高壓直流輸電中換流器保護電路的仿真分析

杜欣慧，胡殿霞

（太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原030024）

高壓直流輸電是一個龐大而又復雜的系統，換流站保護電路的設計關系到電力系統的安全穩定運行 .我國于50年代開始對直流輸電技術進行研究，發展曲折而緩慢，從制造水平及二次設備的維護來看，與世界先進水平的差距還很大.因此，對換流器保護電路的方案設計和對其故障恢復性的研究刻不容緩［1］.換流器的故障分為主回路和控制系統故障，故障類型包括換流器交流側或直流側各個接線端短路（如閥短路）、接線對地短路（如交流側單相接地短路）、觸發系統出發脈沖丟失等［2］.不同類型的故障會導致不同程度上的過電壓和過電流.換流站作為高壓直流輸電中重要的整流、逆變電路，除了電力電子器件參數選擇合適，驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓和過電流保護也是十分必要的［3］.本文根據換流器的故障類型，分析了晶閘管過電壓、過電流產生的原因，在MATLAB仿真軟件上搭建12脈波高壓直流輸電模型，并設計阻容緩沖電路和基于模糊PI控制的電子保護電路.

1 晶閘管換流器的保護

晶閘管換流器有2種保護電路：一種是安裝阻容（RC）緩沖器、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等保護器件于合適的位置；另一種是使用電子保護電路，當檢測到的輸出電壓或輸入電流超過控制值時，利用換流觸發控制系統使換流器短時間內運行于有源逆變狀態，以抑制過電壓或過電流的數值.

1.1 過電流保護

換流器產生過電流的原因有兩類［4-6］：一類是換流電路內部故障；另一類是換流橋負載外電路發生短路.對于第一類過電流，最常用的是在需要的部位接上快速熔斷器；而對第二類過電流，可采用電子電路進行保護，其保護原理如圖1所示.

1.2 過電壓保護

晶閘管換流器在運行時，會產生由交流供電電網進入或退出的操作過電壓（分合閘時引起的過電壓）和雷擊過電壓，并且設備自身運行及非正常運行時也會產生換相過電壓.產生過電壓的根源不能消除，必須采用過電壓保護抑制晶閘管上可能出現的過電壓.過電壓保護方法有并聯阻容緩沖器及電子電路保護兩種方法.

圖1 過電流電子電路保護原理圖Fig.1 Principle diagram of over-current electronic circuit protection

1.2.1 并聯阻容緩沖器 電容兩端電壓不能突變，可以使其吸收晶閘管關斷引起的尖峰過電壓［7-8］.串聯電阻能阻尼電感電容電路振蕩并抑制晶閘管開通損耗及電流上升率；阻容緩沖器還具有對高次諧波干擾電壓濾波的作用.

1.2.2 電子電路保護 采用電子電路進行保護的原理與過電流保護的電子保護電路相同，不同在于此過電壓保護電路是將測量電壓與整定值相比較.

2 換流器保護電路設計

2.1 阻容吸收回路的設計

增加電容值可降低振蕩頻率，根據運行經驗取電容值為0.1μF時，可將振蕩頻率f限制在150 Hz以下.阻尼元件R會干擾系統的振蕩頻率，根據經驗值，R值應取不小于100Ω.R值高有利于保護電容，防止其過載時燒毀，故高安全性的阻容吸收裝置都會適當增大R值；但R值太大，會大大提高時間常數，延長暫態時間，影響保護的高效性.因此，在整流器環節采用的2個6脈波的三相全控橋中的阻容緩沖器的最優參數R＝400Ω，C＝0.2μF.

2.2 電子保護電路的設計

根據換流站中晶閘管過電壓、過電流電子保護電路的原理，利用定電流控制實現對整流器觸發脈沖的控制，其控制原理如圖2所示.定電流控制的工作原理是把輸出電流和指令電流進行比較，當出現偏差時，通過一個閉環控制器調節換流器觸發角，使其控制直流電流以使電流差值減小或消失，以保證輸出電流等于或接近于指令值.

在調節器部分采用了模糊PI控制，模糊自適應PI控制器結構如圖3所示.Fuzzy-PI控制器主要由模糊化、知識庫、模糊推理、逆模糊4部分組成［9-10］.模糊參數調節器根據不同的輸入e，ec，運用模糊推理規則計算出Δkp和Δki，可以得到

而Δkp，Δki和e，ec具有下列函數關系，即

圖2 定電流控制原理圖Fig.2 Principle diagram of constant current control

圖3 模糊自適應PI控制器結構圖Fig.3 Structure of adaptive fuzzy PI controller

模糊化是把輸入輸出變量的值分為7個語言值，即｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，用三角形隸屬函數把電流偏差及其變化率的論域分為｛3，2，1，0，1，2，3｝；輸出控制的變化量 Δkp的論域為｛0.3，0.2，0.1，0，0.1，0.2，0.3｝，Δki的論域為｛0.06，0.04，0.02，0，0.02，0.04，0.06｝.

為求取最終精確量和計算輸出控制量，采用重心法清晰化，并結合式（1）～（4）可得

根據PI控制的規則，可得

式（7）中：Id（t）為直流側的電流；Ids為整定電流值.

由此，把式（4），（5）帶入式（6），結合直流輸電系統的動態方程，可得整流側模糊自適應PI控制器的解析式.

3 仿真結果與分析

搭建的高壓直流輸電系統整體仿真模型（逆變側等效），如圖4所示.模糊自適應PI控制器仿真結構圖，如圖5所示 .當系統中阻容緩沖器的器件保護和過電流電子電路的控制系統保護排列組合，且系統在0.6～0.7 s之間發生A相交流接地故障時，可得到6種運行方式，如表1所示.

圖4 高壓直流輸電整體仿真模型圖Fig.4 Whole simulation model diagram of high voltage direct current

圖5 模糊自適應PI控制器仿真結構圖 Fig.5 Simulation model diagram of fuzzy adaptive PI controller

表1 仿真情況分類Tab.1 Simulation case classification

在運行方式1，2下，不帶保護的晶閘管之間發生短路，換流站出現故障.晶閘管在失去阻容緩沖器的保護后，由于晶閘管靜態伏安特性的分散性，使得每個晶閘管承受的電壓不均.晶閘管的斷態電壓臨界上升率的特性，是指晶閘管在額定結溫和門極斷開條件下時，其從斷態轉入通態的外加電壓最高電壓上升率；若電壓上升率超過了晶閘管的斷態電壓臨界上升率的值，則會在無門極信號的情況下誤開通.因此，系統在不加保護時，其運行性能受到影響.

在運行方式3～6下，經MATLAB軟件仿真得到的波形圖，如圖6～9所示.圖6～9中：Ud反應的是穩態時輸出電壓；Id為直流輸出電流與2 000的比值；Idref為電流參考值；α為晶閘管的觸發角.

從圖6～9中可看出：穩態時，輸出電壓為500 k V，輸出電流顯示為指令值和測量值的跟蹤情況，觸發角范圍為（10°，25°），故定觸發角值設置為20°.根據系統在0.3～0.4 s之間發生擾動和在0.6～0.7 s之間發生A相交流接地故障，其故障時采集數據如表2所示.

表2 整流側電流波形典型數據Tab.2 Typical data of current of rectifier

從仿真結果可看出：在定觸發角控制時，即使器件全加上保護，系統的跟隨性和擾動超調量也很大；運行方式3比運行方式5具有更好地故障后的系統恢復性，說明阻容緩沖器對故障過電壓的抑制作用.定電流控制即過電流保護電路較之定觸發角控制具有更好的響應特性，即跟隨性更好，受到擾動后有更快的恢復性和更高的響應準確度，并且超調量也更小.

圖6 運行方式3的直流輸出波形Fig.6 Direct current output waveform of operation mode three

圖7 運行方式4的直流輸出波形Fig.7 Direct current output waveform of operation mode four

圖8 運行方式5的直流輸出波形Fig.8 Direct current output waveform of operation mode five

圖9 運行方式6的直流輸出波形Fig.9 Direct current output waveform of operation mode six

基于模糊PI控制的定電流控制動態性能較好，不但可以改善直流輸電的運行性能，而且也可以限制過電流，并使因故障引起的損害達到最小.同時，當系統發生故障時，它又能快速限制暫態的故障電流值，以保護晶閘管換流閥及換流站的其他設備.運行方式4在電壓、電流的波動范圍上比運行方式6更小些，故障超調量有所降低，系統輸出更精確，響應更好.

綜合各種運行方式，可看出運行方式4的控制效果最優.

4 結論

針對晶閘管在故障時產生不同程度的過電壓與過電流，設計了對晶閘管的保護電路 .無論是對器件本身的保護，還是電子保護電路，都能抑制系統在故障時產生的過電壓和過電流的數值，降低換流器故障對系統造成的影響.

阻容緩沖電路使系統跟隨性更好，系統超調量得到改善；基于模糊PI控制的電子保護電路使系統具有良好的暫態和穩態特性，其跟蹤性能和抗干擾能力增強，保證了高壓直流輸電系統的正常、可靠和穩定運行.

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