基于單相鎖相環(huán)的高壓直流分相觸發(fā)相位控制

王子民, 汪娟娟, 傅 闖, 李子林, 黃夢華

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510640; 2. 中國南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 廣東省廣州市 510080)

0 引言

換流器觸發(fā)相位控制是高壓直流(HVDC)系統(tǒng)用于改變換流閥開通時刻,實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行調(diào)節(jié)的控制環(huán)節(jié),是控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[1-2]。早期直流工程采用基于過零點檢測的分相觸發(fā)技術(shù),也稱為按相觸發(fā)或等觸發(fā)角觸發(fā),這是第一代觸發(fā)相位控制技術(shù)。該觸發(fā)控制中每個換流閥各自有其單獨的觸發(fā)相位控制電路,通過與換相電壓波形直接進行比較確定各閥的觸發(fā)時間[3]。系統(tǒng)發(fā)生故障時換相電壓將會產(chǎn)生畸變,甚至出現(xiàn)多次過零點,導(dǎo)致過零點檢測受到較大干擾,尤其是在交流系統(tǒng)強度較弱時,可能引發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象[2-3]。為解決上述問題,文獻[4]提出了基于鎖相振蕩器的等間隔觸發(fā)技術(shù)[4],這是第二代觸發(fā)相位控制技術(shù)。該觸發(fā)控制中換流器只裝有一套觸發(fā)相位控制電路,根據(jù)三相鎖相環(huán)的輸出相位發(fā)出等間隔的觸發(fā)脈沖信號序列,目前世界上在運行的HVDC輸電工程均采用了這種觸發(fā)方式。等間隔觸發(fā)下各個換流閥的觸發(fā)角不能單獨控制,換流器控制自由度降低,不對稱故障下各閥的實際觸發(fā)角存在差別,其中實際觸發(fā)角較大的換流閥發(fā)生換相失敗的概率增大,同時系統(tǒng)無法對交直流側(cè)諧波進行主動控制。中國已投運和在建的直流輸電線路超過30條,居世界首位,直流輸電已成為中國大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素[5-8],直流系統(tǒng)對交流故障支撐能力的提升以觸發(fā)相位控制技術(shù)為基礎(chǔ),因此有必要研究新一代觸發(fā)相位控制技術(shù)。

文獻[9-10]介紹了分相觸發(fā)和等間隔觸發(fā)的原理以及與之配合的極控制級控制策略,并給出了當(dāng)直流系統(tǒng)聯(lián)于弱交流系統(tǒng)時,兩種觸發(fā)方式的適用范圍,但當(dāng)時的研究受限于分析理論和仿真工具的不足,缺乏對觸發(fā)相位控制影響的解析定量分析。文獻[11]研究了分相控制在配電網(wǎng)靜止同步補償器中的應(yīng)用,文章采用靜止坐標(biāo)系下的分相控制策略,實現(xiàn)補償模式的靈活性選擇。文獻[12]通過加入采樣頻率動態(tài)調(diào)整等環(huán)節(jié)提高鎖相環(huán)頻率跟蹤性能,在實現(xiàn)觸發(fā)脈沖精確控制方面取得了一定效果?？傮w而言自20世紀(jì)90年代以來,關(guān)于HVDC觸發(fā)相位控制的研究較少。

為了進一步提升HVDC控制系統(tǒng)的整體性能,針對現(xiàn)有觸發(fā)方式的不足,提出一種新的基于單相鎖相環(huán)(SPLL)的HVDC分相觸發(fā)方案,并在PSCAD/EMTDC中利用國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)HVDC輸電標(biāo)準(zhǔn)測試模型對其性能進行仿真測試。

1 觸發(fā)方式對換流器導(dǎo)通特性影響分析

1.1 不對稱故障下?lián)Q相電壓的相位偏移

這里以交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障為例,分析不對稱故障對換相電壓相位的影響。設(shè)故障發(fā)生在A相,故障接地阻抗為Zf,此時故障邊界條件為:

(1)

由三相相量與對稱分量的變換關(guān)系解得[13]:

(2)

假設(shè)Eeq=1(標(biāo)幺值),換流變壓器變比k=1。由于換流變壓器的接線方式使得其二次側(cè)通常不含零序分量,因此忽略零序分量,由式(2)得換流變閥側(cè)三相電壓為:

(3)

考慮網(wǎng)絡(luò)正負序阻抗相等,得到換相電壓的表達式為:

(4)

對于高壓交流電網(wǎng),阻抗中的感抗分量通常比電阻大一個數(shù)量級,因此假設(shè)網(wǎng)絡(luò)序阻抗和接地短路阻抗均為純感性,則換相電壓相位為:

(5)

由式(5)可知,當(dāng)交流系統(tǒng)A相發(fā)生接地故障時,換相電壓Vfac相位較正常時滯后,Vfba相位超前,Vfcb相位保持不變。不對稱故障導(dǎo)致的換相電壓相位偏移會對不同觸發(fā)相位控制方式下觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生過程及其實際觸發(fā)效果產(chǎn)生不同影響。

1.2 換流器觸發(fā)導(dǎo)通過程

由上一小節(jié)的分析可知,當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時,換相電壓相位會發(fā)生偏移。等間隔觸發(fā)下,假定鎖相環(huán)可以保持對正序電壓相位的鎖定,此時觸發(fā)脈沖P的相位如圖1(a)所示。

圖1 不對稱故障下的觸發(fā)脈沖Fig.1 Firing pulses under asymmetrical fault

其中θ為三相電壓同步參考相位,虛線和實線分別表示對稱工況和不對稱工況下各換相電壓的相位φ,α為觸發(fā)角指令值。根據(jù)換相電壓的相位偏移量,對觸發(fā)角指令值進行修正后得到各閥的有效觸發(fā)角αe為[14]:

(6)

式中：Δφ為換相電壓相位較正常時滯后的角度。由式(6)可知,此時各換流閥的有效觸發(fā)角不相等,并且當(dāng)換相電壓相位滯后角度超過觸發(fā)角指令值時,由于觸發(fā)脈沖到來時換流閥兩端的正向電壓尚未建立,換流閥必須等到正向電壓建立時刻才能導(dǎo)通,此時閥開通時刻不等于觸發(fā)脈沖到來時刻,各閥開通時刻也不等間隔。

交流系統(tǒng)三相對稱時,分相觸發(fā)與等間隔觸發(fā)提供的觸發(fā)脈沖相位相同,兩種觸發(fā)完全等效;而在三相不對稱時,分相觸發(fā)下的觸發(fā)脈沖如圖1(b)所示,此時盡管換相電壓相位發(fā)生了偏移,但由于各換流閥的觸發(fā)相位控制電路是以其對應(yīng)的換相電壓作為參考來確定觸發(fā)時間的,因此各閥的有效觸發(fā)角依然保持相等,且等于控制系統(tǒng)給定的觸發(fā)角指令。

2 基于SPLL的分相觸發(fā)方案

第一代觸發(fā)相位控制技術(shù)是由過零點檢測為分相觸發(fā)提供觸發(fā)參考相位。過零點檢測具有原理簡明、易于實現(xiàn)等優(yōu)點,但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,交流電壓出現(xiàn)畸變,甚至導(dǎo)致電壓在過零點附近振蕩,過零點容易受到干擾而發(fā)生不正常偏移,影響過零點的準(zhǔn)確檢測和觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生。此外交流電壓每個周期通常只有兩個過零點,這限制了相位檢測的響應(yīng)速度。

與過零點檢測相比,鎖相環(huán)具有一定的抗干擾能力,能夠在系統(tǒng)故障時提供相對穩(wěn)定的參考相位[15]。因此在鎖相環(huán)技術(shù)出現(xiàn)以后,HVDC系統(tǒng)在第二代觸發(fā)相位控制技術(shù)中逐漸采用三相鎖相環(huán)為等間隔觸發(fā)提供參考相位。這種觸發(fā)方式降低了換流器的控制自由度,在不對稱工況下各閥的觸發(fā)角出現(xiàn)差別,這會給系統(tǒng)帶來不利影響[1]。

結(jié)合分相觸發(fā)控制自由度高以及鎖相環(huán)輸出相位穩(wěn)定的優(yōu)點,本文提出新一代觸發(fā)相位控制技術(shù),將SPLL技術(shù)應(yīng)用到HVDC系統(tǒng)分相觸發(fā)中。

圖2 基于兩相正交變量的SPLL結(jié)構(gòu)Fig.2 SPLL structure based on orthogonal variable

眾多基于兩相正交變量的SPLL最主要的區(qū)別在于正交信號發(fā)生器原理的不同,基于延遲法、微分法、反Park變換的SPLL各自存在著不能實現(xiàn)頻率自適應(yīng)、動態(tài)響應(yīng)特性差、抗諧波干擾能力弱等缺點[18]。本文采用的是基于二階廣義積分器的正交信號發(fā)生器(second order generalized integrator-quadrature signal generator,SOGI-QSG)SPLL方案,SOGI-QSG原理如圖3所示[19]。圖中，SOGI表示二階廣義積分器。

圖3 SOGI-QSG原理圖Fig.3 Principle diagram of SOGI-QSG

由圖3可得SOGI-QSG的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

(7)

由上式得到其幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)函數(shù)為:

(8)

(9)

如圖4所示,在基于SPLL的分相觸發(fā)方案的具體實施過程中,利用SPLL對換相電壓vac進行鎖相,將輸出相位θac與觸發(fā)角指令值進行比較,當(dāng)輸出相位超過觸發(fā)角指令值時,發(fā)出一定寬度的觸發(fā)脈沖P1對閥1進行觸發(fā);同時將輸出相位移相延遲180°與觸發(fā)角指令值進行比較得到閥4的觸發(fā)脈沖P4,上下橋臂的觸發(fā)時刻間隔半個周期。同樣地,對換相電壓vba和vcb進行鎖相后分別可以得到對應(yīng)的閥3、閥6和閥5、閥2的觸發(fā)脈沖。

與依靠過零點檢測提供相位基準(zhǔn)的傳統(tǒng)分相觸發(fā)相比,新分相觸發(fā)借鑒了等間隔觸發(fā)所采用的鎖相環(huán)技術(shù),觸發(fā)參考相位更為穩(wěn)定準(zhǔn)確,不會直接受到過零點波動的影響。等間隔觸發(fā)下三相電壓不平衡時各閥的實際觸發(fā)角之間可能出現(xiàn)較大差別,造成調(diào)節(jié)器工作困難[1],而新分相觸發(fā)下每對換流閥各自有其獨立的觸發(fā)相位控制電路,能夠?qū)ζ溥M行單獨控制,具有控制靈活的特點。從鎖相技術(shù)的角度來看,SPLL不會出現(xiàn)負序電壓分量對鎖相過程造成干擾的問題[18],從而能夠在三相電壓不平衡時保持對各個換相電壓相位的鎖定,同時其還對諧波具有很好的抑制效果。

圖4 新分相觸發(fā)方案觸發(fā)原理Fig.4 Trigger principle of new individual phase control scheme

3 新分相觸發(fā)性能仿真測試

觸發(fā)相位控制方式對于HVDC系統(tǒng)性能的影響涉及多個方面,接下來本文將從諧波含量、換相失敗和故障恢復(fù)等角度,利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件將新分相觸發(fā)下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能與等間隔觸發(fā)以及傳統(tǒng)分相觸發(fā)進行仿真對比,分析新分相觸發(fā)下的系統(tǒng)特性。

仿真采用CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試模型,該模型是由12脈動換流器構(gòu)成的單級HVDC輸電系統(tǒng),直流額定電壓為500 kV,直流額定電流為2 kA,交流系統(tǒng)短路比為2.5,沿用模型原極控制級系統(tǒng),正常工況下整流站工作在定電流控制模式,逆變站工作在定關(guān)斷角控制模式。

3.1 新分相觸發(fā)下系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)性能測試

文獻[1-2]認為在交流電壓三相不對稱時,由于分相觸發(fā)下的觸發(fā)脈沖不等間隔,系統(tǒng)會產(chǎn)生比等間隔觸發(fā)含量更高的非特征諧波,但并沒有對此進行相應(yīng)的仿真驗證。本文分別在交流系統(tǒng)三相對稱工況和三相不對稱工況下,對不同觸發(fā)方式下系統(tǒng)達到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后的諧波性能進行測試。

1)交流系統(tǒng)三相對稱工況

正常工況下直流電壓主要諧波幅值見表1。

表1 正常工況下三種觸發(fā)方式的主要諧波幅值Table 1 Main harmonic amplitudes under three trigger modes in normal condition

從表中可以看到,此時三種觸發(fā)方式下的主要諧波幅值基本相等。此外,三相短路故障時三種觸發(fā)方式下的系統(tǒng)諧波性能測試結(jié)果同樣相同。這與1.2節(jié)的理論分析結(jié)果吻合,也證明了所搭建的分相觸發(fā)模塊的正確性。

2)交流系統(tǒng)三相不對稱工況

在整流側(cè)交流母線處設(shè)置各類不對稱短路故障,改變故障電感大小以模擬故障點距離換流站的距離,記錄三種觸發(fā)方式下的交流電壓幅值、不對稱度(交流基波負序電壓與正序電壓的比值)和直流電壓主要諧波幅值,仿真結(jié)果如附錄A表A1所示。從表中可以看到,不對稱工況下直流電壓2次諧波含量較高,特征諧波幅值相對較小;等間隔觸發(fā)與新分相觸發(fā)下的電氣量差異隨著故障嚴(yán)重程度的加深而逐漸增大,并且不同故障類型下的差異情況也不相同。當(dāng)故障阻抗較大時,換相電壓相位偏移量有限,兩種觸發(fā)的作用效果相差不大。故障阻抗較小時,與等間隔觸發(fā)相比,新分相觸發(fā)下單相接地故障時的直流電壓2次諧波幅值有所增大,故障相電壓幅值明顯上升,相應(yīng)地非故障相電壓出現(xiàn)下降;兩相接地故障時直流電壓2次諧波含量降低,交流電壓幅值變化情況與單相接地故障時類似;與以上兩種故障類型相比,兩相相間短路時的電氣量差別較小。因此,新分相觸發(fā)不會產(chǎn)生比等間隔觸發(fā)含量更高的非特征諧波。

由于觸發(fā)原理相近,傳統(tǒng)分相觸發(fā)與新分相觸發(fā)的性能較為接近,差異主要來源于單相電壓相位獲取方法的不同,可認為新分相觸發(fā)跟蹤的是單相電壓基波相位,傳統(tǒng)分相觸發(fā)則是通過與電壓波形進行直接比較得到相位,很難有效消除諧波影響。

后續(xù)可進一步研究利用分相觸發(fā)控制靈活的特點,根據(jù)各個換流閥的運行狀態(tài),從極控制級層面對換流器實施分相控制,對交直流側(cè)諧波進行主動控制,實現(xiàn)諧波可控,也可對系統(tǒng)可能發(fā)生的諧振進行主動控制。

3.2 新分相觸發(fā)下HVDC暫態(tài)性能測試

逆變側(cè)交流系統(tǒng)在t=3.0 s時發(fā)生三相短路故障,持續(xù)時間0.1 s,故障時等間隔觸發(fā)和新分相觸發(fā)下系統(tǒng)各電氣量變化情況分別如附錄A圖A2(a),(b)所示。從圖中可以看到,這兩種觸發(fā)方式下的電氣量波形大致相近,新分相觸發(fā)不會引起HVDC三相短路故障暫態(tài)性能惡化。

逆變側(cè)交流系統(tǒng)在t=3.0 s時發(fā)生單相接地故障,持續(xù)時間0.2 s,故障時等間隔觸發(fā)和新分相觸發(fā)下系統(tǒng)各電氣量變化情況分別如附錄A圖A3(a),(b)所示。從圖中的波形對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),相比于等間隔觸發(fā),新分相觸發(fā)下故障后系統(tǒng)的恢復(fù)過程總體上較為平穩(wěn),兩種觸發(fā)下逆變器在故障初期都發(fā)生了換相失敗,但等間隔觸發(fā)下逆變器在故障恢復(fù)期間發(fā)生了后續(xù)換相失敗,而新分相觸發(fā)在仿真中并沒有出現(xiàn)類似的情況。通常認為故障初期的換相失敗是難以避免的,而故障恢復(fù)階段的換相失敗可以通過改進控制系統(tǒng)加以消除。新分相觸發(fā)在抑制后續(xù)換相失敗方面顯然具有更好的效果。究其原因,首先是不對稱故障使得換相電壓相位發(fā)生偏移,等間隔觸發(fā)下各個換流閥的實際觸發(fā)角存在較大差異,其中實際觸發(fā)角較大的閥發(fā)生換相失敗的可能性增大,而新分相觸發(fā)下?lián)Q流閥以其對應(yīng)換相電壓的相位作為觸發(fā)參考相位,SPLL的輸出相位能夠根據(jù)換相電壓相位的偏移做出相應(yīng)調(diào)整,減小各閥實際觸發(fā)角之間的差異;其次,不對稱故障下負序基波電壓含量大幅上升,三相鎖相環(huán)在負序電壓分量的干擾下輸出相位出現(xiàn)波動,無法提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的觸發(fā)參考相位[18],這會對觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生造成不利影響,而對于SPLL和新分相觸發(fā)而言,不存在負序電壓分量對鎖相和觸發(fā)過程造成干擾的問題;此外,由第2節(jié)的分析可知,新分相觸發(fā)采用的基于SOGI的SPLL還對諧波具有很好的抑制效果。

傳統(tǒng)分相觸發(fā)下系統(tǒng)各電氣量波形變化情況如附錄A圖A2(c)、圖A3(c)所示。無論是三相短路故障還是單相接地故障,仿真結(jié)果都顯示其暫態(tài)性能在一定程度上劣于其他兩種觸發(fā)方式,故障恢復(fù)期間各電氣量波動幅度很大,交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,可能引發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象[2-3]。

4 結(jié)語

本文對第三代HVDC觸發(fā)相位控制技術(shù)進行了研究,提出一種新的基于SPLL的分相觸發(fā)方案。與前兩代觸發(fā)方式相比,該觸發(fā)方式的觸發(fā)參考相位穩(wěn)定,觸發(fā)過程可靠性高,并且具有較高的控制自由度,但沒有對該觸發(fā)方式下系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題進行更深入的理論分析。后續(xù)將研究觸發(fā)相位控制與直流電流控制、直流電壓控制和關(guān)斷角控制之間的相互影響。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。