逆變側控制策略對換相失敗的影響及恢復特性優化研究

李亞男，盧亞軍，劉心旸，鄒欣

(國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

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逆變側控制策略對換相失敗的影響及恢復特性優化研究

李亞男，盧亞軍，劉心旸，鄒欣

(國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

針對直流系統逆變側不同控制策略下的換相失敗恢復特性開展研究，首先從原理上分析了定關斷角控制與定電壓控制方式下換相失敗控制器的工作原理；然后基于實時數字仿真平臺以及實際工程的錄波數據，全面研究比較了這2種控制策略對換相失敗恢復特性的影響，結果表明換相失敗與直流運行功率、穩態運行時的關斷角以及故障發生時刻均有關系，而與采用何種控制方式相關性不強；最后提出對低壓限流功能模塊 (voltage dependent current order limiter, VDCOL)電流指令參數進行優化的措施，以改善換相失敗恢復特性并對其效果進行了仿真驗證。

直流系統；換相失敗；恢復特性；實時數字仿真；定關斷角控制；定電壓控制

0 引 言

換相失敗是基于傳統換相原理的高壓直流輸電系統逆變側常見故障之一[1]，會導致直流電流上升、換流閥過電流，從而損害閥的壽命；連續的換相失敗可能引起直流系統降功率運行，嚴重的將造成閥組閉鎖或極閉鎖，從而誘發更大的電力系統事故[2-3]。由于換相失敗故障僅發生于直流系統的逆變側，而目前眾多特高壓直流受端落點集中于華北、華東等負荷中心，加大了單一交流系統故障引發多回直流同時或相繼發生換相失敗的可能性；多回直流連續換相失敗導致直流功率傳輸的中斷，在受端系統強度較弱或故障較嚴重時，最終可能威脅到整個系統的安全穩定運行[4]。

傳統電網換相型換流器(line commutated converter, LCC)換流器從理論上不能完全避免換相失敗。換相失敗實際是否發生與直流系統運行功率、關斷角、換相電抗大小、交流系統強度、擾動發生時刻和擾動程度均密切相關。文獻[5-9]針對換相失敗的影響因素、預測算法及控制策略進行了理論分析與仿真計算，取得了一定成果。目前，我國已投運的直流工程控制系統有2種主要的技術路線，其中逆變站通常采取定關斷角控制或定電壓控制策略。目前暫未有文獻針對2種控制策略對于換相失敗的響應與恢復特性差異進行分析比較。本文在此基礎上，依托實時數字仿真平臺以及實際的直流工程換相失敗錄波數據，全面研究分析定關斷角與定電壓這2種逆變站控制策略對于直流換相失敗的影響及暫態特性的差異。通常直流系統能夠從單次換相失敗中恢復，但不希望在恢復過程中再次引起新的換相失敗，且恢復過程應平穩快速。本文通過分析實際的換相失敗過程，提出一種控制系統參數優化方案，通過修改低壓限流功能模塊(voltage dependent current order limiter, VDCOL)中的電流指令，能夠有效改善直流系統的換相失敗恢復特性，縮短直流恢復過程。

1 直流工程逆變側控制策略

直流工程控制系統主要有3類基本控制器，分別是：電壓控制器、電流控制器和關斷角控制器。正常情況下整流側為定電流控制方式，而逆變側的常用控制策略主要有2種：預測型關斷角控制和定電壓控制。

1.1 預測型關斷角控制策略

預測型關斷角控制策略的控制結構如圖1所示。該類控制方式下，3個控制器分別有自己獨立的比例積分調節器。關斷角控制器的輸出作為電壓調節器的最大值限幅，電壓調節器的輸出在逆變運行時作為電流調節器的最大限幅值，在整流運行時作為最小限幅值。

在預測型關斷角控制模式下，一般采用換相失敗預測控制功能、最小換相裕度控制功能，在檢測到換相失敗風險或換相裕度不足時，提前實現觸發以避免

圖1 預測型關斷角控制結構圖

換相失敗。另外，低壓限流功能通過電流指令的變化可以改善換相失敗發生后直流系統的恢復特性，尤其是對于接入弱交流系統的直流工程穩定具有重要意義。

1.2 定電壓控制策略

定電壓控制策略的控制結構如圖2所示。該控制方式下，直流控制系統采用選擇輸入的邏輯來實現3個控制器的協調配合，3個控制器合用1個比例積分調節器：逆變運行時，選擇電流偏差(ΔI)，電壓偏差(ΔU)和關斷角偏差(Δγ)中的較大值作為調節器的輸入，整流運行時，選取ΔI和ΔU中的較小值作為調節器的輸入。

這種控制原理的關斷角控制是實測型關斷角控制，所以沒有配置專門的換相失敗預測功能。通過換流閥閥控裝置返回的電流過零點信號，測得換流閥的實際關斷角；當關斷角小于參考值時，逆變側選擇關斷角控制器的輸出，并減小觸發角，以防止進一步的換相失敗。

圖2 定電壓控制結構圖

2 換相失敗控制器調節行為分析

2.1 定關斷角控制

2.1.1 換相失敗預測

當直流工程逆變側交流故障時，交流電壓降低。為阻止換相失敗發生，控制系統配有換相失敗預測功能：根據交流電壓零序檢測單相故障，利用α-β變換檢測交流三相故障。當預測到將要發生換相失敗時，增大逆變側γ角，以降低發生換相失敗的幾率。

2.1.2VDCOL

低壓限流功能主要反應于當直流電壓降低時，控制系統根據檢測到的直流電壓限制直流電流指令。VDCOL的作用主要體現為：(1)在交流系統擾動時和擾動后避免輸送功率的不穩定；(2)交流和直流系統故障清除后提供快速、可控的再啟動；(3)避免連續換相失敗給設備造成的應力；(4)抑制恢復期間連續換相失敗的可能性。

2.1.3 電流裕度補償

直流電流降低超過正常的電流裕度后，整流側增大電流指令，并將指令送至逆變站以保證整個直流系統的電流沒有很大幅度的降低。

逆變站交流電壓恢復正常后，直流系統換相失敗過程結束并開始恢復，若此時直流電流建立緩慢，整流站觸發角α降至最小值5°，逆變站可能進入電流控制，由于電流裕度補償的作用，電流指令增大將有利于直流電流的恢復。

2.2 定電壓控制

逆變側采用定電壓控制方式時，正常運行時起作用的是直流電壓控制器，而預防換相失敗的主要控制模塊為關斷角控制器。關斷角控制器是1個PI控制器，控制變量為實測的關斷角，其作用是防止逆變側的關斷角小于最小關斷角。

逆變側發生交流系統故障時，交流電壓降低，實際關斷角減小，關斷角偏差(Δγ)將增大，逆變側轉為關斷角控制，關斷角控制器將會發揮作用，以防止關斷角小于最小關斷角。如果逆變側發生換相失敗，關斷角控制器將會快速起作用，減小觸發角，防止再次發生換相失敗。

3 不同控制策略換相失敗試驗研究

3.1 實時數字仿真分析

為對比分析定電壓控制與定關斷角控制策略下直流系統換相失敗動態特性，利用三常直流仿真系統開展了逆變站交流系統接地故障試驗，并進行控制系統暫態調節行為的對比研究。其中，定關斷角控制采用實際的三常直流控制系統，定電壓控制方式則通過對定電壓和定關斷角控制器的參數調整來實現。試驗重點進行逆變側定γ控制與定電壓控制模式下換相失敗過程的比較。

三常直流工程額定電壓±500kV，單極額定功率1 500MW，額定電流3kA。通過模擬逆變側不同程度的交流電壓跌落，進行如下3種情況的對比分析：

(1) 發生換相失敗(換相失敗預測動作)。

(2)未發生換相失敗(換相失敗預測動作)。

(3)未發生換相失敗(換相失敗預測未動作)。

以發生換相失敗時的工況為例，對應的試驗錄波波形如圖3所示。

注：圖中曲線從上到下依次為交流電壓、YY換流變閥側電流、YD換流變閥側電流、直流有功功率、換流器無功功率、直流電壓、直流電流、熄弧角計算值。

圖3 發生換相失敗時試驗錄波波形

Fig.3 Experiment waveform record during commutation failure

根據錄波波形，結合試驗測試數據分析可以得到以下結論：

(1)逆變側交流系統發生嚴重故障時，由于關斷角γ大幅降低，采用定電壓控制時逆變側迅速轉為關斷角控制，控制器將增大γ角，以阻止發生連續換相失敗；采用定關斷角控制時，換相失敗預測功能將會增大γ角。因此，這2種控制策略暫態調節方向一致。

(2)逆變側交流系統發生輕微擾動時，采用定關斷角控制，在換相失敗預測還未動作的情況下，逆變側觸發角將會輕微增加，關斷角γ減小；而采用定電壓控制，由于直流電壓降低，為了維持直流電壓觸發角將增大，關斷角γ將減小。因此兩種控制策略暫態調節特性相同。

(3)是否發生換相失敗與直流系統的運行功率、穩態運行時的γ角以及故障發生時刻均有關系，而與采用何種控制方式關系不大。試驗表明，兩種控制策略在設計的3種試驗中發生換相失敗的電壓臨界值基本相當。

3.2 實際工程對比

依托國內某2條在運直流工程[10-11]開展換相失敗研究對比試驗，比較定關斷角控制與定電壓控制方式下的系統響應特性。定關斷角控制方式下試驗錄波波形如圖4所示；定電壓控制方式下試驗錄波波形如圖5所示。

注：圖中曲線從上到下依次為交流電壓、YY換流變閥側電流、YD換流變閥側電流、直流電壓、直流電流、換相失敗信號、觸發角指令、熄弧角計算值。

圖4 定關斷角控制方式試驗錄波波形

Fig.4 Waveform record of constant extinguish angle control logic

根據錄波波形圖可以看出：對于圖4中逆變側采用定關斷角控制的直流工程，當逆變側交流故障時，換相失敗預測動作，增大γ角，以防止連續發生換相失敗并進行換相失敗恢復；圖5中逆變側采用定電壓控制的直流工程，當逆變側交流故障時，由于逆變側γ角迅速降低，Δγ>ΔU，逆變側立即轉為γ控制，控制系統增大γ角，以防止連續發生換相失敗并進行換相失敗恢復。

由于2種控制策略下整流側均為定電流控制，換相失敗時整流側觸發角增大以降低直流電流，當逆變側交流故障清除后，直流電壓迅速上升，但此時整流側觸發角較大且下調較慢，直流系統未能快速建立直流電流，直流電流在一段時間內接近于0，直至逆變側進入電流控制，直流系統電流逐漸恢復。可見，2種控制策略下換相失敗的恢復過程基本一致。

注：圖中曲線從上到下依次為直流電壓、直流電流、YY換流變閥側電流、有功功率、定電流控制信號、定電壓控制信號、定關斷角控制信號、換相失敗信號、熄弧角測量值、觸發角指令。

圖5 定電壓控制方式試驗錄波波形

Fig.5 Waveform record of constant voltage control logic

4 換相失敗恢復特性優化

VDCOL是直流電壓降低時維持系統穩定的重要控制環節，其參數對于提高直流系統穩定性，加快故障恢復過程具有重要意義，控制系統VDCOL的參數應根據具體的直流系統響應要求、交流系統條件等進行優化。從試驗波形和換相失敗故障錄波中可以看出，換相失敗恢復過程中逆變側交流電壓已經恢復、直流電流未能建立的過程制約了系統從故障中恢復的速度。其中，最小電流指令IO-lim適當提高將使換相失敗期間整流站觸發角調節上限有所降低，因此，本文提出優化VDCOL模塊相關參數，將IO-lim從0.35pu增加到0.5pu的措施，并利用實時數字仿真平臺仿真驗證該措施的效果。通過優化IO-lim，換相失敗恢復特性對比波形如圖6所示。

注：圖中曲線從上到下依次為交流電壓、直流電壓、直流電流、YY換流變閥側電流、YD換流變閥側電流、觸發角指令、VDCOL最小電流限制指令。

圖6 VDCOL參數優化后換相失敗恢復特性

Fig.6 Recovery characteristic of commutation failure after VDCOL parameter optimization

試驗表明，調節VDCOL參數(提高VDCOL中IO-lim指令值)可減少換相失敗恢復過程中電流為0 的時間，顯著加快直流系統的恢復速度。

5 結 論

(1) 逆變側采用定關斷角控制與采用定電壓控制在逆變側交流故障時控制器調節特性基本一致：在交流系統嚴重故障時，控制系統均會增大γ角；交流系統輕微擾動時，均會降低γ角。試驗結果表明，在逆變側發生交流系統故障時，2種控制策略下直流系統發生換相失敗的概率相當。

(2) 直流系統是否發生換相失敗，取決于逆變側交流系統故障的嚴重程度，以及直流系統的運行工況，如運行電流大小、關斷角運行角度等，與直流系統的控制策略無直接關系。

(3) 適當提高VDCOL中最小電流指令限制IO-lim，有助于加快直流系統換相失敗后的恢復速度，但IO-lim的提高須考慮到換流閥等設備的耐受能力。

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(編輯： 蔣毅恒)

Influence of Inverter Control Strategy on Commutation Failure and Recovery Characteristic Optimization

LI Yanan, LU Yajun, LIU Xinyang, ZOU Xin

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The recovery characteristics of DC system after commutation failure with different inverter control strategies were studied. Firstly, the operation principle of controller with commutation failure under constant extinguish angle and constant voltage control mode was analyzed. Then based on real-time digital simulation (RTDS) and the record data of actual project, the influences of these two control modes on the recovery characteristics of commutation failure were comprehensively compared. The results indicate that commutation failure is bound up with DC operation power, extinguish angle in steady state and failure moment, but has no relationship with inverter control mode. Finally, a novel optimization method of recovery characteristic was proposed, based on modifying current instruction parameter in VDCOL (voltage dependent current order limiter) module, and the simulation was carried out to verify its effect.

DC system; commutation failure; recovery characteristic; real-time digital simulation; constant extinguish angle control; constant voltage control

國家電網公司科技項目(SGCC[2012]515)。

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0112-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.018

2015-07-17

2015-08-11

李亞男(1971)，女，博士，主要從事直流輸電系統研究工作；

盧亞軍(1982)，男，碩士，主要從事直流控制保護系統設計工作；

劉心旸(1987)，男，碩士，主要從事直流輸電系統研究工作；

鄒欣(1981)，女，博士，主要從事直流輸電系統研究工作。