考慮雙橋共同換相影響的換相失敗預(yù)測(cè)控制參數(shù)優(yōu)化策略

袁煜文， 李曉華， 陳鎮(zhèn)生， 趙君， 張靖宜

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

換相失敗會(huì)引起直流電氣量劇烈變化和交流保護(hù)誤動(dòng)等不良后果[1]。多條直流同時(shí)換相失敗時(shí)，功率出現(xiàn)大規(guī)模損失，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[2]。因此，減少換相失敗的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)換相失敗的預(yù)防，當(dāng)前的研究重點(diǎn)大多是換流器控制策略的優(yōu)化。換相失敗預(yù)測(cè)控制(commutation failure prevention control, CFPREV)作為抵御換相失敗的主要控制手段，通過(guò)改變逆變側(cè)換流閥的觸發(fā)角以增加直流系統(tǒng)的換相裕度，在一定程度上可以避免換相失敗的發(fā)生[3]。文獻(xiàn)[4]提出了基于正余弦分量的檢測(cè)算法，避免了電壓過(guò)零點(diǎn)附近零序電壓檢測(cè)法靈敏度不足的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]提出基于交流電壓電流Clark變換計(jì)算其功率分量的檢測(cè)算法，一定程度上提升了故障檢測(cè)速度。文獻(xiàn)[6]通過(guò)添加輔助環(huán)節(jié)，避免了CFPREV因變壓器勵(lì)磁涌流而誤動(dòng)。上述文獻(xiàn)大多考慮的是優(yōu)化CFPREV交流故障檢測(cè)環(huán)節(jié)算法，或者簡(jiǎn)單分析控制參數(shù)對(duì)下次換相的影響，均未考慮雙橋共同換相對(duì)預(yù)測(cè)控制效果的影響。

為此，本文研究了雙橋共同換相對(duì)直流換相影響的機(jī)理，分析了CFPREV控制參數(shù)不合理時(shí)加劇雙橋共同換相影響的原因，并提出了控制參數(shù)優(yōu)化策略。最后利用PSCAD/EMTDC軟件在具有CFPREV環(huán)節(jié)的Cigre HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型中，驗(yàn)證了文中提出的CFPREV控制參數(shù)優(yōu)化策略的有效性。

1 雙橋共同換相對(duì)直流換相影響的機(jī)理

本文將雙橋十二脈動(dòng)逆變器中Y橋A相往B相的換相過(guò)程記作YAB，D橋A相往B相的換相過(guò)程記作DAB。將本次換相過(guò)程還未結(jié)束下次換相即已觸發(fā)的情況定義為雙橋共同換相，例如YAB和DAB同時(shí)換相。雙橋共同換相對(duì)本次換相和下次換相的影響不同，本文重點(diǎn)研究雙橋共同換相對(duì)本次換相的不利影響，從而導(dǎo)致本次換相失敗的情況。以下為兩種特殊的導(dǎo)通順序。

順序1：(VY1、VD1、VY2、VD2)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→VY1往VY3換相失敗。

順序2：(VY1、VD1、VY2、VD2)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→(VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→VY1往VY3換相失敗。

圖1為兩種特殊順序下的換相過(guò)程。圖1中：uBA為YAB的換相電壓;μfY、μfD分別為YAB和DAB的換相角;γfY、γfD分別為YAB和DAB的熄弧角;PYAB、PDAB分別為YAB和DAB的觸發(fā)脈沖;iVY1、iVY3、iVD1、iVD3分別為Y橋和D橋中閥1與閥3的電流。順序1下，YAB換相還未結(jié)束D橋即已觸發(fā)，此時(shí)出現(xiàn)兩橋六個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通的情況,即發(fā)生雙橋共同換相。受其影響，先開(kāi)始的換相過(guò)程在換相電壓uBA過(guò)零后仍未結(jié)束，導(dǎo)致VY1往VY3換相失敗。順序2下，同樣發(fā)生雙橋共同換相，但YAB能正常結(jié)束，之后由于熄弧角γfY較小，閥無(wú)法恢復(fù)阻斷能力又引發(fā)換相失敗。

圖1 特殊順序下的換相過(guò)程

設(shè)換流變壓器變比為k，兩種特殊順序下，橋臂導(dǎo)通狀態(tài)都出現(xiàn)了從5個(gè)閥導(dǎo)通(Y橋A相往B相換相，D橋A相和C相導(dǎo)通，記作工況一)到6個(gè)閥導(dǎo)通(Y橋A相往B相換相，D橋A相往B相換相，記作工況二)，可推導(dǎo)兩種工況下電源支路電流關(guān)系式：

(1)

式中:id為直流電流;isc1、isc2分別為Y橋和D橋的換相電流;iA、iB、iC分別為一次側(cè)各相電流;下標(biāo)1、2分別為工況一和工況二。則雙橋共同換相后，母線電壓可表示為：

(2)

式中：UBA0、UBA分別為工況一和工況二下的母線電壓;ΔUBA為雙橋共同換相前后母線電壓變化量;RS、LS分別為系統(tǒng)電阻和電感。逆變側(cè)的換相過(guò)程可視為發(fā)生兩相短路，短路電流不斷增大;isc2和disc2/dt始終大于0。因此ΔUBA始終大于0。由兩相短路的閉合回路可得逆變側(cè)A相電源電壓USA：

(3)

(4)

式中:系統(tǒng)阻抗角為90°-φ2°。

偏感性的交流系統(tǒng)阻抗角一般>75°，因此-π/4≤-π/6-φ2<-π/6。而逆變側(cè)觸發(fā)角滿(mǎn)足π/2<α<π，因此dB1/dα始終<0，即ΔUBA隨著α減小而增大。換相過(guò)程開(kāi)始后，ωt≥α，因此B2始終>0。當(dāng)π/2<α<2π/3時(shí)，cos(α-π/6)>0，B1>0；當(dāng)2π/3<α<π時(shí)，cos(α-π/6)<0,B1<0。結(jié)合前述分析可作雙橋共同換相后UBA隨著α變化的相量軌跡如圖2所示。

圖2 雙橋共同換相影響后換相電壓軌跡圖

圖2中:φ0為換相電壓初始的相角;UBAmin、UBAmax分別為雙橋共同換相后換相電壓的最小值和最大值;φ1max和φ1min則是與之對(duì)應(yīng)的相角。從圖2不難發(fā)現(xiàn)：由于ΔUBA始終大于0，雙橋共同換相后，換相電壓從UBA0減小為UBA，相角由φ0增大至φ1，即雙橋共同換相不僅導(dǎo)致?lián)Q相電壓幅值減小，同時(shí)還造成其相角前移，不利于直流系統(tǒng)換相。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)觸發(fā)角α>2π/3時(shí)，隨著α減小UBA的相量終點(diǎn)由位置3往位置2方向移動(dòng)；當(dāng)觸發(fā)角α<2π/3時(shí)，則由位置2移向位置1。這表示隨著α減小，雙橋共同換相的時(shí)間將增加，在雙橋共同換相后換相電壓幅值跌落的程度進(jìn)一步加大，過(guò)零點(diǎn)前移更多，增加了本次換相面臨換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

2 CFPREV對(duì)雙橋共同換相的影響分析

2.1 換相失敗預(yù)測(cè)控制基本原理

CFPREV作為直流系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是抵御換相失敗的主要手段，通過(guò)將換流母線三相電壓瞬時(shí)值相加和Clark變換得到u0和uαβ。當(dāng)u0大于閾值時(shí)表示檢測(cè)到單相故障，當(dāng)uαβ大于閾值時(shí)表示檢測(cè)到三相故障，接著經(jīng)過(guò)系列處理后輸出觸發(fā)角調(diào)整值Δα。

引發(fā)換相失敗的根本原因是故障后實(shí)際提供的最大換相面積小于所需的換相面積，從而導(dǎo)致熄弧角小于最小熄弧角γmin[7]。CFPREV檢測(cè)到交流故障，通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角，增大換相面積，從而避免發(fā)生換相失敗。

2.2 CFPREV控制參數(shù)影響分析

CFPREV抑制換相失敗的效果受到交流故障檢測(cè)速度和輸出值大小的影響。交流故障檢測(cè)速度越快，CFPREV調(diào)整觸發(fā)角越早，避免首次換相失敗的幾率越大。CFPREV輸出值越大，增大的換相面積越大，更有利于下次換相。在CFPREV控制參數(shù)中，啟動(dòng)閾值Uset影響交流故障檢測(cè)速度，啟動(dòng)閾值越小CFPREV啟動(dòng)越快；增益系數(shù)G決定觸發(fā)角調(diào)整值Δα的大小，增益系數(shù)越大Δα也越大。Uset和G對(duì)CFPREV輸出的影響如圖3所示。

圖3 控制參數(shù)對(duì)CFPREV輸出的影響

CFPREV控制參數(shù)合理時(shí)，輸出值Δα的大小能夠與直流系統(tǒng)在故障下的運(yùn)行工況相匹配，通過(guò)調(diào)整觸發(fā)角達(dá)到控制目的。但是由于實(shí)際工程中，CFPREV控制參數(shù)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定，Δα的大小在部分工況下與之難以匹配。此外，CFPREV在檢測(cè)到交流故障后經(jīng)過(guò)固有延時(shí)便立即輸出Δα，剛性的響應(yīng)特性使CFPREV實(shí)際輸出時(shí)刻不可控并影響控制效果。

CFPREV控制參數(shù)不合理時(shí)，Δα過(guò)大使觸發(fā)角較小，不僅將增大雙橋共同換相出現(xiàn)的幾率，還將加劇其帶來(lái)的不利影響。此外，由于不同故障類(lèi)型下不同相之間換相的裕度不同[8]。當(dāng)本次換相過(guò)程恰好換相裕度最小時(shí)，雙橋共同換相很容易引起本次換相失敗。因此，為了進(jìn)一步提高CFPREV抑制換相失敗的能力，避免因雙橋共同換相引發(fā)新的換相失敗，應(yīng)當(dāng)合理選取CFPREV的控制參數(shù)，限制Δα的大小或者控制CFPREV實(shí)際輸出時(shí)間。

2.3 改進(jìn)的控制參數(shù)選取策略

通過(guò)上述分析可知，在未配置CFPREV時(shí)，若CFPREV實(shí)際輸出時(shí)刻恰好在本次和下次換相觸發(fā)時(shí)間之間，同時(shí)CFPREV控制參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致CFPREV輸出值過(guò)大，配置CFPREV后將引發(fā)新的換相失敗。因此，改進(jìn)的思路有兩種。

(1) 適當(dāng)減小增益系數(shù)，進(jìn)而減小CFPREV的輸出值，避免觸發(fā)脈沖提前過(guò)多，但是該方法會(huì)降低預(yù)測(cè)控制的控制效果，因此只能作為輔助改進(jìn)措施。

(2) 適當(dāng)減小啟動(dòng)閾值，提高CFPREV故障檢測(cè)速度，從而提前實(shí)際輸出時(shí)間，避免本次換相裕度最小時(shí)處于本次和下次換相觸發(fā)時(shí)間之間。減小啟動(dòng)閾值不會(huì)削弱CFPREV的調(diào)控能力，因此可作為主要的改進(jìn)策略。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

在PSCAD/EMTDC中基于Cigre標(biāo)準(zhǔn)模型搭建了包含CFPREV模塊的仿真模型，本文CFPREV啟動(dòng)閾值Uset=0.05，增益系數(shù)G=0.15，仿真步長(zhǎng)設(shè)為50 μs，最小熄弧角γmin為0。

3.2 案例分析

在逆變側(cè)母線處，設(shè)置不同故障時(shí)間，A相經(jīng)不同過(guò)渡電感Lf發(fā)生接地短路故障(不同電感值模擬不同電氣距離)，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s。故障發(fā)生時(shí)刻t以5.01 s為參考點(diǎn)，每隔1 ms做一組仿真。Lf取值為0～0.78 H。圖4為增益系數(shù)G=0.15和0.20時(shí)換相情況對(duì)比。

圖4 不同增益系數(shù)下的換相情況

可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置G=0.15，在Lf為0.63 H且t為5.013 ms時(shí)，未配置CFPREV直流系統(tǒng)換相成功，然而配置CFPREV后反而換相失敗。當(dāng)G增大至0.20且t為5.013 ms時(shí)，在Lf為0.63 H和0.66 H下直流系統(tǒng)同樣因CFPREV的調(diào)控出現(xiàn)了新的換相失敗。

圖5 雙橋共同換相對(duì)預(yù)測(cè)控制效果的影響

Lf為0.63 H時(shí)，Y橋和D橋中換流變壓器閥側(cè)電流iY與iD、母線電壓u、CFPREV輸出值Δα和熄弧角γ，如圖5所示。圖5中：t0、t3分別為YAB觸發(fā)和結(jié)束時(shí)間；t1為DAB觸發(fā)時(shí)間，t2為uAB過(guò)零時(shí)間；tf為故障開(kāi)始時(shí)間。不難發(fā)現(xiàn)，未配置CFPREV時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)雙橋共同換相，直流系統(tǒng)未發(fā)生換相失敗。配置CFPREV后，其實(shí)際輸出時(shí)間恰好處于本次和下次換相觸發(fā)時(shí)間之間，因此YAB觸發(fā)時(shí)間不變，CFPREV僅提早DAB的觸發(fā)時(shí)間，由配置CFPREV前的5.016 6 s提前到5.016 2 s，YAB和DAB觸發(fā)時(shí)間間隔由0.001 7 s變?yōu)?.001 3 s。DAB觸發(fā)后YAB還未結(jié)束換相，發(fā)生了雙橋共同換相。從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)雙橋共同換相后母線電壓幅值出現(xiàn)跌落，過(guò)零點(diǎn)前移，而本次換相過(guò)程YAB在該故障類(lèi)型下裕度最小，故換相電壓變化對(duì)YAB的影響很大。對(duì)比t2與t3可以發(fā)現(xiàn)前者比后者更早，即YAB還沒(méi)有結(jié)束，換相電壓已過(guò)零，這導(dǎo)致了YAB換相失敗。仿真的結(jié)果與理論分析一致。

3.3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

在逆變側(cè)母線處，設(shè)置不同故障時(shí)刻，A相經(jīng)不同過(guò)渡電感Lf發(fā)生接地短路故障和三相故障，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s。故障發(fā)生時(shí)間t以5.01 s為參考點(diǎn)，每隔1 ms做一組仿真。Lf分別取值為0～0.78 H和0～1.25 H。圖6為啟動(dòng)閾值Uset=0.04和0.05時(shí)換相情況對(duì)比。

圖6 改進(jìn)前后換相情況對(duì)比

從圖6可知，適當(dāng)降低啟動(dòng)閾值，CFPREV實(shí)際輸出時(shí)間能夠在本次換相裕度最小時(shí)不處于本次和下次換相觸發(fā)時(shí)間之間，從而避免雙橋共同換相導(dǎo)致本次換相過(guò)程發(fā)生新的換相失敗。在交流系統(tǒng)發(fā)生三相故障和單相故障時(shí)都有較好的改進(jìn)效果，并且沒(méi)有削弱CFPREV原本抵御換相失敗的能力。

圖7為A相短路故障發(fā)生在5.013 s且Lf為0.63 H時(shí)，CFPREV控制參數(shù)優(yōu)化前后相關(guān)電氣量和角度量的對(duì)比。在適當(dāng)降低啟動(dòng)閾值Uset后，CFPREV實(shí)際輸出時(shí)間提前到Y(jié)AB觸發(fā)脈沖到達(dá)之前，這使YAB提早到5.014 7 s觸發(fā)，DAB觸發(fā)時(shí)間依舊提前到5.016 2 s，兩個(gè)觸發(fā)時(shí)刻之間間隔比改進(jìn)前更大。雖然DAB的觸發(fā)角與改進(jìn)前相同，但是雙橋共同換相的時(shí)間減少，削弱了其帶來(lái)的不利影響。改進(jìn)后，uAB過(guò)零時(shí)間t2晚于YAB換相結(jié)束時(shí)間t3，成功避免了YAB換相失敗。上述仿真和分析驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性。

圖7 改進(jìn)前后電氣量和角度量的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了雙橋共同換相對(duì)直流系統(tǒng)換相的影響機(jī)理，分析了CFPREV控制參數(shù)不合理會(huì)加劇雙橋共同換相不利影響的原因，提出了考慮雙橋共同換相影響的CFPREV控制參數(shù)優(yōu)化策略。參數(shù)優(yōu)化后的CFPREV在不同的故障類(lèi)型下都能有效避免雙橋共同換相引起新的換相失敗，進(jìn)一步提升了直流系統(tǒng)抵御換相失敗的能力。

本文所提的改進(jìn)策略簡(jiǎn)單有效，針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。但是工程應(yīng)用時(shí)需要收集大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)確定優(yōu)化后的參數(shù)值，因此只能作為臨時(shí)的改進(jìn)措施，后續(xù)將圍繞如何精準(zhǔn)控制CFPREV實(shí)際輸出時(shí)間和限制CFPREV輸出量開(kāi)展進(jìn)一步研究。