基于DSP的最小觸發角控制研究

趙利剛，趙勇，王磊，李興源，李妮，王超

（1.南方電網科學研究院，廣州 510080；2.四川大學 電氣信息學院，成都 610065）

0 引 言

為了更好地滿足電網在科研、規劃、運行等方面的需求，南方電網科學研究院引進美國某公司的電力系統機電暫態仿真代碼后，經過自己的消化和吸收，研發出交直流電力系統計算分析軟件DSP（Dynamic Simulation Program），該軟件在仿真規模、仿真準確性和仿真效率等方面基本能夠滿足實際電力系統仿真的需求。國內已有利用該軟件進行建模與仿真的先例［1］。

高壓直流輸電系統的整流側由定電流控制和最小觸發角控制組成［2］。最小觸發角控制在實際直流輸電工程中應用較為廣泛［3-8］。比如文獻［9］基于實際直流輸電工程，針對最小觸發角控制的控制邏輯進行了詳細的說明，但是對于如何實現最小觸發角控制，特別是對于具體參數設置以及信號選取等問題并沒有提及。

整流側在故障恢復過程中，隨著電壓的快速恢復，此時的觸發角會快速恢復到一個很大的值，系統將會出現過電流和過電壓，此時將會對系統造成極大的危害［10］。為了能夠抑制這種現象，就必須在故障恢復時增大觸發角，能夠實現這個目的的控制被稱為最小觸發角控制。

最小觸發角控制是高壓直流輸電系統整流側所獨有的一種附加控制方式。它是整流側定電流控制的附加控制，該控制并不直接作用于定電流控制，而是通過對定電流控制限幅環節的控制對觸發延遲角α進行間接控制。

本文受文獻［11］采用功率分量法作為輸入信號的啟發，基于DSP軟件和文獻［9］所提出控制邏輯，對高壓直流輸電控制系統中整流側最小觸發角控制進行了自定義開發，仿真驗證了所開發的自定義模塊實現了最小觸發角控制功能。

1 最小觸發角機理分析

整流側觸發角的定義式為：

式中Udor為整流側直流電壓，Udoi為逆變側直流電壓，γ為熄弧角。在直流系統穩態運行時，整流側觸發角α與直流電流Id呈反比。當α越小時，Id越大；當α越大時，Id越小。

由此可見，要減小故障恢復過程中過電流Id，就必須增大觸發角α。

2 最小觸發角自定義模塊實現

2.1 功率分量信號

為了更早地檢測出交流故障，本文提出采用功率分量信號作為最小觸發角自定義模塊的輸入信號。該信號綜合了電壓與電流在交流故障發生后突變的特征，對故障的反應更加靈敏，可解決單一物理量檢測交流故障時靈敏度不夠高、檢測結果不夠可靠的問題。

單獨選擇交流電壓或者直流電壓信號作為最小觸發角自定義模塊的輸入信號的優點是在故障期間能夠降低故障對直流功率的影響；單獨選擇直流電流的優點是在故障和恢復期間的靈敏度更高。通過在換流母線上實時監測三相電壓，并考慮整流側直流電流，二者的共同作用，得到最小觸發角自定義模塊所需的功率分量信號。

對于電壓分量的實時監測，有：

式中ua（t）、ub（t）、uc（t）為換流母線三相電壓實時監測值，Uac為換流母線交流電壓。而對于電流分量的實時檢測，可以通過DSP自定義語句來實現。

將電壓、電流分量相結合，定義功率分量如下：

式中Uac和Id均為標么值，P′為該出線上的功率分量信號。

采用該信號的好處是既反映了交流電壓的特性，又反映了直流電流的特性。采用自定義功率分量信號P′作為輸入信號，既能夠利用交流電壓信號在故障過程中的正常響應，又能夠利用直流電流信號優于電壓信號的敏感性。將電壓、電流分量作為最小觸發角自定義模塊的輸入信號，能提高故障檢測的準確性。

2.2 控制器設計

在采用功率分量信號作為最小觸發角自定義模塊的輸入信號的基礎上，要實現最小觸發角控制功能則需要設定2個閾值K3和K4，分別對應2種限幅水平αmin1、αmin2，且αmin1≥ =αmin2。DSP包含最小觸發角自定義模塊的整流側控制策略如圖1所示。

圖1 含最小觸發角自定義模塊的整流側控制策略Fig.1 Rectifier side control strategy with the minimum firing angle control custom module

正常情況下，整流側最小觸發角αmin為5°。整流側發生交流故障時，觸發角α將快速減小至αmin。故障切除后，隨著電壓的快速恢復，若觸發角α過小，直流電流可能出現過沖現象。

最小觸發角自定義模塊的算法及其實現功能如下所示：

當整流側P′＜K3時，αmin=αmin1；當K3≤P′≤K4時，αmin=αmin2；當P′＞K4時，αmin=5°；穩態運行時αmin=5°。

當整流側交流母線發生三相故障后，整流側瞬時有功功率標么值瞬間從1變為0，最小觸發角將會由5°經過一定的延遲變為αmin2（由于下降速度太快，中途的最小觸發角αmin沒有在αmin1～αmin2過渡）；當切除故障后，整流側P′從0恢復到1，最小觸發角分別經過αmin2（此時最小觸發角控制起作用），αmin1～αmin2（此時最小觸發角控制起作用），5°三個階段。當αmin=5°時，直流控制系統恢復到穩定運行狀態。

3 仿真測試

3.1 仿真模型建立

最小觸發角自定義模塊一共有4個未知參數，即K3，K4，αmin1，αmin2。它們的取值方法在國內外文獻中均無參考，特別是當K3≤P′≤K4時的最小觸發角的變化規律和取值范圍最難確定。

經過大量仿真得到如下規律：最小觸發角取值太大會造成故障恢復過程中發生失穩現象，而取值太小則會造成在故障恢復過程中不起作用。

經過多次仿真后得出，當K3=0.6，K4=0.8，αmin1=25°，而αmin2=20°，且當K3≤P′≤K4時，最小觸發角按照線性規律由25°漸變為20°，即時控制效果較好。

本文選擇的直流仿真模型及參數是機電暫態仿真程序DSP中CIGRE-1DC，如圖2所示。該模型為單極十二脈動直流輸電系統，其基本參數如下：單極額定傳輸功率1 500 MW，額定直流電壓500 kV，額定換流母線電壓525 kV，額定電流1.5 kA，輸電距離1 210 km，換流器采用雙極12脈動接線方式且兩端中性點均接地。

圖2 直流系統模型Fig.2 Model of the DC system

3.2 仿真結論分析

本節以DSP仿真軟件中的算例CIGRE-1DC為仿真模型，并搭建相同參數的PSCAD模型對本節提出的最小觸發角自定義模塊進行對比。通過對加入最小觸發角控制自定義模塊的CIGRE-1DC（藍色線條）、原 CIGRE-1DC模型（黑色線條）、以及 PSCAD模型（紅色線條）的仿真，對比三組仿真結果，驗證該最小觸發角自定義模塊的控制效果。在仿真測試中，機電暫態仿真軟件DSP的步長為0.01 s，電磁暫態仿真軟件PSCAD的步長為50μs。

仿真運行2 s時，在整流側換流母線（RECAC）處設置三相短路故障，0.1 s（DSP里的10個步長，PSCAD里的2 000個步長）后切除故障。針對10個電氣量的仿真結果進行了對比，它們分別是整流側的觸發角、直流電流、直流電壓、直流功率、換流母線電壓以及逆變側的熄弧角、觸發角、直流電流、直流電壓、換流母線電壓。對DSP（加入控制后）、DSP（加入控制前）、PSCAD/EMTDC（未加入任何控制）三種情況下進行了詳細對比，如圖3所示。

如圖3（a）所示，故障發生后，加入最小觸發角自定義模塊模型和未加最小觸發角自定義模塊模型的整流側觸發角均快速下降至5°。觸發角的快速減小能夠一定程度上彌補直流電壓的跌落，這將有利于降低故障對直流功率的影響。隨后，加入最小觸發角自定義模塊的DSP模型0.04 s后快速上升到了25°，0.05 s后的最小觸發角均為25°。

圖3 整流側三相短路故障仿真結果對比Fig.3 Comparison of simulation results of three-phase short-circuit fault in rectifier side

2.1 s故障被切除后，加入最小觸發角自定義模塊模型的觸發角可快速上升到51.6°，而未加最小觸發角自定義模塊模型的觸發角則上升至49.2°。由于在故障恢復過程中，較大觸發角會減少故障切除瞬間的過電流，而恢復過程中加入最小觸發角自定義模塊模型比未加最小觸發角自定義模塊模型觸發角大0°到1.6°，因此有利于持續減少恢復過程中的過電流。

由圖3（b）可知，故障期間，加最小觸發角自定義模塊模型與未加最小觸發角自定義模塊模型的直流電流響應一致。2.1 s切除故障后，由于加入最小觸發角自定義模塊模型的觸發角比未加最小觸發角自定義模塊模型觸發角大2.4°，加入最小觸發角自定義模塊后，比原模型瞬時過電流降低了0.2 kA。恢復過程中，加入最小觸發角自定義模塊模型的直流電流較原模型小0 kA～0.06 kA，且兩個模型均需0.18 s恢復到穩態值。表明加入最小觸發角自定義模塊未影響直流電流的正?；謴?，同時能一定程度上抑制故障恢復過程中的瞬時過電流。

由圖3（c）可知，故障期間，加最小觸發角自定義模塊模型與未加最小觸發角自定義模塊模型直流電壓響應一致。2.1 s切除故障后，由于加入最小觸發角自定義模塊模型的觸發角比沒加最小觸發角自定義模塊模型的觸發角大一些，所以恢復過程中加入最小觸發角自定義模塊模型的直流電壓均比沒加的要小0 kV～15.3 kV，且兩個模型均需0.13 s恢復到穩態值。表明加入最小觸發角自定義模塊未影響直流電壓的正?；謴?，同時能一定程度上抑制故障恢復過程中的瞬時過電壓。

由圖3（d）可知，由于直流功率由直流電流和直流電壓的乘積決定，直流功率的暫態特性綜合了直流電壓和直流電流的暫態特性。故障切除后，因為加入最小觸發角自定義模塊模型的直流電流和直流電壓相均比原模型的對應值較小，所以直流功率差別很大。

由圖3（j）可知，加入最小觸發角自定義模塊模型的換流母線電壓與原模型的換流母線電壓在故障期間響應一致?；謴瓦^程中，加入最小觸發角自定義模塊模型的換流母線電壓比原模型的換流母線電壓波動較小，且恢復過程更加平穩，仿真達到了預期效果。

4 結束語

綜上所述，當整流側交流母線發生三相短路故障后，通過編寫DSP最小觸發角自定義模塊語句實現了控制目的，即在故障發生時不動作，僅在故障恢復過程中有計劃地動作。最小觸發角自定義模塊既實現了在故障過程中讓觸發角的快速減小來彌補直流電壓的跌落，從而降低故障對直流功率的影響；又實現了一定程度上抑制在故障恢復過程中出現的過電流和過電壓的目的。這兩點分別在圖3（b）、圖3（c）、圖3（h）、圖3（i）中有所體現。

與此同時，該控制對這10個電氣量的恢復時間沒有一點延遲，這對于系統的正常運行至關重要。大量的仿真表明，所設計的最小觸發角自定義模塊能夠實現抑制整流側故障恢復中的過電流和過電壓的目的，具有一定的實際參考意義。