一種改善直流系統(tǒng)恢復(fù)特性的低壓限流環(huán)節(jié)優(yōu)化方法*

王銳銘，李鳳婷

(新疆大學(xué) 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊830047)

0 引言

在交直流輸電系統(tǒng)中，換相失敗是最為常見的故障之一[1-3]．若換相失敗后不能自行恢復(fù)，將導(dǎo)致連續(xù)換相失敗，進(jìn)而造成直流閉鎖，在恢復(fù)過程中直流電流越大，需要從交流系統(tǒng)吸收的無功越多，在恢復(fù)過程中很有可能引起后續(xù)換相失敗或電壓穩(wěn)定性問題，影響直流輸電系統(tǒng)的正?；謴?fù)．因此，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗愿纳茡Q相失敗后的直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性對避免連續(xù)換相失敗尤為重要．

目前關(guān)于換相失敗的研究已取得了一定的成果．文獻(xiàn)[4]提出了一種交直流輸電系統(tǒng)的改進(jìn)拓?fù)?，通過調(diào)整閥臂換相電壓來減小換相失敗的概率．文獻(xiàn)[5]提出了異常換相失敗的概念，依據(jù)低次諧波對換相失敗的嚴(yán)重程度進(jìn)行了分類．文獻(xiàn)[6]對含靜止同步補(bǔ)償器的交直流系統(tǒng)原有的控制方式進(jìn)行改善，提高對換相失敗的抵抗能力．文獻(xiàn)[7]在原有的控制方式上，提出了基于靜止同步補(bǔ)償器抑制換相失敗的方案．文獻(xiàn)[8-12]基于直流系統(tǒng)的無功特性，以減少無功功率為目標(biāo)，降低故障期間的無功消耗，改善了故障后的恢復(fù)特性．文獻(xiàn)[13-15]提出了基于模糊邏輯的控制器，但該控制方法運(yùn)算較為復(fù)雜，響應(yīng)速度較慢，實(shí)際工程中難以實(shí)施．文獻(xiàn)[16,17]提出一種新的VCDOL控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合DC-VDCOL與AC-VDCOL優(yōu)點(diǎn)，重新優(yōu)化建立低壓限流環(huán)節(jié)，改善恢復(fù)性能．文獻(xiàn)[18,19]基于傳統(tǒng)PI控制器提出了預(yù)防換相失敗的方法，降低了換相失敗的概率，但是上述研究忽略了故障后可能導(dǎo)致二次換相失敗的問題，存在一定的局限性．

本文對三相短路故障、單相接地故障特性以及VDCOL的缺陷進(jìn)行剖析，建立交直流模型以及控制策略，運(yùn)用DIgSILENT研究了換相失敗中兩種故障下直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性．提出了基于交流母線電壓求取電流指令的方法，實(shí)現(xiàn)了改善交直流系統(tǒng)恢復(fù)特性的目標(biāo)，有效抑制后續(xù)的換相失?。?/p>

1 高壓直流系統(tǒng)換相失敗分析

1.1 三相短路故障

三相短路故障設(shè)置為逆變側(cè)換流器近端故障如圖1中1號點(diǎn)，即故障發(fā)生在換流器交流母線處．交流系統(tǒng)三相對稱時，逆變器熄弧角γ可以表示為：

式(1)中：k為換流變壓器的變比，Id為直流電流，X c為換相電抗，UL為逆變側(cè)換流母線電壓有效值，β為超前角．

圖1 直流輸電系統(tǒng)逆變器故障點(diǎn)示意圖Fig 1 Schematic diagram of HVDC inverter fault

對式(1)各變量微分可得：

熄弧角對直流電流Id、換流器變比k和換相電抗X c的偏導(dǎo)數(shù)均為負(fù)值，對交流電壓UL和超前角β的偏導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，可以得到直流電流Id、換流器變比k和換相電抗X c的升高與交流電壓UL和超前角β的降低都會導(dǎo)致γ減小，從而引發(fā)換相失敗．

1.2 單相接地故障

發(fā)生三相短路故障時，三相電壓對稱下降且波形的相位不會發(fā)生改變，但逆變側(cè)出現(xiàn)單相接地故障如圖1中2號點(diǎn)，電壓暫態(tài)過程的分析較三相短路故障更為復(fù)雜，換流閥容易產(chǎn)生電流畸變，同時換相電壓過零點(diǎn)的改變，還需考慮過零點(diǎn)漂移φ對熄弧角的影響．

交流系統(tǒng)三相不對稱時，逆變器熄弧角γ表示為：

同時，單相接地故障的壓降可表示為：

造成換相電壓零點(diǎn)的相位移動為：

1.3 VDCOL的缺陷

配置低壓限流環(huán)節(jié)的換流器靜態(tài)伏安特性曲線如圖2所示，在故障期間低壓限流裝置決定了直流電流的指令值，從而影響直流線路中的直流電流．VDCOL中關(guān)鍵參數(shù)為電壓閥值上下限、延遲時間常數(shù)、電流指令．

當(dāng)前對VDCOL的研究不能充分的考慮換相失敗后逆變側(cè)的動態(tài)無功需求，因此需要優(yōu)化電流指令響應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)需要，減小換相失敗的概率．

圖2 低壓限流環(huán)節(jié)的特性曲線Fig2 CharacteristiccurveofVDCOL

圖3 高壓直流系統(tǒng)模型Fig3 HVDCSystemModel

2 交直流模型的建立

2.1 交直流系統(tǒng)模型及模型參數(shù)

文中基于DIgSILENT搭建了適用于交直流系統(tǒng)仿真研究的數(shù)學(xué)模型，如圖3及表1所示．包含了整流器、逆變器及其控制系統(tǒng)模型．該系統(tǒng)在整流側(cè)和逆變側(cè)都有12脈沖晶閘管轉(zhuǎn)換器．±500kV直流線路長度為500km，額定電流為2kA．

表1HVDC模型數(shù)據(jù)Tab1 HVDCModelData

2.2 低壓限流控制

當(dāng)換流母線壓降過大時，直流控制系統(tǒng)會啟動低壓限流環(huán)節(jié)，如圖4所示．根據(jù)其壓降限制故障期間或故障恢復(fù)過程中直流電流的變化，并且能減小系統(tǒng)對無功功率的需求．設(shè)置低壓限流的主要作用有：

（1）交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過降低直流電流而減小換流器吸收的無功功率，防止因無功功率過高而引起電壓下降造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定．

（2）故障結(jié)束在恢復(fù)過程中，調(diào)節(jié)直流電流，避免因恢復(fù)過快大量無功沒有吸收使得二次換相失?。?/p>

圖4 低壓限流控制器Fig4 VDCOLController

3 換相失敗故障下恢復(fù)特性研究

HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后的恢復(fù)特性對整個直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義，因此研究直流系統(tǒng)的恢復(fù)情況，對改善換相失敗后的恢復(fù)特性具有一定的指導(dǎo)意義．

3.1 三相短路故障引發(fā)換相失敗恢復(fù)分析

三相短路故障開始時刻0s，故障持續(xù)時間0.1s，發(fā)生換相失敗后的波形如圖5所示．

圖5 三相短路故障引發(fā)換相失敗波形圖Fig 5 The three-phase short-circuit fault waveform of commutation failure caused

圖5分別為直流電壓、直流電流、直流功率、熄弧角γ、閥電流、超前角β?lián)Q相失敗波形圖．三相短路故障后，此過程可分為以下幾個階段：

（1）發(fā)生故障后，三相短路故障引起逆變側(cè)近端交流母線與直流線路電壓明顯降低，直流電流升高的同時熄弧角減??；

（2）在極短的時間內(nèi)，電壓下降迅速，在超前角還未來得及調(diào)整的情況下，直流電流瞬間增大與此同時超前角增大，從而使得熄弧角迅速減小到0，此時閥電流電流為0，直流系統(tǒng)發(fā)生換相失?。?/p>

（3）熄弧角控制器迅速減小超前角，增大熄弧角，換相失敗的過程結(jié)束；

（4）故障切除后，熄弧角減小，直流電壓電流增大，350 ms左右恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值．

在故障期間，逆變器發(fā)生長時間的換相失敗，恢復(fù)時間較慢，但在消除故障后，其他元件也未停止運(yùn)行，且未發(fā)生后續(xù)的換相失?。?/p>

3.2 單相接地故障換相失敗恢復(fù)特性研究

單相接地故障開始時刻0 s，故障持續(xù)時間0.1 s，設(shè)置為a相接地，發(fā)生換相失敗后的波形如圖6所示．

圖6 單相接地故障引發(fā)換相失敗波形圖Fig 6 The single-phase grounding fault waveform of commutation failure caused

圖6分別為直流電壓、直流電流、直流功率、熄弧角γ、閥電流、超前角β?lián)Q相失敗波形圖．單相故障后，此過程可分為以下幾個階段：

（1）發(fā)生故障后，單相接地故障引起逆變側(cè)近端交流母線電壓以及直流電壓降低，直流電流升高，熄弧角減?。?/p>

（2）在極短的時間內(nèi)，交流電壓下降迅速且直流電壓電流二次急速跌落，對電網(wǎng)造成了二次沖擊，100 ms時發(fā)生了二次換相失敗，導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)200 ms的故障；

（3）熄弧角控制器迅速減小超前角，增大熄弧角，換相失敗的過程結(jié)束；

（4）故障切除后，熄弧角減小，直流電壓電流增大，350 ms左右恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值．

單相接地故障這種不對稱故障，會使在閥上的電壓產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，若壓降過大還會導(dǎo)致連續(xù)的換相失敗而無法恢復(fù)，且交直流系統(tǒng)強(qiáng)度較弱提供不了足夠的無功，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行．

在實(shí)際的弱交流系統(tǒng)中，長時間的恢復(fù)會導(dǎo)致二次換相失敗，不利于直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行．所以，需要通過優(yōu)化VDCOL中參數(shù)的選擇來減小換流閥換相失敗概率，同時改善換相失敗后系統(tǒng)的恢復(fù)特性．

4 換相失敗恢復(fù)特性優(yōu)化

4.1 電流指令最大值的選取

為了優(yōu)化VDCOL中的電流指令，利用高壓直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)公式，得到三相短路故障與單相接地故障中電壓與電流之間的約束關(guān)系．

高壓直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)公式為

通過公式(8)可解得直流指令值的計算公式

式(9)中：X與k均為常量，由此可得到電流指令值與熄弧角呈正相關(guān)性，與超前角呈負(fù)相關(guān)性．本節(jié)以HVDC模型為算例，將關(guān)斷角γ=15°以及超前角β代入公式(9)，此時可求解出三相短路故障和單相接地故障兩種工況下直流指令的最大值．

4.1.1 三相短路故障

在三相短路故障下，關(guān)斷角γ=15°，換相角取最大值25°，根據(jù)β=α+μ，超前角β=40°．將超前角與熄弧角代入公式(9)可得到直流指令最大值與Uac的函數(shù)表達(dá)式為

4.1.2 單相接地故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，換相電壓過零點(diǎn)產(chǎn)生相位移．以a相接地故障為例，如圖7所示，由于線電壓Va的下降，此時觸發(fā)角α′=α+φ，超前角β′=β-φ，熄弧角γ′=γ-φ．因此在求解單相接地故障時，需要確定偏移角φ的取值區(qū)間．

在Y-Y和Y-D兩種接線方式下，通過式(7)計算出偏移量φ后得到超前角β和熄弧角γ代入式(9)可得到單相接地故障下直流指令最大值與Uac的函數(shù)表達(dá)式

圖7 單相接地故障下的角度參數(shù)Fig 7 The angle of single-phase grounding fault parameters under

4.2 并聯(lián)靜止同步補(bǔ)償器

為了解決因恢復(fù)過快而產(chǎn)生的無功盈余問題，在電網(wǎng)受端交流母線上并聯(lián)一個靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator,STATCOM)，如圖8所示，主要參數(shù)見表2.

圖8典型的STATCOM模型Fig 8 Typical model of STATCOM

表2 STATCOM模型數(shù)據(jù)Tab 2 STATCOM model data

4.3 改進(jìn)后換相失敗仿真分析

在電網(wǎng)受端交流母線并聯(lián)STATCOM且優(yōu)化電流指令值，一方面能優(yōu)化功率的恢復(fù)特性；另一面能夠解決因恢復(fù)過快產(chǎn)生大量無功盈余的問題．

4.3.1 三相短路故障

從圖9(b)中可以看出，三相短路故障引起的換相失敗在改進(jìn)后的對直流電流進(jìn)行了調(diào)節(jié)，降低了換相失敗過程中直流電流、直流電壓的最大值，在200 ms內(nèi)直流系統(tǒng)就能夠恢復(fù)．在并聯(lián)STAMCOM后，恢復(fù)性能與改進(jìn)前相比有相當(dāng)大的好轉(zhuǎn)，并能有效預(yù)防二次換相失敗．

圖9 改進(jìn)后三相短路故障引發(fā)換相失敗波形圖Fig 9 The improved three-phase short circuit fault cause commutation failure of waveform

圖10 改進(jìn)后單相接地故障引發(fā)換相失敗波形圖Fig 10 The improved single-phase grounding fault cause commutation failure waveform

4.3.2 單相接地故障

由圖9，圖10可知，單相接地故障較三相短路故障更為嚴(yán)重．單相接地故障兩次電壓跌落發(fā)生二次換相失敗，都會對電網(wǎng)造成巨大的沖擊，但時間極短，沒有因換相失敗而進(jìn)一步造成直流閉鎖．同時由圖10(b)可知，并聯(lián)STATCOM后，在150 ms左右系統(tǒng)就已恢復(fù)正常，恢復(fù)特性有明顯的改善．

5 結(jié)論

文中采用雙極六脈沖HVDC模型，對交流故障特性進(jìn)行仿真分析，分別給出了三相故障以及單相故障波形圖，得出以下結(jié)論：

（1）在實(shí)際的高壓直流輸電工程中，低壓限流環(huán)節(jié)參數(shù)會影響換相失敗后的恢復(fù)過程．

（2）不對稱故障后，閥側(cè)線電壓變化幅值較大，單相故障較容易發(fā)生換相失敗且危害更大．

（3）通過對兩種故障條件下的仿真，優(yōu)化低壓限流控制裝置中電流指令值，并且采用靜止同步補(bǔ)償器能改善換相失敗后的系統(tǒng)恢復(fù)特性，功率恢復(fù)同時也能補(bǔ)償無功，避免再次換相失?。?/p>