夏嘉航，王晨欣，展瑞琦，趙成勇，郭春義

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京市 102206）

0 引言

基于傳統(tǒng)電網(wǎng)換相換流器的高壓直流（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）輸電系統(tǒng)憑借其遠(yuǎn)距離大容量輸電和功率快速可控的能力，在中國電網(wǎng)中得到了快速發(fā)展［1］。

電網(wǎng)換相換流器（LCC）采用無自主關(guān)斷能力的晶閘管器件，需要依賴電網(wǎng)進(jìn)行換相，逆變站交流故障時(shí)很容易發(fā)生換相失?。?-4］。隨著直流輸電工程的快速建設(shè)，中國華東、廣東等區(qū)域已有多條直流饋入，受端落點(diǎn)密集，可能引發(fā)級聯(lián)換相失敗問題，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［5-7］。此外，換相重疊角和關(guān)斷角的存在使得LCC 換流站需要吸收大量無功功率，交流側(cè)需要安裝大量的無功補(bǔ)償設(shè)備和濾波裝置，約占換流站總面積的40%［8］，這不僅增加了成本，而且限制了其在重量體積要求嚴(yán)格的場景中的應(yīng)用，如海上風(fēng)電送出工程［9］。

采用電容換相換流器（capacitor commutated converter，CCC）和可控電容換相換流器（controlled series capacitor converter，CSCC）可以在一定程度上降低換相失敗發(fā)生的概率，但不對稱故障期間可能引起過電壓，加劇換相失敗的發(fā)生［10-15］。文獻(xiàn)［16-17］提出在閥臂中串聯(lián)新型子模塊的改進(jìn)型電網(wǎng)換相換流 器（evolutional line commutated converter，ELCC），文獻(xiàn)［18-21］提出在換流閥與換流變壓器之間串聯(lián)新型子模塊的增強(qiáng)型電容換相換流器（enhanced capacitor commutated converter，ECCC），這些新型子模塊都能起到促進(jìn)換相的作用，并能降低換相失敗發(fā)生概率，但其效果有限，且無法進(jìn)行濾波和補(bǔ)償大量無功功率。

文獻(xiàn)［22-23］提出一種吸收與并聯(lián)電容換相換流器（absorption and shunt capacitance commutated converter，ASCCC），其將電容器并聯(lián)在換流閥與換流變壓器之間，加速了換相過程，且對交流諧波起到了部分濾波的作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)不合理時(shí)，ASCCC 存在諧振的風(fēng)險(xiǎn)，直流側(cè)出現(xiàn)明顯振蕩，交流側(cè)諧波特性也較差。已有文獻(xiàn)未分析其具體原因，也未提出相應(yīng)的解決措施。

針對上述問題，本文提出一種改進(jìn)型并聯(lián)電容換相換流器（evolutional shunt capacitor commutated converter，ESCCC），在換流閥與換流變壓器之間增加并聯(lián)電容的基礎(chǔ)上，在并聯(lián)電容與換流變壓器之間增加了串聯(lián)濾波電感。并聯(lián)電容在促進(jìn)換相、補(bǔ)償無功功率的同時(shí)，還與濾波電感共同起到濾波作用。對現(xiàn)有LCC 換流站進(jìn)行改造時(shí)，由于變壓器結(jié)構(gòu)和參數(shù)已經(jīng)確定，且難以改變，新增串聯(lián)濾波電感可以通過調(diào)節(jié)電感大小來改善系統(tǒng)諧波和無功特性。合理設(shè)計(jì)并聯(lián)電容和濾波電感的參數(shù)后，可以改善換流站交、直流側(cè)諧波特性，并增強(qiáng)系統(tǒng)抵御換相失敗的能力；交流母線側(cè)無需額外的濾波器和無功補(bǔ)償裝置，能進(jìn)一步降低換流站體積和成本。

本文首先提出ESCCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后對其換相特性和無功特性進(jìn)行分析，并對換流器主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在PSCAD/EMTDC 仿真環(huán)境中驗(yàn)證其穩(wěn)態(tài)特性及換相失敗抵御能力，并與各類型換流器進(jìn)行了對比分析。

1 ESCCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 所示為12 脈動(dòng)ESCCC 結(jié)構(gòu)示意圖。由2 個(gè)6 脈動(dòng)換流器在直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)而成。每個(gè)6 脈動(dòng)換流閥交流側(cè)出口連接有并聯(lián)濾波電容和串聯(lián)濾波電感，再經(jīng)各自變壓器（連接方式分別為Yy 和Yd）后連接至交流母線。

圖1 12 脈動(dòng)ESCCC 結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 12-pulse ESCCC

為對ESCCC 的工作特性和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，需建立其數(shù)學(xué)模型，ESCCC 的等效電路如圖2所示。圖中：j表示相單元（j=a，b，c）；i0h，j和i0l，j分別為高、低閥組出口處j相交流電流；ich，j和icl，j分別為高、低閥組流過j相電容的交流電流；ih，j和il，j分別為高、低閥組經(jīng)過電容濾波之后的j相交流電流；iph，j和ipl，j分別為高、低閥組流過變壓器一次側(cè)的j相交流電流；ip，j為流入交流系統(tǒng)的j相交流電流；uch，j和ucl，j分別為高、低閥組j相電容電壓；up，j為交流母線j相電壓；Idc為直流電流；Udc為直流電壓；Udc，h為高閥組直流電壓；Udc，l為低閥組直流電壓；C為濾波電容；L0為濾波電感。

圖2 12 脈動(dòng)ESCCC 等效電路Fig.2 Equivalent circuit of 12-pulse ESCCC

假設(shè)交流母線電壓為Up，j∠0°，當(dāng)觸發(fā)角為α?xí)r，可得到高閥組出口電流相量公式為：

對于高閥組，根據(jù)基爾霍夫定律，可得

式中：L為濾波電感L0和變壓器漏感LT之和；kT為變壓器變比；ω為交流系統(tǒng)角頻率；I˙h，j、I˙ch，j、U˙ch，j、I˙ph，j、U˙p，j分別為ih，j、ich，j、uch，j、iph，j、up，j的相量形式。

同樣可列出低閥組的電路方程為：

流入交流系統(tǒng)的電流為：

由式（1）至式（4）可計(jì)算得到：

2 ESCCC 特性分析

2.1 換相特性分析

ESCCC 和LCC 采用的開關(guān)器件為晶閘管，逆變側(cè)存在著換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)［2］，因此，有必要對ESCCC 和LCC 的換相過程進(jìn)行分析。

附錄A 圖A1（a）為LCC 中晶閘管VT4 關(guān) 斷、VT6 導(dǎo)通的等值換相電路。由于電感電流不能突變，VT4 不能被立即關(guān)斷，而是與VT6 構(gòu)成短路回路。圖A2（a）為LCC 交流電流波形圖，在換相過程中，VT4 的電流逐漸下降到0，VT6 的電流逐漸增大至額定值。

LCC 逆變器的換相角μ為［1］：

式中：γ為關(guān)斷角；U1為變壓器閥組空載線電壓有效值；Xr為換相電抗。

附錄A 圖A1（b）為ESCCC 中晶閘管VT4 關(guān)斷、VT6 導(dǎo)通的等值換相電路。由于電容電壓不可突變，在VT6 導(dǎo)通的同時(shí)，并聯(lián)電容可以為VT4 提供反向電壓促使其關(guān)斷；由于電容電流可以突變，流過VT4 和VT6 的電流也可以突變。如附錄A 圖A2（a）所示，LCC 的換相過程為兩相短路狀態(tài)，由于換相電抗的存在，流過VT4 和VT6 的電流是緩慢變化的；而由圖A2（b）可以看出，若不考慮晶閘管橋臂雜散電感的影響，ESCCC 在換相過程中基本不存在兩相短路狀態(tài)，流經(jīng)晶閘管的電流可以瞬時(shí)變化，因此認(rèn)為ESCCC 可瞬時(shí)完成換相，換相角μ=0。晶閘管瞬時(shí)開通和關(guān)斷引起的突變電流流入并聯(lián)電容中，如圖A2（b）所示，電容電流ica=ia-ia0，其中ia、ia0分別為經(jīng)電容濾波前、后的a 相交流電流，諧波較大，且有較多突變?，F(xiàn)有晶閘管的電流上升速率可達(dá)到300 A/μs［24］，圖A2 中的晶閘管快速開斷可能引起結(jié)溫上升等問題，但若考慮晶閘管橋臂雜散電感（約300 μH），仿真結(jié)果表明晶閘管開斷時(shí)間將延長到40 μs 左右，完全可滿足晶閘管的電流上升速率要求。

換相失敗是由于晶閘管的關(guān)斷角γ過小，晶閘管關(guān)斷失敗引起的故障［8］。對于LCC，超前觸發(fā)角β=μ+γ，交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，換相角增大，關(guān)斷角減小，換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)較大；而在ESCCC 中，換相幾乎瞬時(shí)完成，β=γ，降低了換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。由于ASCCC 也有并聯(lián)電容，其換相特性與ESCCC類似。

2.2 無功特性分析

并聯(lián)濾波電容和串聯(lián)濾波電感會(huì)改變系統(tǒng)的無功分布特性，因此，有必要比較不同換流器的無功分布特性。LCC、ASCCC、ESCCC 的電路模型如附錄A 圖A3 所示，忽略變壓器變比和相移，假設(shè)交流母線電壓恒定，以逆變站為例進(jìn)行分析。

LCC 需要從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，約為有功功率的一半，因此，需要在交流母線上安裝無功補(bǔ)償裝置［1］。交流母線電壓和交流母線電流的位置關(guān)系如圖3（a）所示，功率因數(shù)角為φ1。

圖3 換流器的相量分析圖Fig.3 Phasor analysis diagram of converters

對圖3（a）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流閥中，ESCCC 換流閥吸收的無功功率最少，且ESCCC 交流母線側(cè)功率因數(shù)角最小，即吸收交流系統(tǒng)的無功功率最少。在選取合適的LC參數(shù)時(shí)，可以使ESCCC 從交流側(cè)吸收的無功功率為0。另外，ESCCC 進(jìn)一步降低了流過換流變壓器的無功功率，可降低換流變壓器的容量。

同樣可得整流站的相量分析圖，如圖3（b）所示，ESCCC 整流側(cè)的無功特性也比LCC 和ASCCC優(yōu)越。因此，與LCC 和ASCCC 相比，ESCCC 改善了系統(tǒng)的無功特性，使得整個(gè)換流站可按單位功率因數(shù)運(yùn)行。

3 考慮諧振與無功功率的LC 參數(shù)設(shè)計(jì)

ESCCC 中，閥交流側(cè)有濾波電容和濾波電感，LC參數(shù)的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1）有良好的交直流諧波特性，避免特征諧波引起的諧振；2）能滿足系統(tǒng)的無功需求；3）有適當(dāng)大的關(guān)斷角（一般取15°）；4）考慮到體積和成本，電感和電容不宜過大。其中1）和2）為主要限制條件，3）和4）為次要限制條件，即在滿足1）和2）的前提下最好滿足3）和4），以提高系統(tǒng)性能。

以高閥組為例，交流電流的s域表達(dá)式為：

G（s）為電流傳遞函數(shù)，其表達(dá)式為：

G（s）的波特圖如附錄A 圖A4 所示。可見，LC參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理會(huì)引起某些頻率的諧振，不僅增大了交流系統(tǒng)諧波，還可能會(huì)引起電容電壓畸變，從而引起直流側(cè)振蕩。

為了對LC參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，本文提出了指標(biāo)kn，即經(jīng)過電容濾波后的n次諧波電流含有率：

式中：I0h，j，n和Ih，j，n分別為經(jīng)過濾波電容前、后的n次交流電流幅值。

將式（2）代入式（9）可得：

式中：U˙p，j，n為交流母線上n次諧波電壓。

在合理的參數(shù)下，諧波電壓Up，j，n應(yīng)近似為0，故可忽略，由此得到：

|kn|越小，n次諧波的幅值就越小。由于單個(gè)閥組交流側(cè)的特征諧波次數(shù)為6k±1（k為正整數(shù)），只要k5＜0，kn（n＞5）就會(huì)更小，諧波幅值也就會(huì)更小，故k5是諧振的重要指標(biāo)。此外，k5還會(huì)影響流過變壓器的諧波，為避免鐵磁諧振，|k5|不能太大。

對于12 脈動(dòng)ESCCC，流入交流系統(tǒng)的諧波次數(shù)為12k±1，最低次數(shù)的諧波為11 次。更高次數(shù)諧波的含量遠(yuǎn)低于11 次諧波含量。因此，k11是評價(jià)交流諧波的重要指標(biāo)。

LC參數(shù)的作用不只是濾波，還應(yīng)當(dāng)為系統(tǒng)提供足夠的無功功率，實(shí)現(xiàn)換流器單位功率因數(shù)運(yùn)行，避免交流母線側(cè)需要額外的濾波器和無功補(bǔ)償裝置。對交流母線電壓進(jìn)行鎖相，流入交流系統(tǒng)的有功和無功功率可由式（12）計(jì)算得到。

為便于與LCC 的CIGRE 模型比較，采用相同的系統(tǒng)參數(shù)。以逆變器為例，直流電壓為500 kV，直流電流為2 kA，交流母線電壓為230 kV，有功功率為1 000 MW，無功功率為0 Mvar，為保證足夠的關(guān)斷角裕度，同時(shí)避免大量無功消耗，取γ=15°。在以上系統(tǒng)參數(shù)下，根據(jù)式（11）、式（12）可得到k5、k11、L隨著C的變化關(guān)系圖，如附錄A 圖A5 所示。

由附錄A 圖A5 可見，k5和k11隨著C的增大而降低，L隨著C的增大而增大。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，LC參數(shù)不宜過大，而k5和k11應(yīng)較小，這是兩組相互沖突的標(biāo)準(zhǔn)。參考IEEE 519—1992 標(biāo)準(zhǔn)中的諧波要求［25］，此處取|k11|=1%，可得到k5=-0.2，L=0.062 H，C=13.037 μF。同樣可對整流側(cè)LC參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果為L=0.063 H，C=13.344 μF。ESCCC 參數(shù)的合理設(shè)計(jì)避免了ASCCC 結(jié)構(gòu)和參數(shù)不合理引起的諧振問題，優(yōu)化了交流側(cè)和直流側(cè)的諧波特性。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證ESCCC 的有效性和LC參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，本文對如下4 個(gè)算例在PSCAD/EMTDC 中進(jìn)行了仿真。

算例1：LCC-HVDC［2］；

算例2：ECCC-HVDC［18］；

算例3：ASCCC-HVDC［22］；

算例4：ESCCC-HVDC。

其中，算例1～4 的基本參數(shù)均與CIGRE Benchmark 模型相同，算例2 中的串聯(lián)電容取為400 μF，算例3 中的并聯(lián)電容取為18 μF，算例4 的具體參數(shù)如表1 所示。算例1～4 的基本控制也與CIGRE Benchmark 模型相同，整流側(cè)為定直流電流控制，逆變側(cè)為定關(guān)斷角控制，均配備低壓限流控制和最小觸發(fā)角控制。與CCC 相比，ECCC 的優(yōu)越性已在文獻(xiàn)［18］中得到證明，因此未將CCC 作為本文算例。

表1 ESCCC 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters of ESCCC

4.1 穩(wěn)態(tài)性能比較

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，ESCCC 和ASCCC 逆變側(cè)交直流電壓電流波形的對比結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可見，6 脈動(dòng)ASCCC 內(nèi)部發(fā)生明顯諧振，影響換流器正常運(yùn)行，而ESCCC 明顯改善了ASCCC 的交直流諧波特性。ESCCC 交流電流諧波畸變率僅為1.01%，低于ASCCC 的2.71%；ESCCC 交流電壓諧波畸變率僅為1.22%，低于ASCCC 的3.47%。ESCCC 滿足IEEE 519—2014標(biāo)準(zhǔn)中的諧波要求，且為單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此，無須在交流母線側(cè)安裝額外的濾波器和無功補(bǔ)償裝置。與ASCCC 相比，ESCCC 直流電壓和直流電流波動(dòng)較小，這也驗(yàn)證了LC參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

圖4 ESCCC 和ASCCC 的穩(wěn)態(tài)波形圖Fig.4 Steady state waveforms of ESCCC and ASCCC

LCC、ASCCC、ESCCC 的電容容量和換流變壓器容量對比如表2 所示。

表2 不同換流器的電容容量和換流變壓器容量Table 2 Capacitance capacity and converter transformer capacity of various converters

電容容量可作為衡量電容體積和成本的重要標(biāo)準(zhǔn)，由表2 可見，傳輸相同的有功功率時(shí)，ESCCC 所需的電容容量最小，換流變壓器的容量也最小，具有成本和體積上的優(yōu)勢。此外，ESCCC 換流變壓器阻抗電壓和換流閥串聯(lián)個(gè)數(shù)與LCC 基本相等。

4.2 動(dòng)態(tài)性能比較

為比較算例1～4 的動(dòng)態(tài)性能，選取單相故障、三相故障這兩種故障工況進(jìn)行仿真分析。

1）單相故障

t=2 s 時(shí)，在逆變側(cè)交流母線設(shè)置經(jīng)電感單相接地故障，接地電感為0.04 H，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。4 個(gè)算例系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比較如圖5 所示。

圖5 單相電感接地故障下的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results with single-phase inductance grounding fault

由圖5 可見，ESCCC 未發(fā)生換相失敗，關(guān)斷角未降低到0，而其余3 個(gè)算例均發(fā)生了換相失敗，關(guān)斷角均降低為0。ESCCC 的交流電壓和直流電壓下降最少，且故障電流僅上升到1.2 p.u.，而ASCCC故障電流上升到1.5 p.u.，LCC 和ECCC 直流電流分別上升到2.4 p.u.和2.5 p.u.。另外，ESCCC 故障恢復(fù)時(shí)間也比其余3 個(gè)算例更短。因此，ESCCC 有更強(qiáng)的換相失敗抵御能力。

2）三相故障

2 s 時(shí)在逆變側(cè)交流母線設(shè)置經(jīng)電感三相接地故障，接地電感為0.04 H，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。4 個(gè)算例系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比較如附錄A 圖A6 所示。

由附錄A 圖A6 可見，4 個(gè)算例系統(tǒng)均發(fā)生了換相失敗。關(guān)斷角迅速降低為0，直流電壓也近似降低為0，LCC、ECCC 的直流電流上升至2.6 p.u.，ASCCC 的直流電流上升至2.2 p.u.，而ESCCC 的直流電流僅上升到2.0 p.u.，且故障消失后，系統(tǒng)仍能正?；謴?fù)。因此，ESCCC 具有較好的故障恢復(fù)特性，且能夠有效抑制故障電流的上升。

4.3 換相失敗概率的對比分析

為進(jìn)一步比較4 個(gè)算例系統(tǒng)抵御換相失敗的能力，本文采用換相失敗概率指標(biāo)（CFPI）進(jìn)行評估［26］。

取交流電壓的一個(gè)周期（0.02 s），將其平分為100 份，在逆變側(cè)交流母線設(shè)置單相或三相故障，保持故障水平不變，重復(fù)改變不同的故障投入時(shí)間，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s，記錄故障發(fā)生的次數(shù)在100 份中的占比，即可得到該故障水平下的換相失敗概率，最終將不同故障水平下的換相失敗概率繪制成曲線。換相失敗概率越低，說明抵御換相失敗的能力越強(qiáng)。附錄A 圖A7、圖A8 分別為單相、三相故障下電感接地故障的換相失敗概率曲線。

由附錄A 圖A7、圖A8 可見，無論是發(fā)生單相故障還是三相故障，隨著故障接地電感的降低，4 個(gè)算例發(fā)生換相失敗的概率都會(huì)增大。換相失敗概率曲線越靠下，表明在相同故障水平下發(fā)生換相失敗的概率越低，而ESCCC 的換相失敗概率曲線要明顯低于LCC、ECCC 和ASCCC，表明ESCCC 具有更強(qiáng)的換相失敗抵御能力。

5 結(jié)語

本文提出一種ESCCC，在換流閥與換流變壓器之間增加并聯(lián)電容和串聯(lián)濾波電感，并合理設(shè)計(jì)LC參數(shù)。通過理論分析和仿真驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：

1）ESCCC 具有良好的交直流諧波特性，可以避免特征諧波引起的諧振；并聯(lián)電容不僅可以補(bǔ)償換流站所需無功功率，還能與濾波電感共同起到濾波作用，交流母線側(cè)無需額外的濾波器和無功補(bǔ)償裝置，降低了換流站的體積和成本。

2）換相失敗概率指標(biāo)CFPI 結(jié)果表明，ESCCC抵御換相失敗的能力高于LCC、ECCC 和ASCCC，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行特性。

本文所提出的ESCCC 具有較多技術(shù)優(yōu)勢，但仍存在一些問題有待后續(xù)研究。例如，適用于ESCCC 的單位功率因數(shù)控制方法有待研究；基于ESCCC 的直流輸電系統(tǒng)小信號模型有待建立，以便進(jìn)一步對系統(tǒng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行探究。這些都將作為本文后續(xù)的研究重點(diǎn)。

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