高壓直流輸電系統抑制連續換相失敗的策略研究

趙曉龍，陳卓，田霄，何青龍，張葉貴

(貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

傳統高壓直流輸電系統的輸電可靠性高、非同步聯絡能力強，而且輸送容量大、輸電損耗低、易于控制。然而由于晶閘管不能自關斷，在逆變側發生交流短路故障時，可能導致換相失敗[1-3]。

換相失敗的影響因素包括直流電流，換相電壓，越前觸發角，換相電抗等，其中主要原因是逆變側的交流故障導致的換流母線電壓的下降[4]。針對換相失敗問題，國內外很多學者從換相失敗檢測和診斷、控制優化和結構改進等方面做了大量的研究和創新。文獻[5]結合低壓限流控制，提出了一種增設虛擬電阻的方法。文獻[6-7]詳述了正在使用的CFPREV換相失敗預測法的實現過程，但是CFPREV檢測方法在零序電壓檢測時，交流電壓在過零點時啟動會相對較慢。文獻[8]對CFPREV進行優化，增加了新的sin-cos分量檢測方法；文獻[9]在此基礎上，增加了電流的零序分量檢測和αβ分量檢測，相比于傳統的電流電壓故障檢測法，這些方法更加快速和靈敏。文獻[10]對CFPREV與故障合閘角在換相失敗時的情況進行分析，提出了一種在不同電壓跌落程度下可以判斷影響換相失敗主要因素的方法。文獻[11]提出基于直流電流的預測控制，但是由于電流變化相對較慢，當靠近換相過程時出現交流故障，此方法效果不明顯；文獻[12]提出的改進預測型定熄弧角控制法和文獻[13]提出的非線性動態VDCOL法都在一定程度上抑制了連續換相失敗。在結構改進方面，文獻[14]提出了一種鎖相環的改進方法，提高控制脈沖的控制精度和適應性。文獻[15-16]通過改進STATCOM，能改善系統暫態特性。

文章基于現有研究成果，對換相機理進行分析，綜合考慮了故障后直流電流，直流電壓和交流母線電壓等參數的變化特性，提出了一種基于預測控制和VDCOL特性的改進控制策略。該策略通過預測控制，對整流側、逆變側觸發延遲角和VDCOL的輸入量進行補償。仿真的結果表明，所提策略能夠在系統發生短路故障時，抑制連續換相失敗，同時也能改善系統恢復特性。

1 高壓直流輸電的換相機理分析

1.1 換相失敗機理

換相失敗是指在閥電壓轉為正向后，被換相的閥與預定退出導通的閥，發生倒換相的情況。這是由于兩個橋臂的換相結束時，在反向電壓持續的一段時間內，換相過程沒有完成或者剛退出導通的閥沒有恢復阻斷能力[11]。

以六脈波換流器為例，換相過程中，換相的回路方程如下[5]：

(1)

式中Lc為換相電感；ik(t)和ig(t)為將要開通和關斷閥臂上流過的電流；U為閥臂換相電壓有效值；ω為交流系統的角頻率。

對式(1)左右進行積分，可以得到晶閘管換相面積S的表達式：

(2)

γ=β-μ

(3)

式中S為晶閘管換相面積；Id為直流電流，β為超前觸發角；μ為換相角。

由晶閘管的固有特性可知，若要恢復其阻斷能力，需要一定的電角度，稱為最小關斷角γmin，一般認為只有當閥運行中的關斷角γ小于固有極限γmin時，才會出現換相失敗的情況。

研究表明，逆變側的交流系統發生故障(以下簡稱故障)時，直流電流Id增大，則實際需要的換相面積也增大。對于高壓直流輸電，假設在定電流控制和直流平波電抗器的作用下，直流電流Id恒定，但由于換相電壓降低，則必須增大換相角μ才能保證提供的換相面積不變，從式(3)可知，由此導致的關斷角γ減小，是換相失敗發生的根本原因[17]。

1.2 連續換相失敗

研究發現，對于首次換相失敗，一般是難以避免的，這是因為高壓直流輸電系統的控制環節是一個滯后環節，只有在判斷出故障滯后才會動作，而首次換相失敗發生的卻很快，所以即使使用了預測控制，也難以避免換相失敗的發生，但是適當的預測控制確實也是有一定效果的。

在第一次換相失敗之后，系統再次或多次出現換相失敗的情況，稱為連續換相失敗。此時，控制環節有足夠的時間對系統加以控制調整，使系統恢復穩定運行。對比來看，首次換相失敗對電網的沖擊，遠遠比不上連續換相失敗帶來的危害，所以需要重點研究如何抑制連續換相失敗的發生。

2 控制策略的改進

2.1 整流側觸發角補償

CIGRE模型的整流側為定電流控制。在故障時，直流電壓下降導致直流電流上升，由式(2)可知，這樣會增大實際需要的換相面積，從而導致換相失敗。直流電流與電壓的關系如下：

(4)

式中Udr和Udi為整流、逆變側兩端的直流電壓；R為直流線路的等效電阻。

由式(4)可知，當電阻為定值時，直流電流正比于直流輸電系統兩側的電壓之差。當Udi下降，為了抑制直流電流，可以使整流側觸發延遲角αr增大一個補償角度，使整流側直流電壓Udr降低，縮小兩端電壓差[18]。邏輯框圖如圖1所示。

圖1 整流側觸發角補償

2.2 換相失敗預測模塊

逆變側為定關斷角控制。在故障時，關斷角γ將會減小，當γ小于γmin時，就會發生換相失敗。通過增大γ角整定值，可以起到抑制換相失敗的作用，但是這樣會加大無功功率的消耗，需要增加無功補償設備。通過預測模塊，在檢測到系統可能發生換相失敗時，將逆變側的觸發角α提前降低，這樣可以臨時增大γ角，減少發生換相失敗的概率，而又不需要額外增添無功補償[19]。

通過對實測電壓與電壓整定值做差，表明故障時電壓跌落的幅度，以此做為觸發預測模塊動作的標準，綜合考慮故障時直流電壓和換流母線電壓在換相失敗時的波動特性，選擇交流母線電壓Ua作為輸入，與電壓整定值做差，再和△U′對比，判斷模塊是否動作。電壓差△U經放大環節和延時環節后，輸出補償角△αi，從而減小逆變側觸發延遲角αi。整流側的預測模塊與此類似，邏輯框圖如圖2所示。

圖2 故障預測

改變增益K的取值，可以調節補償觸發角Δαi的幅度；改變ΔU′的值，可以調整模塊在電壓跌落時的運行時刻。

2.3 VDCOL輸入優化

在系統出現故障時，電壓迅速跌落，低壓限流裝置通過減小直流電流指令，使定觸發角控制動作來增大β角，加大換相裕度，從而減少發生換相失敗的概率。

但是，由于換相失敗時逆變側的直流電壓波動范圍大，如果作為低壓限流器的啟動電壓，會使輸出的直流電流指令波動劇烈，影響觸發角指令的穩定性，從而導致換相失敗，并且故障恢復過程偏長[20]。因而在此選取交流電壓作為啟動電壓，并且基于VDCOL的特性，在交流電壓跌落時，還可以限制無功功率的消耗。

利用二階廣義積分建立電壓正余弦分量方程，對交流母線電壓的幅值進行測算。傳遞函數如下[11]：

(5)

(6)

式中a、b為電壓的正弦和余弦分量；u為輸入電壓；k為增益；Ua為交流電壓幅值。

由幅頻特性可知，傳遞函數環節具有良好的濾波的特性，可以減少額外的濾波環節，提升檢測速度。

另外，由于VDCOL只有當輸入量下降到一定程度，一般為0.1 p.u.之后才會限制直流電流指令，具有滯后性。并且由于VDCOL的輸出指令是隨輸入呈線性變化的，因此無法迅速減小直流電流。這時可以采用虛擬電阻控制方法[5]，提前減小電流指令，從而抑制換相失敗的發生。但此舉會改變系統的故障穩態運行點，當處于故障穩態時，實際直流電流與額定電流有偏差，導致虛擬電阻上存在電壓降，減小了VDCOL的啟動電壓，導致系統故障后的調節時間變長，不利于系統快速恢復[20]。考慮到交流母線電壓在換相失敗與故障穩定運行點時，電壓波動范圍的不同，可以通過預測模塊，選擇合適的觸發電壓值，從而控制虛擬電阻的接入和斷開。如此，在故障穩態時，虛擬電阻將不會影響穩態運行點，而又能在電壓跌落時起到抑制換相失敗的作用。

3 仿真驗證

為驗證所提控制策略，使用CIGRE的標準測試模型，其他參數不變的情況下，只對控制環節進行改進。

CIGRE HVDC系統主要參數為：直流部分的額定電壓UdN、電流IdN和功率PN分別為500 kV、2 kA和1 000 MW;變壓器的漏抗Xr為0.18 p.u.;整流側和逆變側交流母線電壓UrN和UiN分別為345 kV和230 kV;短路比SCR為2.5，其為典型的弱交流系統。關斷角γ為零時，出現換相失敗的情況[21]。

采用下面兩種算例，進行仿真對比：

算例1：使用CIGRE標準測試模型；

算例2：在算例1的基礎上，修改和優化為所提出的控制策略。

工況一：仿真故障的設置相同，在1 s時，發生單相接地故障，故障電感1 H，持續0.5 s。圖3為兩種算例的逆變側交流母線電壓有效值、直流電壓、直流電流和關斷角的波形對比。

圖3 單相接地L=1 H時系統運行特性

通過觀察圖3可以發現，單相接地故障的接地電感較大，即L=1 H時，類比實際輸電系統中，故障等級較輕的情況。此時，兩種算例都沒有發生換相失敗。

算例2與算例1的各參數波形基本相同，這說明算例2的控制策略，不會對系統造成不良影響。同時還可以發現，算例2的故障恢復時間略微小于算例1，說明算例2的控制策略能使系統更快的到達故障穩態運行點。

工況二：其他條件不變，在1 s時，發生經0.4 H電感的單相接地故障，故障時長0.5 s。對比兩個算例的系統特性如圖4所示。

圖4 單相接地 L=0.4 H時系統運行特性

通過觀察圖4可以發現，單相接地故障的接地電感較小時，即L=0.4 H時，類比實際輸電系統中，故障等級較為嚴重的情況。可以看出算例1中的關斷角γ連續兩次降為0°，表明輸電系統一共出現了兩次換相失敗的情況。因為系統的首次換相失敗與故障發生時刻很接近，所以一般難以避免，重點在于如何避免出現連續換相失敗。

圖4中算例2的關斷角只有一次降為0°，說明發生過一次換相失敗，可以看出其直流電流過電流現象嚴重，直流電壓大幅跌落，危害電網安全，但通過控制模塊動作，系統能夠快速恢復性能，進入故障穩態運行狀態。說明采取如算例2中這樣的改進控制策略，能夠有效抑制連續換相失敗。

為了驗證算例2在逆變側交流系統的不同嚴重程度的故障下對連續換相失敗的抑制能力，在相同故障下，比較兩種算例的換相失敗次數。逆變側的交流系統故障的等級可以用故障程度fFL表示[5,20]。

(7)

式中Ld為故障接地電感。故障程度fFL越大，表示發生的故障越嚴重。選取fFL從10%到50%的范圍進行測試，即從輕級故障到嚴重級故障，依次查看換相失敗次數。

對比表1中兩種算例的換相失敗次數可以發現：發生程度較輕的故障時，如果算例1不發生換相失敗，那么算例2也不會發生；對于嚴重的故障，算例2只會發生首次換相失敗，而算例1則會多次出現換相失敗的情況。這說明了算例2能夠有效抑制連續換相失敗的發生。

表1 直流輸電換相失敗的次數統計

4 結束語

文中通過對高壓直流輸電換相失敗的機理進行分析，并結合直流系統控制邏輯，提出了一種復合預測控制策略，通過補償整流側和逆變側的觸發角，同時加入可控的虛擬電阻，配合交流母線電壓，對VDCOL輸入量進行優化，通過大量實驗與仿真，得出如下結論：

(1)通過電壓補償配合交流母線電壓起動，可以使VDCOL起動電壓的變化減緩，以免發生故障時VDCOL劇烈波動，從而抑制連續換相失敗的發生;

(2)改善了一般預測控制僅通過減小逆變側觸發延遲角來降低換相失敗幾率的情況，將一部分壓力轉換到整流側，通過降低電壓，來降低電流，進而抑制換相失敗;

(3)實驗結果表明，所提控制策略對于連續換相失敗，具有較好抑制能力，同時能提高故障系統的恢復速度，改善恢復性能;

(4)預測控制存在一定的極限，當電壓大幅度跌落時，控制會失去效果。通過復合控制策略，可以一定程度上增加可控范圍，但是控制的極限依舊存在。另外，由于忽略了控制的動作延時，策略在實際工程應用中還需要加以改進。