抑制直流連續換相失敗的調相機暫態強勵控制策略

王龍飛，華 文，石博隆，王博文，周升彧，申屠磊璇，樓伯良

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

我國幅員遼闊，資源分布不均，各省經濟水平也存在顯著的差異，負荷中心位于中東部沿海省份，而煤炭、水、風、光等能源資源卻集中于西北、西南及東北地區，因此遠距離、大容量、安全穩定的電力輸送方式將成為影響未來電網格局的重要因素[1]。

LCC-HVDC（電網換相換流器型直流輸電）在遠距離、大容量輸送電力方面具有一定的優勢，已成為我國跨區域輸送電力的主要方式，承載著將西北、東北、西南等能源基地電力輸送至華中、華東等負荷中心的重要作用。

以華東電網為例，目前建成11 回特高壓直流，受電容量達到63.40 GW。未來白鶴灘—江蘇、白鶴灘—浙江特高壓直流投產后，華東電網饋入直流將達到13 回，受電規模進一步擴大。華東電網負荷密度較大，部分直流落點電氣距離較近，彼此相互作用較強，穩定特性將發生重大改變。

由于晶閘管無自關斷能力，以其為換流元件的電壓換相換流器型直流近區交流線路發生故障或其他擾動，可能會導致直流發生換相失敗。依照現有部分直流控制保護邏輯，當直流連續換相失敗次數過多時將閉鎖。文獻[2-4]對直流換相失敗的機理和影響因素進行了綜述，將換相失敗的主要原因歸納為閥運行中的熄弧角過小。

直流閉鎖會嚴重威脅受端電網的頻率穩定及電壓穩定，嚴重時甚至會導致受端電網損失一定規模的負荷，對社會經濟運行和居民生活穩定造成嚴重威脅。

華東電網曾多次發生因交流線路故障引起的多回直流換相失敗事件。2015 年9 月19 日，錦蘇直流發生雙極閉鎖，華東電網損失功率4.90 GW，之后華東電網頻率最低跌至49.85 Hz。此次事故也引發了學術界及工業界對于直流換相失敗預測、直流換相失敗抑制、直流穩定運行條件等一系列問題的深入研究[5-7]。

文獻[8]對直流換相失敗預測和抑制方法進行了綜述，并將抑制方法主要分為以下兩類：一是對換相失敗進行預測或快速檢測交流故障，進而對直流控制及保護系統進行改造，采取適當的預防控制措施[9-11]；二是提高直流受端落點交流側的電壓水平，通過近區配備SVC（靜止無功補償器）、STATCOM（靜止同步補償器）、調相機等無功支撐設備來實現[12-13]。

文獻[14]詳細論述了傳統直流受端換流站近區安裝同步調相機與SVC，STATCOM 等FACTS（柔性交流輸電系統）設備相比，不僅具有抑制直流換相失敗能力，還具有為系統提供短路容量、降低直流送端暫態過電壓、利用強勵提高系統穩定性等方面的優勢。文獻[15]基于華東電網典型方式數據進行機電暫態仿真，分析了調相機投產后對受端電網穩定性的影響。文獻[16]設計了一種充分利用調相機強勵特性的緊急控制方法，但其動作指令取決于直流控制保護系統對于換相失敗風險的預判，抑制效果嚴重依賴預判措施的準確性，且存在較長的時間延遲。

本文基于同步調相機的強勵特性，提出一種暫態期間同步調相機持續強勵以抑制直流連續換相失敗的控制策略。首先介紹直流連續換相失敗的機理及影響因素，然后分析調相機常規勵磁控制在抑制直流連續換相失敗方面的不足，并在此基礎上提出暫態期間快速強勵的抑制直流連續換相失敗的調相機控制策略，最后基于華東電網典型數據，通過機電暫態仿真程序進行仿真驗證。

1 直流換相失敗機理及影響因素

1.1 換相失敗機理

圖1 為簡化后的基于晶閘管的全橋逆變器拓撲結構，其中：Ea，Eb，Ec為三相理想電壓源，代表理想無窮大電網；Ud為逆變器直流電壓；Id為逆變器直流電流；I 為逆變器輸出電流；L1為等值電網電抗；D1—D6為逆變器橋臂閥。閥運行中的熄弧角過小是造成換相失敗的根本原因，若運行熄弧角低于固有極限熄弧角將導致直流發生換相失敗[17]。

圖1 基于晶閘管的逆變器基本拓撲結構

以圖1 中相鄰橋臂閥D1和D3為例：正常工況下，閥D1向D3換相；若閥D3觸發時換相角過大，閥D1在電壓過零點后將殘存電流，導致閥D1不需要觸發便可導通，發生閥D3向D1倒換相；之后閥D4按觸發時序導通，橋臂D1和D4導通形成短路，最終發生換相失敗。

為避免上述情況發生，每個開關存在恢復正向電壓阻斷能力所需的最小關斷角，也稱作極限熄弧角。在實際運行中，工程界通常認為避免直流換相失敗的極限熄弧角為7°，若實際運行熄弧角小于極限熄弧角，則認為直流存在換相失敗風險[18]。

1.2 影響直流換相失敗的因素

對于單一直流，影響其換相失敗的因素包括交流側電壓和直流電流等。

交流側電壓具有較強的可觀性，便于實時掌握和控制，在實際工程中通常用來實現交流側故障引發直流換相失敗的預測。在學界和工業界，通常從最小電壓降落、臨界換相“電壓-時間”面積、臨界換相電壓三個層面對交流電壓跌落情況開展研究[4]。上述各方法都存在一定的誤差和局限，有待改進。

在實際工程中，評估交流側故障引起的直流換相失敗風險時通常直接以直流逆變側換流母線電壓UL跌落值作為判斷因素，一般認為UL跌落至正常運行值的90%以下將引發換相失敗。該判斷方法存在嚴重誤差。首先UL受到交流系統強度、近區無功電源分布及支撐能力、負荷模型、直流交互影響等多方面的影響；其次換流站內設備故障、濾波器投切、交流側電壓波形畸變等因素同樣會影響UL。因此簡單地以正常運行值的90%作為直流換相失敗的判斷因素，或作為抑制換相失敗策略的啟動門檻，其準確性和適用性有待商榷。

直流側電流蘊含豐富的直流運行信息，可以用于非交流系統故障所引發的換相失敗預測分析，但無法直接用于交流系統故障引起的換相失敗預測。

而對于多饋入直流系統，還應考慮直流之間的交互影響，CGREE（國際大電網學會）引入MIIF（多饋入交互作用因子）的概念來評估直流逆變側換流母線電壓UL的交互影響。

文獻[19]基于多饋入直流系統，綜合考慮以上多種影響因素，提出了基于臨界電壓的連續換相失敗判斷方法，定義了評估直流換相失敗風險的直流逆變側換流母線電壓臨界值Ucr。其中，定義Ucr取值范圍下限值為：

式中：UL0為換流母線線電壓初始有效值；β0，γ0分別為逆變側初始觸發超前角和熄弧角；γmin為變化后的熄弧角，取為極限熄弧角。

定義Ucr取值范圍上限值為：

式中：Req=Rcr+Rd-Rci，Rcr=（3/π）Xcr，Rci=（3/π）Xci，其中Xcr，Xci分別為整流側和逆變側的換相電抗；Rd為直流電阻；Udr0為整流側不計觸發延遲時的空載直流電壓；αr為整流側觸發延遲角；βi為逆變側觸發超前角；k 為換流變壓器變比；b 為串聯橋的數目。

文獻[19]認為，實際的換相失敗臨界電壓Ucr介于Ucr1和Ucr2之間。若UL＜Ucr1，必有換相失敗風險；若UL＞Ucr2，則無換相失敗風險。

2 直流換相失敗對受端系統穩定性的影響

2.1 電壓穩定

直流在換相失敗期間，特別是換相失敗恢復過程中，需從系統吸收大量無功功率，可能引起交流電壓再次跌落。若近區無功設備配置不足，無法滿足直流的無功需求，將引起直流系統無功不平衡，嚴重狀況下將導致受端電網發生暫態電壓失穩。

2.2 功角穩定

直流在連續換相失敗期間，輸送功率將迅速下降甚至跌落至零。之后伴隨換相失敗的恢復，直流輸送功率上升。若直流發生連續換相失敗，輸送功率將重復上述過程，周期性波動。

直流大容量的功率波動，將對近區發電機組造成沖擊。特別是直流迅速下降或上升過程中的暫態峰值，可能會引起近區發電機組發生功角失穩現象。

2.3 頻率穩定

直流換相失敗期間的大容量功率波動，將嚴重破壞受端電網的功率平衡，造成頻率波動。嚴重工況下直流因多次連續換相失敗而閉鎖，導致頻率下降。若受端電網無緊急控制措施或同步機組一次調頻能力不足，電網頻率將持續下降，引發低頻減載動作。

3 調相機暫態強勵措施

調相機裝設在大型特高壓直流受端換流站內，常規情況下無功輸出為零，但在暫態期間可為直流系統提供一定的無功支撐，提高系統穩定性。我國已規劃在多條直流受端換流站安裝調相機，其中賓金直流金華換流站調相機1 號機已安裝調試成功。

目前我國自主設計并制造的新型調相機單機容量可達到300 Mvar，瞬時無功輸出能力提升50%以上，轉子具備15 s 的2.5 倍強勵要求，在強勵開始的前5 s 內，強勵可以達到3.5 倍[15]。

3.1 調相機的運行機理

調相機可以視為有功輸出為零的同步機。常規勵磁控制主要由端電壓控制外環、勵磁電流控制內環、低勵限制、過勵限制等幾個部分構成。

采用常規勵磁控制的調相機可以提升受端電網的靜態電壓穩定裕度，暫態期間可以提供緊急無功支撐，并有助于故障清除后的電壓恢復。但在應對交流故障引起的直流連續換相失敗時，該勵磁控制并不能完全滿足實際需求。

若直流近區交流側發生三相短路故障，100 ms 后線路保護裝置動作，故障清除。故障期間，調相機由于勵磁端電壓閉環控制能夠進行強勵控制，并提供動態無功支撐，其輸出值取決于調相機機端電壓幅值跌落程度和勵磁控制器參數設計。

換相失敗周期較長，通常為160～200 ms，即使故障清除，直流換相失敗仍未結束。而直流在換相失敗恢復過程中需要大量無功，但調相機可能已經退出強勵控制，無法發揮其最大無功支撐能力。

極端工況下，直流換相失敗恢復過程中無功需求無法從包含調相機的交流系統獲得滿足，系統則會發生電壓二次跌落，引發連續換相失敗。此時，隨著電壓的二次跌落，調相機再次進入強勵工作狀態，并隨連續換相失敗過程中機端電壓的波動在低勵和過勵工作狀態間切換。

因此，采用常規勵磁控制的調相機，無法在直流連續換相失敗期間持續提供最大無功支撐，甚至可能惡化直流換相失敗恢復能力。

3.2 調相機暫態強勵控制策略

為了保證調相機在直流連續換相失敗期間持續處于強勵工作狀態，為直流系統提供最大動態無功支撐，充分利用調相機的暫態強勵特性，本文在常規勵磁控制基礎上作出改進，提出一種能夠抑制直流連續換相失敗的調相機暫態強勵控制策略。該控制策略由三部分構成：暫態勵磁投入預判、暫態勵磁基準值切換、暫態勵磁退出。

3.2.1 暫態勵磁投入預判

由于該控制策略的最終目的為抑制直流連續換相失敗而閉鎖，調相機投入時間理論上應與直流發生首次換相失敗的時間同步。

已有文獻通常將調相機設計成從直流控制保護主站取得直流換相失敗預測信息并獲得指令進行緊急控制，但現有的預測方法多依賴于多種電氣量數據的采集和處理，這對測量精度和信號傳輸速度都提出了嚴格要求。考慮到控制保護主站生成預測結果并對調相機發出緊急控制指令的通信時間及調相機進入強勵工作狀態的響應時間，調相機真正發揮最大無功支撐能力的時間大大縮短。

本控制策略直接監視換流站母線電壓UL的變化，并采用文獻[19]提出的換相失敗臨界電壓Ucr取值范圍上限值Ucr2作為調相機緊急控制的投入門檻值。

交流系統發生故障，若UL＜Ucr2，則認為直流可能會發生換相失敗，此時調相機啟動暫態強勵控制策略。

3.2.2 暫態勵磁基準值切換

如圖2 所示，對現有的傳統勵磁控制邏輯進行改造。緊急控制期間，將端電壓控制外環的基準值提高一定幅度，使其與端電壓采樣值一直存在靜差，依據閉環控制原理，調相機一直處于頂值輸出。圖2 中：UERR0為調相機常規勵磁控制電壓環基準值；UERR1為調相機暫態強勵控制電壓環基準值；US為調相機機端電壓；IFD為調相機勵磁電流；EFD為勵磁機輸出直流電壓；UT為調相機定子電壓；P 為調相機有功功率；Q 為調相機無功功率；UL2R為過勵限制電壓值；LV 為低電位門（低通）；HV 為高電位門（高通）；B 為等效反時限特性判據，具體數值根據工程實際進行整定；，通過調相機的兩個工況（P1，Q1），（P2，Q2）確定。其他控制參數說明見表1、表2。

3.2.3 暫態勵磁退出

圖2 自并勵靜止勵磁控制框圖

調相機強勵時間過長會嚴重損害設備本體使用壽命，也會使近端交流系統電壓過高，因此當直流無下一次換相失敗風險時，調相機應退出暫態強勵。

文獻[19]認為，直流某次換相失敗恢復過程中，若換流站母線電壓UL、直流功率Pd、直流吸收無功Qd及熄弧角γ 滿足式（3），則認為直流不能恢復正常運行，仍有發生下一次換相失敗風險，調相機應維持強勵工作狀態。

若前次換相失敗恢復過程中UL＞Ucr2，可認為直流不再會發生下一次換相失敗。但為避免誤差帶來的風險，調相機應維持強勵至少200 ms（一個換相周期）后退出暫態強勵。

為防止調相機退出暫態強勵控制時指令切換產生暫態分量對系統電壓產生沖擊，當調相機收到退出指令時，勵磁電壓外環指令值應以一定斜率退至常規勵磁控制基準值。

4 仿真驗證

在PSD-BPA 機電暫態仿真軟件中，基于華東電網夏季高峰典型運行方式數據，將靈紹直流紹興換流站調相機控制方式分別設置為常規自并勵靜止勵磁控制方式和本文提出的暫態強勵控制方式（相關控制參數見表1、表2，表中參數均為標么值），并同時設置0 s 發生500 kV 線路“喬司—涌潮”三相永久“N-2”故障，100 ms 后故障清除，監測靈紹直流交流母線、受端換流站熄弧角及調相機勵磁電壓動態變化結果進行對比驗證，如圖3 所示。

表1 常規勵磁控制參數

表2 暫態強勵附加控制參數

圖3 故障期間直流及調相機電氣量變化

由圖3（a）可知：交流線路0 s 發生故障，換流站交流母線電壓瞬間跌落至0.4 p.u.。故障清除后，調相機若采用常規勵磁控制，換流站交流母線電壓上升至一定值，但仍低于Ucr1，發生二次跌落，直流也繼續發生連續換相失敗。若調相機采用暫態強勵控制，約1.2 s 時，換流站母線電壓UL超過Ucr2且能維持200 ms，則認為直流無下一次換相失敗風險，調相機可以退出強勵工作狀態。

由圖3（b）可知：在換相失敗期間，采用常規控制的調相機雖然在交流故障期間進入強勵狀態，但交流故障清除后便退出強勵，且勵磁電壓隨母線電壓波動在強勵和欠勵之間切換，無法為直流提供有效的無功支撐。而采用暫態強勵控制后，調相機在換相失敗期間持續頂值強勵，充分發揮了自身的暫態無功支撐性能。

由圖3（c）可知：紹興換流站調相機若采用常規控制模式，近區交流線路發生故障后，靈紹直流發生3 次換相失敗；若采用本文提出的暫態強勵控制模式，則靈紹直流換相失敗次數減少為2次。這說明本文提出的調相機暫態強勵策略對于抑制直流連續換相失敗是有效的，具有一定的工程應用前景。

5 結語

本文提出一種充分利用調相機強勵能力、暫態期間持續強勵的抑制直流連續換相失敗而閉鎖的控制策略。該策略通過對直流逆變側換流站交流母線動態電壓的監測，判斷交流系統發生故障后直流有無換相失敗的風險，并以此為判據投入調相機緊急控制，可有效降低傳統直流緊急控制系統判據造成的延遲。通過對調相機勵磁控制系統的改進，使調相機緊急控制期間持續強勵輸出，充分發揮了調相機的動態無功支撐能力。最后，基于華東電網典型運行數據進行機電暫態仿真，驗證了該方法在為直流系統提供無功支撐、減少直流換相失敗次數、防止直流閉鎖等方面具有明顯效果。

綜上所述，本文提出的調相機緊急控制策略對于抑制直流連續換相失敗而閉鎖是有效的，實施簡單，具有一定的工程推廣性。