交流濾波器開關合閘參數對直流電壓的影響分析與改進

胡宇林

摘 要：針對交流濾波器在投入過程中可能會出現交流系統擾動的問題，進而會顯著降低直流輸電系統的傳輸功率，本文采用BP神經網絡與遺傳算法結合選相合閘裝置參數預測進行研究，提出一種自適應遺傳算法優化的BP神經網絡選相合閘預測模型。

關鍵詞：交流濾波器;開關;合閘;參數;直流電壓;影響;改進

中圖分類號：TM721.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0149-03

在傳統的高壓直流系統中，換流站需要裝設各種型號的交流濾波器用于就近濾除換流器在整流或者逆變過程產生的諧波[1]。而當直流功率變化時，控制系統根據無功功率的要求自動投切交流濾波器，因直流功率調整是實時的，且次數多，所以同塔雙回交流濾波器場斷路器的投切頻率遠大于普通換流站的投切頻率，同時換流站交流濾波器投入時，會對系統造成不同程度的暫態沖擊。為了減少暫態沖擊，安裝選相合閘裝置對斷路器分相進行操作控制，使三相均在電壓過零點附近合閘。選相合閘裝置定值選取的可靠性將會影響到合閘效果，以此保證直流系統安全運行。

1 開關合閘偏差與換相失敗

首先需要深入分析斷路器選相開關合閘，當濾波器投入使用之后，由于濾波器不同原件會存在震動故障，進而會產生過電壓或沖擊電流等，在實際交流系統中所產生的電壓會出現畸變，甚至會導致直流系統出現換相失敗的問題[2]，除此之外，交流濾波器是一種常見的中心負載裝置，具體電路如圖1所示。

在該圖中電源等效電阻和電感可分別用R0和L0表示，交流濾波器等容電容可用Cr表示，在合閘過程中短時間內可認為電壓是一個給定值，該值與開關合閘時電壓角度具有聯系，嚴重情況下該值為E=Em回路微分方程可以用下列公式進行表示：

當Em值是零時，此時對系統沖擊力是比較小的，在交流濾波器方面開關合閘處于電壓過零點時是最佳的狀態，可結合開關合閘裝置以及電壓過零點進行選相設定，最終確定的開關合閘輸出時間如下公式測試。而Tc可確保電壓在過零點過程中路段斷路器合閘，其中T0是指在合閘過程中的時刻，能夠在任意時刻對系統所發出的開關合閘指令實現有效控制，tr是指在選相開關合閘計算時的間隔時間，ta是斷路器合閘時間在選相合閘裝置中可以根據母線進行計算，進而可以使三相斷路器實現分相合閘，并在電壓過零點進行合閘。為確保系統符合開關合閘要求，三相合閘是一個連續過程，三相電壓過電過零點并按照Uac作為參考電壓，那么三相合閘角度abc相分別為210°，150°和90°。

預測換相失敗的原因。當逆變器存在兩個閥換向時，由于無法完成換向過程或存在預計閥關斷的問題，當預計閥關斷后在反向電壓中為能夠及時進行阻斷的恢復，由于該閥電壓為正值需要導通，這種情況下甚至會出現倒換相的問題，關斷閥關斷實際也就是換相失敗的問題，在閥處于正常運行時關斷角應低于固定極限角，并且處于這一條件下會使逆變器產生換相失敗問題，其中固有極限關斷角是可控原件中載流子負荷開關以及構建P-N解阻檔層的時間，通常在10°左右范圍內，而對于導致出現一邊換相失敗的交流系統故障來說，通過現研究學者發現當出現逆變器，側流系統故障會降低換相電壓，電壓時間面積，進而會導致換流閥關斷角過小，最終引起換相失敗。我們檢測到當初次交流網測電壓擾動之后，換相失敗預測能夠起到一定功能，在短時間內快速發出指令，并增加換相角度可有效改善換流器功能，防止出現換相失敗的問題。具體是在每次出現換相失敗保護動作前，需要在短時間內快速增加換相失敗預測功能[3]，比如可以適當增加r角或者減小α角。

2 針對合閘目標角的思考

對于處于靜態過程中斷路器特性進行分析時，需要結合斷路器性能判斷最佳的和開關合閘時間，當處于穩定狀態下對于500kV斷路器開關合閘時間偏差，應當控制在一毫秒范圍內，對于帶電合閘時其時間與斷路器預計時間具有密切聯系，如圖2所示斜線為開關合閘時，絕緣強度降低程度。

在具體假設中s點為理想狀態下開關合閘時間，在這一過程中由于氣體均勻度是開關合閘中強絕緣下降率，假設s點為最佳合閘狀態，在合閘過程中具體結緣度降低為a點時，會出現預計絕緣降低的問題，此時電壓為最高值，斷路器本身離散性特點條件下預擊穿會超于a點發生，進一步會使電壓產生較大波動范圍，由于斷路器需要存在一毫秒的偏差合閘時間，可假設斷路器合閘為s點，在提前一秒完成開關合閘時，預計穿會在s-18的角度上，出現在x-a直線上，斷口電壓接近高電壓值，要想在高電壓高點位置完成濾波器充電，這對合閘電壓產生的波動范圍是比較大的，甚至會出現換相失敗預測動作。如果按照斷路器合閘時間為一毫秒的離散信息計算時，光和誤差電壓會延遲一毫秒，零點相角會擴大18度，合閘角度會擴大18度，并且應當確保其處于可控制的誤差范圍內，進一步能夠確保預擊穿發生在較小電壓值范圍內，防止出現電壓快速波動的問題。

3 故障分析

在本研究中以某換流站作為研究對象，該換流站投入交流濾波器在實際運行過程中出現交流電壓快速波動的問題，其中直流功率由5800MW快速降低到2900MW，并且在25毫秒之后恢復，整個功率降低持續170ms，在這一過程中電壓值由490kV快速降低到460kV，且隨直流功率緩慢恢復，在整個過程中并沒有出現換相失敗的問題，或者出現故障告警，進而會導致出現頻率控制功能投入。電壓恢復之后這種功能消失，選相開關合閘裝置可以通過設置相應的時間，進而以使斷路器在電壓過零點位置合閘，然而從實際合閘角度上，我們可以發現在處于Uab參考電壓條件下，B相合閘角度為82°，而該值高于系統所允許的誤差范圍，我們通過故障濾波結果可以發現，由于在B相過零點沒有發生合閘，而B相合閘電流較大，合閘后電流交流電壓快速出現畸變，通過與時間列表進行比對，在交流濾波器投入三相之后出現干擾而電壓顯著降低，因此可適當調整α角為24°，在系統檢測時出現交流擾動兩毫秒之后，此時α角命令會由過去的141°調到117°左右，上升α角降低電壓值，該結果與實際公式計算結果保持一致，說明換相失敗預測動作是合理的。

4 遺傳算法優化的BP神經網絡的合閘預測模型

將獲得的最優權值賦予BP神經網絡，通過遺傳算法優化神經網絡權值，遺傳算法優化的BP神經網絡，避免BP神經網絡陷入局部極小值，提高神經訓練效率，其核心代碼如下：

通過仿真結果可知，如圖3所示，遺傳算法優化的BP神經網絡在迭代50次之后，區域穩定。因此，改進后的模型可以以較少的迭代次數實現BP神經網絡最優權值的搜索。

通過對比不同預測模型所需要的訓練次數來驗證各個預測模型的性能，遺傳算法優化的BP神經網絡訓練次數如表1所示。

因此，采用改進后的選相合閘裝置預測模型效率更高，在達到訓練目標的同時，大大縮減訓練次數。

將使用真實的相時間、相電流數據進行預測，對比相時間、相電流預測模型的預測精度仿真結果，不同模型的相時間、相電流預測結果如圖4所示。

表2的仿真結果可知降低了總體誤差表明其模型具有較強的預測性能，提高了預測精度，進行BP神經網絡初始權值優化，通過自適應遺傳算法優化的BP神經網絡以及組合神經網絡實現，遺傳算法優化的BP神經網絡校驗之前數據如表3所示。

5 結語

總而言之，在直流系統運行過程中交流濾波器投切較為頻繁，在合閘異常時會產生較大電壓擾動，進而會在短時間內快速降低直流功率，針對換流站交流濾波器選相合閘具體設置可以參考下列建議：在選定相開關合閘裝置設定時，需要結合斷路器特性，在實際使用時能夠結合開關和閘角度超前或者存在斷路器合閘時間延誤問題，降低開關合閘角度誤差對系統產生的不利影響，在開關合閘配置時實際與換相象失敗預測邏輯頻率較低具有顯著關系。在斷路器機械系統無法滿足選相合閘的情況下，可以通過提高換相失敗預測動作邏輯，進而防止該問題的發生，也是目前比較可行的方案。

參考文獻

[1] 謝惠藩，楊光源，彭光強.廣州換流站交流濾波器投切對天廣直流換相失敗的影響[J].南方電網技術，2015，9（9）：17-22.

[2] 嚴偉，秦金鋒，葉志良，et al.從西站交流濾波器投入導致直流電壓跌落分析[J].廣東電力，2019，32（04）：51-57.

[3] 楊帆，宋天奇，張雪波.±800kV僑鄉換流站500kV交流濾波器小組斷路器選相合閘問題分析[J].南方電網技術，2014，8（6）：34-38.