逆變側(cè)控制策略對換相失敗的影響及恢復(fù)特性優(yōu)化研究

李亞男，盧亞軍，劉心旸，鄒欣

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

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逆變側(cè)控制策略對換相失敗的影響及恢復(fù)特性優(yōu)化研究

李亞男，盧亞軍，劉心旸，鄒欣

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209)

針對直流系統(tǒng)逆變側(cè)不同控制策略下的換相失敗恢復(fù)特性開展研究，首先從原理上分析了定關(guān)斷角控制與定電壓控制方式下?lián)Q相失敗控制器的工作原理；然后基于實(shí)時數(shù)字仿真平臺以及實(shí)際工程的錄波數(shù)據(jù)，全面研究比較了這2種控制策略對換相失敗恢復(fù)特性的影響，結(jié)果表明換相失敗與直流運(yùn)行功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的關(guān)斷角以及故障發(fā)生時刻均有關(guān)系，而與采用何種控制方式相關(guān)性不強(qiáng)；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(shù)進(jìn)行優(yōu)化的措施，以改善換相失敗恢復(fù)特性并對其效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

直流系統(tǒng)；換相失敗；恢復(fù)特性；實(shí)時數(shù)字仿真；定關(guān)斷角控制；定電壓控制

0 引 言

換相失敗是基于傳統(tǒng)換相原理的高壓直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)常見故障之一[1]，會導(dǎo)致直流電流上升、換流閥過電流，從而損害閥的壽命；連續(xù)的換相失敗可能引起直流系統(tǒng)降功率運(yùn)行，嚴(yán)重的將造成閥組閉鎖或極閉鎖，從而誘發(fā)更大的電力系統(tǒng)事故[2-3]。由于換相失敗故障僅發(fā)生于直流系統(tǒng)的逆變側(cè)，而目前眾多特高壓直流受端落點(diǎn)集中于華北、華東等負(fù)荷中心，加大了單一交流系統(tǒng)故障引發(fā)多回直流同時或相繼發(fā)生換相失敗的可能性；多回直流連續(xù)換相失敗導(dǎo)致直流功率傳輸?shù)闹袛?，在受端系統(tǒng)強(qiáng)度較弱或故障較嚴(yán)重時，最終可能威脅到整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

傳統(tǒng)電網(wǎng)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(shí)際是否發(fā)生與直流系統(tǒng)運(yùn)行功率、關(guān)斷角、換相電抗大小、交流系統(tǒng)強(qiáng)度、擾動發(fā)生時刻和擾動程度均密切相關(guān)。文獻(xiàn)[5-9]針對換相失敗的影響因素、預(yù)測算法及控制策略進(jìn)行了理論分析與仿真計(jì)算，取得了一定成果。目前，我國已投運(yùn)的直流工程控制系統(tǒng)有2種主要的技術(shù)路線，其中逆變站通常采取定關(guān)斷角控制或定電壓控制策略。目前暫未有文獻(xiàn)針對2種控制策略對于換相失敗的響應(yīng)與恢復(fù)特性差異進(jìn)行分析比較。本文在此基礎(chǔ)上，依托實(shí)時數(shù)字仿真平臺以及實(shí)際的直流工程換相失敗錄波數(shù)據(jù)，全面研究分析定關(guān)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(tài)特性的差異。通常直流系統(tǒng)能夠從單次換相失敗中恢復(fù)，但不希望在恢復(fù)過程中再次引起新的換相失敗，且恢復(fù)過程應(yīng)平穩(wěn)快速。本文通過分析實(shí)際的換相失敗過程，提出一種控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)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(tǒng)的換相失敗恢復(fù)特性，縮短直流恢復(fù)過程。

1 直流工程逆變側(cè)控制策略

直流工程控制系統(tǒng)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(guān)斷角控制器。正常情況下整流側(cè)為定電流控制方式，而逆變側(cè)的常用控制策略主要有2種：預(yù)測型關(guān)斷角控制和定電壓控制。

1.1 預(yù)測型關(guān)斷角控制策略

預(yù)測型關(guān)斷角控制策略的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。該類控制方式下，3個控制器分別有自己獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器。關(guān)斷角控制器的輸出作為電壓調(diào)節(jié)器的最大值限幅，電壓調(diào)節(jié)器的輸出在逆變運(yùn)行時作為電流調(diào)節(jié)器的最大限幅值，在整流運(yùn)行時作為最小限幅值。

在預(yù)測型關(guān)斷角控制模式下，一般采用換相失敗預(yù)測控制功能、最小換相裕度控制功能，在檢測到換相失敗風(fēng)險或換相裕度不足時，提前實(shí)現(xiàn)觸發(fā)以避免

圖1 預(yù)測型關(guān)斷角控制結(jié)構(gòu)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(fā)生后直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性，尤其是對于接入弱交流系統(tǒng)的直流工程穩(wěn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。該控制方式下，直流控制系統(tǒng)采用選擇輸入的邏輯來實(shí)現(xiàn)3個控制器的協(xié)調(diào)配合，3個控制器合用1個比例積分調(diào)節(jié)器：逆變運(yùn)行時，選擇電流偏差(ΔI)，電壓偏差(ΔU)和關(guān)斷角偏差(Δγ)中的較大值作為調(diào)節(jié)器的輸入，整流運(yùn)行時，選取ΔI和ΔU中的較小值作為調(diào)節(jié)器的輸入。

這種控制原理的關(guān)斷角控制是實(shí)測型關(guān)斷角控制，所以沒有配置專門的換相失敗預(yù)測功能。通過換流閥閥控裝置返回的電流過零點(diǎn)信號，測得換流閥的實(shí)際關(guān)斷角；當(dāng)關(guān)斷角小于參考值時，逆變側(cè)選擇關(guān)斷角控制器的輸出，并減小觸發(fā)角，以防止進(jìn)一步的換相失敗。

圖2 定電壓控制結(jié)構(gòu)圖

2 換相失敗控制器調(diào)節(jié)行為分析

2.1 定關(guān)斷角控制

2.1.1 換相失敗預(yù)測

當(dāng)直流工程逆變側(cè)交流故障時，交流電壓降低。為阻止換相失敗發(fā)生，控制系統(tǒng)配有換相失敗預(yù)測功能：根據(jù)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(dāng)預(yù)測到將要發(fā)生換相失敗時，增大逆變側(cè)γ角，以降低發(fā)生換相失敗的幾率。

2.1.2VDCOL

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

2.1.3 電流裕度補(bǔ)償

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

逆變站交流電壓恢復(fù)正常后，直流系統(tǒng)換相失敗過程結(jié)束并開始恢復(fù)，若此時直流電流建立緩慢，整流站觸發(fā)角α降至最小值5°，逆變站可能進(jìn)入電流控制，由于電流裕度補(bǔ)償?shù)淖饔?，電流指令增大將有利于直流電流的恢?fù)。

2.2 定電壓控制

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

逆變側(cè)發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，交流電壓降低，實(shí)際關(guān)斷角減小，關(guān)斷角偏差(Δγ)將增大，逆變側(cè)轉(zhuǎn)為關(guān)斷角控制，關(guān)斷角控制器將會發(fā)揮作用，以防止關(guān)斷角小于最小關(guān)斷角。如果逆變側(cè)發(fā)生換相失敗，關(guān)斷角控制器將會快速起作用，減小觸發(fā)角，防止再次發(fā)生換相失敗。

3 不同控制策略換相失敗試驗(yàn)研究

3.1 實(shí)時數(shù)字仿真分析

為對比分析定電壓控制與定關(guān)斷角控制策略下直流系統(tǒng)換相失敗動態(tài)特性，利用三常直流仿真系統(tǒng)開展了逆變站交流系統(tǒng)接地故障試驗(yàn)，并進(jìn)行控制系統(tǒng)暫態(tài)調(diào)節(jié)行為的對比研究。其中，定關(guān)斷角控制采用實(shí)際的三常直流控制系統(tǒng)，定電壓控制方式則通過對定電壓和定關(guān)斷角控制器的參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)行逆變側(cè)定γ控制與定電壓控制模式下?lián)Q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(cè)不同程度的交流電壓跌落，進(jìn)行如下3種情況的對比分析：

(1) 發(fā)生換相失敗(換相失敗預(yù)測動作)。

(2)未發(fā)生換相失敗(換相失敗預(yù)測動作)。

(3)未發(fā)生換相失敗(換相失敗預(yù)測未動作)。

以發(fā)生換相失敗時的工況為例，對應(yīng)的試驗(yàn)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(cè)電流、YD換流變閥側(cè)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(jì)算值。

圖3 發(fā)生換相失敗時試驗(yàn)錄波波形

Fig.3 Experiment waveform record during commutation failure

根據(jù)錄波波形，結(jié)合試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析可以得到以下結(jié)論：

(1)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，由于關(guān)斷角γ大幅降低，采用定電壓控制時逆變側(cè)迅速轉(zhuǎn)為關(guān)斷角控制，控制器將增大γ角，以阻止發(fā)生連續(xù)換相失?。徊捎枚P(guān)斷角控制時，換相失敗預(yù)測功能將會增大γ角。因此，這2種控制策略暫態(tài)調(diào)節(jié)方向一致。

(2)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生輕微擾動時，采用定關(guān)斷角控制，在換相失敗預(yù)測還未動作的情況下，逆變側(cè)觸發(fā)角將會輕微增加，關(guān)斷角γ減??；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(fā)角將增大，關(guān)斷角γ將減小。因此兩種控制策略暫態(tài)調(diào)節(jié)特性相同。

(3)是否發(fā)生換相失敗與直流系統(tǒng)的運(yùn)行功率、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的γ角以及故障發(fā)生時刻均有關(guān)系，而與采用何種控制方式關(guān)系不大。試驗(yàn)表明，兩種控制策略在設(shè)計(jì)的3種試驗(yàn)中發(fā)生換相失敗的電壓臨界值基本相當(dāng)。

3.2 實(shí)際工程對比

依托國內(nèi)某2條在運(yùn)直流工程[10-11]開展換相失敗研究對比試驗(yàn)，比較定關(guān)斷角控制與定電壓控制方式下的系統(tǒng)響應(yīng)特性。定關(guān)斷角控制方式下試驗(yàn)錄波波形如圖4所示；定電壓控制方式下試驗(yàn)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(cè)電流、YD換流變閥側(cè)電流、直流電壓、直流電流、換相失敗信號、觸發(fā)角指令、熄弧角計(jì)算值。

圖4 定關(guān)斷角控制方式試驗(yàn)錄波波形

Fig.4 Waveform record of constant extinguish angle control logic

根據(jù)錄波波形圖可以看出：對于圖4中逆變側(cè)采用定關(guān)斷角控制的直流工程，當(dāng)逆變側(cè)交流故障時，換相失敗預(yù)測動作，增大γ角，以防止連續(xù)發(fā)生換相失敗并進(jìn)行換相失敗恢復(fù)；圖5中逆變側(cè)采用定電壓控制的直流工程，當(dāng)逆變側(cè)交流故障時，由于逆變側(cè)γ角迅速降低，Δγ>ΔU，逆變側(cè)立即轉(zhuǎn)為γ控制，控制系統(tǒng)增大γ角，以防止連續(xù)發(fā)生換相失敗并進(jìn)行換相失敗恢復(fù)。

由于2種控制策略下整流側(cè)均為定電流控制，換相失敗時整流側(cè)觸發(fā)角增大以降低直流電流，當(dāng)逆變側(cè)交流故障清除后，直流電壓迅速上升，但此時整流側(cè)觸發(fā)角較大且下調(diào)較慢，直流系統(tǒng)未能快速建立直流電流，直流電流在一段時間內(nèi)接近于0，直至逆變側(cè)進(jìn)入電流控制，直流系統(tǒng)電流逐漸恢復(fù)。可見，2種控制策略下?lián)Q相失敗的恢復(fù)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(cè)電流、有功功率、定電流控制信號、定電壓控制信號、定關(guān)斷角控制信號、換相失敗信號、熄弧角測量值、觸發(fā)角指令。

圖5 定電壓控制方式試驗(yàn)錄波波形

Fig.5 Waveform record of constant voltage control logic

4 換相失敗恢復(fù)特性優(yōu)化

VDCOL是直流電壓降低時維持系統(tǒng)穩(wěn)定的重要控制環(huán)節(jié)，其參數(shù)對于提高直流系統(tǒng)穩(wěn)定性，加快故障恢復(fù)過程具有重要意義，控制系統(tǒng)VDCOL的參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體的直流系統(tǒng)響應(yīng)要求、交流系統(tǒng)條件等進(jìn)行優(yōu)化。從試驗(yàn)波形和換相失敗故障錄波中可以看出，換相失敗恢復(fù)過程中逆變側(cè)交流電壓已經(jīng)恢復(fù)、直流電流未能建立的過程制約了系統(tǒng)從故障中恢復(fù)的速度。其中，最小電流指令I(lǐng)O-lim適當(dāng)提高將使換相失敗期間整流站觸發(fā)角調(diào)節(jié)上限有所降低，因此，本文提出優(yōu)化VDCOL模塊相關(guān)參數(shù)，將IO-lim從0.35pu增加到0.5pu的措施，并利用實(shí)時數(shù)字仿真平臺仿真驗(yàn)證該措施的效果。通過優(yōu)化IO-lim，換相失敗恢復(fù)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(cè)電流、YD換流變閥側(cè)電流、觸發(fā)角指令、VDCOL最小電流限制指令。

圖6 VDCOL參數(shù)優(yōu)化后換相失敗恢復(fù)特性

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

試驗(yàn)表明，調(diào)節(jié)VDCOL參數(shù)(提高VDCOL中IO-lim指令值)可減少換相失敗恢復(fù)過程中電流為0 的時間，顯著加快直流系統(tǒng)的恢復(fù)速度。

5 結(jié) 論

(1) 逆變側(cè)采用定關(guān)斷角控制與采用定電壓控制在逆變側(cè)交流故障時控制器調(diào)節(jié)特性基本一致：在交流系統(tǒng)嚴(yán)重故障時，控制系統(tǒng)均會增大γ角；交流系統(tǒng)輕微擾動時，均會降低γ角。試驗(yàn)結(jié)果表明，在逆變側(cè)發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，2種控制策略下直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率相當(dāng)。

(2) 直流系統(tǒng)是否發(fā)生換相失敗，取決于逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障的嚴(yán)重程度，以及直流系統(tǒng)的運(yùn)行工況，如運(yùn)行電流大小、關(guān)斷角運(yùn)行角度等，與直流系統(tǒng)的控制策略無直接關(guān)系。

(3) 適當(dāng)提高VDCOL中最小電流指令限制IO-lim，有助于加快直流系統(tǒng)換相失敗后的恢復(fù)速度，但I(xiàn)O-lim的提高須考慮到換流閥等設(shè)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(wǎng)公司科技項(xiàng)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(tǒng)研究工作；

盧亞軍(1982)，男，碩士，主要從事直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；

劉心旸(1987)，男，碩士，主要從事直流輸電系統(tǒng)研究工作；

鄒欣(1981)，女，博士，主要從事直流輸電系統(tǒng)研究工作。