趙利剛，趙勇，王磊，李興源，李妮，王超

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065）

0 引 言

為了更好地滿足電網(wǎng)在科研、規(guī)劃、運(yùn)行等方面的需求，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院引進(jìn)美國(guó)某公司的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真代碼后，經(jīng)過自己的消化和吸收，研發(fā)出交直流電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件DSP（Dynamic Simulation Program），該軟件在仿真規(guī)模、仿真準(zhǔn)確性和仿真效率等方面基本能夠滿足實(shí)際電力系統(tǒng)仿真的需求。國(guó)內(nèi)已有利用該軟件進(jìn)行建模與仿真的先例［1］。

高壓直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)由定電流控制和最小觸發(fā)角控制組成［2］。最小觸發(fā)角控制在實(shí)際直流輸電工程中應(yīng)用較為廣泛［3-8］。比如文獻(xiàn)［9］基于實(shí)際直流輸電工程，針對(duì)最小觸發(fā)角控制的控制邏輯進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)最小觸發(fā)角控制，特別是對(duì)于具體參數(shù)設(shè)置以及信號(hào)選取等問題并沒有提及。

整流側(cè)在故障恢復(fù)過程中，隨著電壓的快速恢復(fù)，此時(shí)的觸發(fā)角會(huì)快速恢復(fù)到一個(gè)很大的值，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)過電流和過電壓，此時(shí)將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極大的危害［10］。為了能夠抑制這種現(xiàn)象，就必須在故障恢復(fù)時(shí)增大觸發(fā)角，能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目的的控制被稱為最小觸發(fā)角控制。

最小觸發(fā)角控制是高壓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)所獨(dú)有的一種附加控制方式。它是整流側(cè)定電流控制的附加控制，該控制并不直接作用于定電流控制，而是通過對(duì)定電流控制限幅環(huán)節(jié)的控制對(duì)觸發(fā)延遲角α進(jìn)行間接控制。

本文受文獻(xiàn)［11］采用功率分量法作為輸入信號(hào)的啟發(fā)，基于DSP軟件和文獻(xiàn)［9］所提出控制邏輯，對(duì)高壓直流輸電控制系統(tǒng)中整流側(cè)最小觸發(fā)角控制進(jìn)行了自定義開發(fā)，仿真驗(yàn)證了所開發(fā)的自定義模塊實(shí)現(xiàn)了最小觸發(fā)角控制功能。

1 最小觸發(fā)角機(jī)理分析

整流側(cè)觸發(fā)角的定義式為：

式中Udor為整流側(cè)直流電壓，Udoi為逆變側(cè)直流電壓，γ為熄弧角。在直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，整流側(cè)觸發(fā)角α與直流電流Id呈反比。當(dāng)α越小時(shí)，Id越大；當(dāng)α越大時(shí)，Id越小。

由此可見，要減小故障恢復(fù)過程中過電流Id，就必須增大觸發(fā)角α。

2 最小觸發(fā)角自定義模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 功率分量信號(hào)

為了更早地檢測(cè)出交流故障，本文提出采用功率分量信號(hào)作為最小觸發(fā)角自定義模塊的輸入信號(hào)。該信號(hào)綜合了電壓與電流在交流故障發(fā)生后突變的特征，對(duì)故障的反應(yīng)更加靈敏，可解決單一物理量檢測(cè)交流故障時(shí)靈敏度不夠高、檢測(cè)結(jié)果不夠可靠的問題。

單獨(dú)選擇交流電壓或者直流電壓信號(hào)作為最小觸發(fā)角自定義模塊的輸入信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是在故障期間能夠降低故障對(duì)直流功率的影響；單獨(dú)選擇直流電流的優(yōu)點(diǎn)是在故障和恢復(fù)期間的靈敏度更高。通過在換流母線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電壓，并考慮整流側(cè)直流電流，二者的共同作用，得到最小觸發(fā)角自定義模塊所需的功率分量信號(hào)。

對(duì)于電壓分量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有：

式中ua（t）、ub（t）、uc（t）為換流母線三相電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，Uac為換流母線交流電壓。而對(duì)于電流分量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以通過DSP自定義語句來實(shí)現(xiàn)。

將電壓、電流分量相結(jié)合，定義功率分量如下：

式中Uac和Id均為標(biāo)么值，P′為該出線上的功率分量信號(hào)。

采用該信號(hào)的好處是既反映了交流電壓的特性，又反映了直流電流的特性。采用自定義功率分量信號(hào)P′作為輸入信號(hào)，既能夠利用交流電壓信號(hào)在故障過程中的正常響應(yīng)，又能夠利用直流電流信號(hào)優(yōu)于電壓信號(hào)的敏感性。將電壓、電流分量作為最小觸發(fā)角自定義模塊的輸入信號(hào)，能提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

在采用功率分量信號(hào)作為最小觸發(fā)角自定義模塊的輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)最小觸發(fā)角控制功能則需要設(shè)定2個(gè)閾值K3和K4，分別對(duì)應(yīng)2種限幅水平αmin1、αmin2，且αmin1≥ =αmin2。DSP包含最小觸發(fā)角自定義模塊的整流側(cè)控制策略如圖1所示。

圖1 含最小觸發(fā)角自定義模塊的整流側(cè)控制策略Fig.1 Rectifier side control strategy with the minimum firing angle control custom module

正常情況下，整流側(cè)最小觸發(fā)角αmin為5°。整流側(cè)發(fā)生交流故障時(shí)，觸發(fā)角α將快速減小至αmin。故障切除后，隨著電壓的快速恢復(fù)，若觸發(fā)角α過小，直流電流可能出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

最小觸發(fā)角自定義模塊的算法及其實(shí)現(xiàn)功能如下所示：

當(dāng)整流側(cè)P′＜K3時(shí)，αmin=αmin1；當(dāng)K3≤P′≤K4時(shí)，αmin=αmin2；當(dāng)P′＞K4時(shí)，αmin=5°；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)αmin=5°。

當(dāng)整流側(cè)交流母線發(fā)生三相故障后，整流側(cè)瞬時(shí)有功功率標(biāo)么值瞬間從1變?yōu)?，最小觸發(fā)角將會(huì)由5°經(jīng)過一定的延遲變?yōu)棣羗in2（由于下降速度太快，中途的最小觸發(fā)角αmin沒有在αmin1～αmin2過渡）；當(dāng)切除故障后，整流側(cè)P′從0恢復(fù)到1，最小觸發(fā)角分別經(jīng)過αmin2（此時(shí)最小觸發(fā)角控制起作用），αmin1～αmin2（此時(shí)最小觸發(fā)角控制起作用），5°三個(gè)階段。當(dāng)αmin=5°時(shí)，直流控制系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3 仿真測(cè)試

3.1 仿真模型建立

最小觸發(fā)角自定義模塊一共有4個(gè)未知參數(shù)，即K3，K4，αmin1，αmin2。它們的取值方法在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中均無參考，特別是當(dāng)K3≤P′≤K4時(shí)的最小觸發(fā)角的變化規(guī)律和取值范圍最難確定。

經(jīng)過大量仿真得到如下規(guī)律：最小觸發(fā)角取值太大會(huì)造成故障恢復(fù)過程中發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，而取值太小則會(huì)造成在故障恢復(fù)過程中不起作用。

經(jīng)過多次仿真后得出，當(dāng)K3=0.6，K4=0.8，αmin1=25°，而αmin2=20°，且當(dāng)K3≤P′≤K4時(shí)，最小觸發(fā)角按照線性規(guī)律由25°漸變?yōu)?0°，即時(shí)控制效果較好。

本文選擇的直流仿真模型及參數(shù)是機(jī)電暫態(tài)仿真程序DSP中CIGRE-1DC，如圖2所示。該模型為單極十二脈動(dòng)直流輸電系統(tǒng)，其基本參數(shù)如下：?jiǎn)螛O額定傳輸功率1 500 MW，額定直流電壓500 kV，額定換流母線電壓525 kV，額定電流1.5 kA，輸電距離1 210 km，換流器采用雙極12脈動(dòng)接線方式且兩端中性點(diǎn)均接地。

圖2 直流系統(tǒng)模型Fig.2 Model of the DC system

3.2 仿真結(jié)論分析

本節(jié)以DSP仿真軟件中的算例CIGRE-1DC為仿真模型，并搭建相同參數(shù)的PSCAD模型對(duì)本節(jié)提出的最小觸發(fā)角自定義模塊進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)加入最小觸發(fā)角控制自定義模塊的CIGRE-1DC（藍(lán)色線條）、原 CIGRE-1DC模型（黑色線條）、以及 PSCAD模型（紅色線條）的仿真，對(duì)比三組仿真結(jié)果，驗(yàn)證該最小觸發(fā)角自定義模塊的控制效果。在仿真測(cè)試中，機(jī)電暫態(tài)仿真軟件DSP的步長(zhǎng)為0.01 s，電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD的步長(zhǎng)為50μs。

仿真運(yùn)行2 s時(shí)，在整流側(cè)換流母線（RECAC）處設(shè)置三相短路故障，0.1 s（DSP里的10個(gè)步長(zhǎng)，PSCAD里的2 000個(gè)步長(zhǎng)）后切除故障。針對(duì)10個(gè)電氣量的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，它們分別是整流側(cè)的觸發(fā)角、直流電流、直流電壓、直流功率、換流母線電壓以及逆變側(cè)的熄弧角、觸發(fā)角、直流電流、直流電壓、換流母線電壓。對(duì)DSP（加入控制后）、DSP（加入控制前）、PSCAD/EMTDC（未加入任何控制）三種情況下進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，如圖3所示。

如圖3（a）所示，故障發(fā)生后，加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型和未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型的整流側(cè)觸發(fā)角均快速下降至5°。觸發(fā)角的快速減小能夠一定程度上彌補(bǔ)直流電壓的跌落，這將有利于降低故障對(duì)直流功率的影響。隨后，加入最小觸發(fā)角自定義模塊的DSP模型0.04 s后快速上升到了25°，0.05 s后的最小觸發(fā)角均為25°。

圖3 整流側(cè)三相短路故障仿真結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation results of three-phase short-circuit fault in rectifier side

2.1 s故障被切除后，加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的觸發(fā)角可快速上升到51.6°，而未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型的觸發(fā)角則上升至49.2°。由于在故障恢復(fù)過程中，較大觸發(fā)角會(huì)減少故障切除瞬間的過電流，而恢復(fù)過程中加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型比未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型觸發(fā)角大0°到1.6°，因此有利于持續(xù)減少恢復(fù)過程中的過電流。

由圖3（b）可知，故障期間，加最小觸發(fā)角自定義模塊模型與未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型的直流電流響應(yīng)一致。2.1 s切除故障后，由于加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的觸發(fā)角比未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型觸發(fā)角大2.4°，加入最小觸發(fā)角自定義模塊后，比原模型瞬時(shí)過電流降低了0.2 kA?；謴?fù)過程中，加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的直流電流較原模型小0 kA～0.06 kA，且兩個(gè)模型均需0.18 s恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。表明加入最小觸發(fā)角自定義模塊未影響直流電流的正?；謴?fù)，同時(shí)能一定程度上抑制故障恢復(fù)過程中的瞬時(shí)過電流。

由圖3（c）可知，故障期間，加最小觸發(fā)角自定義模塊模型與未加最小觸發(fā)角自定義模塊模型直流電壓響應(yīng)一致。2.1 s切除故障后，由于加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的觸發(fā)角比沒加最小觸發(fā)角自定義模塊模型的觸發(fā)角大一些，所以恢復(fù)過程中加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的直流電壓均比沒加的要小0 kV～15.3 kV，且兩個(gè)模型均需0.13 s恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值。表明加入最小觸發(fā)角自定義模塊未影響直流電壓的正?；謴?fù)，同時(shí)能一定程度上抑制故障恢復(fù)過程中的瞬時(shí)過電壓。

由圖3（d）可知，由于直流功率由直流電流和直流電壓的乘積決定，直流功率的暫態(tài)特性綜合了直流電壓和直流電流的暫態(tài)特性。故障切除后，因?yàn)榧尤胱钚∮|發(fā)角自定義模塊模型的直流電流和直流電壓相均比原模型的對(duì)應(yīng)值較小，所以直流功率差別很大。

由圖3（j）可知，加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的換流母線電壓與原模型的換流母線電壓在故障期間響應(yīng)一致。恢復(fù)過程中，加入最小觸發(fā)角自定義模塊模型的換流母線電壓比原模型的換流母線電壓波動(dòng)較小，且恢復(fù)過程更加平穩(wěn)，仿真達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)整流側(cè)交流母線發(fā)生三相短路故障后，通過編寫DSP最小觸發(fā)角自定義模塊語句實(shí)現(xiàn)了控制目的，即在故障發(fā)生時(shí)不動(dòng)作，僅在故障恢復(fù)過程中有計(jì)劃地動(dòng)作。最小觸發(fā)角自定義模塊既實(shí)現(xiàn)了在故障過程中讓觸發(fā)角的快速減小來彌補(bǔ)直流電壓的跌落，從而降低故障對(duì)直流功率的影響；又實(shí)現(xiàn)了一定程度上抑制在故障恢復(fù)過程中出現(xiàn)的過電流和過電壓的目的。這兩點(diǎn)分別在圖3（b）、圖3（c）、圖3（h）、圖3（i）中有所體現(xiàn)。

與此同時(shí)，該控制對(duì)這10個(gè)電氣量的恢復(fù)時(shí)間沒有一點(diǎn)延遲，這對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。大量的仿真表明，所設(shè)計(jì)的最小觸發(fā)角自定義模塊能夠?qū)崿F(xiàn)抑制整流側(cè)故障恢復(fù)中的過電流和過電壓的目的，具有一定的實(shí)際參考意義。