改進(jìn)型換流站直流控制從系統(tǒng)觸發(fā)角補(bǔ)償控制策略

龔凌云，黃 智，侯賀偉，王 旋，徐志艷

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

直流控制系統(tǒng)是直流工程的心臟，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)直流系統(tǒng)的整體性能和可靠性有重要的影響[1-6]。直流控制系統(tǒng)中的電壓控制、電流控制、觸發(fā)角控制以及熄弧角控制都?xì)w為“底層控制”[7-11]，它們的控制目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整換流器的觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的跟蹤、電流的跟蹤、觸發(fā)角的跟蹤以及熄弧角的跟蹤[12-13]。

目前，國(guó)內(nèi)直流控制系統(tǒng)主要包括：ABB 公司的MACH2 系統(tǒng)、DCC800 系統(tǒng)；Siemens 公司W(wǎng)in-TDC 平臺(tái)的控制保護(hù)系統(tǒng)[14-15]；南瑞公司的PCS-9550 系統(tǒng)[16]；許繼公司的HCM3000 系統(tǒng)、HCM200系統(tǒng)[17]。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這幾個(gè)系統(tǒng)均采用雙重化配置原則，設(shè)計(jì)為“一主一備”。由于測(cè)量誤差等因素影響[18-20]，從系統(tǒng)的輸出觸發(fā)角會(huì)與主系統(tǒng)出現(xiàn)偏差，各個(gè)系統(tǒng)都采用了一定的控制策略來(lái)消除偏差。例如，南瑞公司的PCS-9550系統(tǒng)采用從系統(tǒng)直接跟從主系統(tǒng)的方式，當(dāng)主、從系統(tǒng)存在測(cè)量誤差時(shí)，切換系統(tǒng)時(shí)存在電壓短時(shí)波動(dòng)的不良現(xiàn)象； 許繼公司HCM3000 直流控制系統(tǒng)的從系統(tǒng)采用一種基于PI（比例積分）控制原理的補(bǔ)償控制策略，但補(bǔ)償效果不理想。

HCM3000 系統(tǒng)采用基于PI 控制原理的補(bǔ)償控制策略，該策略在逆變站處于觸發(fā)角控制模式下式存在補(bǔ)償力度不夠的現(xiàn)象，目前采用該控制系統(tǒng)的直流工程均多次發(fā)生“主、從系統(tǒng)觸發(fā)角偏差大”告警，在這種情況下，如果有其他故障引起控制系統(tǒng)切換，則會(huì)引起電壓波動(dòng)，可能會(huì)引發(fā)更大的故障。對(duì)此，本文基于原補(bǔ)償控制策略提出一種改進(jìn)型從系統(tǒng)觸發(fā)角補(bǔ)償控制策略，并基于RTDS 仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了所提補(bǔ)償控制策略的有效性，無(wú)論從系統(tǒng)處于何種運(yùn)行狀態(tài)都能很好地跟從主系統(tǒng)。

1 直流控制原理

直流控制系統(tǒng)包含功率控制、電流控制、電壓控制、觸發(fā)角控制以及熄弧角控制，屬于極層控制，通過(guò)極控的同一個(gè)PI 控制器實(shí)現(xiàn)?？刂茖?duì)象為換流器的觸發(fā)角，將電流實(shí)際值與參考值的誤差和電壓實(shí)際值與參考值的誤差進(jìn)行比較，整流站取最大值作為PI 控制器的輸入，逆變站取最小值作為PI 控制器的輸入，觸發(fā)角控制和熄弧角控制的輸出作為PI 控制器輸出的限值，極控PI 控制器的輸出為送給閥組控制主機(jī)的觸發(fā)角控制命令（觸發(fā)角的余弦值），正常情況下該觸發(fā)角命令下發(fā)給換流閥，當(dāng)閥組控制主機(jī)檢測(cè)到換相失敗預(yù)測(cè)動(dòng)作時(shí)，在該觸發(fā)角的基礎(chǔ)上減5°后下發(fā)給換流閥，其原理如圖1 所示。當(dāng)ΔU 較小時(shí)，PI 控制器實(shí)現(xiàn)電壓控制；當(dāng)ΔI 較小時(shí)，PI控制器實(shí)現(xiàn)電流控制；PI 控制受到最大觸發(fā)角的限制，當(dāng)輸出的觸發(fā)角控制指令為最大觸發(fā)角，則表明此時(shí)熄弧角控制有效。對(duì)于逆變站，一般起作用的是電壓控制和熄弧角控制。

1.1 電壓控制

圖1 換流器控制原理

對(duì)于逆變站，一般電壓控制起作用，因此本文對(duì)電壓控制原理作詳細(xì)介紹。如圖2 所示，取電壓實(shí)際值與參考值之間的偏差值ΔU 作為PI控制的輸入，通過(guò)PI 控制器的比例和積分環(huán)節(jié)，輸出觸發(fā)角控制指令，最后達(dá)到消除ΔU 的目的。另外，為消除PI 控制器輸出振蕩現(xiàn)象，電壓參考值經(jīng)過(guò)一個(gè)處理器，當(dāng)系統(tǒng)由全壓運(yùn)行轉(zhuǎn)換到降壓運(yùn)行時(shí)，電壓參考值不是從1.0 p.u.直接變化到0.7 p.u.，而是緩慢變化。

圖2 電壓控制原理

PI 控制器表達(dá)式如式（1）所示：

式中：Y（k）為k 時(shí)刻觸發(fā)角控制指令（觸發(fā)角的余弦值）；Kp為PI 控制器的比例系數(shù)；W（k）為電壓偏差值；TN為PI 控制器的積分系數(shù)。

1.2 熄弧角控制

熄弧角控制采用預(yù)測(cè)性熄弧角控制，預(yù)測(cè)性熄弧角控制器主要是根據(jù)換相理論對(duì)熄弧角進(jìn)行預(yù)測(cè)，其計(jì)算公式如下：

式中：Amax為計(jì)算的逆變側(cè)觸發(fā)角；γref為逆變側(cè)設(shè)定的熄弧角的參考值；Iref為計(jì)算的直流電流參考值；Id為實(shí)際的直流電流值；IdN為額定的直流電流值；UdioN為額定的理想空載電壓值；Udio為實(shí)際的理想空載電壓值；K1為正斜率修正系數(shù)；dxN為逆變器的比換相壓降。

根據(jù)式（2）計(jì)算的Amax余弦值，作為控制器的最小限制值（作為觸發(fā)角的最大限制值），限制控制器的輸出。

2 從系統(tǒng)補(bǔ)償控制策略

只有主系統(tǒng)PI 控制器是一個(gè)完整的閉環(huán)控制，系統(tǒng)的直流電壓是與其輸出的觸發(fā)角控制命令直接相關(guān)的，而從系統(tǒng)PI 控制器輸出的觸發(fā)角控制命令是無(wú)效的。由于主、從系統(tǒng)始終存在測(cè)量誤差，所以從系統(tǒng)PI 控制器的輸出會(huì)與主系統(tǒng)PI 控制器的輸出產(chǎn)生偏差，為了消除這種偏差，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)偏差補(bǔ)償值，將該偏差補(bǔ)償值作為其PI 控制器的參考輸入X，在計(jì)算最大觸發(fā)角時(shí)也加入了該偏差補(bǔ)償值，使得從系統(tǒng)不僅處于電壓控制時(shí)可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，處于熄弧角控制時(shí)亦可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

2.1 原補(bǔ)償策略

從系統(tǒng)的補(bǔ)償值是通過(guò)一個(gè)偏差補(bǔ)償PI 控制器得到的，將極控從系統(tǒng)PI 控制器輸出的觸發(fā)角控制命令與極控主系統(tǒng)PI 控制器輸出的觸發(fā)角控制命令作差，作為偏差補(bǔ)償PI 控制器的輸入。當(dāng)從系統(tǒng)的觸發(fā)角控制命令與主系統(tǒng)的觸發(fā)角控制命令差小于0.002 時(shí)，不進(jìn)行補(bǔ)償；且偏差補(bǔ)償PI 控制器的輸出受限，最大輸出值為0.05，最小輸出值為-0.05。

當(dāng)系統(tǒng)處于電壓控制時(shí)，從系統(tǒng)在PI 控制器的輸入側(cè)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償（如圖3 所示），輸入側(cè)W（k）=ΔU-ΔcosA（k），因此從系統(tǒng)不僅要消除電壓偏差值ΔU，還要消除主、從系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角偏差ΔcosA（k），實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)的跟蹤控制。則PI控制器的輸出變?yōu)椋?/p>

圖3 補(bǔ)償控制策略

當(dāng)系統(tǒng)處于觸發(fā)角控制時(shí)，′從系統(tǒng)在計(jì)算最大觸發(fā)角時(shí)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償，在計(jì)算熄弧角參考值γref時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償，對(duì)于從系統(tǒng)γref=γref-ΔcosA。

2.2 補(bǔ)償控制效果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行降壓操作時(shí)，較多次出現(xiàn)觸發(fā)角差值較大告警，即極控主、從系統(tǒng)PI 控制器輸出觸發(fā)角的差值大于設(shè)定值，意味著從系統(tǒng)的補(bǔ)償策略沒(méi)有發(fā)揮很好的作用。

以金華換流站某次降壓操作為例， 該站2018-01-06 由全壓運(yùn)行轉(zhuǎn)為降壓運(yùn)行時(shí)，極1、極2 控制系統(tǒng)均報(bào)出觸發(fā)角偏差大告警，2018-01-06 T 05：08：28：995 開(kāi)始降壓運(yùn)行，2018-01-06 T 05：23：26：915 兩極報(bào)出觸發(fā)角差值較大告警。

圖4 中，PCP1A 為主系統(tǒng)，PCP1B 為從系統(tǒng)，從錄波圖上看，t1時(shí)刻，降壓運(yùn)行，電壓偏差值ΔU＞0，主、從系統(tǒng)均處于電壓控制；t2時(shí)刻，分接開(kāi)關(guān)開(kāi)始動(dòng)作，主、從系統(tǒng)先后由電壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)橄ɑ〗强刂?；t3時(shí)刻，主系統(tǒng)的ΔU＜0，主系統(tǒng)由熄弧角控制變?yōu)殡妷嚎刂?，但由于測(cè)量誤差的存在，主系統(tǒng)的電壓實(shí)際值Ud比從系統(tǒng)的電壓實(shí)際值Ud大，從系統(tǒng)的ΔU＞0，從系統(tǒng)仍處于熄弧角控制，主系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角逐漸下降，從系統(tǒng)與主系統(tǒng)的PI 控制器輸出觸發(fā)角余弦值變大，進(jìn)而控制系統(tǒng)電壓減小，而從系統(tǒng)仍處在熄弧角控制中，輸出觸發(fā)角不變。在系統(tǒng)電壓減小的過(guò)程中，電壓參考值也在以緩慢的速度減小，因?yàn)闇y(cè)量誤差的存在，會(huì)存在某個(gè)刷新時(shí)刻主系統(tǒng)的ΔU＜0 而恰巧從系統(tǒng)均為ΔU＞0 的情況，使得從系統(tǒng)保持熄弧角控制，與主系統(tǒng)PI 控制器輸出的偏差越來(lái)越大。

圖4 極控主、從系統(tǒng)輸出觸發(fā)角對(duì)比

若主系統(tǒng)處于電壓控制，從系統(tǒng)處于熄弧角控制，當(dāng)電壓控制輸出與熄弧角控制輸出相差較大時(shí)，從系統(tǒng)的偏差補(bǔ)償力度不夠，此時(shí)偏差補(bǔ)償未能起到很好的作用。

3 改進(jìn)型從系統(tǒng)補(bǔ)償控制策略

在降壓操作過(guò)程中，并不是每一次都會(huì)發(fā)生觸發(fā)角偏大告警事件。在每次刷新時(shí)刻，主、從系統(tǒng)均為ΔU＜0 時(shí)或從系統(tǒng)ΔU＜0 時(shí)，從系統(tǒng)進(jìn)入電壓控制，就不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)角偏大告警事件，因?yàn)镻I 控制器的比例和積分環(huán)節(jié)可以將從系統(tǒng)的補(bǔ)償能力發(fā)揮出來(lái)，不存在補(bǔ)償力度不夠的情況。

針對(duì)該問(wèn)題，本文提出改進(jìn)型從系統(tǒng)補(bǔ)償控制策略（如圖5 所示），在原控制策略基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，取消原補(bǔ)償PI 控制器的限幅策略，將偏差補(bǔ)償器的輸出分別送至電壓控制器和熄弧角控制器，其中送至電壓控制器前做限幅處理，送至熄弧角控制器不作任何處理。由于電壓控制是采用PI 控制原理實(shí)現(xiàn)的，若偏差補(bǔ)償值ΔcosA 不作限幅處理，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量σ，不利于電壓的穩(wěn)定控制；而熄弧角控制是通過(guò)計(jì)算公式而得，因此，當(dāng)系統(tǒng)處于熄弧角控制時(shí)，偏差補(bǔ)償PI 控制器能夠很好地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償跟蹤控制。

圖5 改進(jìn)型補(bǔ)償控制策略

4 控制效果驗(yàn)證

本文基于浙西直流工程搭建了RTDS 仿真模型，并在其上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)置了從系統(tǒng)電壓測(cè)量值大于主系統(tǒng)和從系統(tǒng)電壓測(cè)量值小于主系統(tǒng)2 種工況，在降壓運(yùn)行時(shí)（電全壓1.0 p.u.降壓至0.7 p.u.），分別對(duì)從系統(tǒng)電壓測(cè)量值大于主系統(tǒng)和小于主系統(tǒng)2 種情況進(jìn)行仿真，極控PCP1A為主系統(tǒng)，極控PCP1B 為從系統(tǒng)系統(tǒng)。

（1）從系統(tǒng)電壓測(cè)量值大于主系統(tǒng)

如圖6 所示，在降壓運(yùn)行時(shí)，當(dāng)從系統(tǒng)電壓測(cè)量值大于主系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)用本文提出的改進(jìn)型從系統(tǒng)跟蹤控制策略后，從系統(tǒng)能夠達(dá)到比較好的跟蹤效果。

（2）從系統(tǒng)電壓測(cè)量值小于主系統(tǒng)

如圖7 所示，在降壓運(yùn)行時(shí)，當(dāng)從系統(tǒng)電壓測(cè)量值小于主系統(tǒng)時(shí)，運(yùn)用本文提出的改進(jìn)型從系統(tǒng)跟蹤控制策略后，從系統(tǒng)亦能夠達(dá)到比較好的跟蹤效果。

圖6 極控主、從系統(tǒng)輸出觸發(fā)角對(duì)比

圖7 極控主、從系統(tǒng)輸出觸發(fā)角對(duì)比

綜上所述，本文提出的改進(jìn)型換流站從系統(tǒng)跟蹤控制策略解決了之前降壓運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生從系統(tǒng)與主系統(tǒng)觸發(fā)角偏差大的告警現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)許繼公司HCM3000 直流控制系統(tǒng)從系統(tǒng)補(bǔ)償控制策略，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)升、降壓操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)“主、從系統(tǒng)觸發(fā)角偏大”告警，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)主要是由于補(bǔ)償控制策略出現(xiàn)補(bǔ)償力度不夠造成的。本文基于原補(bǔ)償控制策略提出了一種改進(jìn)型從系統(tǒng)觸發(fā)角補(bǔ)償控制策略，在以浙西工程為原型搭建的RTDS 仿真模型上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分別在從系統(tǒng)測(cè)量電壓大于主系統(tǒng)測(cè)量電壓、從系統(tǒng)測(cè)量電壓小于主系統(tǒng)測(cè)量電壓2 種工況下，模擬降壓運(yùn)行和升壓運(yùn)行，仿真結(jié)果表明本文提出的補(bǔ)償控制策略能夠達(dá)到很好的從系統(tǒng)跟從主系統(tǒng)效果。