曾 昊, 曾 琦, 王宏宇, 萬良彬, 王渝紅
(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610065)
中國作為世界上國土面積最大的國家之一,能源分布問題異常顯著,負(fù)荷中心通常遠(yuǎn)離能源中心。高壓直流輸電系統(tǒng)因其輸送容量大、損耗小的特點(diǎn),在中國大規(guī)模能源遠(yuǎn)距離傳輸中被廣泛使用[1-4]。目前,中國高壓直流輸電工程主要以基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)為主,由于LCC-HVDC以晶閘管為換流器件,不具備自關(guān)斷能力,因此,當(dāng)直流系統(tǒng)逆變側(cè)附近交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),某些情況下將導(dǎo)致直流系統(tǒng)內(nèi)部換流閥發(fā)生換相失敗,若是后續(xù)未及時(shí)采取合理的控制措施,還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的換相失敗,甚至進(jìn)一步使得直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖。
當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時(shí),會(huì)使得逆變器從相連的交流系統(tǒng)吸收大量無功[5-6],同時(shí)直流線路上的功率將向交流系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移,當(dāng)直流系統(tǒng)受端為弱交流系統(tǒng)時(shí),會(huì)對交流系統(tǒng)的暫定穩(wěn)定產(chǎn)生惡劣影響[7],故障嚴(yán)重時(shí)甚至可能波及與弱交流系統(tǒng)相連的其他外部電網(wǎng),威脅系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此,研究在受端為弱交流系統(tǒng)的情況下仍能有效抑制換相失敗的措施對維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[8]。業(yè)內(nèi)針對如何抑制直流系統(tǒng)換相失敗已有許多研究,文獻(xiàn)[9-11]針對交直流混聯(lián)系統(tǒng)中交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下,對直流系統(tǒng)在故障后恢復(fù)過程中可能出現(xiàn)的換相失敗問題,采用低壓限流控制器(voltage dependent current order limiter,VDCOL)進(jìn)行抑制,通過直流系統(tǒng)恢復(fù)過程中直流電壓的變化來改變電流指令,從而提高直流系統(tǒng)的恢復(fù)性能。而在文獻(xiàn)[12]中指出,采用換相失敗控制策略的目標(biāo)為增加系統(tǒng)γ角,文獻(xiàn)[13]基于模糊控制邏輯對控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,但是模糊控制邏輯具有一定的復(fù)雜性,無法在實(shí)際工程中進(jìn)行可靠的運(yùn)用,基于PI(proportional integral)調(diào)節(jié)器的控制器依然是工程應(yīng)用中最實(shí)際和可靠的[14-15]。文獻(xiàn)[16]中則表明,實(shí)際工程中控制器啟動(dòng)判據(jù)選取很大程度上依靠經(jīng)驗(yàn),缺乏理論依據(jù),很容易造成控制器延遲啟動(dòng)。
目前,實(shí)際工程中通常采用換相失敗預(yù)防控制對高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗進(jìn)行抑制,該控制方法以交流電壓跌落的快速檢測為基礎(chǔ),是抑制換相失敗的可行手段。然而,當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障較為嚴(yán)重時(shí),換相失敗預(yù)防控制可能無法及時(shí)啟動(dòng),因而無法有效抑制換相失敗。因此,基于換相失敗機(jī)理,引入換相電流時(shí)間面積判據(jù)對現(xiàn)有換相失敗預(yù)防控制進(jìn)行改進(jìn),旨在使得改進(jìn)后的換相失敗預(yù)防控制能在逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生交流故障后及時(shí)動(dòng)作,有效的抑制直流系統(tǒng)換相失敗。最后,以中國某省實(shí)際電網(wǎng)為研究對象,在ADPSS中建立完整的該省電網(wǎng)混合仿真模型,驗(yàn)證換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略在該省電網(wǎng)中應(yīng)用的有效性。
高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)在正常運(yùn)行情況下,其換流閥1~6應(yīng)按順序依次導(dǎo)通[17],以換流閥1向換流閥3換相過程為例,該換相過程等值電路圖如圖1所示。
i1、i3為通過換流閥1和換流閥3的電流,ir為回路換相電流; ea、eb、ec分別為交流系統(tǒng)a相、b相、c相相電壓;Id為直流電流; Xr=2ωLr,為換相電抗;Lr為換相電感;ω為角頻率圖1 閥V1向閥V3換相的等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit of commutation process
當(dāng)閥3開始導(dǎo)通時(shí),由基爾霍夫電壓定律可得
(1)
因?yàn)閕1=Id-ir,i3=ir,將其代入式(1)可得
(2)
當(dāng)高壓直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),由于直流電流Id幾乎無脈動(dòng),因此dId/dt=0。
(3)
分析逆變器換相過程可知,當(dāng)ωt=180°-β時(shí),換相過程剛剛開始,閥3剛剛導(dǎo)通。此時(shí),電流i3不能發(fā)生突變,因此ir=i3=0。對式(3)求積分可得
(4)
當(dāng)ωt=180°-β+μ時(shí),換相過程結(jié)束,閥1截止,電流i1=0,此時(shí)ir=i3=Id,代入式(4)可得
(5)
(6)
式中:μ為換相角;β為觸發(fā)超前角;γ為關(guān)斷角。
分析式(6)可知,關(guān)斷角γ的大小受到直流電流Id、交流系統(tǒng)電壓UL以及觸發(fā)超前角β的影響。當(dāng)逆變側(cè)連接的交流系統(tǒng)發(fā)生故障后,將會(huì)導(dǎo)致直流電流增大以及交流系統(tǒng)電壓減小,二者均會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷角γ變小,當(dāng)γ減小到低于臨界關(guān)斷角時(shí)(通常取γmin=10°),將會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)發(fā)生換相失敗。
目前在高壓直流輸電工程中,通常采用換相失敗預(yù)防控制實(shí)現(xiàn)對換相失敗的抑制,其基本原理是通過檢測換流站交流側(cè)電壓是否發(fā)生跌落,并根據(jù)電壓跌落的嚴(yán)重程度進(jìn)行提前觸發(fā)。換相失敗預(yù)防控制輸出額外的相位角使得換流站閥組獲得更大的換相裕度,從而避免換相失敗的發(fā)生。高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗預(yù)防控制的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 換相失敗預(yù)防控制基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of commutation failure prevention
在圖2中,Ua、Ub、Uc分別為換流站換流母線上a、b、c三相電壓的瞬時(shí)值,U0為零序電壓;Uα、Uβ分別為將Ua、Ub、Uc進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的α相坐標(biāo)和β相坐標(biāo),Uαβ為兩相坐標(biāo)的均方根;MAX hold為最大值保持;DIFF_LEVEL為判斷交流系統(tǒng)是否發(fā)生不對稱故障的參考值;ABZ_LEVEL為判斷交流系統(tǒng)是否發(fā)生對稱故障的參考值;k1、k2為比例系數(shù);AMIN_CFPREV為換相失敗預(yù)防控制輸出的觸發(fā)延遲角提前信號,用于確定逆變側(cè)閥組觸發(fā)角的變化量。
換相失敗預(yù)防控制主要由兩個(gè)部分組成,分別針對交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障和對稱故障后的控制策略。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障后,換相失敗預(yù)防控制通過采集交流側(cè)換流母線電壓Ua、Ub、Uc瞬時(shí)值進(jìn)行不對稱故障檢測,將三相電壓相加后得到三相零序電壓,根據(jù)三相零序電壓值的大小,可以判斷交流系統(tǒng)此時(shí)是否發(fā)生不對稱故障,即
3U0=Ua+Ub+Uc
(7)
而當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生對稱故障時(shí),換相失敗預(yù)防控制需先將Ua、Ub、Uc的瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換至兩相靜止坐標(biāo)系下,即
(8)
式(8)中:Uα為α相坐標(biāo);Uβ為β相坐標(biāo);Uαβ為兩相坐標(biāo)的均方根,通過計(jì)算Uαβ的大小,可以判斷交流系統(tǒng)此時(shí)是否發(fā)生對稱故障。
當(dāng)檢測出的兩類故障中任何一類故障的嚴(yán)重程度達(dá)到啟動(dòng)條件,即不對稱故障達(dá)到參考值DIFF_LEVEL 或?qū)ΨQ故障達(dá)到參考值A(chǔ)BZ_LEVEL時(shí),換相失敗預(yù)防控制將依據(jù)比例系數(shù)k1、k2輸出觸發(fā)延遲角提前信號AMIN_CFPREV,逆變器觸發(fā)控制根據(jù)AMIN_CFPREV大小確定觸發(fā)角相移量,提前進(jìn)行觸發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對換相失敗的抑制。
換相失敗預(yù)防控制以換流母線電壓作為輸入信號,有效地實(shí)現(xiàn)了換相失敗抑制,但分析式(6)可知,直流電流Id的增大亦會(huì)導(dǎo)致高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗。因此,在某些故障情況下,交流系統(tǒng)電壓的跌落不足以及時(shí)觸發(fā)換相失敗預(yù)防控制,而此時(shí)由于直流電流Id發(fā)生突增,將會(huì)導(dǎo)致逆變器發(fā)生換相失敗。
為了更好地理解換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略,需要先對換相電流時(shí)間面積判據(jù)進(jìn)行介紹。
換相電流時(shí)間面積這一概念從能量的角度詮釋了換相過程的物理含義,是一種可以用于判別換相失敗是否發(fā)生的指標(biāo)[18]。以圖1中換流閥1向換流閥3的換相過程為例,在換相過程中出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)就是換流閥1換相電感Lr上儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到換流閥3換相電感上的過程。
Ait為換相過程中,直流電流Id與時(shí)間軸圍成區(qū)域的面積,即換相電流時(shí)間面積,其計(jì)算式為
(9)
正常情況下,換相過程是一個(gè)極其快速的過程,因此,可以近似的將電流i1的減小過程視為呈直線減小。因此,換相電流時(shí)間面積Ait可以近似看為一個(gè)三角形,該近似面積大小為
(10)
對式(5)和式(6)變形可知
(11)
將式(11)代入式(10)中可得
(12)
分析閥1上的能量轉(zhuǎn)移到閥3的過程,當(dāng)直流電流Id的值越大時(shí),電感Lr上儲(chǔ)存的能量越多,因此換相過程所需時(shí)間越長,換相角μ越大。通常情況下,系統(tǒng)觸發(fā)角α為恒定值,由圖3可知,當(dāng)換相角μ增大后,關(guān)斷角γ的值將會(huì)相應(yīng)的減小,當(dāng)γ=γmin時(shí),Ait(max)=Ait(γ=γmin),Ait(max)為換相失敗臨界值。當(dāng)Ait>Ait(max)時(shí),直流輸電系統(tǒng)將發(fā)生換相失敗,反之則不會(huì)發(fā)生,此為基于換相電流時(shí)間面積的換相失敗判據(jù)。
圖3 兩相換相過程Fig.3 Commutation process
對高壓直流輸電系統(tǒng)而言,換相失敗預(yù)防控制的運(yùn)用降低了其發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn),但在某些故障情況下,換相失敗預(yù)防控制無法及時(shí)啟動(dòng),失去了對換相失敗的抑制作用。因此,在換相失敗預(yù)防控制的啟動(dòng)環(huán)節(jié)引入了換相電流時(shí)間面積判據(jù),彌補(bǔ)了換相失敗預(yù)防控制在某些故障情況下存在的啟動(dòng)不及時(shí)的問題。
換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略的控制邏輯以及基本結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。其中,針對交流系統(tǒng)不對稱故障和對稱故障的控制策略與原始換相失敗預(yù)防控制相同,在換相電流時(shí)間面積判據(jù)的控制策略中,CAM_LEVEL為換相電流時(shí)間面積判據(jù)的參考值,k3為比例系數(shù)。
圖4 換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略控制邏輯Fig.4 Logic of improved commutation failure prevention
圖5 換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略基本結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of improved commutation failure prevention
在以換相電流時(shí)間面積為換相失敗判據(jù)的控制策略中,以換流母線電壓Ua、Ub、Uc以及直流電流Id、關(guān)斷角γ的瞬時(shí)值作為輸入量,代入式(12)求得換相電流時(shí)間面積Ait的瞬時(shí)值。當(dāng)Ait的瞬時(shí)值達(dá)到參考值CAM_LEVEL后,該部分控制策略依據(jù)比例系數(shù)k3計(jì)算相應(yīng)輸出,此時(shí),判斷原始換相失敗預(yù)防控制部分是否正常啟動(dòng),若此時(shí)原始換相失敗預(yù)防控制部分未正常啟動(dòng),則將該輸出量傳輸給觸發(fā)延遲角提前信號AMIN_CFPREV;若此時(shí)原始換相失敗預(yù)防控制部分正常啟動(dòng),則將原始換相失敗預(yù)防控制部分的輸出量傳輸給觸發(fā)延遲角提前信號AMIN_CFPREV。
分析換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略可知,該方法的核心在于通過引入換相電流時(shí)間面積這一換相失敗判據(jù),從而提高換相失敗預(yù)防控制的啟動(dòng)速率,在原始換相失敗預(yù)防控制部分檢測到電壓跌落并采取相應(yīng)控制措施時(shí),換相電流時(shí)間面積判據(jù)的控制策略不進(jìn)行輸出,以原始換相失敗預(yù)防控制部分輸出為觸發(fā)延遲角提前信號。這使得換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略在獲得更快啟動(dòng)速度的同時(shí),盡量減小對原始控制措施的影響,從而更好地抑制換相失敗。
為了驗(yàn)證換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用效果,以中國某省實(shí)際電網(wǎng)為研究對象,其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。由圖6可知,該省系統(tǒng)結(jié)構(gòu)薄弱,與外部電網(wǎng)聯(lián)系松散,僅通過高壓直流輸電系統(tǒng)和500 kV長交流線路實(shí)現(xiàn)與外部電網(wǎng)1及外部電網(wǎng)2相連。
圖6 中國某省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Power grid structure of a province in China
在ADPSS軟件中搭建該電網(wǎng)完整的混合仿真模型,其中對高壓直流輸電系統(tǒng)采用電磁暫態(tài)模型,主要包括交流濾波器、換流器、換流變壓器、平波電抗器、直流濾波器、直流輸電線路、直流控制系統(tǒng)等組成部分,該高壓直流輸電系統(tǒng)的主電路如圖7 所示,采用±400 kV雙極運(yùn)行,額定容量 600 MW,分別連接330 kV外部電網(wǎng)1與該省 220 kV 主網(wǎng),為LCC-HVDC;而對該電網(wǎng)中其余交流系統(tǒng)則建立相應(yīng)機(jī)電暫態(tài)模型,包括變電站母線、發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、負(fù)荷等組成部分。特別注意的是,該省近年來陸續(xù)投運(yùn)了眾多光伏電站和風(fēng)電場,對此要建立完善模型,保證該電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與實(shí)際系統(tǒng)一致。
圖7 該高壓直流輸電系統(tǒng)主電路Fig.7 Main circuit of the HVDC transmission system
分別對采用原始換相失敗預(yù)防控制和換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略的高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真,設(shè)該省電網(wǎng)運(yùn)行在枯大方式下,此時(shí)該高壓直流輸電系統(tǒng)由換流站C向換流站L輸送600 MW功率,即換流站C為整流側(cè),換流站L為逆變側(cè)??紤]當(dāng)換流站L近區(qū)交流系統(tǒng)發(fā)生故障后,對該高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗產(chǎn)生的影響。由于原始換相失敗預(yù)防控制已對單相接地故障可能引發(fā)的換相失敗有一定的抑制作用,因此故障類型主要考慮更為嚴(yán)重的三相接地故障,設(shè)接地電感值為0.5 H,故障發(fā)生時(shí)刻t=4.0 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s,關(guān)斷角γmin取10°。
以變電站M至變電站B間220 kV交流輸電線路A相中間段發(fā)生三相接地故障為例,換相失敗預(yù)防控制的輸出如圖8所示。從圖8中可知,在高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生同樣故障的情況下,換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略的啟動(dòng)時(shí)間明顯提前于原始換相失敗預(yù)防控制,這說明引入換相電流時(shí)間面積判據(jù)后,能更早的檢測到交流系統(tǒng)發(fā)生故障。同時(shí),改進(jìn)措施的觸發(fā)延遲角輸出能夠更早歸零,說明采用改進(jìn)措施后的高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后有更好的故障恢復(fù)能力,能在更短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行。
圖8 換相失敗預(yù)防控制輸出Fig.8 Output of commutation failure prevention
圖9 逆變側(cè)關(guān)斷角Fig.9 γ of inverter side
圖10 逆變側(cè)換流母線電壓Fig.10 Voltage of commutation bus on inverter side
故障后高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)關(guān)斷角、換流母線電壓及直流電流分別如圖9~圖11所示。從圖中可知,無論采用何種換相失敗預(yù)防控制措施,均會(huì)發(fā)生換流母線電壓跌落及直流電流突增,但由于采用改進(jìn)措施后,換相失敗預(yù)防控制將在檢測到直流電流突增后動(dòng)作,因此換流母線電壓與直流電流的變化量均會(huì)減小。分析圖9中逆變側(cè)關(guān)斷角變化可知,當(dāng)采用原始措施情況時(shí),該直流系統(tǒng)將發(fā)生換相失敗,而采用改進(jìn)措施后,逆變側(cè)關(guān)斷角最小值由7.52°提升至10.23°,不再發(fā)生換相失敗。同時(shí),采用改進(jìn)措施后的關(guān)斷角在4.24 s后恢復(fù)正常,早于采用原始措施的4.3 s,這也表明改進(jìn)措施使該直流系統(tǒng)具有更好的故障恢復(fù)能力。
圖11 直流電流Fig.11 Current of HVDC
該直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)近區(qū)交流系統(tǒng)輸電線路發(fā)生三相接地故障后,逆變側(cè)關(guān)斷角最小值如表1所示。從表1中可以看出,與原始措施相比,換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略對換相失敗具有更好的抑制作用,當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)輸電線路上發(fā)生三相接地故障時(shí),該直流輸電系統(tǒng)均不會(huì)發(fā)生換相失敗。
表1 逆變側(cè)關(guān)斷角最小值
為了更加形象地展示換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略的優(yōu)越性,分別對采用原始措施和改進(jìn)措施的高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真,計(jì)算造成換相失敗的故障電感值。
3.2.1 單相接地故障
以變電站M至變電站B間220 kV交流輸電線路A相中間段發(fā)生單相接地故障為例,仿真計(jì)算臨界故障電感值,設(shè)故障發(fā)生時(shí)刻t=4.0 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s,關(guān)斷角γmin取10°。
不同故障電感下逆變側(cè)關(guān)斷角最小值如圖12所示,從圖12中可知,采用原始措施的臨界故障電感為0.28 H,而采用改進(jìn)措施的臨界故障電感為 0.13 H。這說明對該直流輸電系統(tǒng)來說,換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略在交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的情況下對換相失敗具有更好的抑制效果。
圖12 單相接地故障逆變側(cè)關(guān)斷角最小值Fig.12 Minimum γ of single-phase ground fault
3.2.2 三相接地故障
同樣對變電站M至變電站B間220 kV交流輸電線路中間段發(fā)生三相接地故障進(jìn)行仿真計(jì)算,故障發(fā)生時(shí)刻t=4.0 s,故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s,關(guān)斷角γmin取10°。
不同故障電感下逆變側(cè)關(guān)斷角最小值如圖13所示。由于三相接地故障更為嚴(yán)重,因此,當(dāng)采用原始措施時(shí),故障電感小于0.71 H即會(huì)發(fā)生換相失??;而當(dāng)采用改進(jìn)措施時(shí),故障電感小于0.38 H才會(huì)發(fā)生換相失敗。由此可見,換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略在交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障的情況下,仍然對換相失敗具有更好的抑制效果。
圖13 三相接地故障逆變側(cè)關(guān)斷角最小值Fig.13 Minimum γ of three-phases ground fault
在對換相失敗特性以及現(xiàn)有換相失敗預(yù)防控制進(jìn)行分析后,通過引入換相電流時(shí)間面積判據(jù)提出了一種換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略,通過仿真驗(yàn)證得出了以下結(jié)論。
(1)在實(shí)際電網(wǎng)中,交流系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致直流電流增大及交流系統(tǒng)電壓減小,二者的變化均會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷角變小,對高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗產(chǎn)生影響。
(2)在交流系統(tǒng)發(fā)生故障后,換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略會(huì)比原始換相失敗預(yù)防控制更早啟動(dòng),同時(shí)也能提高高壓直流輸電系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力。
(3)在本文研究的該省實(shí)際電網(wǎng)中,無論交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障還是三相接地故障,采用換相失敗預(yù)防控制改進(jìn)策略均能更加有效地降低高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。