帶磁滯回線特性低壓限流控制器的控制策略分析

方 葦,寧 晗

(1.國網湖北省電力有限公司直流公司,湖北 宜昌 443000;2.國網湖北省電力有限公司超高壓公司,湖北 宜昌 443000)

0 引言

常規直流輸電系統具有傳輸容量大,控制響應快等優點,但受晶閘管無自關斷特性的限制,當逆變側交流系統發生故障時,極易發生換相失敗,引起直流電流增大,直流電壓下降,繼而引發連續換相失敗[1-3]。為了保證直流輸電系統的安全穩定運行,研究換相失敗抑制方法及其恢復策略具有重要意義[4-7]。低壓限流控制器(Voltage Dependent Curret Order Li miter,VDCOL)作為一種抑制換相失敗的措施,已經在實際中得到廣泛應用,并有諸多文獻對VDCOL的改進進行研究[8-9]。文獻[10-11]對VDCOL的基本原理和調節作用進行了分析,但在系統發生故障時,直流電流指令響應不夠靈敏,且故障恢復期間功率恢復慢,容易造成連續換相失敗。文獻[12]提出了非線性的VDCOL改進策略,在一定程度上可以抑制連續換相失敗的發生,但功率恢復的響應速度不夠快。

本文針對以上問題,提出一種基于磁滯回線特性的VDCOL控制器,在故障時刻迅速降低直流電流指令值,在功率恢復時刻盡快提升直流電流指令值,從而實現故障的快速響應,降低連續換相失敗的可能性。通過在PSCAD/EMTDC仿真環境中,使用CIGRE標準測試模型檢驗了所提控制方法,與固定斜率的VDCOL控制器進行對比。仿真實驗證明,所提磁滯回線特性的VDCOL能夠保證直流系統穩定運行,在故障期間抑制連續換相失敗的發生,故障消失后有利于直流功率的迅速恢復。

1 傳統VDCOL控制策略

VDCOL主要用于當直流系統電壓或換流變進線交流母線電壓下降至電壓限定值時,通過對輸出直流電流指令的限制,以達到對換流閥觸發角輸出的控制。

如果換流變進線交流母線電壓過低,將導致觸發角調節至最小值5°,但無法通過控制直流電流以達到當前所要輸送的直流功率;VDCOL采用降低直流電流輸出指令的方式,自動將直流系統控制于降容模式下運行[13-15]。如圖1所示,VDCOL一般由最小直流電流指令限制I L、最大直流電流指令限制I H、最低直流電壓門檻值U L、最高直流電壓門檻值U H組成。

圖1 VDCOL的I-U特性曲線

其中,I L用于保證直流電流過低時可控硅可靠的導通,即為可控硅關斷電流;I H通常用于限制最大輸送功率,一般取額定功率條件下的直流電流值;VDCOL的最低直流電壓門檻值U L通常取0.45～0.35 pu,其最高直流電壓門檻值U H通常取0.7～0.9 pu[16-18]。

國際大電網會議(CIGRE)標準測試模型中采用如圖1所示的固定斜率VDCOL,直流電壓U和直流電流指令值I的關系為

2 改進VDCOL控制策略

傳統固定斜率的VDCOL控制在系統面臨較嚴重故障時,難以抑制連續的換相失敗,為了提高系統抵御連續換相失敗、潮流恢復的能力,且在正常情況下不影響系統傳輸的功率,本文設計了一種基于磁滯回線特性的VDCOL連續換相失敗抑制策略,其運行特性如圖2所示。

圖2 磁滯回線特性的VDCOL控制策略

從圖2可以看出,當直流系統檢測到直流電壓高于0.9 pu或低于0.4 pu時,直流電流指令值輸出與傳統VDCOL設置相同,即直流電壓高于0.9 pu時,直流電流指令值為1.0 pu;直流電壓低于0.4 pu時,直流電流指令值為0.55 pu。當直流電壓下降程度越深,給出的直流電流指令值越小,以達到快速降低直流電流的目的;在恢復階段,直流電壓恢復的越快,直流電流指令值增加的越多,以促使潮流盡快恢復。

當直流系統檢測到直流電壓在0.4～0.9 pu時,為了保證直流電流指令值的快速跟蹤,沿A點至B點的圓弧線,可以實現最大的直流電流指令值變化率;以AB連接線作為圓的弦,圓心位于AB的中位線上,AB連接線的中點為M(0.65,0775),圓心所在直線方程為

圖3 磁滯回線特性的VDCOL控制邏輯

3 仿真及結果分析

為了驗證所提磁滯回線特性VDCOL控制策略的正確性,以CIGRE標準測試模型為基礎,在不改變其基本控制邏輯的前提下,僅對VDCOL環節重新進行邏輯編輯。直流系統模型的主要參數如下。

整流側:交流系統等效電源電壓為382.87 k V,阻抗為47.655∠84°Ω,短路比SCR=2.5;換流變容量為603.7 MVA,短路電抗為0.18 pu,變比為345 k V/213.5 k V。

逆變側:交流系統等效電源電壓為215.05 k V,阻抗為21.2∠75°Ω,短路比SCR=2.5;換流變容量為591.79 MVA,短路電抗為0.18 pu,變比為230 k V/209.2 k V。

直流線路:直流電阻為2.5Ω,直流電感為0.6 H。

采用2套VDCOL控制系統對比的方法,建立2種策略的仿真方案進行驗證。方案1,采用CIGRE標準測試模型中定斜率VDCOL控制策略即。方案2,基于CIGRE標準測試模型將定斜率VDCOL控制策略替換為本文所提磁滯回線特性的VDCOL控制策略,即上弧線和下弧線的組合。

通過設置3種模擬工況以比較2種方案的控制效果。

(1)工況1,正常運行,包括直流系統啟動。如圖4所示。

圖4 正常工況下系統的運行狀態

通過對比2種控制策略在正常運行時的電氣量,控制效果基本相同;但在系統啟動階段,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略,電流指令值上升得更快,且直流電流達到正常穩定值的速度會更快,其響應更靈敏。

(2)工況2,在受端交流母線上設置單相接地故障,接地電感設為0.4 H,故障起始時間為t=1 s,故障持續時間為0.5 s。如圖5所示。

從圖5中可以看出,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略后,減少了一次換相失敗,表明能夠有效抑制連續換相失敗的發生,并且直流電流恢復得更快,無明顯過沖。

圖5 單相接地故障下系統的運行狀態

(3)工況3,在受端交流母線上設置三相接地故障,接地電感設為0.4 H,故障起始時間為t=1 s,故障持續時間為0.5 s。如圖6所示。

從圖6可以看出,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略后,雖然不能避免換相失敗的發生,但關斷角變得更大,對故障的響應更加靈敏。在故障恢復階段,電流的響應速度更快,保證潮流盡快恢復正常水平。

圖6 三相接地故障下系統的運行狀態

4 結論

針對高壓直流輸電換相失敗這一現象,提出了一種基于磁滯回線特性的VDCOL控制策略,通過CIGRE標準測試模型的仿真實驗,驗證了這一策略的有效性;仿真結果證明:在故障時刻,通過快速減小電流指令值,能夠抑制換相失敗的連續發生;在恢復階段,快速增大電流指令值,保證功率輸送的及時恢復。本文采用的磁滯回線特性VDCOL控制策略,可以降低直流系統換相失敗幾率,提高直流系統抑制連續換相失敗的能力,為實際直流工程提供一定的參考價值;采用對VDCOL控制環節的改進,可以較好地兼容其他控制策略的優化,無需添加硬件設施,易于實現,其工程應用特性有待進一步驗證。