王龍飛，華 文，石博隆，王博文，周升彧，申屠磊璇，樓伯良

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

我國幅員遼闊，資源分布不均，各省經(jīng)濟水平也存在顯著的差異，負荷中心位于中東部沿海省份，而煤炭、水、風(fēng)、光等能源資源卻集中于西北、西南及東北地區(qū)，因此遠距離、大容量、安全穩(wěn)定的電力輸送方式將成為影響未來電網(wǎng)格局的重要因素[1]。

LCC-HVDC（電網(wǎng)換相換流器型直流輸電）在遠距離、大容量輸送電力方面具有一定的優(yōu)勢，已成為我國跨區(qū)域輸送電力的主要方式，承載著將西北、東北、西南等能源基地電力輸送至華中、華東等負荷中心的重要作用。

以華東電網(wǎng)為例，目前建成11 回特高壓直流，受電容量達到63.40 GW。未來白鶴灘—江蘇、白鶴灘—浙江特高壓直流投產(chǎn)后，華東電網(wǎng)饋入直流將達到13 回，受電規(guī)模進一步擴大。華東電網(wǎng)負荷密度較大，部分直流落點電氣距離較近，彼此相互作用較強，穩(wěn)定特性將發(fā)生重大改變。

由于晶閘管無自關(guān)斷能力，以其為換流元件的電壓換相換流器型直流近區(qū)交流線路發(fā)生故障或其他擾動，可能會導(dǎo)致直流發(fā)生換相失敗。依照現(xiàn)有部分直流控制保護邏輯，當直流連續(xù)換相失敗次數(shù)過多時將閉鎖。文獻[2-4]對直流換相失敗的機理和影響因素進行了綜述，將換相失敗的主要原因歸納為閥運行中的熄弧角過小。

直流閉鎖會嚴重威脅受端電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致受端電網(wǎng)損失一定規(guī)模的負荷，對社會經(jīng)濟運行和居民生活穩(wěn)定造成嚴重威脅。

華東電網(wǎng)曾多次發(fā)生因交流線路故障引起的多回直流換相失敗事件。2015 年9 月19 日，錦蘇直流發(fā)生雙極閉鎖，華東電網(wǎng)損失功率4.90 GW，之后華東電網(wǎng)頻率最低跌至49.85 Hz。此次事故也引發(fā)了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界對于直流換相失敗預(yù)測、直流換相失敗抑制、直流穩(wěn)定運行條件等一系列問題的深入研究[5-7]。

文獻[8]對直流換相失敗預(yù)測和抑制方法進行了綜述，并將抑制方法主要分為以下兩類：一是對換相失敗進行預(yù)測或快速檢測交流故障，進而對直流控制及保護系統(tǒng)進行改造，采取適當?shù)念A(yù)防控制措施[9-11]；二是提高直流受端落點交流側(cè)的電壓水平，通過近區(qū)配備SVC（靜止無功補償器）、STATCOM（靜止同步補償器）、調(diào)相機等無功支撐設(shè)備來實現(xiàn)[12-13]。

文獻[14]詳細論述了傳統(tǒng)直流受端換流站近區(qū)安裝同步調(diào)相機與SVC，STATCOM 等FACTS（柔性交流輸電系統(tǒng)）設(shè)備相比，不僅具有抑制直流換相失敗能力，還具有為系統(tǒng)提供短路容量、降低直流送端暫態(tài)過電壓、利用強勵提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢。文獻[15]基于華東電網(wǎng)典型方式數(shù)據(jù)進行機電暫態(tài)仿真，分析了調(diào)相機投產(chǎn)后對受端電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。文獻[16]設(shè)計了一種充分利用調(diào)相機強勵特性的緊急控制方法，但其動作指令取決于直流控制保護系統(tǒng)對于換相失敗風(fēng)險的預(yù)判，抑制效果嚴重依賴預(yù)判措施的準確性，且存在較長的時間延遲。

本文基于同步調(diào)相機的強勵特性，提出一種暫態(tài)期間同步調(diào)相機持續(xù)強勵以抑制直流連續(xù)換相失敗的控制策略。首先介紹直流連續(xù)換相失敗的機理及影響因素，然后分析調(diào)相機常規(guī)勵磁控制在抑制直流連續(xù)換相失敗方面的不足，并在此基礎(chǔ)上提出暫態(tài)期間快速強勵的抑制直流連續(xù)換相失敗的調(diào)相機控制策略，最后基于華東電網(wǎng)典型數(shù)據(jù)，通過機電暫態(tài)仿真程序進行仿真驗證。

1 直流換相失敗機理及影響因素

1.1 換相失敗機理

圖1 為簡化后的基于晶閘管的全橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，其中：Ea，Eb，Ec為三相理想電壓源，代表理想無窮大電網(wǎng)；Ud為逆變器直流電壓；Id為逆變器直流電流；I 為逆變器輸出電流；L1為等值電網(wǎng)電抗；D1—D6為逆變器橋臂閥。閥運行中的熄弧角過小是造成換相失敗的根本原因，若運行熄弧角低于固有極限熄弧角將導(dǎo)致直流發(fā)生換相失敗[17]。

圖1 基于晶閘管的逆變器基本拓撲結(jié)構(gòu)

以圖1 中相鄰橋臂閥D1和D3為例：正常工況下，閥D1向D3換相；若閥D3觸發(fā)時換相角過大，閥D1在電壓過零點后將殘存電流，導(dǎo)致閥D1不需要觸發(fā)便可導(dǎo)通，發(fā)生閥D3向D1倒換相；之后閥D4按觸發(fā)時序?qū)?，橋臂D1和D4導(dǎo)通形成短路，最終發(fā)生換相失敗。

為避免上述情況發(fā)生，每個開關(guān)存在恢復(fù)正向電壓阻斷能力所需的最小關(guān)斷角，也稱作極限熄弧角。在實際運行中，工程界通常認為避免直流換相失敗的極限熄弧角為7°，若實際運行熄弧角小于極限熄弧角，則認為直流存在換相失敗風(fēng)險[18]。

1.2 影響直流換相失敗的因素

對于單一直流，影響其換相失敗的因素包括交流側(cè)電壓和直流電流等。

交流側(cè)電壓具有較強的可觀性，便于實時掌握和控制，在實際工程中通常用來實現(xiàn)交流側(cè)故障引發(fā)直流換相失敗的預(yù)測。在學(xué)界和工業(yè)界，通常從最小電壓降落、臨界換相“電壓-時間”面積、臨界換相電壓三個層面對交流電壓跌落情況開展研究[4]。上述各方法都存在一定的誤差和局限，有待改進。

在實際工程中，評估交流側(cè)故障引起的直流換相失敗風(fēng)險時通常直接以直流逆變側(cè)換流母線電壓UL跌落值作為判斷因素，一般認為UL跌落至正常運行值的90%以下將引發(fā)換相失敗。該判斷方法存在嚴重誤差。首先UL受到交流系統(tǒng)強度、近區(qū)無功電源分布及支撐能力、負荷模型、直流交互影響等多方面的影響；其次換流站內(nèi)設(shè)備故障、濾波器投切、交流側(cè)電壓波形畸變等因素同樣會影響UL。因此簡單地以正常運行值的90%作為直流換相失敗的判斷因素，或作為抑制換相失敗策略的啟動門檻，其準確性和適用性有待商榷。

直流側(cè)電流蘊含豐富的直流運行信息，可以用于非交流系統(tǒng)故障所引發(fā)的換相失敗預(yù)測分析，但無法直接用于交流系統(tǒng)故障引起的換相失敗預(yù)測。

而對于多饋入直流系統(tǒng)，還應(yīng)考慮直流之間的交互影響，CGREE（國際大電網(wǎng)學(xué)會）引入MIIF（多饋入交互作用因子）的概念來評估直流逆變側(cè)換流母線電壓UL的交互影響。

文獻[19]基于多饋入直流系統(tǒng)，綜合考慮以上多種影響因素，提出了基于臨界電壓的連續(xù)換相失敗判斷方法，定義了評估直流換相失敗風(fēng)險的直流逆變側(cè)換流母線電壓臨界值Ucr。其中，定義Ucr取值范圍下限值為：

式中：UL0為換流母線線電壓初始有效值；β0，γ0分別為逆變側(cè)初始觸發(fā)超前角和熄弧角；γmin為變化后的熄弧角，取為極限熄弧角。

定義Ucr取值范圍上限值為：

式中：Req=Rcr+Rd-Rci，Rcr=（3/π）Xcr，Rci=（3/π）Xci，其中Xcr，Xci分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的換相電抗；Rd為直流電阻；Udr0為整流側(cè)不計觸發(fā)延遲時的空載直流電壓；αr為整流側(cè)觸發(fā)延遲角；βi為逆變側(cè)觸發(fā)超前角；k 為換流變壓器變比；b 為串聯(lián)橋的數(shù)目。

文獻[19]認為，實際的換相失敗臨界電壓Ucr介于Ucr1和Ucr2之間。若UL＜Ucr1，必有換相失敗風(fēng)險；若UL＞Ucr2，則無換相失敗風(fēng)險。

2 直流換相失敗對受端系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

2.1 電壓穩(wěn)定

直流在換相失敗期間，特別是換相失敗恢復(fù)過程中，需從系統(tǒng)吸收大量無功功率，可能引起交流電壓再次跌落。若近區(qū)無功設(shè)備配置不足，無法滿足直流的無功需求，將引起直流系統(tǒng)無功不平衡，嚴重狀況下將導(dǎo)致受端電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)。

2.2 功角穩(wěn)定

直流在連續(xù)換相失敗期間，輸送功率將迅速下降甚至跌落至零。之后伴隨換相失敗的恢復(fù)，直流輸送功率上升。若直流發(fā)生連續(xù)換相失敗，輸送功率將重復(fù)上述過程，周期性波動。

直流大容量的功率波動，將對近區(qū)發(fā)電機組造成沖擊。特別是直流迅速下降或上升過程中的暫態(tài)峰值，可能會引起近區(qū)發(fā)電機組發(fā)生功角失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.3 頻率穩(wěn)定

直流換相失敗期間的大容量功率波動，將嚴重破壞受端電網(wǎng)的功率平衡，造成頻率波動。嚴重工況下直流因多次連續(xù)換相失敗而閉鎖，導(dǎo)致頻率下降。若受端電網(wǎng)無緊急控制措施或同步機組一次調(diào)頻能力不足，電網(wǎng)頻率將持續(xù)下降，引發(fā)低頻減載動作。

3 調(diào)相機暫態(tài)強勵措施

調(diào)相機裝設(shè)在大型特高壓直流受端換流站內(nèi)，常規(guī)情況下無功輸出為零，但在暫態(tài)期間可為直流系統(tǒng)提供一定的無功支撐，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。我國已規(guī)劃在多條直流受端換流站安裝調(diào)相機，其中賓金直流金華換流站調(diào)相機1 號機已安裝調(diào)試成功。

目前我國自主設(shè)計并制造的新型調(diào)相機單機容量可達到300 Mvar，瞬時無功輸出能力提升50%以上，轉(zhuǎn)子具備15 s 的2.5 倍強勵要求，在強勵開始的前5 s 內(nèi)，強勵可以達到3.5 倍[15]。

3.1 調(diào)相機的運行機理

調(diào)相機可以視為有功輸出為零的同步機。常規(guī)勵磁控制主要由端電壓控制外環(huán)、勵磁電流控制內(nèi)環(huán)、低勵限制、過勵限制等幾個部分構(gòu)成。

采用常規(guī)勵磁控制的調(diào)相機可以提升受端電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度，暫態(tài)期間可以提供緊急無功支撐，并有助于故障清除后的電壓恢復(fù)。但在應(yīng)對交流故障引起的直流連續(xù)換相失敗時，該勵磁控制并不能完全滿足實際需求。

若直流近區(qū)交流側(cè)發(fā)生三相短路故障，100 ms 后線路保護裝置動作，故障清除。故障期間，調(diào)相機由于勵磁端電壓閉環(huán)控制能夠進行強勵控制，并提供動態(tài)無功支撐，其輸出值取決于調(diào)相機機端電壓幅值跌落程度和勵磁控制器參數(shù)設(shè)計。

換相失敗周期較長，通常為160～200 ms，即使故障清除，直流換相失敗仍未結(jié)束。而直流在換相失敗恢復(fù)過程中需要大量無功，但調(diào)相機可能已經(jīng)退出強勵控制，無法發(fā)揮其最大無功支撐能力。

極端工況下，直流換相失敗恢復(fù)過程中無功需求無法從包含調(diào)相機的交流系統(tǒng)獲得滿足，系統(tǒng)則會發(fā)生電壓二次跌落，引發(fā)連續(xù)換相失敗。此時，隨著電壓的二次跌落，調(diào)相機再次進入強勵工作狀態(tài)，并隨連續(xù)換相失敗過程中機端電壓的波動在低勵和過勵工作狀態(tài)間切換。

因此，采用常規(guī)勵磁控制的調(diào)相機，無法在直流連續(xù)換相失敗期間持續(xù)提供最大無功支撐，甚至可能惡化直流換相失敗恢復(fù)能力。

3.2 調(diào)相機暫態(tài)強勵控制策略

為了保證調(diào)相機在直流連續(xù)換相失敗期間持續(xù)處于強勵工作狀態(tài)，為直流系統(tǒng)提供最大動態(tài)無功支撐，充分利用調(diào)相機的暫態(tài)強勵特性，本文在常規(guī)勵磁控制基礎(chǔ)上作出改進，提出一種能夠抑制直流連續(xù)換相失敗的調(diào)相機暫態(tài)強勵控制策略。該控制策略由三部分構(gòu)成：暫態(tài)勵磁投入預(yù)判、暫態(tài)勵磁基準值切換、暫態(tài)勵磁退出。

3.2.1 暫態(tài)勵磁投入預(yù)判

由于該控制策略的最終目的為抑制直流連續(xù)換相失敗而閉鎖，調(diào)相機投入時間理論上應(yīng)與直流發(fā)生首次換相失敗的時間同步。

已有文獻通常將調(diào)相機設(shè)計成從直流控制保護主站取得直流換相失敗預(yù)測信息并獲得指令進行緊急控制，但現(xiàn)有的預(yù)測方法多依賴于多種電氣量數(shù)據(jù)的采集和處理，這對測量精度和信號傳輸速度都提出了嚴格要求?？紤]到控制保護主站生成預(yù)測結(jié)果并對調(diào)相機發(fā)出緊急控制指令的通信時間及調(diào)相機進入強勵工作狀態(tài)的響應(yīng)時間，調(diào)相機真正發(fā)揮最大無功支撐能力的時間大大縮短。

本控制策略直接監(jiān)視換流站母線電壓UL的變化，并采用文獻[19]提出的換相失敗臨界電壓Ucr取值范圍上限值Ucr2作為調(diào)相機緊急控制的投入門檻值。

交流系統(tǒng)發(fā)生故障，若UL＜Ucr2，則認為直流可能會發(fā)生換相失敗，此時調(diào)相機啟動暫態(tài)強勵控制策略。

3.2.2 暫態(tài)勵磁基準值切換

如圖2 所示，對現(xiàn)有的傳統(tǒng)勵磁控制邏輯進行改造。緊急控制期間，將端電壓控制外環(huán)的基準值提高一定幅度，使其與端電壓采樣值一直存在靜差，依據(jù)閉環(huán)控制原理，調(diào)相機一直處于頂值輸出。圖2 中：UERR0為調(diào)相機常規(guī)勵磁控制電壓環(huán)基準值；UERR1為調(diào)相機暫態(tài)強勵控制電壓環(huán)基準值；US為調(diào)相機機端電壓；IFD為調(diào)相機勵磁電流；EFD為勵磁機輸出直流電壓；UT為調(diào)相機定子電壓；P 為調(diào)相機有功功率；Q 為調(diào)相機無功功率；UL2R為過勵限制電壓值；LV 為低電位門（低通）；HV 為高電位門（高通）；B 為等效反時限特性判據(jù)，具體數(shù)值根據(jù)工程實際進行整定；，通過調(diào)相機的兩個工況（P1，Q1），（P2，Q2）確定。其他控制參數(shù)說明見表1、表2。

3.2.3 暫態(tài)勵磁退出

圖2 自并勵靜止勵磁控制框圖

調(diào)相機強勵時間過長會嚴重損害設(shè)備本體使用壽命，也會使近端交流系統(tǒng)電壓過高，因此當直流無下一次換相失敗風(fēng)險時，調(diào)相機應(yīng)退出暫態(tài)強勵。

文獻[19]認為，直流某次換相失敗恢復(fù)過程中，若換流站母線電壓UL、直流功率Pd、直流吸收無功Qd及熄弧角γ 滿足式（3），則認為直流不能恢復(fù)正常運行，仍有發(fā)生下一次換相失敗風(fēng)險，調(diào)相機應(yīng)維持強勵工作狀態(tài)。

若前次換相失敗恢復(fù)過程中UL＞Ucr2，可認為直流不再會發(fā)生下一次換相失敗。但為避免誤差帶來的風(fēng)險，調(diào)相機應(yīng)維持強勵至少200 ms（一個換相周期）后退出暫態(tài)強勵。

為防止調(diào)相機退出暫態(tài)強勵控制時指令切換產(chǎn)生暫態(tài)分量對系統(tǒng)電壓產(chǎn)生沖擊，當調(diào)相機收到退出指令時，勵磁電壓外環(huán)指令值應(yīng)以一定斜率退至常規(guī)勵磁控制基準值。

4 仿真驗證

在PSD-BPA 機電暫態(tài)仿真軟件中，基于華東電網(wǎng)夏季高峰典型運行方式數(shù)據(jù)，將靈紹直流紹興換流站調(diào)相機控制方式分別設(shè)置為常規(guī)自并勵靜止勵磁控制方式和本文提出的暫態(tài)強勵控制方式（相關(guān)控制參數(shù)見表1、表2，表中參數(shù)均為標么值），并同時設(shè)置0 s 發(fā)生500 kV 線路“喬司—涌潮”三相永久“N-2”故障，100 ms 后故障清除，監(jiān)測靈紹直流交流母線、受端換流站熄弧角及調(diào)相機勵磁電壓動態(tài)變化結(jié)果進行對比驗證，如圖3 所示。

表1 常規(guī)勵磁控制參數(shù)

表2 暫態(tài)強勵附加控制參數(shù)

圖3 故障期間直流及調(diào)相機電氣量變化

由圖3（a）可知：交流線路0 s 發(fā)生故障，換流站交流母線電壓瞬間跌落至0.4 p.u.。故障清除后，調(diào)相機若采用常規(guī)勵磁控制，換流站交流母線電壓上升至一定值，但仍低于Ucr1，發(fā)生二次跌落，直流也繼續(xù)發(fā)生連續(xù)換相失敗。若調(diào)相機采用暫態(tài)強勵控制，約1.2 s 時，換流站母線電壓UL超過Ucr2且能維持200 ms，則認為直流無下一次換相失敗風(fēng)險，調(diào)相機可以退出強勵工作狀態(tài)。

由圖3（b）可知：在換相失敗期間，采用常規(guī)控制的調(diào)相機雖然在交流故障期間進入強勵狀態(tài)，但交流故障清除后便退出強勵，且勵磁電壓隨母線電壓波動在強勵和欠勵之間切換，無法為直流提供有效的無功支撐。而采用暫態(tài)強勵控制后，調(diào)相機在換相失敗期間持續(xù)頂值強勵，充分發(fā)揮了自身的暫態(tài)無功支撐性能。

由圖3（c）可知：紹興換流站調(diào)相機若采用常規(guī)控制模式，近區(qū)交流線路發(fā)生故障后，靈紹直流發(fā)生3 次換相失??；若采用本文提出的暫態(tài)強勵控制模式，則靈紹直流換相失敗次數(shù)減少為2次。這說明本文提出的調(diào)相機暫態(tài)強勵策略對于抑制直流連續(xù)換相失敗是有效的，具有一定的工程應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

本文提出一種充分利用調(diào)相機強勵能力、暫態(tài)期間持續(xù)強勵的抑制直流連續(xù)換相失敗而閉鎖的控制策略。該策略通過對直流逆變側(cè)換流站交流母線動態(tài)電壓的監(jiān)測，判斷交流系統(tǒng)發(fā)生故障后直流有無換相失敗的風(fēng)險，并以此為判據(jù)投入調(diào)相機緊急控制，可有效降低傳統(tǒng)直流緊急控制系統(tǒng)判據(jù)造成的延遲。通過對調(diào)相機勵磁控制系統(tǒng)的改進，使調(diào)相機緊急控制期間持續(xù)強勵輸出，充分發(fā)揮了調(diào)相機的動態(tài)無功支撐能力。最后，基于華東電網(wǎng)典型運行數(shù)據(jù)進行機電暫態(tài)仿真，驗證了該方法在為直流系統(tǒng)提供無功支撐、減少直流換相失敗次數(shù)、防止直流閉鎖等方面具有明顯效果。

綜上所述，本文提出的調(diào)相機緊急控制策略對于抑制直流連續(xù)換相失敗而閉鎖是有效的，實施簡單，具有一定的工程推廣性。