基于单相锁相环的高压直流分相触发相位控制

王子民, 汪娟娟, 傅 闯, 李子林, 黄梦华

(1. 华南理工大学电力学院, 广东省广州市 510640; 2. 中国南方电网科学研究院有限责任公司, 广东省广州市 510080)

0 引言

换流器触发相位控制是高压直流(HVDC)系统用于改变换流阀开通时刻,实现对系统运行状态进行调节的控制环节,是控制系统分层结构的基础[1-2]。早期直流工程采用基于过零点检测的分相触发技术,也称为按相触发或等触发角触发,这是第一代触发相位控制技术。该触发控制中每个换流阀各自有其单独的触发相位控制电路,通过与换相电压波形直接进行比较确定各阀的触发时间[3]。系统发生故障时换相电压将会产生畸变,甚至出现多次过零点,导致过零点检测受到较大干扰,尤其是在交流系统强度较弱时,可能引发谐波不稳定现象[2-3]。为解决上述问题,文献[4]提出了基于锁相振荡器的等间隔触发技术[4],这是第二代触发相位控制技术。该触发控制中换流器只装有一套触发相位控制电路,根据三相锁相环的输出相位发出等间隔的触发脉冲信号序列,目前世界上在运行的HVDC输电工程均采用了这种触发方式。等间隔触发下各个换流阀的触发角不能单独控制,换流器控制自由度降低,不对称故障下各阀的实际触发角存在差别,其中实际触发角较大的换流阀发生换相失败的概率增大,同时系统无法对交直流侧谐波进行主动控制。中国已投运和在建的直流输电线路超过30条,居世界首位,直流输电已成为中国大电网安全稳定运行的关键因素[5-8],直流系统对交流故障支撑能力的提升以触发相位控制技术为基础,因此有必要研究新一代触发相位控制技术。

文献[9-10]介绍了分相触发和等间隔触发的原理以及与之配合的极控制级控制策略,并给出了当直流系统联于弱交流系统时,两种触发方式的适用范围,但当时的研究受限于分析理论和仿真工具的不足,缺乏对触发相位控制影响的解析定量分析。文献[11]研究了分相控制在配电网静止同步补偿器中的应用,文章采用静止坐标系下的分相控制策略,实现补偿模式的灵活性选择。文献[12]通过加入采样频率动态调整等环节提高锁相环频率跟踪性能,在实现触发脉冲精确控制方面取得了一定效果。总体而言自20世纪90年代以来,关于HVDC触发相位控制的研究较少。

为了进一步提升HVDC控制系统的整体性能,针对现有触发方式的不足,提出一种新的基于单相锁相环(SPLL)的HVDC分相触发方案,并在PSCAD/EMTDC中利用国际大电网会议(CIGRE)HVDC输电标准测试模型对其性能进行仿真测试。

1 触发方式对换流器导通特性影响分析

1.1 不对称故障下换相电压的相位偏移

这里以交流系统发生单相接地故障为例,分析不对称故障对换相电压相位的影响。设故障发生在A相,故障接地阻抗为Zf,此时故障边界条件为:

(1)

由三相相量与对称分量的变换关系解得[13]:

(2)

假设Eeq=1(标幺值),换流变压器变比k=1。由于换流变压器的接线方式使得其二次侧通常不含零序分量,因此忽略零序分量,由式(2)得换流变阀侧三相电压为:

(3)

考虑网络正负序阻抗相等,得到换相电压的表达式为:

(4)

对于高压交流电网,阻抗中的感抗分量通常比电阻大一个数量级,因此假设网络序阻抗和接地短路阻抗均为纯感性,则换相电压相位为:

(5)

由式(5)可知,当交流系统A相发生接地故障时,换相电压Vfac相位较正常时滞后,Vfba相位超前,Vfcb相位保持不变。不对称故障导致的换相电压相位偏移会对不同触发相位控制方式下触发脉冲的产生过程及其实际触发效果产生不同影响。

1.2 换流器触发导通过程

由上一小节的分析可知,当交流系统发生不对称故障时,换相电压相位会发生偏移。等间隔触发下,假定锁相环可以保持对正序电压相位的锁定,此时触发脉冲P的相位如图1(a)所示。

图1 不对称故障下的触发脉冲Fig.1 Firing pulses under asymmetrical fault

其中θ为三相电压同步参考相位,虚线和实线分别表示对称工况和不对称工况下各换相电压的相位φ,α为触发角指令值。根据换相电压的相位偏移量,对触发角指令值进行修正后得到各阀的有效触发角αe为[14]:

(6)

式中：Δφ为换相电压相位较正常时滞后的角度。由式(6)可知,此时各换流阀的有效触发角不相等,并且当换相电压相位滞后角度超过触发角指令值时,由于触发脉冲到来时换流阀两端的正向电压尚未建立,换流阀必须等到正向电压建立时刻才能导通,此时阀开通时刻不等于触发脉冲到来时刻,各阀开通时刻也不等间隔。

交流系统三相对称时,分相触发与等间隔触发提供的触发脉冲相位相同,两种触发完全等效;而在三相不对称时,分相触发下的触发脉冲如图1(b)所示,此时尽管换相电压相位发生了偏移,但由于各换流阀的触发相位控制电路是以其对应的换相电压作为参考来确定触发时间的,因此各阀的有效触发角依然保持相等,且等于控制系统给定的触发角指令。

2 基于SPLL的分相触发方案

第一代触发相位控制技术是由过零点检测为分相触发提供触发参考相位。过零点检测具有原理简明、易于实现等优点,但当系统发生故障时,交流电压出现畸变,甚至导致电压在过零点附近振荡,过零点容易受到干扰而发生不正常偏移,影响过零点的准确检测和触发脉冲的产生。此外交流电压每个周期通常只有两个过零点,这限制了相位检测的响应速度。

与过零点检测相比,锁相环具有一定的抗干扰能力,能够在系统故障时提供相对稳定的参考相位[15]。因此在锁相环技术出现以后,HVDC系统在第二代触发相位控制技术中逐渐采用三相锁相环为等间隔触发提供参考相位。这种触发方式降低了换流器的控制自由度,在不对称工况下各阀的触发角出现差别,这会给系统带来不利影响[1]。

结合分相触发控制自由度高以及锁相环输出相位稳定的优点,本文提出新一代触发相位控制技术,将SPLL技术应用到HVDC系统分相触发中。

图2 基于两相正交变量的SPLL结构Fig.2 SPLL structure based on orthogonal variable

众多基于两相正交变量的SPLL最主要的区别在于正交信号发生器原理的不同,基于延迟法、微分法、反Park变换的SPLL各自存在着不能实现频率自适应、动态响应特性差、抗谐波干扰能力弱等缺点[18]。本文采用的是基于二阶广义积分器的正交信号发生器(second order generalized integrator-quadrature signal generator,SOGI-QSG)SPLL方案,SOGI-QSG原理如图3所示[19]。图中，SOGI表示二阶广义积分器。

图3 SOGI-QSG原理图Fig.3 Principle diagram of SOGI-QSG

由图3可得SOGI-QSG的闭环传递函数为:

(7)

由上式得到其幅频响应和相频响应函数为:

(8)

(9)

如图4所示,在基于SPLL的分相触发方案的具体实施过程中,利用SPLL对换相电压vac进行锁相,将输出相位θac与触发角指令值进行比较,当输出相位超过触发角指令值时,发出一定宽度的触发脉冲P1对阀1进行触发;同时将输出相位移相延迟180°与触发角指令值进行比较得到阀4的触发脉冲P4,上下桥臂的触发时刻间隔半个周期。同样地,对换相电压vba和vcb进行锁相后分别可以得到对应的阀3、阀6和阀5、阀2的触发脉冲。

与依靠过零点检测提供相位基准的传统分相触发相比,新分相触发借鉴了等间隔触发所采用的锁相环技术,触发参考相位更为稳定准确,不会直接受到过零点波动的影响。等间隔触发下三相电压不平衡时各阀的实际触发角之间可能出现较大差别,造成调节器工作困难[1],而新分相触发下每对换流阀各自有其独立的触发相位控制电路,能够对其进行单独控制,具有控制灵活的特点。从锁相技术的角度来看,SPLL不会出现负序电压分量对锁相过程造成干扰的问题[18],从而能够在三相电压不平衡时保持对各个换相电压相位的锁定,同时其还对谐波具有很好的抑制效果。

图4 新分相触发方案触发原理Fig.4 Trigger principle of new individual phase control scheme

3 新分相触发性能仿真测试

触发相位控制方式对于HVDC系统性能的影响涉及多个方面,接下来本文将从谐波含量、换相失败和故障恢复等角度,利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件将新分相触发下系统的稳态和暂态性能与等间隔触发以及传统分相触发进行仿真对比,分析新分相触发下的系统特性。

仿真采用CIGRE的HVDC标准测试模型,该模型是由12脉动换流器构成的单级HVDC输电系统,直流额定电压为500 kV,直流额定电流为2 kA,交流系统短路比为2.5,沿用模型原极控制级系统,正常工况下整流站工作在定电流控制模式,逆变站工作在定关断角控制模式。

3.1 新分相触发下系统准稳态性能测试

文献[1-2]认为在交流电压三相不对称时,由于分相触发下的触发脉冲不等间隔,系统会产生比等间隔触发含量更高的非特征谐波,但并没有对此进行相应的仿真验证。本文分别在交流系统三相对称工况和三相不对称工况下,对不同触发方式下系统达到准稳态后的谐波性能进行测试。

1)交流系统三相对称工况

正常工况下直流电压主要谐波幅值见表1。

表1 正常工况下三种触发方式的主要谐波幅值Table 1 Main harmonic amplitudes under three trigger modes in normal condition

从表中可以看到,此时三种触发方式下的主要谐波幅值基本相等。此外,三相短路故障时三种触发方式下的系统谐波性能测试结果同样相同。这与1.2节的理论分析结果吻合,也证明了所搭建的分相触发模块的正确性。

2)交流系统三相不对称工况

在整流侧交流母线处设置各类不对称短路故障,改变故障电感大小以模拟故障点距离换流站的距离,记录三种触发方式下的交流电压幅值、不对称度(交流基波负序电压与正序电压的比值)和直流电压主要谐波幅值,仿真结果如附录A表A1所示。从表中可以看到,不对称工况下直流电压2次谐波含量较高,特征谐波幅值相对较小;等间隔触发与新分相触发下的电气量差异随着故障严重程度的加深而逐渐增大,并且不同故障类型下的差异情况也不相同。当故障阻抗较大时,换相电压相位偏移量有限,两种触发的作用效果相差不大。故障阻抗较小时,与等间隔触发相比,新分相触发下单相接地故障时的直流电压2次谐波幅值有所增大,故障相电压幅值明显上升,相应地非故障相电压出现下降;两相接地故障时直流电压2次谐波含量降低,交流电压幅值变化情况与单相接地故障时类似;与以上两种故障类型相比,两相相间短路时的电气量差别较小。因此,新分相触发不会产生比等间隔触发含量更高的非特征谐波。

由于触发原理相近,传统分相触发与新分相触发的性能较为接近,差异主要来源于单相电压相位获取方法的不同,可认为新分相触发跟踪的是单相电压基波相位,传统分相触发则是通过与电压波形进行直接比较得到相位,很难有效消除谐波影响。

后续可进一步研究利用分相触发控制灵活的特点,根据各个换流阀的运行状态,从极控制级层面对换流器实施分相控制,对交直流侧谐波进行主动控制,实现谐波可控,也可对系统可能发生的谐振进行主动控制。

3.2 新分相触发下HVDC暂态性能测试

逆变侧交流系统在t=3.0 s时发生三相短路故障,持续时间0.1 s,故障时等间隔触发和新分相触发下系统各电气量变化情况分别如附录A图A2(a),(b)所示。从图中可以看到,这两种触发方式下的电气量波形大致相近,新分相触发不会引起HVDC三相短路故障暂态性能恶化。

逆变侧交流系统在t=3.0 s时发生单相接地故障,持续时间0.2 s,故障时等间隔触发和新分相触发下系统各电气量变化情况分别如附录A图A3(a),(b)所示。从图中的波形对比结果可以发现,相比于等间隔触发,新分相触发下故障后系统的恢复过程总体上较为平稳,两种触发下逆变器在故障初期都发生了换相失败,但等间隔触发下逆变器在故障恢复期间发生了后续换相失败,而新分相触发在仿真中并没有出现类似的情况。通常认为故障初期的换相失败是难以避免的,而故障恢复阶段的换相失败可以通过改进控制系统加以消除。新分相触发在抑制后续换相失败方面显然具有更好的效果。究其原因,首先是不对称故障使得换相电压相位发生偏移,等间隔触发下各个换流阀的实际触发角存在较大差异,其中实际触发角较大的阀发生换相失败的可能性增大,而新分相触发下换流阀以其对应换相电压的相位作为触发参考相位,SPLL的输出相位能够根据换相电压相位的偏移做出相应调整,减小各阀实际触发角之间的差异;其次,不对称故障下负序基波电压含量大幅上升,三相锁相环在负序电压分量的干扰下输出相位出现波动,无法提供准确稳定的触发参考相位[18],这会对触发脉冲的产生造成不利影响,而对于SPLL和新分相触发而言,不存在负序电压分量对锁相和触发过程造成干扰的问题;此外,由第2节的分析可知,新分相触发采用的基于SOGI的SPLL还对谐波具有很好的抑制效果。

传统分相触发下系统各电气量波形变化情况如附录A图A2(c)、图A3(c)所示。无论是三相短路故障还是单相接地故障,仿真结果都显示其暂态性能在一定程度上劣于其他两种触发方式,故障恢复期间各电气量波动幅度很大,交直流系统稳定性降低,可能引发谐波不稳定现象[2-3]。

4 结语

本文对第三代HVDC触发相位控制技术进行了研究,提出一种新的基于SPLL的分相触发方案。与前两代触发方式相比,该触发方式的触发参考相位稳定,触发过程可靠性高,并且具有较高的控制自由度,但没有对该触发方式下系统的稳定性等问题进行更深入的理论分析。后续将研究触发相位控制与直流电流控制、直流电压控制和关断角控制之间的相互影响。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。