諧波附加控制抑制直流輸電連續換相失敗研究

陳佳浩，王琦，朱鑫要，李寧

(1.南京師范大學南瑞電氣與自動化學院，江蘇 南京 210023；2.國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

0 引言

發展至今，高壓直流輸電(high voltage direct current transmission，HVDC)已成為世界上電力大國解決大容量、遠距離輸電和電網異步互聯等問題的重要手段之一。在我國的“西電東送，南北互供，全國聯網”戰略中，為解決能源資源和電力負荷分布極度不平衡的問題，HVDC發揮了十分重要的作用[1—3]。

換相失敗作為HVDC最為常見的故障之一，其存在對電網的安全穩定運行造成了一定威脅。當系統發生換相失敗后，會引起直流電壓下降和直流電流迅速上升，且對換流閥產生沖擊，并可能引發后續換相失敗，嚴重時造成直流閉鎖和設備損壞等后果[4—5]。一定嚴重程度的交流系統故障后，直流輸電的首次換相失敗一般無法避免，但可通過合適的控制措施避免直流輸電發生后續的換相失敗，保障系統的安全穩定運行[6—7]。

國內外關于抑制連續換相失敗的研究已經取得了一些成果。文獻[8]在低壓限流器中增添虛擬電阻控制方法，使系統在故障期間直流電流指令提前減小，從而降低了發生連續換相失敗的可能性；文獻[9]提出一種漸變恢復策略控制方法，通過延緩單條直流功率恢復速率，降低系統故障時對交流系統的無功需求，并利用延時環節消除暫態不良交互影響，達到抑制連續換相失敗的目的；文獻[10]以換相電壓-時間面積的需求量與提供能力之差作為故障衡量標準，繼而提出虛擬換相面積缺乏指標，并將該指標增添到系統原有的直流電流控制環節；文獻[11]在柔性直流無功功率控制環節附加上諧波電壓補償分量，以此來提高交流系統的無功功率支撐能力，達到改善同一受端母線常規直流輸電連續換相失敗的效果。但上述研究均未對常規直流換相失敗恢復過程中不同諧波的影響進行深入研究。

文中基于換流母線諧波電壓檢測，提出一種諧波附加控制抑制直流輸電連續換相失敗方法，利用換相電壓-時間面積的諧波分析法推導得出附加控制回路的各次諧波控制參數，并采用電磁暫態仿真的手段驗證其有效性。所提出的附加控制無須增加新的一次設備投資，且不會影響系統的穩態運行。

1 諧波電壓對換相過程影響

1.1 換相電壓-時間面積法

為簡化分析過程，同時又不影響分析的正確性，以HVDC逆變器中換相過程為例，當電流在a、b兩相間由閥4向閥6進行換相時，等效電路如圖1所示。其中，ua，ub，uc為交流系統三相等效電壓；Id為直流電流；Ld為直流平波電抗器；Lr為每相的換向等值電抗。

當a、b兩相處于換相過程時，電壓和電流關系滿足式(1)。

(1)

式中：i4為a相電流；i6為b相電流。由于直流線路中存在平波電抗器，因此Id可看作定值。而在換相過程中，i4不斷減小，i6不斷增大，直至i4=0，i6=Id，則a、b兩相間線電壓uab為：

(2)

對式(2)兩邊時間t進行積分，即：

(3)

其中：

t0=α/ω

(4)

t1=(μ+α)/ω

(5)

式中：ACR為換相電壓-時間面積；t0為換相開始時間；t1為換相結束時間；為逆變側的延遲觸發角；μ為換相重疊角，且與熄弧角γ滿足式(6)。

α+μ+γ=180°

(6)

假設系統處于正常穩態運行，此時交流線電壓uab為：

uab=E1sinωt

(7)

式中：E1為交流系統線電壓幅值。

將式(7)代入式(3)可得：

(8)

研究表明，換相失敗的本質是當逆變側熄弧角γ小于臨界熄弧角γmin后，晶閘管承受反向電壓的時間過短不足以使其恢復阻斷能力。臨界熄弧角γmin由晶閘管的物理特性決定，其含義為換流閥完成載流子復合及恢復阻斷能力的時間所對應的角度[12—13]。文中擬采用熄弧角判斷法來判斷是否發生換相失敗，即當逆變側熄弧角γ小于臨界熄弧角γmin時，認為該系統發生換相失敗。不考慮換相失敗持續時間的長短，換相失敗次數即為逆變側熄弧角γ小于臨界熄弧角γmin的次數。

因此若想換相成功，換相結束時刻t1需要滿足的條件為：

ωt1=α+μ≤180-γmin

(9)

由式(3)可知，換相期間，一定工況下直流電流Id對應的換相電壓-時間面積ACR不變；而當電網發生故障后，系統電壓會發生幅值和相位上的變化，其對換相電壓-時間面積的影響如圖2所示。

圖2 諧波對換相電壓-時間面積的影響Fig.2 Influence of harmonics on commutation voltage-time area

圖2中，μ，γ，ACR和μ′，γ′，A′CR分別為諧波畸變前后的換相重疊角、熄弧角和換相電壓-時間面積，且滿足故障前換相電壓-時間面積ACR等于故障后的換相電壓-時間面積A′CR；Φ為相位移角。可見，擾動造成換相電壓的幅值和相位變化可能會導致換相時間延長，進而縮短晶閘管實際的熄弧角γ′，一旦γ′小于晶閘管恢復阻斷能力所需的最小熄弧角γmin，則晶閘管將在正向電壓的作用下自動恢復導通，直流輸電發生換相失敗。

1.2 諧波對換相過程影響

當系統檢測到諧波后，系統交流線電壓為：

(10)

式中：En為n次諧波電壓幅值；φn為n次諧波相角。

將式(10)代入式(8)，可得：

(11)

同時，由換相電壓-時間面積法可知，若想成功換相，則必須滿足式(9)，即換相過程的熄弧角必須大于臨界熄弧角：

(12)

為量化評估不同次數諧波對換相過程的影響，設n次諧波的換相電壓-時間面積為ACRn，即：

(13)

式中：kn為n次諧波影響系數。kn越大，表明該次諧波對換相電壓-時間面積的影響越大。

2 直流附加控制抑制連續換相失敗方法

2.1 低壓限流控制

CIGRE HVDC標準測試系統控制器見圖3。整流側由定電流控制和αmin限制兩部分組成，逆變側配有定電流控制、定關斷角γ0控制及電流偏差控制(無定電壓控制)，整流側和逆變側都配有低壓限流(voltage dependent current order limiter，VDCOL)控制。其中VDCOL控制對于改善直流輸電換相失敗的恢復過程具有重要意義。

圖3 CIGRE HVDC標準測試系統控制器框圖Fig.3 Controller block diagram of CIGRE HVDC standard test system

VDCOL控制為直流輸電系統中常用的控制策略，其特性曲線如圖4所示。VDCOL作用是在系統電壓降低到某一固定值后減少直流電流指令，能夠在一定程度上減少逆變站在故障期間的無功需求，同時維持換流母線電壓的穩定，減小換相失敗發生的可能性[14—17]。

圖4 低壓限流控制特性曲線Fig.4 Characteristic curve of voltage dependent current order limiter

2.2 諧波附加控制回路

電網故障及直流輸電換相失敗恢復過程中，電網內將不可避免地產生諧波電壓，并進一步造成換相電壓-時間面積減少。當換相電壓-時間面積小于臨界值時，系統即存在發生后續換相失敗的風險。傳統的低壓限流控制在系統電壓降低的情況下僅限制直流電流，而并未考慮諧波對直流換相的影響。因此，文中設計了一種諧波附加控制抑制直流輸電連續換相失敗的方法，通過改進VDCOL控制環節對系統諧波的響應特性，來實現對直流輸電連續換相失敗的抑制，附加控制器結構及附加信號施加位置如圖5所示。

圖5 諧波附加控制回路框圖Fig.5 Block diagram of the additional harmonic control loop

圖5中，在原有的低壓限流控制系統中引入諧波補償控制分量，定義包含諧波信息的直流電壓等值控制量U′dc，該控制量可由式(14)獲取：

(14)

式中：Usup為各次諧波分量影響的總和。

n次諧波控制參數kpn=|kn/k1|，即：

(15)

由式(15)可得，當諧波次數n、逆變側延遲觸發角、臨界熄弧角γmin等因素已知時，kpn為常數。

同時由式(14)可知，當系統處于正常工況時，系統中諧波分量較小，Usup值接近于0，附加控制不影響系統正常運行；當系統發生故障導致各次諧波分量急劇增加后，諧波可能會引起換流器的換相電壓-時間面積急劇減小，從而造成換相過程的進一步惡化，附加控制回路可以通過減少諧波分量的影響來使換流母線電壓快速恢復，避免后續換相失敗的發生。

3 控制方法有效性驗證

3.1 算例系統

采用CIGRE HVDC標準測試系統，驗證文中所提直流系統附加控制方法的有效性，系統結構如圖6所示。

圖6 CIGRE HVDC標準測試系統結構Fig.6 Structure of CIGRE HVDC standard test system

CIGRE HVDC標準測試系統換流器采用12脈動換流器結構，系統中主要存在12n±1次諧波，且諧波幅值隨次數增加而減小[18]，該系統整流側和逆變側母線上均具有2組高通濾波器，其主要針對11次以上諧波的濾波[19]。

當CIGRE HVDC標準測試系統處于穩態運行時，逆變側觸發角α為141°。此時，晶閘管完成載流子復合及恢復阻斷能力的時間約為400 μs，相當于7°的電角度，即γmin=7°。設各次諧波相位φn=0，將γmin=7°，α=141°代入式(15)，可得附加控制回路的各次諧波控制參數，2～6次諧波控制參數kpn分別為1.76，2.14，2.08，1.65，1.02。

3.2 仿真分析

為驗證文中所提控制方法的有效性，在逆變側換流母線處施加感性接地故障進行仿真驗證。當接地電感值Lf越小，表明交流系統故障點距離換流母線越近，故障越嚴重[20—24]。故障水平fFL的計算方法為：

(16)

式中：U為換流母線額定線電壓；ω為交流系統額定角頻率；Pdc為直流系統額定功率。

在不同故障水平下，對以下2種控制方法進行仿真驗證。

(1) 控制方法Ⅰ：采用CIGRE HVDC標準測試系統內部所有的控制方法。

(2) 控制方法Ⅱ：在控制方法Ⅰ的基礎上，加入文中提出的諧波附加控制。

算例1：設t=1.5 s時，系統發生A相接地故障，故障水平為10%，故障持續時間為0.5 s。在此故障條件下，采用控制方法Ⅰ與Ⅱ時，系統直流電流曲線、熄弧角曲線和交流電壓曲線結果如圖7所示。

圖7 單相故障下10%故障水平時系統響應曲線Fig.7 System response curve under single phase fault when fFL=10%

由圖7可知，在故障較輕，即實際系統中故障點與換流母線電氣距離較大的情況下，未加入諧波附加控制時，系統各物理量有較小波動，但并沒有發生換相失敗；加入諧波附加控制后，各物理量的波動與原有控制系統相比基本沒有變化，也不會發生換相失敗。

經大量仿真分析可知，當系統發生較輕故障時，若僅有系統原有的控制，系統未發生換相失敗，則加入諧波附加控制后，系統亦不會發生換相失敗。

算例2：設t=1.5 s時，系統發生A相接地故障，故障水平為20%，故障持續時間為0.5 s。在此故障條件下，采用控制方法Ⅰ與Ⅱ時。系統直流電流曲線、熄弧角曲線和交流電壓曲線結果如圖8所示。

圖8 單相故障下20%故障水平時系統響應曲線Fig.8 System response curve under single phase fault when fFL=20%

由圖8可知，當接地電感Lf較小，即實際系統中故障點距離換流母線較近時，容易發生換相失敗。若僅有原有控制系統，當發生故障后，直流電流值迅速上升，最大可至基準值的2.5倍，熄弧角迅速降為0°，發生首次換相失敗，且在后續的恢復過程中，再一次發生了換相失敗；在加入諧波附加控制后，由于故障點距離逆變側交流系統較近，故障時間較短，直流輸電控制系統效果有限，即故障后首次換相失敗難以避免，但在加入諧波附加控制后，系統并未發生后續換相失敗，連續換相失敗得到有效抑制。

算例3：設t=1.5 s時，系統發生三相接地故障，故障水平為20%，故障持續時間為0.5 s。在此故障條件下，采用控制方法Ⅰ與Ⅱ時，系統直流電流曲線、熄弧角曲線和交流電壓曲線結果如圖9所示。

圖9 三相故障下20%故障水平時系統響應曲線Fig.9 System response curve under three phase fault when fFL=20%

在系統發生三相故障后，由圖9可知，諧波附加控制在此故障情況下同樣可起到抑制直流系統發生連續換相失敗的作用，與算例2仿真結果相類似。

為進一步驗證諧波附加控制在不同嚴重程度的故障水平下對直流輸電產生連續換相失敗的抑制作用，設故障水平以2%為步長進行連續變化，對故障水平fFL在10%～60%之間的逆變側交流系統故障進行仿真驗證，通過比較在同一嚴重程度故障下2種不同控制方法的直流輸電連續換相失敗次數，來確定諧波附加控制對于抑制直流輸電連續換相失敗的作用。

在仿真實驗中，均設當t=1.5 s時，系統發生接地故障，且故障持續時間為0.5 s。當系統在不同故障水平下，直流輸電系統發生換相失敗的次數如圖10所示。

圖10 2種控制方法下系統發生換相失敗次數Fig.10 The number of commutation failures occurred in the system under two control methods

對圖10中系統在2種控制方法下的換相失敗次數進行分析可知：當故障水平較低時，若采用原有的控制策略，直流系統不發生換相失敗故障，則采用諧波附加控制也不會造成直流系統換相失敗；當故障水平較高時，即原有系統發生2次直至4次連續換相失敗時，在加入諧波附加控制后，可將系統換相失敗次數降為1，有效抑制了連續換相失敗故障。

4 結論

文中針對系統諧波造成直流連續換相失敗的問題，提出一種基于諧波檢測附加控制抑制連續換相失敗的方法，并通過理論分析和大量仿真驗證分析，得出如下結論：

(1) 所提附加控制不影響系統的穩態運行，系統故障或換相失敗后通過附加控制減少諧波分量對換相過程的影響，進而達到抑制連續換相失敗的效果，并通過電磁暫態仿真驗證了該方法的有效性；

(2) 文中給出了所提附加控制策略的控制參數整定計算方法，可為該方法具體工程應用提供指導；

(3) 文中所提附加控制邏輯僅需對直流輸電VDCOL控制進行適當的改造，易于實現且成本較低，可為直流輸電連續換相失敗抑制提供新的思路和參考。

本文得到江蘇省研究生科研創新計劃資助項目(KYCX18_1227)資助，謹此致謝！