抑制直流连续换相失败的调相机暂态强励控制策略

王龙飞，华 文，石博隆，王博文，周升彧，申屠磊璇，楼伯良

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

我国幅员辽阔，资源分布不均，各省经济水平也存在显著的差异，负荷中心位于中东部沿海省份，而煤炭、水、风、光等能源资源却集中于西北、西南及东北地区，因此远距离、大容量、安全稳定的电力输送方式将成为影响未来电网格局的重要因素[1]。

LCC-HVDC（电网换相换流器型直流输电）在远距离、大容量输送电力方面具有一定的优势，已成为我国跨区域输送电力的主要方式，承载着将西北、东北、西南等能源基地电力输送至华中、华东等负荷中心的重要作用。

以华东电网为例，目前建成11 回特高压直流，受电容量达到63.40 GW。未来白鹤滩—江苏、白鹤滩—浙江特高压直流投产后，华东电网馈入直流将达到13 回，受电规模进一步扩大。华东电网负荷密度较大，部分直流落点电气距离较近，彼此相互作用较强，稳定特性将发生重大改变。

由于晶闸管无自关断能力，以其为换流元件的电压换相换流器型直流近区交流线路发生故障或其他扰动，可能会导致直流发生换相失败。依照现有部分直流控制保护逻辑，当直流连续换相失败次数过多时将闭锁。文献[2-4]对直流换相失败的机理和影响因素进行了综述，将换相失败的主要原因归纳为阀运行中的熄弧角过小。

直流闭锁会严重威胁受端电网的频率稳定及电压稳定，严重时甚至会导致受端电网损失一定规模的负荷，对社会经济运行和居民生活稳定造成严重威胁。

华东电网曾多次发生因交流线路故障引起的多回直流换相失败事件。2015 年9 月19 日，锦苏直流发生双极闭锁，华东电网损失功率4.90 GW，之后华东电网频率最低跌至49.85 Hz。此次事故也引发了学术界及工业界对于直流换相失败预测、直流换相失败抑制、直流稳定运行条件等一系列问题的深入研究[5-7]。

文献[8]对直流换相失败预测和抑制方法进行了综述，并将抑制方法主要分为以下两类：一是对换相失败进行预测或快速检测交流故障，进而对直流控制及保护系统进行改造，采取适当的预防控制措施[9-11]；二是提高直流受端落点交流侧的电压水平，通过近区配备SVC（静止无功补偿器）、STATCOM（静止同步补偿器）、调相机等无功支撑设备来实现[12-13]。

文献[14]详细论述了传统直流受端换流站近区安装同步调相机与SVC，STATCOM 等FACTS（柔性交流输电系统）设备相比，不仅具有抑制直流换相失败能力，还具有为系统提供短路容量、降低直流送端暂态过电压、利用强励提高系统稳定性等方面的优势。文献[15]基于华东电网典型方式数据进行机电暂态仿真，分析了调相机投产后对受端电网稳定性的影响。文献[16]设计了一种充分利用调相机强励特性的紧急控制方法，但其动作指令取决于直流控制保护系统对于换相失败风险的预判，抑制效果严重依赖预判措施的准确性，且存在较长的时间延迟。

本文基于同步调相机的强励特性，提出一种暂态期间同步调相机持续强励以抑制直流连续换相失败的控制策略。首先介绍直流连续换相失败的机理及影响因素，然后分析调相机常规励磁控制在抑制直流连续换相失败方面的不足，并在此基础上提出暂态期间快速强励的抑制直流连续换相失败的调相机控制策略，最后基于华东电网典型数据，通过机电暂态仿真程序进行仿真验证。

1 直流换相失败机理及影响因素

1.1 换相失败机理

图1 为简化后的基于晶闸管的全桥逆变器拓扑结构，其中：Ea，Eb，Ec为三相理想电压源，代表理想无穷大电网；Ud为逆变器直流电压；Id为逆变器直流电流；I 为逆变器输出电流；L1为等值电网电抗；D1—D6为逆变器桥臂阀。阀运行中的熄弧角过小是造成换相失败的根本原因，若运行熄弧角低于固有极限熄弧角将导致直流发生换相失败[17]。

图1 基于晶闸管的逆变器基本拓扑结构

以图1 中相邻桥臂阀D1和D3为例：正常工况下，阀D1向D3换相；若阀D3触发时换相角过大，阀D1在电压过零点后将残存电流，导致阀D1不需要触发便可导通，发生阀D3向D1倒换相；之后阀D4按触发时序导通，桥臂D1和D4导通形成短路，最终发生换相失败。

为避免上述情况发生，每个开关存在恢复正向电压阻断能力所需的最小关断角，也称作极限熄弧角。在实际运行中，工程界通常认为避免直流换相失败的极限熄弧角为7°，若实际运行熄弧角小于极限熄弧角，则认为直流存在换相失败风险[18]。

1.2 影响直流换相失败的因素

对于单一直流，影响其换相失败的因素包括交流侧电压和直流电流等。

交流侧电压具有较强的可观性，便于实时掌握和控制，在实际工程中通常用来实现交流侧故障引发直流换相失败的预测。在学界和工业界，通常从最小电压降落、临界换相“电压-时间”面积、临界换相电压三个层面对交流电压跌落情况开展研究[4]。上述各方法都存在一定的误差和局限，有待改进。

在实际工程中，评估交流侧故障引起的直流换相失败风险时通常直接以直流逆变侧换流母线电压UL跌落值作为判断因素，一般认为UL跌落至正常运行值的90%以下将引发换相失败。该判断方法存在严重误差。首先UL受到交流系统强度、近区无功电源分布及支撑能力、负荷模型、直流交互影响等多方面的影响；其次换流站内设备故障、滤波器投切、交流侧电压波形畸变等因素同样会影响UL。因此简单地以正常运行值的90%作为直流换相失败的判断因素，或作为抑制换相失败策略的启动门槛，其准确性和适用性有待商榷。

直流侧电流蕴含丰富的直流运行信息，可以用于非交流系统故障所引发的换相失败预测分析，但无法直接用于交流系统故障引起的换相失败预测。

而对于多馈入直流系统，还应考虑直流之间的交互影响，CGREE（国际大电网学会）引入MIIF（多馈入交互作用因子）的概念来评估直流逆变侧换流母线电压UL的交互影响。

文献[19]基于多馈入直流系统，综合考虑以上多种影响因素，提出了基于临界电压的连续换相失败判断方法，定义了评估直流换相失败风险的直流逆变侧换流母线电压临界值Ucr。其中，定义Ucr取值范围下限值为：

式中：UL0为换流母线线电压初始有效值；β0，γ0分别为逆变侧初始触发超前角和熄弧角；γmin为变化后的熄弧角，取为极限熄弧角。

定义Ucr取值范围上限值为：

式中：Req=Rcr+Rd-Rci，Rcr=（3/π）Xcr，Rci=（3/π）Xci，其中Xcr，Xci分别为整流侧和逆变侧的换相电抗；Rd为直流电阻；Udr0为整流侧不计触发延迟时的空载直流电压；αr为整流侧触发延迟角；βi为逆变侧触发超前角；k 为换流变压器变比；b 为串联桥的数目。

文献[19]认为，实际的换相失败临界电压Ucr介于Ucr1和Ucr2之间。若UL＜Ucr1，必有换相失败风险；若UL＞Ucr2，则无换相失败风险。

2 直流换相失败对受端系统稳定性的影响

2.1 电压稳定

直流在换相失败期间，特别是换相失败恢复过程中，需从系统吸收大量无功功率，可能引起交流电压再次跌落。若近区无功设备配置不足，无法满足直流的无功需求，将引起直流系统无功不平衡，严重状况下将导致受端电网发生暂态电压失稳。

2.2 功角稳定

直流在连续换相失败期间，输送功率将迅速下降甚至跌落至零。之后伴随换相失败的恢复，直流输送功率上升。若直流发生连续换相失败，输送功率将重复上述过程，周期性波动。

直流大容量的功率波动，将对近区发电机组造成冲击。特别是直流迅速下降或上升过程中的暂态峰值，可能会引起近区发电机组发生功角失稳现象。

2.3 频率稳定

直流换相失败期间的大容量功率波动，将严重破坏受端电网的功率平衡，造成频率波动。严重工况下直流因多次连续换相失败而闭锁，导致频率下降。若受端电网无紧急控制措施或同步机组一次调频能力不足，电网频率将持续下降，引发低频减载动作。

3 调相机暂态强励措施

调相机装设在大型特高压直流受端换流站内，常规情况下无功输出为零，但在暂态期间可为直流系统提供一定的无功支撑，提高系统稳定性。我国已规划在多条直流受端换流站安装调相机，其中宾金直流金华换流站调相机1 号机已安装调试成功。

目前我国自主设计并制造的新型调相机单机容量可达到300 Mvar，瞬时无功输出能力提升50%以上，转子具备15 s 的2.5 倍强励要求，在强励开始的前5 s 内，强励可以达到3.5 倍[15]。

3.1 调相机的运行机理

调相机可以视为有功输出为零的同步机。常规励磁控制主要由端电压控制外环、励磁电流控制内环、低励限制、过励限制等几个部分构成。

采用常规励磁控制的调相机可以提升受端电网的静态电压稳定裕度，暂态期间可以提供紧急无功支撑，并有助于故障清除后的电压恢复。但在应对交流故障引起的直流连续换相失败时，该励磁控制并不能完全满足实际需求。

若直流近区交流侧发生三相短路故障，100 ms 后线路保护装置动作，故障清除。故障期间，调相机由于励磁端电压闭环控制能够进行强励控制，并提供动态无功支撑，其输出值取决于调相机机端电压幅值跌落程度和励磁控制器参数设计。

换相失败周期较长，通常为160～200 ms，即使故障清除，直流换相失败仍未结束。而直流在换相失败恢复过程中需要大量无功，但调相机可能已经退出强励控制，无法发挥其最大无功支撑能力。

极端工况下，直流换相失败恢复过程中无功需求无法从包含调相机的交流系统获得满足，系统则会发生电压二次跌落，引发连续换相失败。此时，随着电压的二次跌落，调相机再次进入强励工作状态，并随连续换相失败过程中机端电压的波动在低励和过励工作状态间切换。

因此，采用常规励磁控制的调相机，无法在直流连续换相失败期间持续提供最大无功支撑，甚至可能恶化直流换相失败恢复能力。

3.2 调相机暂态强励控制策略

为了保证调相机在直流连续换相失败期间持续处于强励工作状态，为直流系统提供最大动态无功支撑，充分利用调相机的暂态强励特性，本文在常规励磁控制基础上作出改进，提出一种能够抑制直流连续换相失败的调相机暂态强励控制策略。该控制策略由三部分构成：暂态励磁投入预判、暂态励磁基准值切换、暂态励磁退出。

3.2.1 暂态励磁投入预判

由于该控制策略的最终目的为抑制直流连续换相失败而闭锁，调相机投入时间理论上应与直流发生首次换相失败的时间同步。

已有文献通常将调相机设计成从直流控制保护主站取得直流换相失败预测信息并获得指令进行紧急控制，但现有的预测方法多依赖于多种电气量数据的采集和处理，这对测量精度和信号传输速度都提出了严格要求。考虑到控制保护主站生成预测结果并对调相机发出紧急控制指令的通信时间及调相机进入强励工作状态的响应时间，调相机真正发挥最大无功支撑能力的时间大大缩短。

本控制策略直接监视换流站母线电压UL的变化，并采用文献[19]提出的换相失败临界电压Ucr取值范围上限值Ucr2作为调相机紧急控制的投入门槛值。

交流系统发生故障，若UL＜Ucr2，则认为直流可能会发生换相失败，此时调相机启动暂态强励控制策略。

3.2.2 暂态励磁基准值切换

如图2 所示，对现有的传统励磁控制逻辑进行改造。紧急控制期间，将端电压控制外环的基准值提高一定幅度，使其与端电压采样值一直存在静差，依据闭环控制原理，调相机一直处于顶值输出。图2 中：UERR0为调相机常规励磁控制电压环基准值；UERR1为调相机暂态强励控制电压环基准值；US为调相机机端电压；IFD为调相机励磁电流；EFD为励磁机输出直流电压；UT为调相机定子电压；P 为调相机有功功率；Q 为调相机无功功率；UL2R为过励限制电压值；LV 为低电位门（低通）；HV 为高电位门（高通）；B 为等效反时限特性判据，具体数值根据工程实际进行整定；，通过调相机的两个工况（P1，Q1），（P2，Q2）确定。其他控制参数说明见表1、表2。

3.2.3 暂态励磁退出

图2 自并励静止励磁控制框图

调相机强励时间过长会严重损害设备本体使用寿命，也会使近端交流系统电压过高，因此当直流无下一次换相失败风险时，调相机应退出暂态强励。

文献[19]认为，直流某次换相失败恢复过程中，若换流站母线电压UL、直流功率Pd、直流吸收无功Qd及熄弧角γ 满足式（3），则认为直流不能恢复正常运行，仍有发生下一次换相失败风险，调相机应维持强励工作状态。

若前次换相失败恢复过程中UL＞Ucr2，可认为直流不再会发生下一次换相失败。但为避免误差带来的风险，调相机应维持强励至少200 ms（一个换相周期）后退出暂态强励。

为防止调相机退出暂态强励控制时指令切换产生暂态分量对系统电压产生冲击，当调相机收到退出指令时，励磁电压外环指令值应以一定斜率退至常规励磁控制基准值。

4 仿真验证

在PSD-BPA 机电暂态仿真软件中，基于华东电网夏季高峰典型运行方式数据，将灵绍直流绍兴换流站调相机控制方式分别设置为常规自并励静止励磁控制方式和本文提出的暂态强励控制方式（相关控制参数见表1、表2，表中参数均为标么值），并同时设置0 s 发生500 kV 线路“乔司—涌潮”三相永久“N-2”故障，100 ms 后故障清除，监测灵绍直流交流母线、受端换流站熄弧角及调相机励磁电压动态变化结果进行对比验证，如图3 所示。

表1 常规励磁控制参数

表2 暂态强励附加控制参数

图3 故障期间直流及调相机电气量变化

由图3（a）可知：交流线路0 s 发生故障，换流站交流母线电压瞬间跌落至0.4 p.u.。故障清除后，调相机若采用常规励磁控制，换流站交流母线电压上升至一定值，但仍低于Ucr1，发生二次跌落，直流也继续发生连续换相失败。若调相机采用暂态强励控制，约1.2 s 时，换流站母线电压UL超过Ucr2且能维持200 ms，则认为直流无下一次换相失败风险，调相机可以退出强励工作状态。

由图3（b）可知：在换相失败期间，采用常规控制的调相机虽然在交流故障期间进入强励状态，但交流故障清除后便退出强励，且励磁电压随母线电压波动在强励和欠励之间切换，无法为直流提供有效的无功支撑。而采用暂态强励控制后，调相机在换相失败期间持续顶值强励，充分发挥了自身的暂态无功支撑性能。

由图3（c）可知：绍兴换流站调相机若采用常规控制模式，近区交流线路发生故障后，灵绍直流发生3 次换相失败；若采用本文提出的暂态强励控制模式，则灵绍直流换相失败次数减少为2次。这说明本文提出的调相机暂态强励策略对于抑制直流连续换相失败是有效的，具有一定的工程应用前景。

5 结语

本文提出一种充分利用调相机强励能力、暂态期间持续强励的抑制直流连续换相失败而闭锁的控制策略。该策略通过对直流逆变侧换流站交流母线动态电压的监测，判断交流系统发生故障后直流有无换相失败的风险，并以此为判据投入调相机紧急控制，可有效降低传统直流紧急控制系统判据造成的延迟。通过对调相机励磁控制系统的改进，使调相机紧急控制期间持续强励输出，充分发挥了调相机的动态无功支撑能力。最后，基于华东电网典型运行数据进行机电暂态仿真，验证了该方法在为直流系统提供无功支撑、减少直流换相失败次数、防止直流闭锁等方面具有明显效果。

综上所述，本文提出的调相机紧急控制策略对于抑制直流连续换相失败而闭锁是有效的，实施简单，具有一定的工程推广性。