趙曉龍，陳卓，田霄，何青龍，張葉貴

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)的輸電可靠性高、非同步聯(lián)絡(luò)能力強(qiáng)，而且輸送容量大、輸電損耗低、易于控制。然而由于晶閘管不能自關(guān)斷，在逆變側(cè)發(fā)生交流短路故障時(shí)，可能導(dǎo)致?lián)Q相失敗[1-3]。

換相失敗的影響因素包括直流電流，換相電壓，越前觸發(fā)角，換相電抗等，其中主要原因是逆變側(cè)的交流故障導(dǎo)致的換流母線電壓的下降[4]。針對(duì)換相失敗問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從換相失敗檢測(cè)和診斷、控制優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面做了大量的研究和創(chuàng)新。文獻(xiàn)[5]結(jié)合低壓限流控制，提出了一種增設(shè)虛擬電阻的方法。文獻(xiàn)[6-7]詳述了正在使用的CFPREV換相失敗預(yù)測(cè)法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，但是CFPREV檢測(cè)方法在零序電壓檢測(cè)時(shí)，交流電壓在過(guò)零點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)會(huì)相對(duì)較慢。文獻(xiàn)[8]對(duì)CFPREV進(jìn)行優(yōu)化，增加了新的sin-cos分量檢測(cè)方法；文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上，增加了電流的零序分量檢測(cè)和αβ分量檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)的電流電壓故障檢測(cè)法，這些方法更加快速和靈敏。文獻(xiàn)[10]對(duì)CFPREV與故障合閘角在換相失敗時(shí)的情況進(jìn)行分析，提出了一種在不同電壓跌落程度下可以判斷影響換相失敗主要因素的方法。文獻(xiàn)[11]提出基于直流電流的預(yù)測(cè)控制，但是由于電流變化相對(duì)較慢，當(dāng)靠近換相過(guò)程時(shí)出現(xiàn)交流故障，此方法效果不明顯；文獻(xiàn)[12]提出的改進(jìn)預(yù)測(cè)型定熄弧角控制法和文獻(xiàn)[13]提出的非線性動(dòng)態(tài)VDCOL法都在一定程度上抑制了連續(xù)換相失敗。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[14]提出了一種鎖相環(huán)的改進(jìn)方法，提高控制脈沖的控制精度和適應(yīng)性。文獻(xiàn)[15-16]通過(guò)改進(jìn)STATCOM，能改善系統(tǒng)暫態(tài)特性。

文章基于現(xiàn)有研究成果，對(duì)換相機(jī)理進(jìn)行分析，綜合考慮了故障后直流電流，直流電壓和交流母線電壓等參數(shù)的變化特性，提出了一種基于預(yù)測(cè)控制和VDCOL特性的改進(jìn)控制策略。該策略通過(guò)預(yù)測(cè)控制，對(duì)整流側(cè)、逆變側(cè)觸發(fā)延遲角和VDCOL的輸入量進(jìn)行補(bǔ)償。仿真的結(jié)果表明，所提策略能夠在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，抑制連續(xù)換相失敗，同時(shí)也能改善系統(tǒng)恢復(fù)特性。

1 高壓直流輸電的換相機(jī)理分析

1.1 換相失敗機(jī)理

換相失敗是指在閥電壓轉(zhuǎn)為正向后，被換相的閥與預(yù)定退出導(dǎo)通的閥，發(fā)生倒換相的情況。這是由于兩個(gè)橋臂的換相結(jié)束時(shí)，在反向電壓持續(xù)的一段時(shí)間內(nèi)，換相過(guò)程沒有完成或者剛退出導(dǎo)通的閥沒有恢復(fù)阻斷能力[11]。

以六脈波換流器為例，換相過(guò)程中，換相的回路方程如下[5]：

(1)

式中Lc為換相電感；ik(t)和ig(t)為將要開通和關(guān)斷閥臂上流過(guò)的電流；U為閥臂換相電壓有效值；ω為交流系統(tǒng)的角頻率。

對(duì)式(1)左右進(jìn)行積分，可以得到晶閘管換相面積S的表達(dá)式：

(2)

γ=β-μ

(3)

式中S為晶閘管換相面積；Id為直流電流，β為超前觸發(fā)角；μ為換相角。

由晶閘管的固有特性可知，若要恢復(fù)其阻斷能力，需要一定的電角度，稱為最小關(guān)斷角γmin，一般認(rèn)為只有當(dāng)閥運(yùn)行中的關(guān)斷角γ小于固有極限γmin時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)換相失敗的情況。

研究表明，逆變側(cè)的交流系統(tǒng)發(fā)生故障(以下簡(jiǎn)稱故障)時(shí)，直流電流Id增大，則實(shí)際需要的換相面積也增大。對(duì)于高壓直流輸電，假設(shè)在定電流控制和直流平波電抗器的作用下，直流電流Id恒定，但由于換相電壓降低，則必須增大換相角μ才能保證提供的換相面積不變，從式(3)可知，由此導(dǎo)致的關(guān)斷角γ減小，是換相失敗發(fā)生的根本原因[17]。

1.2 連續(xù)換相失敗

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于首次換相失敗，一般是難以避免的，這是因?yàn)楦邏褐绷鬏旊娤到y(tǒng)的控制環(huán)節(jié)是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，只有在判斷出故障滯后才會(huì)動(dòng)作，而首次換相失敗發(fā)生的卻很快，所以即使使用了預(yù)測(cè)控制，也難以避免換相失敗的發(fā)生，但是適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)控制確實(shí)也是有一定效果的。

在第一次換相失敗之后，系統(tǒng)再次或多次出現(xiàn)換相失敗的情況，稱為連續(xù)換相失敗。此時(shí)，控制環(huán)節(jié)有足夠的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)加以控制調(diào)整，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)比來(lái)看，首次換相失敗對(duì)電網(wǎng)的沖擊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上連續(xù)換相失敗帶來(lái)的危害，所以需要重點(diǎn)研究如何抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生。

2 控制策略的改進(jìn)

2.1 整流側(cè)觸發(fā)角補(bǔ)償

CIGRE模型的整流側(cè)為定電流控制。在故障時(shí)，直流電壓下降導(dǎo)致直流電流上升，由式(2)可知，這樣會(huì)增大實(shí)際需要的換相面積，從而導(dǎo)致?lián)Q相失敗。直流電流與電壓的關(guān)系如下：

(4)

式中Udr和Udi為整流、逆變側(cè)兩端的直流電壓；R為直流線路的等效電阻。

由式(4)可知，當(dāng)電阻為定值時(shí)，直流電流正比于直流輸電系統(tǒng)兩側(cè)的電壓之差。當(dāng)Udi下降，為了抑制直流電流，可以使整流側(cè)觸發(fā)延遲角αr增大一個(gè)補(bǔ)償角度，使整流側(cè)直流電壓Udr降低，縮小兩端電壓差[18]。邏輯框圖如圖1所示。

圖1 整流側(cè)觸發(fā)角補(bǔ)償

2.2 換相失敗預(yù)測(cè)模塊

逆變側(cè)為定關(guān)斷角控制。在故障時(shí)，關(guān)斷角γ將會(huì)減小，當(dāng)γ小于γmin時(shí)，就會(huì)發(fā)生換相失敗。通過(guò)增大γ角整定值，可以起到抑制換相失敗的作用，但是這樣會(huì)加大無(wú)功功率的消耗，需要增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。通過(guò)預(yù)測(cè)模塊，在檢測(cè)到系統(tǒng)可能發(fā)生換相失敗時(shí)，將逆變側(cè)的觸發(fā)角α提前降低，這樣可以臨時(shí)增大γ角，減少發(fā)生換相失敗的概率，而又不需要額外增添無(wú)功補(bǔ)償[19]。

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電壓與電壓整定值做差，表明故障時(shí)電壓跌落的幅度，以此做為觸發(fā)預(yù)測(cè)模塊動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮故障時(shí)直流電壓和換流母線電壓在換相失敗時(shí)的波動(dòng)特性，選擇交流母線電壓Ua作為輸入，與電壓整定值做差，再和△U′對(duì)比，判斷模塊是否動(dòng)作。電壓差△U經(jīng)放大環(huán)節(jié)和延時(shí)環(huán)節(jié)后，輸出補(bǔ)償角△αi，從而減小逆變側(cè)觸發(fā)延遲角αi。整流側(cè)的預(yù)測(cè)模塊與此類似，邏輯框圖如圖2所示。

圖2 故障預(yù)測(cè)

改變?cè)鲆鍷的取值，可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償觸發(fā)角Δαi的幅度；改變?chǔ)′的值，可以調(diào)整模塊在電壓跌落時(shí)的運(yùn)行時(shí)刻。

2.3 VDCOL輸入優(yōu)化

在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電壓迅速跌落，低壓限流裝置通過(guò)減小直流電流指令，使定觸發(fā)角控制動(dòng)作來(lái)增大β角，加大換相裕度，從而減少發(fā)生換相失敗的概率。

但是，由于換相失敗時(shí)逆變側(cè)的直流電壓波動(dòng)范圍大，如果作為低壓限流器的啟動(dòng)電壓，會(huì)使輸出的直流電流指令波動(dòng)劇烈，影響觸發(fā)角指令的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致?lián)Q相失敗，并且故障恢復(fù)過(guò)程偏長(zhǎng)[20]。因而在此選取交流電壓作為啟動(dòng)電壓，并且基于VDCOL的特性，在交流電壓跌落時(shí)，還可以限制無(wú)功功率的消耗。

利用二階廣義積分建立電壓正余弦分量方程，對(duì)交流母線電壓的幅值進(jìn)行測(cè)算。傳遞函數(shù)如下[11]：

(5)

(6)

式中a、b為電壓的正弦和余弦分量；u為輸入電壓；k為增益；Ua為交流電壓幅值。

由幅頻特性可知，傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)具有良好的濾波的特性，可以減少額外的濾波環(huán)節(jié)，提升檢測(cè)速度。

另外，由于VDCOL只有當(dāng)輸入量下降到一定程度，一般為0.1 p.u.之后才會(huì)限制直流電流指令，具有滯后性。并且由于VDCOL的輸出指令是隨輸入呈線性變化的，因此無(wú)法迅速減小直流電流。這時(shí)可以采用虛擬電阻控制方法[5]，提前減小電流指令，從而抑制換相失敗的發(fā)生。但此舉會(huì)改變系統(tǒng)的故障穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)處于故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，實(shí)際直流電流與額定電流有偏差，導(dǎo)致虛擬電阻上存在電壓降，減小了VDCOL的啟動(dòng)電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)故障后的調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)快速恢復(fù)[20]。考慮到交流母線電壓在換相失敗與故障穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，電壓波動(dòng)范圍的不同，可以通過(guò)預(yù)測(cè)模塊，選擇合適的觸發(fā)電壓值，從而控制虛擬電阻的接入和斷開。如此，在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，虛擬電阻將不會(huì)影響穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)，而又能在電壓跌落時(shí)起到抑制換相失敗的作用。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提控制策略，使用CIGRE的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型，其他參數(shù)不變的情況下，只對(duì)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

CIGRE HVDC系統(tǒng)主要參數(shù)為：直流部分的額定電壓UdN、電流IdN和功率PN分別為500 kV、2 kA和1 000 MW;變壓器的漏抗Xr為0.18 p.u.;整流側(cè)和逆變側(cè)交流母線電壓UrN和UiN分別為345 kV和230 kV;短路比SCR為2.5，其為典型的弱交流系統(tǒng)。關(guān)斷角γ為零時(shí)，出現(xiàn)換相失敗的情況[21]。

采用下面兩種算例，進(jìn)行仿真對(duì)比：

算例1：使用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型；

算例2：在算例1的基礎(chǔ)上，修改和優(yōu)化為所提出的控制策略。

工況一：仿真故障的設(shè)置相同，在1 s時(shí)，發(fā)生單相接地故障，故障電感1 H，持續(xù)0.5 s。圖3為兩種算例的逆變側(cè)交流母線電壓有效值、直流電壓、直流電流和關(guān)斷角的波形對(duì)比。

圖3 單相接地L=1 H時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性

通過(guò)觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，單相接地故障的接地電感較大，即L=1 H時(shí)，類比實(shí)際輸電系統(tǒng)中，故障等級(jí)較輕的情況。此時(shí)，兩種算例都沒有發(fā)生換相失敗。

算例2與算例1的各參數(shù)波形基本相同，這說(shuō)明算例2的控制策略，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不良影響。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，算例2的故障恢復(fù)時(shí)間略微小于算例1，說(shuō)明算例2的控制策略能使系統(tǒng)更快的到達(dá)故障穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)。

工況二：其他條件不變，在1 s時(shí)，發(fā)生經(jīng)0.4 H電感的單相接地故障，故障時(shí)長(zhǎng)0.5 s。對(duì)比兩個(gè)算例的系統(tǒng)特性如圖4所示。

圖4 單相接地 L=0.4 H時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性

通過(guò)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，單相接地故障的接地電感較小時(shí)，即L=0.4 H時(shí)，類比實(shí)際輸電系統(tǒng)中，故障等級(jí)較為嚴(yán)重的情況?？梢钥闯鏊憷?中的關(guān)斷角γ連續(xù)兩次降為0°，表明輸電系統(tǒng)一共出現(xiàn)了兩次換相失敗的情況。因?yàn)橄到y(tǒng)的首次換相失敗與故障發(fā)生時(shí)刻很接近，所以一般難以避免，重點(diǎn)在于如何避免出現(xiàn)連續(xù)換相失敗。

圖4中算例2的關(guān)斷角只有一次降為0°，說(shuō)明發(fā)生過(guò)一次換相失敗，可以看出其直流電流過(guò)電流現(xiàn)象嚴(yán)重，直流電壓大幅跌落，危害電網(wǎng)安全，但通過(guò)控制模塊動(dòng)作，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)性能，進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。說(shuō)明采取如算例2中這樣的改進(jìn)控制策略，能夠有效抑制連續(xù)換相失敗。

為了驗(yàn)證算例2在逆變側(cè)交流系統(tǒng)的不同嚴(yán)重程度的故障下對(duì)連續(xù)換相失敗的抑制能力，在相同故障下，比較兩種算例的換相失敗次數(shù)。逆變側(cè)的交流系統(tǒng)故障的等級(jí)可以用故障程度f(wàn)FL表示[5,20]。

(7)

式中Ld為故障接地電感。故障程度f(wàn)FL越大，表示發(fā)生的故障越嚴(yán)重。選取fFL從10%到50%的范圍進(jìn)行測(cè)試，即從輕級(jí)故障到嚴(yán)重級(jí)故障，依次查看換相失敗次數(shù)。

對(duì)比表1中兩種算例的換相失敗次數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：發(fā)生程度較輕的故障時(shí)，如果算例1不發(fā)生換相失敗，那么算例2也不會(huì)發(fā)生；對(duì)于嚴(yán)重的故障，算例2只會(huì)發(fā)生首次換相失敗，而算例1則會(huì)多次出現(xiàn)換相失敗的情況。這說(shuō)明了算例2能夠有效抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生。

表1 直流輸電換相失敗的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)高壓直流輸電換相失敗的機(jī)理進(jìn)行分析，并結(jié)合直流系統(tǒng)控制邏輯，提出了一種復(fù)合預(yù)測(cè)控制策略，通過(guò)補(bǔ)償整流側(cè)和逆變側(cè)的觸發(fā)角，同時(shí)加入可控的虛擬電阻，配合交流母線電壓，對(duì)VDCOL輸入量進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與仿真，得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)電壓補(bǔ)償配合交流母線電壓起動(dòng)，可以使VDCOL起動(dòng)電壓的變化減緩，以免發(fā)生故障時(shí)VDCOL劇烈波動(dòng)，從而抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生;

(2)改善了一般預(yù)測(cè)控制僅通過(guò)減小逆變側(cè)觸發(fā)延遲角來(lái)降低換相失敗幾率的情況，將一部分壓力轉(zhuǎn)換到整流側(cè)，通過(guò)降低電壓，來(lái)降低電流，進(jìn)而抑制換相失敗;

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提控制策略對(duì)于連續(xù)換相失敗，具有較好抑制能力，同時(shí)能提高故障系統(tǒng)的恢復(fù)速度，改善恢復(fù)性能;

(4)預(yù)測(cè)控制存在一定的極限，當(dāng)電壓大幅度跌落時(shí)，控制會(huì)失去效果。通過(guò)復(fù)合控制策略，可以一定程度上增加可控范圍，但是控制的極限依舊存在。另外，由于忽略了控制的動(dòng)作延時(shí)，策略在實(shí)際工程應(yīng)用中還需要加以改進(jìn)。