交流故障下高壓直流輸電系統(tǒng)同步觸發(fā)控制性能分析及改進(jìn)

吳秋媚，余震霄，傅 闖，文兆新，鄭睿娜，汪娟娟

（1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省廣州市 510641；2. 直流輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（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 510663；3. 云南電力調(diào)度控制中心，云南省昆明市 650011）

0 引言

基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、快速可控性優(yōu)點(diǎn)，在中國得到了廣泛應(yīng)用［1］。高壓直流控制系統(tǒng)對(duì)換流器的控制作用是通過同步觸發(fā)控制來實(shí)現(xiàn)的。

早期的同步觸發(fā)控制是通過與換相電壓波形直接進(jìn)行比較來確定各個(gè)閥的觸發(fā)時(shí)間［2］，在交流阻抗過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致諧波不穩(wěn)定問題。后來學(xué)者們提出分相觸發(fā)控制方式，但上述諧波不穩(wěn)定問題在弱系統(tǒng)中仍有發(fā)生。現(xiàn)有直流工程的同步觸發(fā)控制普遍采用由同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)環(huán)節(jié)組成的等間隔脈沖控制方式（又稱“等間隔觸發(fā)方式”），能夠有效避免諧波不穩(wěn)定的問題。

目前，世界上高壓直流輸電工程采用的同步觸發(fā)控制技術(shù)路線可歸納為如下2 種：

1）同步環(huán)節(jié)采用含環(huán)前濾波器和頻率跟蹤的鎖相環(huán)產(chǎn)生同步相位，且鎖相環(huán)在正常運(yùn)行方式和嚴(yán)重交流故障下通過故障檢測(cè)選擇不同的運(yùn)行狀態(tài)；觸發(fā)環(huán)節(jié)采用同步相位與觸發(fā)角指令直接比較的方式產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。此種技術(shù)路線的特點(diǎn)在于能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)同步相位，其典型代表為SIEMENS 的同步觸發(fā)控制。

2）同步環(huán)節(jié)采用常規(guī)同步參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)；觸發(fā)環(huán)節(jié)利用觸發(fā)角反饋量得出預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)等間隔觸發(fā)。另外，除正常觸發(fā)模塊外，還增設(shè)了交流故障觸發(fā)模塊。此技術(shù)路線更注重提高觸發(fā)環(huán)節(jié)的抗干擾能力，其典型代表為ABB 的同步觸發(fā)控制。

文獻(xiàn)［3-6］對(duì)這2 種技術(shù)路線的同步觸發(fā)控制進(jìn)行了比較全面的介紹，為深入研究高壓直流同步觸發(fā)控制提供了很好的參考。交流故障下?lián)Q相電壓的幅值和相位均會(huì)發(fā)生變化，同步觸發(fā)控制中鎖相環(huán)輸出的同步相位存在誤差，這影響到觸發(fā)脈沖序列的準(zhǔn)確性，進(jìn)而波及直流系統(tǒng)的性能。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)［7］提出了基于鎖相振蕩器的等相位間隔觸發(fā)控制，降低了換相電壓畸變對(duì)換流閥觸發(fā)的影響。文獻(xiàn)［8］通過引入快速鎖相環(huán)和改進(jìn)觸發(fā)環(huán)節(jié)來改善ABB 同步觸發(fā)控制的性能，有效地降低了換相失敗的發(fā)生概率。文獻(xiàn)［9］最早提出了最小換相裕度控制，通過三角形近似的方式來計(jì)算各換流閥的最小換相裕度。在實(shí)際直流工程中則通過實(shí)時(shí)積分計(jì)算換相電壓時(shí)間面積來預(yù)測(cè)換相裕度［10］?？紤]到換相電壓和直流電流的變化是增大逆變器換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的主要因素［11-15］，文獻(xiàn)［16］提出了基于換相電壓時(shí)間面積計(jì)算與預(yù)測(cè)的換相失敗抑制方法，能夠有效地抑制換相失敗的發(fā)生。

觸發(fā)脈沖的相位將對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響，過遲或過早的脈沖均不利于直流系統(tǒng)的恢復(fù)［17］。交流故障下，觸發(fā)角相位可能與觸發(fā)角指令存在偏差，而同步觸發(fā)控制在交流故障下的準(zhǔn)確觸發(fā)是保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，對(duì)交流故障下同步觸發(fā)控制的性能進(jìn)行剖析，并進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

然而，目前鮮有學(xué)者對(duì)各同步觸發(fā)控制在交流故障下的工作原理進(jìn)行研究，更缺少對(duì)各同步觸發(fā)控制故障特性及性能的對(duì)比分析。本文首先系統(tǒng)地分析了2 種典型同步觸發(fā)控制方案（SIEMENS 和ABB）的工作原理。然后，對(duì)兩者在交流故障下的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，并歸納總結(jié)了2 種同步觸發(fā)控制的異同點(diǎn)，結(jié)合它們各自的優(yōu)勢(shì)提出了改進(jìn)型同步觸發(fā)控制，并搭建小信號(hào)模型和進(jìn)行階躍響應(yīng)對(duì)比。最后，在CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型和實(shí)際高壓直流輸電工程模型中對(duì)分別采用SIEMENS、ABB 和改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

1 SIEMENS 同步觸發(fā)控制基本原理

SIEMENS 同步觸發(fā)控制的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，包括同步和觸發(fā)2 個(gè)環(huán)節(jié)，其中：同步環(huán)節(jié)由帶環(huán)前濾波器的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)；觸發(fā)環(huán)節(jié)將同步相位與觸發(fā)角指令進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。圖1 中：vac、vba、vcb為換流母線處對(duì)應(yīng)的線電壓；vα和vβ為αβ坐標(biāo)系下的2 個(gè) 電 壓 分 量；v+α和v+β為αβ坐 標(biāo) 系 下2 個(gè) 電 壓 的 基頻正序分量；θ、θcomp、θPLL分別為基頻正序相位、硬件等造成的相位延遲和同步相位；kp和ki分別為環(huán)路濾波器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；ω0為固有中心頻率；Ts為采樣周期；αord為來自極控制的觸發(fā)角指令值。

圖1 SIEMENS 同步觸發(fā)控制的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of SIEMENS synchronous firing control

1.1 同步環(huán)節(jié)

在SIEMENS 同步環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)中，除了鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器外，還增設(shè)了環(huán)前濾波器、交流故障檢測(cè)和頻率跟蹤器。輸入信號(hào)為采樣后的電壓信號(hào)，通過Clark 變換到靜止αβ坐標(biāo)系下，接著采用滑動(dòng)平均濾波器（αβ-MAF）提取基頻正序電壓分量，然后通過反正切獲得θ，再將θ與壓控振蕩器輸出的θPLL作差輸出相位誤差信號(hào)，即鑒相器的輸出信號(hào)。由于閉環(huán)反饋的調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)下的相位誤差最終為0，即同步相位信號(hào)精確跟蹤輸入電壓的相位，實(shí)現(xiàn)鑒相的功能。上述鑒相過程中，頻率跟蹤器利用檢測(cè)的θ對(duì)Ts進(jìn)行調(diào)節(jié)［6］。

環(huán)路濾波器的輸入受到故障檢測(cè)的控制，正常運(yùn)行工況下，故障檢測(cè)將鑒相器輸出的相位誤差信號(hào)輸送到環(huán)路濾波器，此時(shí)鎖相環(huán)處于閉環(huán)同步狀態(tài)，跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位；交流故障發(fā)生后，當(dāng)檢測(cè)到交流電壓幅值跌落至0.1 p.u.及以下時(shí)，判斷故障發(fā)生，并將環(huán)路濾波器的輸入置為0，此時(shí)鎖相環(huán)處于開環(huán)同步狀態(tài)，跟蹤故障檢測(cè)動(dòng)作前的電網(wǎng)頻率和相位，不受后續(xù)頻率和相位變化的影響。這2 種同步狀態(tài)的小信號(hào)模型如附錄A 圖A1 所示［6］。故障切除后，當(dāng)檢測(cè)到交流電壓幅值恢復(fù)至0.15 p.u.及以上時(shí)，判斷故障切除，再次將鑒相器輸出的相位誤差信號(hào)輸送到環(huán)路濾波器，重新回到閉環(huán)同步狀態(tài)。圖A1中αβ-MAF 的窗口時(shí)長取0.02 s，則αβ-MAF 轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系后的傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

式中：s為拉普拉斯算子。

當(dāng)故障檢測(cè)的控制使得SIEMENS 同步環(huán)節(jié)切換為開環(huán)狀態(tài)時(shí)，其工作點(diǎn)能夠從原穩(wěn)定點(diǎn)快速向新穩(wěn)定點(diǎn)轉(zhuǎn)移，即該轉(zhuǎn)換過程不會(huì)影響同步環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。

故障切除后，SIEMENS 同步環(huán)節(jié)由開環(huán)同步狀態(tài)轉(zhuǎn)換到閉環(huán)同步狀態(tài)時(shí)，同步環(huán)節(jié)將進(jìn)入暫態(tài)調(diào)整過程，其工作點(diǎn)從新穩(wěn)定點(diǎn)逐漸向原穩(wěn)定點(diǎn)過渡，最終回到原穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。

1.2 觸發(fā)環(huán)節(jié)

2 ABB 同步觸發(fā)控制基本原理

2.1 同步環(huán)節(jié)

ABB 同步環(huán)節(jié)由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成，未增設(shè)環(huán)前濾波器等其他功能，但在環(huán)路濾波器的比例環(huán)節(jié)后面增設(shè)了一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。鑒相器通過Clark 變換和Park 變換輸出相位誤差信號(hào)，作為環(huán)路濾波器的輸入。

無論系統(tǒng)處于何種工況，ABB 同步環(huán)節(jié)一直處于閉環(huán)同步狀態(tài)，文獻(xiàn)［6］已對(duì)該同步環(huán)節(jié)作了詳細(xì)介紹，在此不再贅述。

2.2 觸發(fā)環(huán)節(jié)

由圖2 可知，ABB 觸發(fā)環(huán)節(jié)中EPC 的內(nèi)部由同步觸發(fā)角計(jì)算、角度反饋量計(jì)算和預(yù)測(cè)觸發(fā)時(shí)間等環(huán)節(jié)組成［6］，形成了觸發(fā)角反饋結(jié)構(gòu)。交流故障下的輔助控制包括：為保證晶閘管換相裕度而在逆變側(cè)設(shè)置的最小換相裕度控制（AMC）；為防止換流閥在正常點(diǎn)火后的15°電角度對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)未導(dǎo)通而設(shè)置的緊急觸發(fā)控制（EMG）。另外，換流閥限制包括：為滿足晶閘管觸發(fā)要求的在整流側(cè)設(shè)置的最小導(dǎo)通電壓限制（VML）；為防止逆變側(cè)進(jìn)入整流狀態(tài)而在逆變側(cè)設(shè)置的最小觸發(fā)角限制（AML）。

圖2 ABB 同步觸發(fā)控制的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of ABB synchronous firing control

ABB 觸發(fā)環(huán)節(jié)各組成部分間的邏輯關(guān)系如附錄A 圖A2 所示，其中，逆變側(cè)和整流側(cè)的觸發(fā)邏輯關(guān)系是相互獨(dú)立的。

在正常工況下，觸發(fā)環(huán)節(jié)總是按照EPC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，相鄰2 個(gè)觸發(fā)脈沖間的相位間隔為30°，每一次觸發(fā)脈沖發(fā)出后被展寬120°后分配給相應(yīng)的換流閥。其具體工作原理在文獻(xiàn)［6］中已有詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。式（2）、式（3）和式（4）分別表示EPC 中同步觸發(fā)角計(jì)算、角度反饋量計(jì)算和預(yù)測(cè)觸發(fā)時(shí)間環(huán)節(jié)的計(jì)算過程。

3 同步觸發(fā)交流故障響應(yīng)性能對(duì)比及改進(jìn)分析

在交流故障下2 種同步觸發(fā)控制的同步和觸發(fā)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)各不相同。下面分別從同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)環(huán)節(jié)2 個(gè)方面進(jìn)行分析，并基于分析的結(jié)論提出一種改進(jìn)型同步觸發(fā)控制。

3.1 同步環(huán)節(jié)的分析對(duì)比

1）2 種同步環(huán)節(jié)組成部分和運(yùn)行狀態(tài)的差異

SIEMENS 和ABB 的同步環(huán)節(jié)均由鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。但SIEMENS 同步環(huán)節(jié)還增設(shè)了環(huán)前濾波器和頻率跟蹤器，同時(shí)，其鎖相環(huán)路也會(huì)受到故障檢測(cè)的控制，在嚴(yán)重交流故障下運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力；而ABB 同步環(huán)節(jié)采用了常見的鎖相環(huán)，且總是運(yùn)行在閉環(huán)狀態(tài)。

2）2 種同步環(huán)節(jié)濾波性能和動(dòng)態(tài)性能的差異

SIEMENS 和ABB 的同步環(huán)節(jié)分別依賴于各自鎖相環(huán)的濾波性能和鎖相性能，其中，前者設(shè)置了環(huán)前αβ-MAF，具有良好的濾波能力，因此環(huán)路濾波器參數(shù)可以適當(dāng)增大；而ABB同步環(huán)節(jié)只能依賴環(huán)路濾波器進(jìn)行濾波。SIEMENS 鎖相環(huán)傳遞函數(shù)GS，PLL（s）和ABB 鎖相環(huán)傳遞函數(shù)GA，PLL（s）分別如下：

進(jìn)而可繪出2 個(gè)同步環(huán)節(jié)的幅頻特性曲線，如附錄A 圖A3 所示。可以看到，SIEMENS 同步環(huán)節(jié)由于環(huán)前濾波器的存在具有強(qiáng)濾波能力，能夠?yàn)V除dq坐標(biāo)系下除直流以外的所有整數(shù)次諧波，而ABB同步環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較SIEMENS 同步環(huán)節(jié)緩慢。

附錄A 圖A4 展示了2 種同步環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，圖A5 展示了2 種同步環(huán)節(jié)的頻率階躍（即相位斜坡）響應(yīng)曲線，2 類曲線也都表明了SIEMENS同步環(huán)節(jié)在快速響應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)。

3.2 觸發(fā)環(huán)節(jié)的分析對(duì)比

1）2 種觸發(fā)環(huán)節(jié)組成部分和運(yùn)行狀態(tài)的差異

SIEMENS 觸發(fā)環(huán)節(jié)是將同步相位逐次移相后，分別與來自極控制的αord進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相交時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。這種直接比較相位的方式為開環(huán)結(jié)構(gòu)，又因受相位調(diào)制被稱為脈沖相位控制。

2）2 種觸發(fā)脈沖生成的快速性和等距性對(duì)比

SIEMENS觸發(fā)環(huán)節(jié)總為開環(huán)方式。假定由同步環(huán)節(jié)得到的同步相位是準(zhǔn)確的，那么觸發(fā)脈沖的生成僅取決于αord，當(dāng)αord較小時(shí)，生成觸發(fā)脈沖相對(duì)較早。

在ABB 觸發(fā)環(huán)節(jié)中，當(dāng)輔助控制作用時(shí)，預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間不僅受αord影響，還會(huì)受到換相電壓和直流電流的影響，其在交流故障下提前生成觸發(fā)脈沖的概率更大。

假定即將導(dǎo)通閥對(duì)應(yīng)的換相電壓瞬時(shí)值為Uac，msin(ωt-ωt0)，其中，ωt為實(shí)時(shí)相位，ωt0為此換相電壓最近正向過零點(diǎn)的相位。根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻相位ωtα及 其 對(duì) 應(yīng) 的 換 相 電 壓 瞬 時(shí) 值utα得 到 預(yù) 測(cè) 換 相 裕度面積Sm的表達(dá)式為［10］：

式中：上標(biāo)“*”表示取標(biāo)幺值；ωtαord為與αord對(duì)應(yīng)的相位；Xt為 等 值 電 抗；UVL，RMS為 換 流 母 線 的 線 電 壓 轉(zhuǎn)換到閥側(cè)的有效值。式（9）成立時(shí)，ABB 同步觸發(fā)控制會(huì)按照AMC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行觸發(fā)。

在故障初期極控制來不及對(duì)αord進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，由附錄A 圖A7 可以看到，αord仍保持在141°，若d取值位于曲線右上部分，觸發(fā)環(huán)節(jié)采用AMC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間產(chǎn)生觸發(fā)脈沖；當(dāng)Id＞1.167 p.u.時(shí)，為保證最小換相裕度，觸發(fā)環(huán)節(jié)采用AMC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間提前觸發(fā)。由于故障前系統(tǒng)總是處于額定運(yùn)行狀態(tài)，可以看到在額定直流電流處，當(dāng)換相電壓跌落超過0.094 p.u.時(shí)，若仍以原始αord進(jìn)行觸發(fā)，則無法滿足需要的換相裕度，故此時(shí)同步觸發(fā)控制按照AMC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間提前觸發(fā)，以增大換相裕度。

綜合以上對(duì)SIEMENS 和ABB 觸發(fā)環(huán)節(jié)的分析可知，當(dāng)極控制還來不及對(duì)αord完成調(diào)整時(shí)，SIEMENS 觸發(fā)環(huán)節(jié)無法及早地產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，換相裕度無法得到保證。而ABB 觸發(fā)環(huán)節(jié)受到AMC等交流故障下的輔助控制的作用，能夠及時(shí)地產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，盡可能地保持足夠的換相裕度，減小換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

在觸發(fā)脈沖的等距性方面，SIEMENS 觸發(fā)環(huán)節(jié)生成的觸發(fā)脈沖取決于各閥對(duì)應(yīng)換相電壓的同步相位與觸發(fā)角指令的比較，而觸發(fā)角指令相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，任意相鄰2 個(gè)同步相位間的相位差都是30°，所以觸發(fā)脈沖的等距性總能滿足。

ABB 同步觸發(fā)控制在正常觸發(fā)方式下采用EPC，觸發(fā)脈沖的等距性總能滿足。在交流故障下，為了避免弱交流系統(tǒng)中出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，AMC 預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間被采用后，觸發(fā)環(huán)節(jié)進(jìn)入“對(duì)稱化功能”觸發(fā)階段［10］，盡可能地保證了觸發(fā)脈沖的等間隔性。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入故障準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或故障切除后穩(wěn)態(tài)時(shí)，AML 被滿足，換相裕度大于SREF時(shí)，ABB 同步觸發(fā)控制以閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等間隔觸發(fā)，進(jìn)而保證了故障前后同步觸發(fā)控制的穩(wěn)定性。而針對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)階段或電壓嚴(yán)重跌落使得EMG 在多個(gè)換相周期內(nèi)持續(xù)啟動(dòng)的情況，由于EMG 作為開環(huán)控制總是將正常點(diǎn)火時(shí)間后的15°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為預(yù)測(cè)的觸發(fā)時(shí)間，觸發(fā)脈沖相位間隔的等距性仍被滿足；當(dāng)電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，ABB 同步觸發(fā)控制為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠繼續(xù)保持等間隔觸發(fā)，因此穩(wěn)定性總是可以滿足。

3.3 改進(jìn)型同步觸發(fā)控制

根據(jù)上述對(duì)比分析可知，ABB 同步觸發(fā)控制的觸發(fā)環(huán)節(jié)具有高度的靈敏度和快速性，但是其相位基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性還是受限于其同步環(huán)節(jié)，這會(huì)使得系統(tǒng)抑制后續(xù)換相失敗的免疫性能變差，因此，將ABB 同步觸發(fā)控制中的ABB 鎖相環(huán)替換為SIEMENS 鎖相環(huán)，形成改進(jìn)型同步觸發(fā)控制，進(jìn)而充分發(fā)揮觸發(fā)環(huán)節(jié)的快速準(zhǔn)確響應(yīng)性能，其具體結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of improved synchronous firing control

因此，可建立改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的小信號(hào)模型如圖4 所示，其中：ΔθAC為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)（電壓相位變化量）；ΔθPLL為鎖相環(huán)的輸出信號(hào)（同步相位變化量）；ΔαPLL、ΔθPLL0、ΔθP、ΔαPCO、Δφ分別為同步觸發(fā)角、鎖相環(huán)相位、觸發(fā)脈沖相位、相控振蕩觸發(fā)角、觸發(fā)脈沖相位間隔對(duì)應(yīng)的變化量；Δαmeas和Δαord分別為觸發(fā)角測(cè)量值和指令值的變化量。z-1=e-sT30，代表時(shí)域中的滯后環(huán)節(jié)，將信號(hào)延遲T30（30°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間）。

圖4 改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的小信號(hào)模型Fig.4 Small-signal model of improved synchronous firing control

進(jìn)而可以得到觸發(fā)角傳遞函數(shù)Gα(z)和相位傳遞函數(shù)Gθ(z)：

根據(jù)朱利穩(wěn)定判據(jù)，可得改進(jìn)型同步觸發(fā)控制穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)范圍為：

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，選取kp=314，ki=3 140，k=0.05。此時(shí)，由傳遞函數(shù)可以得到觸發(fā)角階躍和輸入電壓的相位階躍時(shí)的響應(yīng)情況，并與SIEMENS 和ABB 同步觸發(fā)控制的響應(yīng)情況［6］進(jìn)行對(duì)比，具體如附錄A 圖A8 所示，其中，αmeas和φ分別為觸發(fā)角和觸發(fā)脈沖相位間隔的測(cè)量值?？梢钥吹?，由于改進(jìn)型同步控制的觸發(fā)環(huán)節(jié)與ABB 同步觸發(fā)控制相同，當(dāng)αord發(fā)生階躍變化時(shí)，兩者的響應(yīng)曲線基本重合。當(dāng)相位發(fā)生跳變時(shí)，改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的觸發(fā)角測(cè)量值進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間較ABB 同步觸發(fā)控制短得多，可見改進(jìn)型同步觸發(fā)控制結(jié)合了SIEMENS 同步環(huán)節(jié)強(qiáng)濾波和快速鎖相的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持了ABB 同步觸發(fā)控制能夠等距性觸發(fā)的特點(diǎn)。

4 仿真測(cè)試

考慮到在直流工程模型中換流閥同步觸發(fā)控制部分總是封裝的，首先在PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)中分別搭建2 種同步觸發(fā)控制，然后在相同的交流故障工況下對(duì)所搭建的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證；然后，將所搭建的模型分別應(yīng)用在CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型［18］和直流工程模型中，進(jìn)而對(duì)SIEMENS、ABB 和改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的故障響應(yīng)性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

4.1 模型驗(yàn)證

仿真模型為±500 kV 貴廣2 直流輸電工程，兩側(cè)交流系統(tǒng)短路比均為10.5，額定輸送功率為3 000 MW，原工程采用的是SIEMENS 技術(shù)路線。

在PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)中搭建了SIEMENS 同步觸發(fā)控制后，考慮到高壓線路單相故障發(fā)生概率占70%以上［19］，設(shè)置貴廣2 直流工程模型的逆變側(cè)換流母線在3.0 s 時(shí)發(fā)生故障過渡電感為0.5 H、持續(xù)時(shí)間為0.1 s 的單相接地短路故障，此時(shí)換相電壓的幅值跌落至0.88 p.u.。分別采用封裝好的同步觸發(fā)控制模塊與搭建的SIEMENS同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)直流電壓Ud、直流電流Id、關(guān)斷角γ、觸發(fā)脈沖相位間隔φ曲線如附錄A 圖A9 所示。可以看到，采用搭建的SIEMENS 同步觸發(fā)控制的直流系統(tǒng)與原始直流工程模型系統(tǒng)的故障響應(yīng)曲線基本重合，顯然驗(yàn)證了所搭建的SIEMENS 同步觸發(fā)控制模塊的正確性。此外，對(duì)于其他故障類型也進(jìn)行了測(cè)試，兩者無統(tǒng)計(jì)意義上的差異。

三峽—上海直流工程（3GS）模型也是一個(gè)±500 kV的直流額定電流為3 kA、整流側(cè)和逆變側(cè)短路比均為10.5 的仿真模型，原工程采用的是ABB 技術(shù)路線。同理，分別采用封裝好的同步觸發(fā)控制模塊與搭建的ABB 同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，同樣可以驗(yàn)證兩者在輸出觸發(fā)脈沖的等效性。

因此，后續(xù)采用所搭建的SIEMENS 和ABB 同步觸發(fā)控制來進(jìn)行對(duì)比是可行的。

4.2 仿真對(duì)比

為驗(yàn)證改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的效果，首先在CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型中分別采用上述3 種工程用同步觸發(fā)控制進(jìn)行仿真測(cè)試。將采用了改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)稱為“改進(jìn)系統(tǒng)”，將采用了SIEMENS 同步觸發(fā)控制和ABB 同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)分別稱為“SIEMENS 系統(tǒng)”和“ABB 系統(tǒng)”。

當(dāng)逆變側(cè)交流母線A 相發(fā)生接地電感為0.05 H、持續(xù)時(shí)間為0.1 s 的接地故障時(shí)，采用各種同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)的仿真結(jié)果如附錄A 圖A10 所示。此時(shí)，交流母線處故障相電壓跌落至0.05 p.u.，SIEMENS 系統(tǒng)的故障檢測(cè)沒有動(dòng)作?？梢钥吹剑飨到y(tǒng)均發(fā)生了首次換相失敗，其中SIEMENS 系統(tǒng)還發(fā)生了后續(xù)換相失敗。ABB 系統(tǒng)中逆變側(cè)的AMC 在故障初期、故障切除后及系統(tǒng)恢復(fù)過程均會(huì)起作用。但由于ABB 同步環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度慢且超調(diào)量較大，在恢復(fù)階段仍存在較大后續(xù)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。而改進(jìn)系統(tǒng)在AMC 的作用下，保持了及時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖以盡可能地保證換相裕度的優(yōu)點(diǎn)，還在快速鎖相環(huán)的作用下有效增大了恢復(fù)階段的關(guān)斷角，進(jìn)而減小系統(tǒng)發(fā)生后續(xù)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)逆變側(cè)交流母線處發(fā)生接地電感為0.05 H、持續(xù)時(shí)間為0.1 s 的三相短路故障時(shí)，各系統(tǒng)的仿真結(jié)果如附錄A 圖A11 所示。此時(shí)交流電壓跌落至0.3 p.u.?？梢钥吹剑? 個(gè)系統(tǒng)均發(fā)生了首次換相失敗，SIEMENS 系統(tǒng)還發(fā)生了后續(xù)換相失敗。而ABB 系統(tǒng)和改進(jìn)系統(tǒng)避免了故障持續(xù)期間后續(xù)換相失敗的發(fā)生，但是ABB 系統(tǒng)在恢復(fù)階段的關(guān)斷角有大幅減小的趨勢(shì)，而改進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)斷角此時(shí)基本恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)，可見改進(jìn)系統(tǒng)的恢復(fù)性能更優(yōu)。

為了貼近工程實(shí)際，進(jìn)一步基于3GS 直流工程模型，對(duì)分別采用了SIEMENS、ABB 和改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的系統(tǒng)進(jìn)行故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s 的仿真測(cè)試。

當(dāng)逆變側(cè)交流母線處發(fā)生接地電阻為2.3 Ω、交流電壓跌落至0.45 p.u.的單相短路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的直流電壓Ud、直流電流Id、關(guān)斷角γ和換流變壓器閥側(cè)電流IY的運(yùn)行曲線如圖5 所示。

圖5 單相故障的仿真對(duì)比結(jié)果(3GS 模型)Fig.5 Simulation and comparison results with singlephase fault (3GS model)

由圖5 可以看出，各個(gè)系統(tǒng)均發(fā)生了首次換相失敗。其中，ABB 系統(tǒng)在7.036 s 時(shí)還發(fā)生了后續(xù)換相失敗，SIEMENS 系統(tǒng)甚至還發(fā)生了2 次后續(xù)換相失敗，而采用了改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的改進(jìn)系統(tǒng)沒有發(fā)生后續(xù)換相失敗，有效地抑制了后續(xù)換相失敗的發(fā)生，由Ud和γ曲線可以看出，改進(jìn)系統(tǒng)的故障恢復(fù)性能更優(yōu)。因此，通過提高同步環(huán)節(jié)的快速鎖相性能夠提高系統(tǒng)的故障支撐能力，也驗(yàn)證了本文分析內(nèi)容的正確性。

附錄A 圖A12 展示了當(dāng)逆變側(cè)交流母線處發(fā)生接地電阻為1.5 Ω、交流電壓跌落至0.3 p.u.的三相短路故障時(shí)對(duì)應(yīng)的仿真曲線。此時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)均發(fā)生了首次換相失敗，且在故障期間存在較長時(shí)間的斷流工況。由關(guān)斷角的曲線可以看到，改進(jìn)系統(tǒng)在首次換相失敗后進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的速度更快。同時(shí)，由Ud和Id曲線來看，三相對(duì)稱故障下，強(qiáng)系統(tǒng)的換相電壓相位偏移通常較小，采用改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的優(yōu)化效果不明顯，但也不會(huì)惡化系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)語

本文研究得到如下主要結(jié)論：

1）SIEMENS 同步觸發(fā)控制的同步環(huán)節(jié)采用了含環(huán)前濾波器的快速鎖相環(huán)，在嚴(yán)重交流故障下運(yùn)行在開環(huán)同步狀態(tài)，保證同步觸發(fā)的連續(xù)性工作；ABB 同步觸發(fā)控制除了正常觸發(fā)方式下的等間隔控制觸發(fā)方式，還包含了最小換相裕度控制、換流閥最小觸發(fā)角限制、換流閥最小導(dǎo)通電壓限制和緊急觸發(fā)控制等在內(nèi)的交流故障輔助方式。

2）在CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型和3GS 直流工程模型中對(duì)改進(jìn)型同步觸發(fā)控制進(jìn)行了仿真測(cè)試。結(jié)果表明，改進(jìn)型同步觸發(fā)控制的故障穿越能力與故障恢復(fù)性能較SIEMENS 和ABB 同步觸發(fā)控制系統(tǒng)更強(qiáng)。

本文提出的改進(jìn)型同步觸發(fā)控制采用簡單的組合改進(jìn)方法，缺乏更有針對(duì)性的改進(jìn)策略，在強(qiáng)交流系統(tǒng)的三相故障下優(yōu)化效果不夠明顯，但奠定了今后改進(jìn)同步觸發(fā)控制的研究方向：1）提高SIEMENS 同步觸發(fā)控制中故障檢測(cè)的快速性，同時(shí)配合更具有針對(duì)性的開環(huán)緊急觸發(fā)方式；2）提高ABB 同步觸發(fā)控制中鎖相環(huán)的響應(yīng)速度，或結(jié)合開環(huán)同步狀態(tài)的鎖相過程等。

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