一種抑制多饋入特高壓直流換相失敗的投旁通控制策略

張朝峰，張偉晨，饒宇飛，夏秋，李程昊，鮑超斌

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，鄭州市450052；2. 武漢啟亦電氣有限公司，武漢市430074)

0 引 言

特高壓直流 (ultra-high voltage direct current, UHVDC)輸電技術作為解決我國能源與負荷中心逆向分布問題的重要手段，因其具有輸送容量大、輸送距離遠、線路損耗小等優(yōu)點，已在我國電力系統(tǒng)建設中得到廣泛應用[1]。換相失敗是直流輸電線路的常見故障，多由逆變側交流系統(tǒng)短路故障引起[2]。據(jù)統(tǒng)計，自2004年至2018年底，國家電網(wǎng)有限公司直流輸電系統(tǒng)共發(fā)生換相失敗1 353次，每條直流系統(tǒng)年平均發(fā)生換相失敗9.1次，部分直流工程甚至超過15次/年[3-4]。換相失敗會導致直流電壓急劇下降，電流大幅變化，引發(fā)劇烈的無功波動，若不能及時控制，可能會引發(fā)后續(xù)換相失敗，導致直流輸送功率中斷和弱電網(wǎng)電壓崩潰等嚴重后果[5-6]。因此，換相失敗的抑制和故障后直流功率協(xié)調恢復措施是電網(wǎng)實際運行控制中要考慮的重要問題。

目前已有諸多關于換相失敗抑制及直流功率協(xié)調恢復措施的相關研究，可分為以下三大類：1)無功功率補償裝置布點、容量配置及投切控制的優(yōu)化[7-9]；2)對換流器拓撲結構進行改造[10-12]；3)改進直流控制策略[13-16]。安裝無功補償設備(如同步調相機和靜止無功補償裝置等)除成本較高外，還會增大交流系統(tǒng)短路電流越限的風險。對換流器的改造包括晶閘管特性優(yōu)化、在換流器上串并聯(lián)電容、電感及晶閘管等器件以降低換相失敗的風險。但受制于電壓等級、傳輸容量、技術難度等因素，其工程實用性有待進一步驗證[17]。對直流控制策略的改進主要在低壓限流(voltage depend current order limitation, VDCOL)算法和換相失敗預防控制(commutation failure prevention, CFPREV)算法的基礎上，從檢測判據(jù)、啟動閾值、響應特性等方面進行優(yōu)化[18]。文獻[19]針對多饋入直流系統(tǒng)的無功耦合特性對傳統(tǒng)的CFPREV[20]算法進行改進，設計了一種多饋入系統(tǒng)換相失敗預防協(xié)調控制策略。文獻[21]則通過差異化設置多饋入直流系統(tǒng)內各直流線路的CFPREV啟動門檻值以降低故障暫態(tài)過程中系統(tǒng)的無功波動。文獻[22]提出了一種基于關斷角判據(jù)的輸入信號自動切換的改進VDCOL模塊；文獻[23]提出一種根據(jù)受端交流電壓恢復程度調整VDCOL斜率的非線性控制方案。相比于前兩類方案，直流控制策略在經(jīng)濟性和可操作性上更具優(yōu)勢，因此在工程中得到了廣泛應用[17]。

投入旁通對是直流系統(tǒng)保護裝置的重要控制策略之一。當直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時，逆變側保護裝置動作后投入旁通對有助于達到快速停運直流輸電系統(tǒng)，隔離故障的目的[24]。而旁通對的有效性有賴于其投切控制的及時性和正確性。文獻[25]指出錯誤投旁通對將對直流系統(tǒng)的緊急停運或閉鎖造成不良影響，例如在極閉鎖時不投旁通對更有利于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻[26]對投旁通對策略進行優(yōu)化，避免了閥組出現(xiàn)過壓損壞的風險，加快保護裝置動作后閥組閉鎖的過程?，F(xiàn)有關于旁通對的研究多集中于其在直流故障中的應用，而關于旁通對在交流系統(tǒng)故障導致的換相失敗問題中的應用較少[27]。

本文通過對比分析在換相失敗情景下，投入旁通對前后特高壓直流系統(tǒng)送、受端電壓特性的變化，論證合理的旁通對投切可有效抑制換相失敗暫態(tài)過程引起的送端過電壓、受端低電壓問題，進而提出一種換相失敗后投旁通對的控制方法。以逆變閥組換相失敗及交流電壓跌落程度為旁通對控制的啟動判據(jù)，根據(jù)直流運行狀態(tài)對直流電流進行動態(tài)調節(jié)，根據(jù)受端交流系統(tǒng)恢復程度退出旁通對。最后基于河南電網(wǎng)在PSCAD/EMTDC建立仿真模型對所提控制策略進行驗證。

1 旁通對控制抑制換相失敗原理

1.1 旁通對原理

旁通對是指換流器中在同一橋臂上連接到同一交流相的2個閥所形成的旁通回路，如圖1所示。圖1中，晶閘管VT1、VT4形成一對旁通對，同理，晶閘管VT3、VT6及VT2、VT5分別形成一對旁通對。

正常運行時，由上下半橋分屬不同相的晶閘管導通構成回路，例如圖1(a)中的VT6—交流側B相—交流側C相—晶閘管VT5回路，經(jīng)過晶閘管依次通斷控制，在閥側形成三相交流電源。閥側交流電源通過一個換流變壓器間接與母線側交流電源連接，即換流變壓器兩端的交流電源之間有電流和功率的傳遞。

而旁通對的形成則導致閥側交流電源與母線側交流電源出現(xiàn)電氣隔離，即對應橋向交流母線的電流傳遞和功率傳遞中斷。以圖1(b)中與B相相連的VT6和VT3形成旁通對為例進行分析。圖1(b)中i1—i6分別為晶閘管VT1—VT6中的電流，而ia、ib、ic分別為經(jīng)過逆變形成的閥側三相交流電流?？刂芕T6和VT3形成旁通對期間，該6脈波橋中電流不再輪相更換，而是持續(xù)由圖1(b)中紅線所示的路徑流過，i6=i3在直流側形成自回路，相當于閥側電源的B相電位點被短路，同時A、C相電位點斷路，i4=i1=i2=i5=0。此時流向交流母線的閥側電流ia=ib=ic=0，相當于閥側電源與母線側電源被隔離開，沒有電流和功率聯(lián)系。旁通對投入后晶閘管電流與閥側電流如圖2所示，換流閥的無功吸收情況如圖3所示?？梢钥闯?，旁通對形成后，該換流器閉鎖，從換流母線吸取的無功功率下跌至零。

圖2 形成旁通對后的晶閘管電流與閥側電流波形

圖3 形成旁通對后換流閥吸收的無功功率

1.2 換相失敗對直流系統(tǒng)電壓特性的影響

受端交流系統(tǒng)短路故障可能導致?lián)Q流閥發(fā)生換相失敗。換相失敗后直流電壓下降，直流電流增大，交流系統(tǒng)穩(wěn)定性也受到極大影響。以一組故障仿真為例，分析換相失敗對于特高壓直流系統(tǒng)送、受端電壓特性的影響。圖4所示為CIGRE HVDC標準測試模型。其中整流側、逆變側交流系統(tǒng)短路比(short circuit ratio, SCR)均為2.5。在逆變側換流母線附近設置單相短路接地故障。故障開始時刻為1.0 s，持續(xù)時間為0.1 s，故障點與逆變側換流母線間的等值電抗值為0.1 H。需要說明的是，交流故障可能發(fā)生在系統(tǒng)中任何位置，其與待研究母線之間通過交流網(wǎng)絡形成間接的電氣聯(lián)系，同時交流線路主要呈感性阻抗，因此常用一個等值電感來描述故障與待研究母線之間的電氣聯(lián)系強度。電感值越小，則電氣距離越近，該故障對換流母線造成的影響越大，即所謂的故障(對待研究母線的影響)越嚴重；電感值越大則相反。

圖4 CIGRE HVDC標準測試模型主電路圖

圖5展示了逆變側各電氣量的變化曲線，其中Uiac為逆變側三相交流電壓瞬時值；IiY和IiD分別為逆變側Y橋和D橋的閥側交流電流測量值；Iid、Uid分別為逆變側直流電流和電壓。在故障發(fā)生后1.00 s至1.02 s，受逆變側換相失敗影響，直流電壓快速降低，直流電流激增，此時大電流流過受端換流閥，使換流閥從交流系統(tǒng)吸收大量無功功率，進一步加劇了受端交流系統(tǒng)低電壓和無功缺額，對受端電網(wǎng)交流電壓的恢復造成不利影響。在1.10 s后，接地故障清除，逆變側受端系統(tǒng)逐漸恢復穩(wěn)定。

圖5 逆變側部分電氣量響應曲線

圖6展示了整流側部分電氣量變化曲線。其中Urac為整流側三相交流電壓瞬時值；αr為整流側觸發(fā)角；Ird、Urd分別為整流側直流電流和電壓。換相失敗發(fā)生后，整流側電流控制器增大觸發(fā)角以抑制直流電流的上升；隨著觸發(fā)角的不斷增大，直流電壓隨之下降。由于送端直流控制調節(jié)特性，直流電流過調至接近0值，即流過換流器的電流很小，整流側換流閥消耗無功減少，交流系統(tǒng)無功大量過剩，造成送端電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓。

圖6 整流側部分電氣量響應曲線

綜上所述，受端系統(tǒng)短路故障造成逆變閥組發(fā)生換相失敗后，將導致受端電網(wǎng)低電壓和送端電網(wǎng)過電壓。在實際運行的電網(wǎng)中，送端電網(wǎng)過電壓將導致送端新能源機組無序脫網(wǎng)；而受端電網(wǎng)低電壓將影響受端電網(wǎng)故障清除后的電壓恢復，嚴重時可能造成弱電網(wǎng)電壓崩潰。

1.3 旁通對控制對換相失敗的影響分析

由1.2節(jié)分析可知，當逆變閥組發(fā)生換相失敗后，直流電壓降低，直流電流激增。若此時在逆變側投入旁通對，受端交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)將被阻隔開，換流變壓器中直流電流降至0，換流閥從受端交流系統(tǒng)中吸收的無功功率將急劇減少，受端母線低電壓問題得到改善，為系統(tǒng)恢復提供有利條件。而對于直流系統(tǒng)來說，當逆變側投入旁通對后，亦避免了受端系統(tǒng)擾動對直流電流造成的沖擊影響。同時整流側的直流電流維持在較高水平，使得整流側換流閥可持續(xù)穩(wěn)定地從送端交流系統(tǒng)吸收無功功率，從而改善送端交流系統(tǒng)暫時過電壓情況。

2 抑制換相失敗的旁通對控制策略

所設計的抑制換相失敗的投旁通對控制器如圖7所示。

該控制器啟動后，除了在相應的換流橋中形成旁通對外，將向整流、逆變兩側同時發(fā)出高電平觸發(fā)信號BPPO，對整流，逆變側的部分控制參數(shù)進行臨時調整，如圖7中標紅部分所示。在逆變側的控制系統(tǒng)中，VDCOL為低壓限流環(huán)節(jié)；Iord為直流電流指令值，Iord限幅幅值Io_min=0.55 pu，Io_max=1.00 pu；βinvI、βinvG分別為定電流控制和定熄弧角控制計算得到的越前觸發(fā)角指令；βinv為最終送往逆變側觸發(fā)系統(tǒng)越前觸發(fā)角指令。當逆變側控制系統(tǒng)檢測到旁通對控制信號BPPO為高電平時，對VDCOL環(huán)節(jié)控制參數(shù)進行調整，即提高故障期間VDCOL環(huán)節(jié)輸出下限值Io_min，避免因直流電流被過調至0而導致送端過電壓。如圖8所示，常規(guī)控制中Io_min=0.55 pu，旁通導通期間Io_min=0.80 pu。

圖7 旁通對控制基本控制結構

圖8 VDCOL工作曲線

在整流側控制系統(tǒng)中，Ird為整流側直流電流測量值；ar_ord為整流側觸發(fā)角指令值。整流側控制系統(tǒng)檢測到旁通對控制信號BPPO為高電平時，增加整流側觸發(fā)角限幅控制，限制觸發(fā)角上限αr_max為80°。當旁通對控制退出后，限幅指令延時30 ms退出。這樣做是為了避免逆變側換流閥恢復導通后，整流側觸發(fā)角指令為限制電流而持續(xù)增大，導致直流電流過低，整流側再次出現(xiàn)過電壓風險。

綜上所述，在旁通對控制期間對整流側和逆變側進行控制參數(shù)調整是為了解決暫態(tài)過程中送端過電壓問題。

投旁通對控制流程如圖9所示。其中，Ui為逆變側換流母線電壓有效值；Ui0為逆變側換流母線電壓零序分量。

圖9 旁通對控制流程

旁通對控制信號BPPO的生成分為兩部分：啟動信號生成和復位信號生成，如圖10所示。

圖10 旁通對控制信號生成環(huán)節(jié)

圖10中，換相失敗檢測模塊中的SY、SD分別代表換流器Y橋和D橋換相失敗檢測信號，Y橋和D橋的換相失敗檢測算法分別如式(1)和(2)所示[4]：

(1)

(2)

式中：Iidn為逆變側直流電流額定值。

當式(1)(或式(2))為真時，SY(或SD)輸出1；反之，SY(或SD)輸出0。圖10中，Ui_th為逆變側換流母線電壓有效值的檢測閾值；CO為旁通控制啟動信號；RES為旁通控制復位信號。啟動信號模塊中，當SY與SD均檢測出換相失敗發(fā)生，且換流母線電壓有效值Ui小于檢測閾值Ui_th時，則啟動信號CO輸出為1，投旁通控制信號BPPO為1?？刂破鞯膹臀恍盘柇h(huán)節(jié)分為換流母線電壓有效值檢測、換流母線電壓零序電壓檢測和旁通對導通時間TBPPO檢測環(huán)節(jié)。檢測條件為：

(3)

(4)

3 算例分析

在PSCAD/EMTDC中搭建河南特高壓直流多饋入系統(tǒng)仿真模型，其結構如圖11所示。其中，天中直流系統(tǒng)受端為常規(guī)的特高壓直流單端饋入結構，經(jīng)中州換流站500 kV母線接入交流電網(wǎng)。青?！幽?以下簡稱青豫)直流系統(tǒng)采用多端單層饋入結構，即將高端換流器I,IV和低端換流器II, III分別接入豫駐馬換流站內的兩個500 kV母線。為便于表述，將天中直流饋入點編號為母線1，將青豫直流高端饋入點編號為母線2，低端饋入點編號為母線3。受端交流系統(tǒng)由等效阻抗與電源構成的戴維寧模型進行等效替代。Zi和Si為各饋入點處的等效交流系統(tǒng)阻抗和電源；Zij為換流母線間聯(lián)絡通道的等值阻抗。

圖11 河南特高壓直流多饋入系統(tǒng)結構圖

考慮到直流逆變器正常運行時將從系統(tǒng)吸收大量無功功率，為避免投旁通可能造成的受端交流系統(tǒng)無功過剩，進而導致過電壓問題，僅將抑制換相失敗的投旁通控制器安裝于圖11所示直流系統(tǒng)1和直流系統(tǒng)2的正極直流線路中，負極直流線路仍采用原控制方式運行?？刂破髦心孀儌葥Q流母線電壓檢測閾值Ui_th設置為0.94 pu。

3.1 交流故障下控制器效果驗證

首先以三相接地短路故障為例，進行對稱故障下的控制器性能測試。在距離直流系統(tǒng)1逆變側換流母線電氣距離0.3 H處設置三相短路接地故障，故障開始時刻為0.800 s，持續(xù)0.100 s。在該工況情景下對比有無控制器時直流系統(tǒng)在換相失敗后的恢復效果。

圖12為直流系統(tǒng)1、直流系統(tǒng)2中高壓閥組的旁通對控制信號BPPO及其內部各控制信號。直流系統(tǒng)1正極高端閥組D橋、Y橋分別在0.805、0.807 s檢測出發(fā)生換相失敗，交流電壓檢測環(huán)節(jié)檢測出交流電壓在0.809 s下降至閾值，故直流系統(tǒng)1旁通對在0.809 s時導通，0.869 s時退出。直流系統(tǒng)2未檢測出發(fā)生換相失敗，旁通對未啟動。

圖12 旁通控制信號

圖13是旁通對措施投入前后，直流系統(tǒng)1的送端直流電流Ird及直流電流指令值Iord對比圖?？梢钥闯?，VDCOL下限值提升后，直流電流指令值提升至0.8 pu，送端直流電流在第一個振蕩周期內未出現(xiàn)斷流。

圖13 旁通控制投入前后直流系統(tǒng)1送端直流電流對比

圖14對比了投旁通控制前后，直流系統(tǒng)1在交流故障下送、受端的換流母線電壓有效值Ur、Ui及閥組吸收的無功功率Qr、Qi。圖14(c)中，在故障初期0.800 s至0.833 s內，受逆變側交流系統(tǒng)故障影響，逆變閥組換相失敗，向系統(tǒng)釋放大量無功功率，此階段圖14(a)中的逆變側母線電壓先降后升；而后在0.834 s至0.869 s內，換相失敗的晶閘管恢復正常工作，常規(guī)控制方式下?lián)Q流閥從交流系統(tǒng)吸收的無功功率明顯回升，交流電壓再次顯著降低。而旁通措施方式下，由于逆變側正極仍處于旁通狀態(tài)，正極閥組從系統(tǒng)吸收的無功功率仍處于低水平。而隨著負極直流電流逐漸恢復，負極閥組無功功率吸收增加，此時逆變側交流電壓總體下降但程度較輕，緩解了逆變側恢復過程低電壓問題。

圖14 旁通控制投入前后直流系統(tǒng)1母線電壓與閥吸收無功功率對比

圖14(d)中，受逆變側換相失敗后直流電流被過調至接近0的影響，整流側換流閥在0.802 s后向交流系統(tǒng)釋放大量無功功率。常規(guī)控制方式下，整流閥組將最大向交流系統(tǒng)釋放約2 000 MV·A無功功率；而在旁通措施方式下，換流閥組最大僅向交流系統(tǒng)釋放500 MV·A無功功率。因此在圖14(b)中，常規(guī)控制方式下的整流側母線電壓最高可達到1.12 pu；而旁通措施方式下，整流側母線電壓最高僅為1.08 pu?？梢钥闯雠酝ù胧┫拗扑投四妇€過電壓的效果顯著。

再以單相接地故障為例，進行不對稱故障下的控制器性能測試。0.4 s時在距離母線1電氣距離0.05 H的位置設置一持續(xù)時間為0.1 s的A相接地故障。圖15展示了該故障工況下旁通控制對直流系統(tǒng)1的控制效果。

圖15 單相接地故障下控制效果

由圖15(a)可看出，在滿足旁通對投入條件后，直流系統(tǒng)1逆變側的高端D橋在0.405 s至0.550 s之間被閉鎖，在此期間該換流器不再從交流系統(tǒng)吸取無功功率。因此，圖15(b)中紅線所示的旁通對控制下的逆變側換流器吸收的無功功率總額明顯低于常規(guī)控制。旁通對控制使交流故障引起的受端交流系統(tǒng)無功缺額情況得到了明顯的緩解，如圖15(c)中的紅線所示，逆變側換流母線低電壓問題得到了顯著改善。而根據(jù)圖15(d)，旁通對作用期間對直流電流整定值進行臨時調整可顯著改善直流電流被過調至0值的問題。VDCOL參數(shù)調整和整流側觸發(fā)角限幅對送端換流閥吸收無功的控制效果明顯，如圖15(e)中紅線所示，整流側換流閥吸收的無功功率增多，圖15(f)中送端過電壓問題也得到了明顯改善。

上述兩組實驗結果對本文所提的旁通對控制基本原理進行了驗證，即通過將部分逆變側換流閥閉鎖以限制受端無功功率消耗，進而緩解受端因無功功率缺額導致的低電壓問題；同時調整暫態(tài)期間直流電流整定值和整流側觸發(fā)角限幅以增大送端無功功率消耗，進而緩解受端因換流器斷流引發(fā)的過電壓問題。這種控制原理決定了其有效性不受交流故障類型影響，只要故障引發(fā)的電壓電流波動滿足了該控制策略的投入條件，控制器即可有效工作。同時需要說明的是，三相短路故障作為交流系統(tǒng)中發(fā)生概率較低也較為嚴重的短路故障，更容易出現(xiàn)觸發(fā)旁通控制的工況。而相比之下，單相故障和相間故障罕見出現(xiàn)能滿足旁通對觸發(fā)條件的工況。

3.2 單極與雙極投入旁通對控制效果對比

在如圖11所示的多饋入直流輸電系統(tǒng)中采用旁通措施，分別設置如下方案進行對照：1)僅在正極投入旁通對控制器(方案1)；2)正負極都投入旁通對控制器(方案2)。

在距離直流系統(tǒng)1逆變側換流母線電氣距離0.15 H處分別設置三相短路接地故障、兩相短路接地故障、相間故障和單相接地故障，故障開始時刻為0.800 s，故障持續(xù)0.100 s。在以上4組故障工況下，兩組方案旁通措施投退時間如表1所示。旁通對的退出時間受逆變側交流系統(tǒng)電壓恢復程度影響，表1中各種故障工況下方案2的旁通作用時間較方案1均有延長，由此可知，當正負極同時投入旁通控制器后，其交流系統(tǒng)電壓恢復速度較僅正極投入旁通控制器的恢復速度更慢。

表1 旁通對導通時間

下面以三相短路故障下兩組方案的仿真波形為例，對單極投入旁通對相較雙極投入更有利于系統(tǒng)恢復的原因進行分析。圖16比較了2種控制方案下逆變側換流母線電壓與換流閥吸收無功功率。如圖16所示，相比方案1，方案2旁通控制期間正負極旁通對同時導通，換流器向受端系統(tǒng)釋放更多無功功率，因此方案2中逆變側母線電壓較方案1有更大的提升。但是逆變側換流器過多釋放無功功率會導致受端系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓風險，如圖16 (b)所示，在0.83 s至0.90 s間，方案2的逆變側換流母線電壓有效值在1.15 pu以上，存在過電壓風險。

圖16 兩種控制方案下逆變側參數(shù)對比

圖17為2種控制方式下整流側參數(shù)對比。對于直流系統(tǒng)1，相比于方案1，方案2下旁通對導通時間更長，閥組從交流系統(tǒng)吸收更多無功功率，控制期間母線電壓峰值更低，電壓回落至額定值的速度更快。而當旁通對斷開后，直流電流下降，整流側閥組向交流系統(tǒng)釋放無功功率，此時方案2相比方案1中閥組無功功率釋放量更大，交流電壓的二次抬升峰值更高。而對于直流系統(tǒng)2來說，方案2下直流系統(tǒng)1整流側進一步釋放的無功功率加劇了其整流側過電壓問題。

由上述2組方案對比可知，在多饋入系統(tǒng)中，多回直流同時啟動旁通將會為交流系統(tǒng)帶來大量的無功功率盈余，對于嚴重故障點，盈余的無功功率則可有效緩解故障點附近的低電壓問題，但是對于故障遠端換流站，其母線電壓則可能出現(xiàn)大幅上升，面臨過電壓風險。采用單極直流投入旁通控制器的方法，在故障期間僅控制一極逆變閥組向交流系統(tǒng)釋放無功功率，不僅在一定程度上提升了逆變側交流電壓，同時也不至于使整流側交流系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓風險。

4 結 論

換相失敗是影響直流輸電安全穩(wěn)定運行的不利因素之一，本文基于旁通控制投入對換相失敗后直流輸電系統(tǒng)送、受端電壓特性影響的分析，提出一種抑制多饋入特高壓直流換相失敗的旁通對控制策略，得出如下結論：

1)通過原理分析得出，換相失敗后投旁通對可改善整流側過電壓風險、逆變側低電壓問題，為旁通措施控制器設計提供了理論依據(jù)。

2)提出了一種抑制換相失敗的旁通對控制策略，以逆變閥組換相失敗及交流電壓跌落程度為啟動判據(jù)投入逆變側旁通對，根據(jù)直流運行狀態(tài)對直流電流進行動態(tài)調節(jié)，最后根據(jù)受端交流系統(tǒng)恢復程度退出旁通對。

3)以河南多饋入直流輸電系統(tǒng)為例,仿真驗證了所提方法對換相失敗后整流側、逆變側交流電壓運行特性的提升效果，但是該方法一定程度上犧牲了直流功率恢復速度。