《高压直流输电系统换相失败预测与抑制》以基于电网换相的电流源型直流输电系统为对象，阐明了直流输电系统换相失败的演变过程和影响因素，以及直流输电系统换相失败与控制系统的关系，给出了直流输电系统*次和后续换相失败临界电压的计算方法以及预测方法、*次换相失败的预防控制方法、基于自适应启动电压和基于逆变站故障安全域的后续换相失败抑制方法、直流输电系统换相失败穿越能力的预测与提升方法；阐明了多馈入直流输电系统相继换相失败以及换相失败连锁反应的产生机理及特征，给出了多馈入直流输电系统相继换相失败的预测方法、多馈入直流输电系统相继换相失败的预防控制方法以及换相失败连锁反应的抑制方法、基于功率可控域和功率协调的混合多馈入直流输电系统的换相失败抑制方法。

第1章 绪论
　　1.1 直流输电系统的组成
　　直流输电系统是通过换流装置将交流电转变为直流电，再将直流电输送至换流装置，进而由换流装置将直流电转换为交流电供给电网的系统[1]。直流输电系统的典型结构如图1.1所示，主要包括换流装置、换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路以及控制与保护装置、远程通信系统等设备。从系统功能划分，直流输电系统可分为整流站、直流输电线路、逆变站3个部分。整流站和逆变站通常统称为换流站。换流指将交流电变换为直流电或将直流电变换为交流电的过程。换流器是换流站的核心部件，当工作在将交流电转换为直流电状态时，换流器运行于整流状态，也被称为整流器；当工作在将直流电转换为交流电时，换流器运行于逆变状态，又被称为逆变器。
　　图1.1 直流输电系统的典型结构
　　1.1.1 换流器
　　换流器由电力电子器件组成，是能够将交流电转变为直流电或将直流电转变为交流电的设备的统称。在直流输电系统中，换流器通常采用三相桥式换流电路作为基本单元，其结构如图1.2所示。三相桥式换流电路的直流侧整流电压在一个工频周期中具有6个波头，因此又常被称为6脉波换流器。当2个6脉波换流器的直流端串联，同时交流端并联时，即构成12脉波换流器，如图1.3所示。换流站由基本换流单元组成，基本换流单元包括6脉波换流器和12脉波换流器两类。相比于6脉波换流器，12脉波换流器产生的谐波更少，所需的滤波器容量更小，因此现代直流输电工程多采用12脉波换流器。
　　图1.2 6脉波换流器
　　Ld-平波电感；Lr-等值换相电感；ua-A相电压；ub-B相电压；uc-C相电压；ia、ib、ic-A、B、C相电流；Ud-直流电压；Id-直流电流
　　图1.3 12脉波换流器
　　1.1.2 换流阀
　　6脉波换流器和12脉波换流器分别由6个和12个桥臂组成。桥臂也称为换流阀或阀臂，也常被简称为阀。由于单个晶闸管的电压较小，晶闸管换流阀一般由几十到数百个晶闸管器件串联而成。除了串联的晶闸管器件外，换流阀还包括晶闸管触发电路、均压元件、阻尼电路以及阳极电抗器等辅助电路。辅助电路的作用主要是保证晶闸管可靠触发导通、减小断态电压变化率和通态电流变换率、提高换流阀和整个直流输电系统的安全性等。
　　晶闸管换流阀大多采用组件式结构，如图1.4所示。在换流阀组件中，每个晶闸管器件与均压元件、阻尼电路和控制单元组成一个晶闸管级。晶闸管级中的均压阻尼电路包括静态均压电阻R、阻尼电路R1C1、均压阻尼电路R2C2、阳极(饱和)电抗器L、冲击陡波均压电容C3。静态均压电阻主要用于克服各个晶闸管器件的分散性，使断态下各晶闸管器件的电压尽可能一致。静态均压电阻的阻值远小于晶闸管的断态电阻。阻尼电路用于减小晶闸管关断时由于电压振荡而引起的晶闸管两端的暂态过电压以及过快的电压变化率。均压阻尼电路的作用是减小换流阀关断时阀组件两端的暂态过电压以及电压变化率。阳极(饱和)电抗器用于抑制流经晶闸管的电流的变化率。冲击陡波均压电容可改善过陡的操作过电压波作用下各组件电压不均的问题。
　　图1.4 换流阀组件
　　数个阀组件采用分层布置，串联组成一个换流臂，即一个单阀。单阀通常还包括冷却系统、光缆系统和阀绝缘系统等。一个6脉波换流器含有6个单阀，一般将2个单阀一起垂直安装构成6脉波换流器一相中的2个阀，称为二重阀。相应地，4个单阀垂直安装即构成12脉波换流器一相中的4个阀，称为四重阀。三相共3个四重阀布置在一个阀厅内，即为三相四重阀。
　　1.1.3 晶闸管
　　换流器的基本器件包括晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，相应的换流器分别被称为晶闸管换流器、门极关断晶闸管换流器和绝缘栅双极型晶体管换流器。晶闸管为半控型器件，门极关断晶闸管和绝缘栅双极型晶体管为全控型器件。晶闸管具有耐压水平高、输出容量大的优点，因此目前已投运和在建的直流工程大多采用晶闸管换流器，采用晶闸管换流器的直流输电系统常被称为常规直流输电系统。
　　晶闸管包括阳极、阴极和门极。晶闸管门极施加触发电流且阳极与阴极间的电压为正时，晶闸管由截止状态转为导通状态，即晶闸管被触发开通。晶闸管的截止状态又被称为断态或阻断状态，导通状态被称为通态。晶闸管一旦开通，门极就会失去控制作用，即使撤除门极上的触发电流信号，晶闸管仍然保持通态。晶闸管的关断需依赖于外部电路使流经晶闸管的电流小于其维持电流而自然关断。
　　1. 静态伏安特性
　　晶闸管静态伏安特性如图1.5所示。若门极电流IG为零，随着晶闸管阳极电压[范2]uAK增加，阳极电流iA从零开始增大。但是，阳极电流的增大十分缓慢，即使阳极电压很大，阳极电流也仅有数毫安，此时晶闸管运行于正向阻断状态，其阳极电流称为正向漏电流。当阳极电压增大到至断态不重复峰值电压UDSM时，阳极电流将急剧增加，阳极电压uAK迅速下降至0.5～1.5V，此时晶闸管变为导通状态。当晶闸管阳极与阴极之间加上反向电压时，仅有很小的反向漏电流，且随着反向电压的加大而增大。当反向电压达到反向不重复峰值电压URSM时，反向阳极电流急剧增加，晶闸管雪崩击穿而损坏。
　　图1.5 晶闸管静态伏安特性
　　URRM-反向重复峰值电压；UDRM-断态重复峰值电压；Ubo-正向转折电压；IH-维持电流；IG1、IG2-门极电流的不同取值
　　2. 门极伏安特性
　　门极伏安特性指晶闸管门极正向电压和正向电流之间的关系。晶闸管的门极伏安特性与功率二极管相似，区别在于晶闸管的正向和反向电阻值接近。为了实现安全触发，晶闸管的触发电压、触发电流和功率应限制在晶闸管门极特性*线的可靠触发区域内。
　　3. 动态特性
　　晶闸管的开通和关断过程如图1.6所示。在晶闸管由断态转为通态的开通过程中，由于晶闸管内部正反馈过程的延时以及外加电路电感的限制，晶闸管阳极电流无法在瞬间增大，因而存在延迟时间td。延迟时间为从施加门极电流信号开始到阳极电流上升至稳态值(IAN)的10%的时间。而阳极电流从稳态值的10%上升至稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr。延迟时间与上升时间之和即为开通时间ton。延迟时间随门极电流的增大而减小。上升时间则受外部电路电感的影响，电感越大，上升时间越长；电感越小，上升时间越短。提高阳极电压，可缩短延迟时间和上升时间，进而缩短开通时间。
　　图1.6 晶闸管动态特性
　　在晶闸管由断态转为通态的过程中，当处于开通状态的晶闸管的外加电压由正向变为反向时，阳极电流逐渐衰减为零，并流过反向恢复电流，达到*大反向恢复电流IRM后，再反方向衰减。在恢复电流快速衰减时，在外加电感的作用下，晶闸管两端会产生反向尖峰电压。当反向恢复电流衰减至接近于零时，晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间称为晶闸管的反向阻断恢复时间trr。反向恢复过程结束后，晶闸管恢复对正向电压的阻断需一段时间，这段时间被称为正向阻断恢复时间tgr。反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和被称为晶闸管的关断时间toff。晶闸管的关断时间一般为400μs。在正向阻断恢复时间内，若重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管重新导通，呈现不控而重新导通的现象，产生换相失败。
　　4. 晶闸管参数
　　反映晶闸管性能的主要参数包括断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、断态临界电压变化率、通态临界电流变化率、通态平均电压、通态平均电流。
　　断态重复峰值电压指在晶闸管门极断开及额定结温下可施加的重复率为50次/s且持续时间不大于10ms的*大峰值电压。反向重复峰值电压是在晶闸管门极断开及额定结温下可施加的重复率为50次/s且持续时间不大于10ms的*大峰值电压。断态临界电压变化率指在额定结温和门极断开条件下不导致晶闸管从断态变换为通态的*大阳极电压变化率。断态临界电压变化率与结温有关，结温越高，断态临界电压变化率越小。通态临界电流变化率指在晶闸管触发开通时能承受而不产生有害影响的*大通态电流变化率。通态临界电流变化率与开通过程有关，通常在每微秒数千安范围内。通态平均电压指在额定电流和稳定结温下阳极与阴极间电压的平均值。通态平均电流又称为额定电流，是在规定的环境和散热条件下允许通过的单相*大工频正弦半波电流的平均值。
　　1.1.4 无功补偿装置
　　由晶闸管构成的换流器在交流至直流或直流至交流的转换过程中需要从交流系统吸收无功功率。整流站吸收的无功功率为传输直流功率的30%～50%，逆变站吸收的无功功率则可达到40%～60%。若由交流电网为直流输电系统提供无功功率，则可能导致交流母线电压大幅度降低，危及交流电网的安全运行。因此，直流输电系统中换流站所需的无功功率需由就地的无功补偿装置提供。
　　换流站的无功补偿装置主要有机械投切式无功补偿装置、静止无功补偿装置和同步调相机。机械投切式无功补偿装置包括并联电容器、并联电抗器以及交流滤波器，具有投资小、无功补充容量大的优点，但存在调节速度慢、不能平滑调节、不能频繁操作的缺点。交流滤波器主要用于换流站滤波，同时提供基波无功功率。通常仅在交流滤波器基波无功功率不能满足无功需求时，才配置并联电容器。为了满足换流站滤波要求，交流滤波器发出的基波无功功率可能大于换流器吸收的无功功率。机械投切式无功补偿装置还用于避免过剩的无功功率注入交流电网引起换流站交流母线电压上升。
　　1.2 直流输电系统的结构
　　直流输电系统按照结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端

目录
前言
第1章 绪论1
1.1 直流输电系统的组成1
1.1.1 换流器1
1.1.2 换流阀2
1.1.3 晶闸管3
1.1.4 无功补偿装置6
1.2 直流输电系统的结构6
1.2.1 单极直流输电系统7
1.2.2 双极直流输电系统8
1.2.3 背靠背直流输电系统9
1.2.4 多端直流输电系统10
1.3 直流输电系统运行特性11
1.3.1 整流器工作原理11
1.3.2 逆变器工作原理16
1.3.3 直流输电的特点19
1.4 直流输电技术的发展20
1.4.1 发展过程20
1.4.2 发展现状21
1.5 直流输电系统换相失败概述26
1.5.1 换相失败的原因26
1.5.2 换相失败的危害27
1.5.3 换相失败防御措施28
第2章 直流输电系统换相失败特性32
2.1 直流输电系统控制策略32
2.1.1 直流控制系统的技术路线32
2.1.2 定电流控制36
2.1.3 定电压控制36
2.1.4 低压限流控制37
2.1.5 定关断角控制39
2.1.6 *小触发角控制40
2.1.7 电流偏差控制40
2.1.8 换相失败预防控制41
2.2 直流输电系统换相失败的内涵43
2.2.1 换相失败的原理43
2.2.2 换相失败的定义44
2.2.3 换相失败的判断方法46
2.3 直流输电系统换相失败的特征48
2.3.1 *次换相失败过程48
2.3.2 后续换相失败过程50
2.3.3 换相失败实例52
2.4 控制系统对换相失败的作用54
2.4.1 低压限流控制54
2.4.2 换相失败预防控制63
2.4.3 定电流控制66
2.4.4 定关断角控制70
2.4.5 对多馈入直流输电系统的影响75
2.4.6 控制系统影响实例90
第3章 直流输电系统*次换相失败预测与抑制118
3.1 直流输电系统换相失败解析118
3.1.1 换流母线电压的影响118
3.1.2 直流电流的影响118
3.1.3 故障发生时刻的影响119
3.1.4 超前触发角的影响119
3.1.5 等效换相电抗的影响120
3.2 *次换相失败的临界电压120
3.2.1 换相前发生故障120
3.2.2 换相过程初期发生故障122
3.2.3 换相过程后期发生故障124
3.3 *次换相失败预测方法124
3.4 改进换相失败预防控制方法126
3.4.1 控制原理126
3.4.2 触发角调节量126
3.4.3 改进预防控制方案128
3.5 *次换相失败预测与预防控制性能129
3.5.1 *次换相失败预测129
3.5.2 *次换相失败预防控制133
第4章 直流输电系统后续换相失败预测与抑制方法137
4.1 后续换相失败过程建模137
4.1.1 关断角解析表达137
4.1.2 后续换相失败影响因素139
4.2 后续换相失败临界电压140
4.2.1 逆变站控制响应解析140
4.2.2 临界电压计算方法141
4.3 后续换相失败预测方法142
4.3.1 预测原理142
4.3.2 实现方法144
4.3.3 算例分析144
4.4 基于自适应启动电压的限流控制方法151
4.4.1 限流控制思想151
4.4.2 临界斜率计算152
4.4.3 启动电压计算153
4.4.4 限流控制策略155
4.4.5 算例分析155
4.5 基于逆变站故障安全域的自适应电流控制方法166
4.5.1 逆变站电气量耦合特性166
4.5.2 逆变站故障安全域167
4.5.3 自适应电流控制思想171
4.5.4 自适应电流控制策略172
4.5.5 算例分析174
第5章 直流输电系统换相失败穿越能力及其提升方法179
5.1 直流输电系统换相失败穿越能力179
5.1.1 直流输电系统换相失败的后果179
5.1.2 直流输电系统的闭锁措施180
5.1.3 直流输电系统闭锁后的电网特性181
5.2 直流输电系统换相失败穿越解析182
5.2.1 换相失败下的交流系统稳定性182
5.2.2 换相失败期间直流功率建模185
5.3 换相失败穿越能力提升方法187
5.3.1 控制思想187
5.3.2 控制量计算方法188
5.3.3 控制方法190
5.4 算例分析192
5.4.1 换相失败的影响192
5.4.2 不同控制方法下的控制效果194
5.4.3 不同直流容量配比下的控制效果195
5.4.4 整流站无功补偿的影响196
第6章 多馈入直流输电系统换相失败特性198
6.1 多馈入直流输电系统运行特性198
6.1.1 多馈入直流输电系统结构198
6.1.2 多馈入交互作用因子199
6.1.3 多馈入短路比202
6.2 多馈入直流输电系统同时换相失败203
6.2.1 同时换相失败过程203
6.2.2 同时换相失败的边界条件205
6.3 多馈入直流输电系统相继换相失败207
6.3.1 无功功率交互特性207
6.3.2 相继换相失败的产生机理211
6.3.3 相继换相失败过程212
6.4 多馈入直流输电系统换相失败特征215
6.4.1 同时换相失败215
6.4.2 相继换相失败217
6.4.3 同时换相失败与相继换相失败的区别221
第7章 多馈入直流输电系统换相失败预测与抑制方法225
7.1 多馈入直流输电系统相继换相失败临界电压225
7.1.1 换流母线电压交互因子225
7.1.2 相继换相失败临界电压226
7.2 多馈入直流输电系统换相失败预测方法228
7.2.1 预测原理228
7.2.2 预测效果230
7.3 适用于多馈入直流输电系统的换相失败预防控制方法236
7.3.1 控制思想236
7.3.2 改进换相失败预防控制策略238
7.3.3 相继换相失败预防控制策略240
7.3.4 改进换相失败预防控制效果241
7.3.5 相继换相失败预防控制效果245
7.4 考虑换相失败连锁反应的多馈入直流输电系统协调控制方法248
7.4.1 多馈入直流输电系统换相失败连锁反应248
7.4.2 换相失败连锁反应边界249
7.4.3 控制思想249
7.4.4 协调控制效果251
第8章 混合多馈入直流输电系统换相失败抑制方法257
8.1 混合多馈入直流输电系统257
8.1.1 柔性直流输电系统的类型257
8.1.2 柔性直流输电系统的控制259
8.1.3 混合多馈入直流输电系统的运行特性264
8.2 基于功率可控域的换相失败抑制方法265
8.2.1 功率可控域建模265
8.2.2 控制原理268
8.2.3 控制策略269
8.3 基于功率协调控制的换相失败抑制方法270
8.3.1 功率协调控制思想270
8.3.2 无功可控域建模272
8.3.3 控制参考值计算273
8.4 算例分析274
8.4.1 基于功率可控域的换相失败抑制方法验证275
8.4.2 基于功率协调控制的换相失败抑制方法验证278
参考文献283
附录 CIGRE直流输电标准测试模型284