因素，即可研究逆變站之間是否會(huì)發(fā)生同時(shí)或者相繼換相失敗。文獻(xiàn)[13-14]也指出，增加交互作用因子，會(huì)增加同時(shí)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)[15]得出結(jié)論：直流落點(diǎn)間的聯(lián)系阻抗Z越小，交互作用因子IIFji、IIFij越大，即直流落點(diǎn)間的電氣距離越近，直流線路間的相互作用就越強(qiáng)，越容易發(fā)生同時(shí)換相失??；交流系統(tǒng)等值阻抗Z越大，IIFji越大，即線路對(duì)應(yīng)的交流系統(tǒng)強(qiáng)度越小，其他直流線路對(duì)線路的影響就越大。文獻(xiàn)[16]分析了直流控制方式對(duì)交互作用因子的影響，得出結(jié)論：當(dāng)直流線路采用定電流或定直流電壓控制方式時(shí)，電壓間的相互作用弱；當(dāng)直流線路采用定功率或定關(guān)斷角控制方式時(shí)，電壓間的相互作用強(qiáng)。文獻(xiàn)[17]分析了交流系統(tǒng)負(fù)荷特性對(duì)相互作用因子的影響，得出結(jié)論：有功負(fù)荷越大，相互作用因子就越小，無(wú)功負(fù)荷越大，相互作用因子就越大；當(dāng)系統(tǒng)采用恒阻抗負(fù)荷時(shí)，相互作用因子最小，采用恒電流負(fù)荷時(shí)次之，采用恒功率負(fù)荷時(shí)，相互作用因子最大。

在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的單饋入短路比無(wú)法考慮到各個(gè)直流回路之間的互相影響，在MIIF的基礎(chǔ)上，綜合考慮交流系統(tǒng)強(qiáng)度和各個(gè)逆變站間的電氣耦合聯(lián)系，CIGRE 工作組提出了多饋入短路比的概念。該定義與MIIF、各個(gè)回路的直流功率等因素有關(guān)，表述了多饋入直流輸電系統(tǒng)中交直流相互作用的強(qiáng)度。通過研究表明，增加多饋入短路比能降低本地?fù)Q相失敗的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

交流系統(tǒng)故障是引起換相失敗的重要原因，如三相接地故障導(dǎo)致的換流母線電壓幅值降落，或交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障導(dǎo)致的電壓相角前移。文獻(xiàn)[18]通過換相電壓時(shí)間面積來(lái)表述這2種現(xiàn)象導(dǎo)致的關(guān)斷角變小，從而引起換相失敗。另外，諧波引起的電壓畸變也是影響逆變器換相失敗的原因。換流站濾波器的投切方式不當(dāng)可能會(huì)引起換流站之間諧波交互影響，進(jìn)而引起諧波不穩(wěn)定，接著造成換流器交流母線電壓畸變，使系統(tǒng)發(fā)生換相失敗[19]。文獻(xiàn)[20-22]通過分析得出結(jié)論：電壓波形中的低次諧波導(dǎo)致的電壓畸變是多饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生后續(xù)換相失敗和異常換相失敗的根本原因，且諧波對(duì)逆變器換相失敗的影響主要通過改變換相電壓的幅值和相位。

3 換相失敗的判據(jù)

對(duì)于逆變器內(nèi)部故障，即觸發(fā)電路工作不可靠引起的換相失敗，可通過檢測(cè)疊加于直流電流中的50 Hz交流分量是否超過其整定值，或通過換流閥出口側(cè)的直流電流d與換流變壓器閥側(cè)的交流電流經(jīng)整流后的數(shù)值a進(jìn)行比較來(lái)判斷[23]。通過分析換流變壓器閥側(cè)電流波形即可準(zhǔn)確判別出換相失敗，結(jié)合換流母線電壓還可精確判斷出發(fā)生換相失敗的換流閥[24]，此方法也被應(yīng)用在電磁暫態(tài)仿真中[25-26]。

對(duì)于換流閥外電路故障引起的換相失敗，常用的判別方法主要有關(guān)斷角判斷法和最小電壓降落法。關(guān)斷角判斷法是利用換相失敗的本質(zhì)來(lái)判斷的，通過比較換流器關(guān)斷角和引起換相失敗的臨界關(guān)斷角的大小來(lái)判斷是否發(fā)生換相失敗。此方法主要應(yīng)用在電磁暫態(tài)仿真中，用于晶閘管建模仿真研究。最小電壓降落法是通過比較換相電壓降落與引起換相失敗的臨界電壓降落大小來(lái)判斷是否發(fā)生換相失敗。文獻(xiàn)[27]推導(dǎo)出了發(fā)生三相交流故障下和不對(duì)稱故障情況下的電壓降落公式D，并計(jì)算出其臨界電壓降落數(shù)值。此方法多用于機(jī)電暫態(tài)仿真中，但準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型大多假設(shè)交流系統(tǒng)是無(wú)窮大的，且此方法忽略電壓畸變?cè)斐傻挠绊懀跃哂幸欢ň窒扌?。文獻(xiàn)[28]提出了一種考慮不對(duì)稱故障時(shí)多饋入直流系統(tǒng)換相失敗的快速識(shí)別判據(jù)，該判據(jù)基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，不僅考慮到故障時(shí)換相電壓幅值降低的問題，也考慮到不對(duì)稱故障時(shí)負(fù)序電壓分量造成的換相電壓角度偏移問題，提高了直流系統(tǒng)換相失敗的判別準(zhǔn)確度。

此外，換相電壓時(shí)間面積方法在換相失敗的研究中也較為廣泛。換相電壓時(shí)間面積指的是換相期間交流線電壓與時(shí)間軸所圍成的面積，若交流系統(tǒng)故障后實(shí)際所能提供的換相面積小于換流器完成換相過程所需要的換相面積，則換流器會(huì)因?yàn)殛P(guān)斷角過小而造成換相失敗，以此來(lái)作為換相失敗的判據(jù)[29-30]。

為了評(píng)估換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，文獻(xiàn)[31]提出了換相失敗免疫指標(biāo)（commutation failure immunity index，CFII）來(lái)衡量系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的免疫力。該指標(biāo)與線電壓額定值、換相失敗臨界阻抗、直流額定功率有關(guān)，該指標(biāo)越小，說明系統(tǒng)抵御換相失敗的免疫力越弱，越容易發(fā)生換相失敗，此指標(biāo)多用于仿真驗(yàn)算中。

在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，可用臨界耦合導(dǎo)納來(lái)判斷換相失敗的故障類型。文獻(xiàn)[32]提出了弱耦合臨界導(dǎo)納wc、弱交互作用因子w、強(qiáng)耦合臨界導(dǎo)納sc、強(qiáng)交互作用因子s。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耦合導(dǎo)納小于wc時(shí)，交互作用因子MIIF 較小，逆變站之間相互作用較弱，本地逆變站故障不會(huì)引起遠(yuǎn)端逆變站發(fā)生換相失??；當(dāng)耦合阻抗大于sc時(shí)，交互作用因子MIIF 較大，逆變站之間聯(lián)系較強(qiáng)，會(huì)同時(shí)發(fā)生換相失敗，且同時(shí)恢復(fù)；當(dāng)耦合阻抗介于wc和sc之間時(shí)，逆變站之間會(huì)互相引發(fā)換相失敗，但恢復(fù)情況復(fù)雜，遠(yuǎn)端逆變站會(huì)出現(xiàn)相繼換相失敗，本地逆變站會(huì)一次性恢復(fù)[32]。

目前多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法大多是借助暫態(tài)仿真工具進(jìn)行掃描計(jì)算，此方法計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，且不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)靈活多變的需求，難以用來(lái)快速判別換相失敗。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[33-37]從系統(tǒng)靜態(tài)電壓的穩(wěn)態(tài)特性出發(fā)，基于節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣、電壓相互作用因子等指標(biāo)來(lái)表示多饋入直流系統(tǒng)各母線電壓間的相互耦合作用，推導(dǎo)出同時(shí)換相失敗的判據(jù)。

4 換相失敗的抑制措施

換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流電壓下降、直流電流上升、直流功率下降，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成直流側(cè)閉鎖。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，若兩直流回路的電氣距離較近，可能會(huì)造成同時(shí)或者相繼換相失敗，給交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)危險(xiǎn)。因此，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防手段來(lái)避免或者減少換相失敗的發(fā)生及合理的控制策略來(lái)防止相繼換相失敗的發(fā)生非常有必要。

4.1 控制策略

1）提前觸發(fā)脈沖控制。

由式(1)可看出，換相失敗的根本原因是關(guān)斷角過小，則可通過增加或者的整定值來(lái)降低發(fā)生換相失敗的概率，但是此方法會(huì)減少系統(tǒng)的傳輸容量、增大換流器消耗的無(wú)功功率，因此該方法是以犧牲經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。為了解決這個(gè)問題，提出了提前觸發(fā)脈沖的控制方法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生交流故障時(shí)，控制模塊檢測(cè)此故障是否會(huì)引起換相失敗，把檢測(cè)值減去其閾值然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角度，減小觸發(fā)角，從而提前觸發(fā)脈沖，維持了換相裕度，避免換相失敗。此方法既增大了，又保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，因此是現(xiàn)在高壓直流輸電系統(tǒng)中常用的控制策略。

換相失敗的預(yù)測(cè)技術(shù)是此控制方式的核心。文獻(xiàn)[38]提出了換相失敗預(yù)防(commutation failure prevention，CFPREV)控制模塊，該模塊通過檢測(cè)零序電壓的大小來(lái)判斷單相故障發(fā)生與否，檢測(cè)三相電壓通過abc-變換得到的電壓旋轉(zhuǎn)矢量的幅值大小來(lái)判斷三相故障的發(fā)生與否。文獻(xiàn)[39]研究發(fā)現(xiàn)零序檢測(cè)的速度受故障時(shí)刻影響，在電壓過零時(shí)動(dòng)作較慢，為了解決此問題，在文獻(xiàn)[38]的基礎(chǔ)上增加了sin-cos分量檢測(cè)法判別的換相失敗預(yù)測(cè)(commutation failure prediction，CFPRED) 控制模塊。sin-cos檢測(cè)法在電壓過零附近的動(dòng)作快于零序電壓檢測(cè)法，且sin-cos分量也可以檢測(cè)三相交流故障，因此可以和abc-檢測(cè)互為備用。文獻(xiàn)[40]提出了一種功率分量檢測(cè)法(power component detection，PCD)，它通過將單相和三相接地故障下電壓的零序、分量與電流的零序、分量分別相乘，得到功率的零序分量和分量。PCD方法以功率分量檢測(cè)交流故障，并以電壓和電流分量作為附加判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)單相和三相故障更敏感，比單獨(dú)采用電壓分量檢測(cè)方法更可靠。

但是，在換流母線電壓嚴(yán)重下降時(shí)，光靠提前觸發(fā)脈沖控制不能一定保證換相成功，文獻(xiàn)[41]基于CFPREV，提出了一種基于直流電流預(yù)測(cè)控制方法抑制換相失敗。此方法在檢測(cè)到交流系統(tǒng)故障時(shí)，除了會(huì)相應(yīng)地減小觸發(fā)角，還會(huì)通過整流站電流控制器減小直流電流，恢復(fù)換流母線電壓，協(xié)助降低換流器發(fā)生換相失敗的概率。另外，文獻(xiàn)[42-45]引入了模糊控制器，通過基于自適應(yīng)的模糊控制方法，根據(jù)不同的故障情況選擇最優(yōu)的控制模式，輸出觸發(fā)角的提前量和相應(yīng)的直流電流預(yù)測(cè)值，降低逆變器換相失敗的概率。

2）低壓限流控制。

低壓限流單元(voltage dependent current order limiter，VDCOL)主要作用是在系統(tǒng)交流電壓跌落到一定值后，反應(yīng)到換流器直流側(cè)直流電壓下降時(shí)，強(qiáng)制性地減小直流電流指令值，使得在系統(tǒng)故障以及換相失敗恢復(fù)期間以低電壓小電流的方式運(yùn)行，減小換流器直流功率以及對(duì)交流系統(tǒng)的無(wú)功需求，降低多直流回路間的相互影響，幫助直流系統(tǒng)從故障中快速恢復(fù)[46]。

換流站之間的協(xié)調(diào)控制是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能否保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素[47]。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，主要采用VDCOL控制使發(fā)生換相失敗的直流回路協(xié)調(diào)恢復(fù)，減少回路間的相互影響，防止后續(xù)的換相失敗。常規(guī)的VDCOL根據(jù)交流或者直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流電流指令，電流指令隨著電壓呈線性變化，由于電壓故障檢測(cè)具有一定滯后性和延遲性，直流電流往往不能迅速減小，不利于抑制首次換相失敗的發(fā)生和換流母線電壓的快速恢復(fù)。因此，可從改進(jìn)直流電流的動(dòng)態(tài)變化特性出發(fā)，靈活地調(diào)整直流電壓和電流的變化，從而優(yōu)化VDCOL的控制方法。文獻(xiàn)[48]提出了一種電流指令速動(dòng)的控制方法，結(jié)合功率分量檢測(cè)法，當(dāng)檢測(cè)到交流故障時(shí)，迅速地減小電流指令，提高了直流電流的響應(yīng)速度，幫助換相成功。文獻(xiàn)[49]提出一種虛擬電阻電流限制的控制方法，此方法將考慮虛擬電阻后的電壓作為VDCOL的輸入，反映了故障情況及系統(tǒng)恢復(fù)過程中直流電流的動(dòng)態(tài)變化特征，有效地抑制了系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗。文獻(xiàn)[50-52]設(shè)計(jì)了變斜率VDCOL控制器，將常規(guī)的電壓電流線性關(guān)系的恢復(fù)特性改進(jìn)為變速率的恢復(fù)特性，在恢復(fù)過程中根據(jù)不同的電壓水平設(shè)置成不同的電流恢復(fù)速率，對(duì)電流實(shí)行了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能有效地抑制后續(xù)的換相失敗及改善系統(tǒng)的恢復(fù)性能。

4.2 硬件設(shè)備

1）無(wú)功補(bǔ)償裝置。

無(wú)功補(bǔ)償裝置用來(lái)補(bǔ)償直流輸電系統(tǒng)換流器所需的無(wú)功功率，抑制了由于交流母線電壓嚴(yán)重下降時(shí)引起的換相失敗。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同交流系統(tǒng)的強(qiáng)度配置不同類型的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。當(dāng)與強(qiáng)交流系統(tǒng)相連時(shí)，可裝設(shè)電容器和交流濾波器滿足換流器的無(wú)功需求，但其調(diào)節(jié)速度較慢，且投切時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓暫態(tài)波動(dòng)。當(dāng)與弱交流系統(tǒng)相連時(shí)，可考慮安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。常用的設(shè)備有靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STATCOM)和同步調(diào)相機(jī)。

SVC 損耗少、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快，可以抑制交流母線故障時(shí)的暫態(tài)過電壓，保證換相的順利進(jìn)行，是提高直流輸電系統(tǒng)故障后的恢復(fù)能力及穩(wěn)定交流系統(tǒng)電壓的有效手段。

STATCOM 比SVC更靈活，響應(yīng)速度、運(yùn)行范圍寬。由于STATCOM的動(dòng)態(tài)性能好，能快速控制無(wú)功功率，它可以有效抑制交流母線電壓振蕩、穩(wěn)定系統(tǒng)暫態(tài)電壓[53]，降低由于電壓波動(dòng)而引起的換相失敗概率。文獻(xiàn)[54]考慮投入SVC和STATCOM 2種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，提出了一種動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償配置方法，通過優(yōu)化多個(gè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的類型、布點(diǎn)和容量，更好地降低了多饋入直流輸電系統(tǒng)中多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

與SVC和STATCOM 等電力電子裝置相比，同步調(diào)相機(jī)既能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供短路容量，增強(qiáng)受端交流系統(tǒng)強(qiáng)度，又具有更好的無(wú)功出力特性，抑制了系統(tǒng)暫態(tài)過電壓和多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗的概率，提高了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性[55]。同步調(diào)相機(jī)多用于連接弱交流系統(tǒng)的逆變站，逆變側(cè)交流系統(tǒng)強(qiáng)度越弱，同步調(diào)相機(jī)對(duì)換相失敗的影響效果越明顯[56]。國(guó)外已有多個(gè)國(guó)家通過在直流換流站裝設(shè)同步調(diào)相機(jī)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)劃，在“十三五”期間，將在多回特高壓直流的送、受端加裝同步調(diào)相機(jī)[57]。

2）直流限制器。

平波電抗器為早期常用的直流限制器，它可以有效地限制暫態(tài)直流電流的上升。但是由于考慮到響應(yīng)速度等動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，采用的電抗不能太大，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的電力系統(tǒng)短路容量的需求，所以平波電抗器對(duì)于抑制直流電流的能力有限[58]。

隨著新材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多新型的直流限流器，主要包括超導(dǎo)限流器和電力電子限流器。

超導(dǎo)限流器利用本身的高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)無(wú)影響；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，超導(dǎo)體表現(xiàn)為高電阻，可以迅速地限制短路電流。但是由于超導(dǎo)限流器的技術(shù)不太成熟、造價(jià)昂貴，所以目前沒有大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際工程。

電力電子限流器又叫固態(tài)限流器。它利用電力電子期間固態(tài)開關(guān)的特性，可以實(shí)現(xiàn)限流阻抗的快速投切，不僅限制了短路故障電流值，還減少了斷開引起的暫態(tài)過電壓。隨著電力電子器件性能的提高，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子限流器也在不斷地深入研究中。

4.3 新型換流器

1）電壓源換流器。

傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)采用的是晶閘管，它可以控制換流閥的開通，但不能控制閥的關(guān)斷。當(dāng)換流器所連接的交流系統(tǒng)較弱時(shí)，或者當(dāng)交流系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，不能向換流器提供足夠的換相電流和可靠的換相電壓，換流器容易發(fā)生換相失敗。采用柔性直流輸電技術(shù)可以減小甚至避免換相失敗的發(fā)生。電壓源換流器(voltage source converter，VSC)以全控器件代替晶閘管，采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)，它可以不依賴交流系統(tǒng)獨(dú)自運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，必要時(shí)還可以為交流系統(tǒng)提供無(wú)功功率。近年來(lái)隨著混合高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，無(wú)論是何種多饋入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都可以利用VSC的無(wú)功調(diào)節(jié)能力，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電網(wǎng)換相型換流器(line commutated converter，LCC)交流母線，來(lái)降低LCC換相失敗的概率。

2）電容換相換流器。

電容換相換流器是在常規(guī)的LCC換流閥和換流變壓器之間串聯(lián)了一個(gè)電容，由此串聯(lián)電容的端電壓會(huì)疊加于原來(lái)的換相電壓上。文獻(xiàn)[59]通過證明得知，疊加了一個(gè)串聯(lián)電容的附加電壓后，換流器的換相電壓會(huì)滯后于交流母線電壓一個(gè)角度。因此換流器會(huì)有一個(gè)足夠大的關(guān)斷角，來(lái)保證退出導(dǎo)通的閥臂在反向電壓的作用下有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)恢復(fù)阻斷正向電壓的能力，保證換相的正常進(jìn)行，減少發(fā)生換相失敗的概率。

5 多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗亟待研究的問題

5.1 數(shù)學(xué)模型問題

采用電磁暫態(tài)仿真，可采用詳細(xì)模型對(duì)系統(tǒng)的換相失敗進(jìn)行準(zhǔn)確的研究，但是由于電磁暫態(tài)仿真的運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，且仿真規(guī)模也受到限制，難以對(duì)大規(guī)模交直流系統(tǒng)采用詳細(xì)模型進(jìn)行換相失敗的研究。隨著新能源的發(fā)展，交直流混合電網(wǎng)有著強(qiáng)非線性、強(qiáng)復(fù)雜性的特征，而機(jī)電暫態(tài)仿真中的換流器模型都是基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論推導(dǎo)出的，并不適用于系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障的情況，也很難反映交流電壓幅值、對(duì)稱性和諧波含量對(duì)換流器換相失敗的影響，因此難以用于如今新能源系統(tǒng)中換相失敗的暫態(tài)特性分析。因此，如何將基于詳細(xì)模型的電磁暫態(tài)仿真和基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的機(jī)電暫態(tài)仿真聯(lián)系起來(lái)，建立一個(gè)既能詳細(xì)地分析換流器換相過程的暫態(tài)特性，又能適用于大規(guī)模新能源交直流混合電網(wǎng)的仿真速度和規(guī)模的精確而又完善的數(shù)學(xué)模型，是多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5.2 換相失敗耦合機(jī)理問題

基于LCC的單饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的機(jī)理分析已比較清楚，多饋入直流輸電系統(tǒng)中影響同時(shí)換相失敗的因素也有初步的研究。但是隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中出現(xiàn)了VSC等多種電力電子裝置，由于多饋入混合直流輸電系統(tǒng)的強(qiáng)非線性特征，導(dǎo)致傳統(tǒng)的各個(gè)直流回路間的相互影響分析不再全部適用。新能源電力電子裝置具有不同的暫態(tài)特性，使得導(dǎo)致多直流回路發(fā)生換相失敗的耦合機(jī)理及影響因素變得復(fù)雜。因此，研究新能源電力電子設(shè)備對(duì)換流器的影響過程、交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)的換相失敗耦合機(jī)理及暫態(tài)傳遞特性，是如今尚待解決的難點(diǎn)之一。

5.3 換相失敗的抑制手段問題

目前換相失敗的抑制措施較多。當(dāng)單一直流回路發(fā)生換相失敗時(shí)，如何抑制其他直流回路 發(fā)生相繼換相失??；發(fā)生同時(shí)換相失敗后如何 快速依次恢復(fù)多個(gè)逆變站的直流功率；發(fā)生換相失敗后，若直流閉鎖反應(yīng)到交流線路上時(shí)，會(huì)引起交流系統(tǒng)電壓和功角振蕩，如何維持交流電網(wǎng)穩(wěn)定。對(duì)于這些問題，隨著自控技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型的抑制措施應(yīng)逐步完善和突破。從優(yōu)化控制策略的角度出發(fā)，可從協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)、進(jìn)行分布式控制方面考慮；從硬件器件的角度出發(fā)，近年來(lái)基于電力電子器件提出對(duì)傳統(tǒng)換流器的拓?fù)溥M(jìn)行改造，提高了換相失敗的免疫力，值得深入研究。

6 結(jié)論

相比于單饋入直流輸電系統(tǒng)而言，多饋入直流輸電系統(tǒng)更靈活，對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的研究對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。從換相失敗的機(jī)理出發(fā)，討論了多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的影響因素、判據(jù)及抑制措施等，得出以下結(jié)論：

1）引起換相失敗的根本原因是逆變器關(guān)斷角過小，而影響多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的主要因素有：多饋入直流交互作用因子、多饋入短路比、換流母線電壓、交流系統(tǒng)強(qiáng)度、耦合阻抗、諧波等。

2）抑制換相失敗的措施主要從控制策略、硬件設(shè)備、新型換流器3方面入手。常用的控制策略有提前觸發(fā)脈沖控制和低壓限流控制。這些措施在換相失敗的預(yù)防、避免相繼換相失敗及換相失敗后的協(xié)調(diào)恢復(fù)方面都有良好的應(yīng)用。

3）多饋入直流輸電系統(tǒng)更為復(fù)雜，而其數(shù)學(xué)模型、換相失敗耦合機(jī)理的研究仍需進(jìn)一步完善。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，新型換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，換相失敗抑制措施上的改進(jìn)和創(chuàng)新也是未來(lái)探索的方向。

[1] 錢君霞，羅建裕，江葉峰，等．適應(yīng)特高壓電網(wǎng)運(yùn)行的江蘇源網(wǎng)荷毫秒級(jí)精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)深化建設(shè)[J]．中國(guó)電力，2018，51(11)：104-109．

Qian J X，Luo J Y，Jiang Y F，et al．Deepening construction of Jiangsu source-network-load millisecond-level precise load control system suitable for UHV power grid operation[J]．Electric Power，2018，51(11)：104-109．

[2] 肖浩，朱佳，李銀紅，等．多饋入直流系統(tǒng)換相失敗免疫水平快速確定方法研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(11)：2711-2717．

Xiao H，Zhu J，Li Y H，et al．Study on rapid determination method of commutation failure immunity levels for multi-infeed HVDC transmission systems[J]．Proceedings of the CSEE， 2015， 35(11)：2711-2717．

[3] 湯奕，鄭晨一．高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗影響因素研究綜述[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39(2)：499-513．

Tang Y，Zheng C Y． Review on influencing factors of commutation failure in HVDC systems[J]．Proceedings of the CSEE，2019，39(2)：499-513．

[4] 陸翌，劉博，童凱，等．混合雙饋入直流系統(tǒng)中VSC-HVDC對(duì)LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2017，33(9)：1-7．

Lu Y， Liu B， Tong K， et al．Impact of VSC-HVDC on the commutation failure immunity of LCC-HVDC in dual-infeed hybrid HVDC system[J]．Power System and Clean Energy，2017，33(9)：1-7．

[5] 段銳敏，閆涵，文俊，等．混合直流異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真分析[J]．分布式能源，2017，2(6)：52-58．

Duan R，Yan H，Wen J，et al．Modeling and simulation analysis of hybrid DC asynchronous interconnection system，Distributed Energy，2017，2(6)：52-58．

[6] 林凌雪，張堯，鐘慶，等．多饋入直流輸電系統(tǒng)中換相失敗研究綜述[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(17)：40-46．

Lin L X，Zhang Y，Zhong Q，et al．A survey on commutation failures in multi-infeed HVDC transmission systems[J]．Power System Technology，2006，30(17)：40-46．

[7] 呂明超．多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2016．

Lü M C．Conmmutation failure research in multi-infeed HVDC systems[D]．Jinan，China：Shandong University，2016．

[8] 王兆安，劉進(jìn)軍．電力電子技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

Wang Z A，Liu J J．Power Electronics Technology [M]．Beijing，China：Mechanical Industry Press，2009．

[9] 袁陽(yáng)，衛(wèi)志農(nóng)，雷霄，等．直流輸電系統(tǒng)換相失敗研究綜述[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(11)：140-147．

Yuan Y，Wei Z N，Lei X，et a1．Survey of commutation failures in DC transmission systems[J]．Electric Power Automation Equipment，2013，33(11)：140-147．

[10] 吳萍，林偉芳，孫華東，等．多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗機(jī)制及特性[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(5)：269-274．

Wu P，Lin W F，Sun H D，et al．Research and electromechanical transient simulation on mechanism of commutation failure in multi-infeed HVDC power transmission system[J]．Power System Technology，2012，36(5)：269-274．

[11] 項(xiàng)玲，鄭建勇，胡敏強(qiáng)．多端和多饋入直流輸電系統(tǒng)中換相失敗的研究[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005(11)：29-33．

Xiang L，Zheng J Y，Hu M Q．Study on commutation failure in MTDC and MIDC systems[J]．Automation of Electric Power Systems，2005，29(11)：29-33．

[12] 肖俊，李興源，楊小兵．多饋入直流系統(tǒng)換流母線電壓之間的相互影響及其同時(shí)換相失敗的研究[J]．四川電力技術(shù)，2009，32(4)：11-15．

Xiao J，Li X Y，Yang X B． Study on voltage interaction among converter buses and simultaneous commutation failure in multi-infeed direct current system[J]． Sichuan Electric Power Technology，2009，32(4)：11-15．

[13] 劉建，李興源，傅孝韜，等．多饋入短路比及多饋入交互作用因子與換相失敗的關(guān)系[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(12)：20-25．

Liu J，Li X Y，F(xiàn)u X T，et al．Relationship of multi-infeed short circuit ratio and multi-infeed interaction factor with commutation failure[J]．Power System Technology，2009，33(12)：20-25．

[14] Rahimi E，Gole A M，Davies J B，et al．Commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems [J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2010，26(1)：378-384．

[15] 邵瑤，湯涌．多饋入直流系統(tǒng)交互作用因子的影響因素分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：794-799．

Shao Y，Tang Y．Analysis of influencing factors of multi-infeed HVDC system interaction factor[J]．Power System Technology，2013，37(3)：794-799．

[16] 陳修宇，韓民曉，劉崇茹．直流控制方式對(duì)多饋入交直流系統(tǒng)電壓相互作用的影響[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(2)：58-63．

Chen X Y，Han M X，Liu C R．Impact of control modes on voltage interaction between multi-infeed AC-DC system[J]．Automation of Electric Power Systems，2012，36(2)：58-63．

[17] 肖俊，李興源．多饋入和多端交直流系統(tǒng)相互作用因子及其影響因素分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(1)：1-7．

Xiao J，Li X Y．Analysis on multi-infeed interaction factor of multi-infeed AC/DC system and multi- terminal AC/DC system and its influencing factor [J]．Power System Technology，2014，38(1)：1-7．

[18] 孫志媛，梁小冰，孫艷．基于EMTDC的多饋入直流輸電系統(tǒng)仿真研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006(S2)：295-298．

Sun Z Y，Liang X B，Sun Y．Simulation study of multi- infeed HVDC system based on EMTDC[J]． Power System Technology，2006，30(S2)：295-298．

[19] 任景，李興源，金小明，等．多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)中逆變站濾波器投切引起的換相失敗仿真研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(12)：17-22．

Ren J，Li X Y，Jin X M，et al．Simulation study on commutation failure caused by switching AC filters of inverter stations in multi-infeed HVDC system [J]．Power System Technology，2008，32(12)：17-22．

[20] 趙彤，呂明超，婁杰，等．多饋入高壓直流輸電系統(tǒng)的異常換相失敗研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(3)：705-711．

Zhao T，Lü M C，Lou J，et al．Analysis on potential anomalous commutation failure in multi-in feed HVDC transmission systems[J]．Power System Technology，2015，39(3)：705-711．

[21] 王峰，劉天琪，周勝軍，等．諧波對(duì)HVDC系統(tǒng)換相失敗的影響機(jī)理及定量分析方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(19)：4888-4894．

Wang F，Liu T Q，Zhou S J，et al．Mechanism and quantitative analysis method for HVDC commutation failure resulting from harmonics[J]．Proceedings of the CSEE，2015，35(19)：4888-4894．

[22] 王玲，文俊，李亞男，等．諧波對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的影響[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32(3)：27-34．

Wang L，Wen J，Li Y N，et al．The harmonic effects on commutation failure of multi-infeed direct current transmission systems[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32(3)：27-34．

[23] 陳紅軍．高壓直流輸電系統(tǒng)故障及控制策略[J]．華中電力，2001(5)：5-8．

Chen H J．HVDC transmission system faults and its control tactics[J]．Central China Electric Power，2001，14(5)：5-8．

[24] 李新年，劉耀，朱藝穎，等．華北電網(wǎng)直流多饋入系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性實(shí)時(shí)仿真[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(8)：75-80．

Li X N，Liu Y，Zhu Y Y，et al．Real-time simulation of dynamic performance of multi-infeed UHVDC transmission system to be connected to North China power grid[J]．Power System Technology，2011，35(8)：75-80．

[25] 李新年，易俊，李柏青，等．直流輸電系統(tǒng)換相失敗仿真分析及運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(6)：266-271．

Li X N，Yi J，Li B Q，et al．Simulation analysis and operation statistics of commutation failure in HVDC transmission system[J]．Power System Technology，2012，36(6)：266-271．

[26] 李新年，李濤，劉耀，等．華東多直流饋入系統(tǒng)換相失敗仿真研究[J]．電力建設(shè)，2014，35(12)：77-83．

Li X N，Li T，Liu Y，et al．Simulation research on multi-infeed HVDC commutation failure in East China Power Grid[J]．Electric Power Construction，2014，35(12)：77-83．

[27] Thio C V，Davies J B，Kent K L．Commutation failures in HVDC transmission systems[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11(2)：946-957．

[28] 張彥濤，邱麗萍，施浩波，等．考慮不對(duì)稱故障影響的多饋入直流系統(tǒng)換相失敗快速判別方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38(16)：4759-4767．

Zhang Y T，Qiu L P，Shi H B，et al．Fast detection method of commutation failure in multi infeed DC system considering the effect of unbalanced fault [J]．Proceeding of the CSEE，2018，38(16)： 4759-4767．

[29] 汪隆君，王鋼，李海鋒，等．交流系統(tǒng)故障誘發(fā)多直流饋入系統(tǒng)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(3)：9-14．

Wang L J，Wang G，Li H F，et al．Risk evaluation of commutation failure in multi-infeed HVDC systems under AC system fault conditions[J]．Automation of Electric Power Systems，2011，35(3)：9-14．

[30] 王鋼，李志鏗，黃敏，等．HVDC輸電系統(tǒng)換相失敗的故障合閘角影響機(jī)理[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(4)：49-54．

Wang G，Li Z K，Huang M，et al．Influence of initial fault voltage angle on commutation failure identification in a HVDC system[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34(4)：49-54．

[31] Rahimi E．Commutation failure in single-and multi- infeed HVDC systems[C]//8th IEE International Conference on AC and DC Power Transmission (ACDC 2006)．IET，2006．

[32] 程道衛(wèi)，劉天琪，張金，等．多落點(diǎn)直流輸電系統(tǒng)換相失敗影響因素的仿真分析[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(11)：59-64．

Cheng D W，Liu T Q，Zhang J，et al．Simulative analysis on factors impacting commutation failure in multi-terminal HVDC transmission system[J]．Power System Technology，2010，34(11)：59-64．

[33] 邵瑤，湯涌．采用多饋入交互作用因子判斷高壓直流系統(tǒng)換相失敗的方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(4)：108-114．

Shao Y，Tang Y．A commutation failure detection method for HVDC systems based on multi-infeed interaction factors[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(4)：108-114．

[34] 陳政，周保榮，洪潮，等．基于臨界阻抗邊界的多饋直流系統(tǒng)同時(shí)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(3)：874-878．

Chen Z，Zhou B R，Hong C，et al．Critical impedance boundary-based risk assessment on simultaneous faults in multi-infeed DC transmission system[J]．Power System Technology，2013，37(3)：874-878．

[35] 肖浩，李銀紅，于芮技，等．影響多饋入直流系統(tǒng)換相失敗的電網(wǎng)薄弱區(qū)域快速識(shí)別方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36(7)：1781-1789．

Xiao H，Li Y H，Yu R Z，et al．A rapid identification method of weak areas in power grid based on commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems[J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(7)：1781-1789．

[36] 王增平，劉席洋，李林澤，等．多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗邊界條件[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32(10)：12-19．

Wang Z P，Liu X Y，Li L Z，et al．Boundary conditions of commutation failure in multi-infeed HVDC systems [J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32(10)：12-19．

[37] 邵瑤，湯涌．一種快速評(píng)估多饋入直流系統(tǒng)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的方法[J] ．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37(12)：3429-3436．

Shao Y，Tang Y．A fast assessment method for evaluating commutation failure risk of multi-infeed HVDC systems[J]．Proceedings of the CSEE，2017，37(12)：3429-3436．

[38] Zhang L，Dofnas L．A novel method to mitigate commutation failures in HVDC systems[C]// International Conference on Power System Technology．IEEE，2002．

[39] 陳樹勇，李新年，余軍，等．基于正余弦分量檢測(cè)的高壓直流換相失敗預(yù)防方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(14)：1-6．

Chen S Y，Li X N，Yu J，et al．A method based on the sin-cos components detection mitigates commutation failure in HVDC[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(14)：1-6．

[40] Guo C Y，Liu Y C，Zhao C Y，et al．Power component fault detection method and improved current order limiter control for commutation failure mitigation in HVDC [J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2015，30(3)：1585-1593．

[41] 袁陽(yáng)，衛(wèi)志農(nóng)，王華偉，等．基于直流電流預(yù)測(cè)控制的換相失敗預(yù)防方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2014，38(3)：565-570．

Yuan Y，Wei Z N，Wang H W，et al．A DC current predictive control based method to decrease probability of commutation failure[J]．Power System Technology，2014，38(3)：565-570．

[42] Bauman J，Kazerani M．Commutation failure reduction in HVDC systems using adaptive fuzzy logic controller[J]．IEEE Transactions on Power Systems， 2007，22(4)：1995-2002．

[43] Sun Y Z，Peng L，Ma F，et al．Design a fuzzy controller to minimize the effect of HVDC commutation failure on power system[J]．IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(1)：100-107．

[44] Farrag E．Design of an adaptive neuro fuzzy inference control system for the unified power-flow controller [J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，27(1)：53-61．

[45] 高楷，孫國(guó)強(qiáng)，衛(wèi)志農(nóng)，等．基于直流電流模糊預(yù)測(cè)控制的換相失敗預(yù)防策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(9)：2498-2504．

Gao K，Sun G Q，Wei Z N，et al．A DC current fuzzy predictive control based strategy to decrease probability of commutation failure[J]．Power System Technology，2015，39(9)：2498-2504．

[46] 郭春義，趙劍，劉煒，等．抑制高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗方法綜述[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38(S1)：1-10．

Guo C Y，Zhao J，Liu W，et al．A review of methods to mitigate the commutation failure for LCC-HVDC [J]．Proceedings of the CSEE，2018，38(S1)：1-10．

[47] 蔡明，陳濤，張松光，等．多端柔性直流輸電系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略[J]．廣東電力，2019，32(6)：101-107．

Cai M，Chen T，Zhang S G，e t al． Power coordinated control strategy for multi-terminal VSC-HVDC transmission system[J]．Guangdong Electric Power，2019，32(6)：101-107．

[48] 劉羽超，郭春義，許韋華，等．一種降低直流輸電換相失敗概率的控制方法[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(1)：76-82．

Liu Y C，Guo C Y，Xu W H，et al．A control method to reduce commutation failure probability in HVDC power transmission[J]．Power System Technology，2015，39(1)：76-82．

[49] 郭春義，李春華，劉羽超，等．一種抑制傳統(tǒng)直流輸電連續(xù)換相失敗的虛擬電阻電流限制控制方法[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36(18)：4930-4937，5117．

Guo C Y，Li C H，Liu C C，et al．A DC current limitation control method based on virtual-resistance to mitigate the continuous commutation failure for conventional HVDC[J]．Proceedings of the CSEE，2016，36(18)：4930-4937．

[50] 馮明，李興源，李妮，等．基于Simplex算法的高壓直流輸電分段變速率VDCOL研究[J]．四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2015，47(4)：162-167．

Feng M，Li X Y，Li N，et al．Study of HVDC piecewise variable rate VDCOL based on simplex algorithm [J]．Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition)，2015，47(4)：162-167．

[51] 劉磊，王渝紅，李興源，等．基于模糊控制的變斜率VDCOL控制器設(shè)計(jì)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(7)：1814-1818．

Liu L，Wang Y H，Li X Y，et al．Design of variable slope VDCOL controller based on fuzzy control [J]．Power System Technology，2015，39(7)： 1814-1818．

[52] 文俊，李佳琪，王玲，等．MIDC輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究[J]．電工電能新技術(shù)，2019，39(4)：79-88．

Wen J，Li J Q，Wang L，et al．Design of variable slope VDCOL controller based on fuzzy control [J]．Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2019，39(4)：79-88．

[53] 郭春義，張巖坡，趙成勇，等．STATCOM對(duì)雙饋入直流系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(25)：99-106，16．

Guo C Y，Zhang Y P，Zhao C Y，et al．Impact of STATCOM on the operating characteristics of double- infeed HVDC system[J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(25)：99-106．

[54] 周仕豪，唐飛，劉滌塵，等．考慮降低多饋入直流換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償配置方法[J]．高電壓技術(shù)，2018，44(10)：3258-3265．

Zhou S H，Tang F，Liu D C，et al．Dynamic reactive power compensation configuration method for reducing the risk of commutation failure in multi-infeed DC system[J]．High Voltage Engineering，2018，44(10)：3258-3265．

[55] 王強(qiáng)，李天然，唐小波，等．應(yīng)對(duì)多饋入直流換相失敗的同步調(diào)相機(jī)布點(diǎn)方法[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43(1)：222-229．

Wang Q，Li T R，Tang X B，et al． Method of site selection for synchronous condenser responding to commutation failures of multi-infeed DC system [J]．Automation of Electric Power Systems，2019，43(1)：222-229．

[56] 王慶，沙江波，楊鵬程，等．同步調(diào)相機(jī)對(duì)LCC-HVDC換相失敗抵御能力的影響研究[J]．電工電能新技術(shù)，2018，37(5)：29-36．

Wang Q，Sha J B，Yang P C，et al．Study of impact of SC on ability to defend commutation failure of LCC-HVDC[J]．Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2018，37(5)：29-36．

[57] 王雅婷，張一馳，周勤勇，等．新一代大容量調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2017，41(1)：22-28．

Wang Y T，Zhang Y C，Zhou Q Y，et al．Study on application of new generation large capacity synchronous condenser in power grid[J]．Power System Technology，2017，41(1)：22-28．

[58] 陳剛，江道灼，吳兆麟．固態(tài)短路限流器的研究與發(fā)展[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(10)：89-94．

Chen G，Jiang D Z，Wu Z L．Research and development of solid state fault current limiter[J]．Automation of Electric Power Systems，2003，27(10)：89-94．

[59] 周思玉．電容換相換流器自調(diào)諧濾波器特性的研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2014．

Zhou S Y．Study of capacitor commuted converter and automatically tuned AC filters[D]．Beijing，China：North China Electrical Power University，2014．

Research on Commutation Failure in Multi-feed HVDC Transmission System

WANG Jiaming1, YU Hao2, CHEN Wuhui1*

(1. School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. Guangdong Power Grid Development Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510080, Guangdong Province, China)

HVDC transmission systems present a risk of commutation failure. For multi-infeed HVDC transmission systems, due to the interaction between AC and DC systems, the commutation failure of a single inverter station may cause multiple inverter stations to fail at the same time or in succession, which poses a threat to the safe and stable operation of the power grid. Based on the mechanism of commutation failure, the multi-infeed interaction factor was introduced to analyze the influencing factors and criteria of commutation failure in multi-infeed HVDC transmission systems, and the current methods and strategies for suppressing commutation failure were summarized. Finally, it pointed out that the mathematical model, the commutation failure coupling mechanism and the suppression measures were worthy of further discussion and research.

multi-infeed HVDC transmission system; commutation failure; multi-infeed interaction factor

10.12096/j.2096-4528.pgt.19026

TM 723

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFE0105300)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFE0105300).

2019-08-22。

(責(zé)任編輯 辛培裕)