摘要：电压源换流器作为VSC-HVDC最重要的组成部分，其过压和过流能力差，在运行过程中，时常会发生交流电网故障，系统很可能因过电压对电网电能产生较大影响，并且影响系统的可靠性及设备安全，严重情况下系统甚至停运。本文通过对操作/暂态过电压分析和研究，为解决操作/暂态过电压问题提供参考标准。
关键词：过电压；操作；暂态
1.过电压基本概念及分类
过电压是指电力系统中超过正常的运行电压并可能使电力系统的绝缘或者保护设备损坏的电压升高，其分为内部过电压以及外部（雷电）过电压两大类。内部过电压是由于电力系统内部能量的转化和传递而引起的，外部过电压主要是由于雷电能量注入引起的。
内部过电压是由于操作（合闸、拉闸）、事故、（接地、断线等）或其他原因引起电力系统的中电磁能量的转化，从而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并对电气装置可能造成威胁的电压升高。内部过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象。这些过电压是系统内部电磁能的振荡和积聚所引起的，所以叫内部过电压。
内部过电压可分为操作过电压和暂态过电压。操作过电压还可细分为切除空载线路引起的过电压、空载线路合闸引起过电压、系统解列过电压以及电弧接地过压物切除空载变压器的过电压。暂态过电压也可进一步细分为工频过电压（由长线电容效应、不对称接地故障、甩负荷引起）和谐振过电压（包括线性谐振、铁磁谐振和参数谐振）等。操作过电压出现在系统操作或故障情况下，一般以毫秒级来计算。操作过电压是由断路器及刀闸和系统故障引起的暂态过渡过程，既包括断路器的正常操作，例如线路和变压器、电抗器等的合闸过电压和故障后线路的重合闸过电压等；也包括各种分闸以及故障及其清除过程引起的过电压。操作过电压有幅值高、存在高频振荡、阻尼较强一级持续时间短等特点。暂态过电压虽然具有稳定状态的特性，持续时间较长，可以达到数秒，但是也具有存在时间不允许其持久或是时间非常短的特点，相对于输电系统正常的运行时间而言，它只是“暂时性”的，幅值比操作过电压低。
2.过电压的危害
2.1操作过电压的危害
电力系统改变设备的运行状态、系统运行方式以及事故处理均是通过倒闸操作实现的，而其本质是通过跳合开关（断路器）来达到目的。倒闸操作是变电运行工作中不可或缺的重要组成部份。截流过电压即在开断空载变压器时，变压器相当于一个大的电感，回路电容量较小，则会产生高的过电压。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电源充电而产生的，多次的充放电振荡，使断路器触头间的恢复电压逐渐升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压。三相开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使末开断相随之被切断，在其他两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，产生的过压加在相与相之间的绝缘上。以上操作过电压对系统造成很大的危害，损坏电气设备，严重则系统崩溃。
2.2暂态过电压的危害
暂态过电压分为工频过电压和谐振过电压。其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大，过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积停电事故。许多运行经验表明，中、低压电网中过电压事故大多数都是谐振现象引起的。由于谐振过电压的作用时间较长，在选择保护措施方面造成困难，为了尽可能地防止谐振过电压，在设计、操作电网时，应先事先进行必要的估算和安排，避免形成严重的串联谐振回路。或采取适当的防止谐振的措施。谐振过电压轻者令电压互感器和熔断器熔断、匝间短路或爆炸，重者发生避雷器爆炸、母线短路、厂用电失电等严重威胁电力系统和电气设备运行安全的事故。
3.操作/暂态过电压分析
3.1 VSC数学模型
两端联接有源交流系统的VSC-HVDC系统如图 3.1所示。
图 3.1 两端联接有源交流系统的VSC-HVDC系统的单线结构图
为简化分析，对交流系统电压平衡时VSC系统作如下假设：
（1）VSC-HVDC两侧交流系统取相同的电压幅值，但其电压的初始相位、频率可以不一致，三相交流电压均为正弦对称电压；
（2）换流变压器和换流电抗器都是线性对称的，不考虑其饱和状态，且靠近换流器侧的变压器绕组采用“△”接法，因此系统中无零序分量；
（3）两侧换流器的开关损耗和电抗器损耗等总的等效损耗分别由和凡表示，两侧系统中每一相的换流电抗和等效损耗都对称相等；
（4）设VSC-HVDC系统两侧换流器具有对称性，即都采用三相两电平拓扑结构，其开关器件及其它相应的无源元件都完全一致。
VS-HVDC一次侧的系统结构如图3-2所示。
图3-1 VSC-HVDC一次侧的系统结构
在假设换流电抗器是无损耗且忽略谐波分量时，换流器和交流电网之间传输的有功功率和无功功率分别为：
式中，V为换流器输出电压的基波分量，Us为交流母线电压基波分量，δ为V和Us之间的相角差，X为换流电抗器的电抗。
为了进一步简化分析，考虑到变压器副边采用“△”接线方式，此时系统中没有零序分量通路，因此图3-2可以简化为下图所示的部分电路。图中，usj、isj（j=a、b、c）分别表示交流系统的三相电压和电流的瞬时值，idc表示换流器的直流侧输出电流，id表示流经直流输电线的电流，Rs、Ls分别表示两侧的电阻损耗和换流电抗器的电感，C为VSC直流侧并联电容，R、L 为直流线路等值电阻、电抗，而直流线路等值电容由于远小于直流电容C，所以忽略不计。
图3-2 三相电压型换流器结构
上为了简化分析，若无特殊说明，一般都采用VSC-HVDC的一侧系统进行分析。
根据基尔霍夫定律，可得图3-3中A相的电压方程：
式（3-8）~（3-11）构成了VSC的高频数学模型。由此可以看出，VSC每相电流是由三相开关函数共同决定的，因此它是一个相互耦合的非线性时变系统。
4.结语
本文归纳总结了电网过电压的分类与危害，并对操作/暂态过电压分析进行VSC数学模型，基于 VSC-HVDC 用于联网的优势以及由空载线路电容效应产生工频过电压与合闸空载线路产生操作过电压形成的机理，提出了利用联网的 VSC-HVDC 抑制两种过电压的控制策略，通过利用联网的 VSC-HVDC 柔性启动空载长线，其工频过电压以及操作过电压得到了有效的抑制。因仿真模型中采用了线路参数与频率有关的线路模型，且考虑了线路的损耗，仿真得出的工频过电压与理论值有微小的差异。
参考文献：
[1]卢向东，赵成勇.基于VSC-HVDC的线路过电压抑制策略研究[J].高电压技术，2008，34（3）：462-467.
[2]张哲任，徐政，薛英林.MMC-HVDC 系统过电压保护和绝缘配合的研究[J].电力系统保护与控制，2013，41（21）：58-64.
论文作者:胡景文
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/25
标签：过电压论文; 系统论文; 操作论文; 谐振论文; 电压论文; 流电论文; 线路论文; 《电力设备》2019年第15期论文;