一种改善直流系统恢复特性的低压限流环节优化方法*

王锐铭，李凤婷

(新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐830047)

0 引言

在交直流输电系统中，换相失败是最为常见的故障之一[1-3]．若换相失败后不能自行恢复，将导致连续换相失败，进而造成直流闭锁，在恢复过程中直流电流越大，需要从交流系统吸收的无功越多，在恢复过程中很有可能引起后续换相失败或电压稳定性问题，影响直流输电系统的正常恢复．因此，采用适当的控制策略改善换相失败后的直流系统的恢复特性对避免连续换相失败尤为重要．

目前关于换相失败的研究已取得了一定的成果．文献[4]提出了一种交直流输电系统的改进拓扑，通过调整阀臂换相电压来减小换相失败的概率．文献[5]提出了异常换相失败的概念，依据低次谐波对换相失败的严重程度进行了分类．文献[6]对含静止同步补偿器的交直流系统原有的控制方式进行改善，提高对换相失败的抵抗能力．文献[7]在原有的控制方式上，提出了基于静止同步补偿器抑制换相失败的方案．文献[8-12]基于直流系统的无功特性，以减少无功功率为目标，降低故障期间的无功消耗，改善了故障后的恢复特性．文献[13-15]提出了基于模糊逻辑的控制器，但该控制方法运算较为复杂，响应速度较慢，实际工程中难以实施．文献[16,17]提出一种新的VCDOL控制结构，结合DC-VDCOL与AC-VDCOL优点，重新优化建立低压限流环节，改善恢复性能．文献[18,19]基于传统PI控制器提出了预防换相失败的方法，降低了换相失败的概率，但是上述研究忽略了故障后可能导致二次换相失败的问题，存在一定的局限性．

本文对三相短路故障、单相接地故障特性以及VDCOL的缺陷进行剖析，建立交直流模型以及控制策略，运用DIgSILENT研究了换相失败中两种故障下直流系统的恢复特性．提出了基于交流母线电压求取电流指令的方法，实现了改善交直流系统恢复特性的目标，有效抑制后续的换相失败．

1 高压直流系统换相失败分析

1.1 三相短路故障

三相短路故障设置为逆变侧换流器近端故障如图1中1号点，即故障发生在换流器交流母线处．交流系统三相对称时，逆变器熄弧角γ可以表示为：

式(1)中：k为换流变压器的变比，Id为直流电流，X c为换相电抗，UL为逆变侧换流母线电压有效值，β为超前角．

图1 直流输电系统逆变器故障点示意图Fig 1 Schematic diagram of HVDC inverter fault

对式(1)各变量微分可得：

熄弧角对直流电流Id、换流器变比k和换相电抗X c的偏导数均为负值，对交流电压UL和超前角β的偏导数为负值，可以得到直流电流Id、换流器变比k和换相电抗X c的升高与交流电压UL和超前角β的降低都会导致γ减小，从而引发换相失败．

1.2 单相接地故障

发生三相短路故障时，三相电压对称下降且波形的相位不会发生改变，但逆变侧出现单相接地故障如图1中2号点，电压暂态过程的分析较三相短路故障更为复杂，换流阀容易产生电流畸变，同时换相电压过零点的改变，还需考虑过零点漂移φ对熄弧角的影响．

交流系统三相不对称时，逆变器熄弧角γ表示为：

同时，单相接地故障的压降可表示为：

造成换相电压零点的相位移动为：

1.3 VDCOL的缺陷

配置低压限流环节的换流器静态伏安特性曲线如图2所示，在故障期间低压限流装置决定了直流电流的指令值，从而影响直流线路中的直流电流．VDCOL中关键参数为电压阀值上下限、延迟时间常数、电流指令．

当前对VDCOL的研究不能充分的考虑换相失败后逆变侧的动态无功需求，因此需要优化电流指令响应系统的动态需要，减小换相失败的概率．

图2 低压限流环节的特性曲线Fig2 CharacteristiccurveofVDCOL

图3 高压直流系统模型Fig3 HVDCSystemModel

2 交直流模型的建立

2.1 交直流系统模型及模型参数

文中基于DIgSILENT搭建了适用于交直流系统仿真研究的数学模型，如图3及表1所示．包含了整流器、逆变器及其控制系统模型．该系统在整流侧和逆变侧都有12脉冲晶闸管转换器．±500kV直流线路长度为500km，额定电流为2kA．

表1HVDC模型数据Tab1 HVDCModelData

2.2 低压限流控制

当换流母线压降过大时，直流控制系统会启动低压限流环节，如图4所示．根据其压降限制故障期间或故障恢复过程中直流电流的变化，并且能减小系统对无功功率的需求．设置低压限流的主要作用有：

（1）交流系统发生故障后，通过降低直流电流而减小换流器吸收的无功功率，防止因无功功率过高而引起电压下降造成系统的不稳定．

（2）故障结束在恢复过程中，调节直流电流，避免因恢复过快大量无功没有吸收使得二次换相失败．

图4 低压限流控制器Fig4 VDCOLController

3 换相失败故障下恢复特性研究

HVDC系统发生换相失败后的恢复特性对整个直流系统的安全稳定运行具有重要的意义，因此研究直流系统的恢复情况，对改善换相失败后的恢复特性具有一定的指导意义．

3.1 三相短路故障引发换相失败恢复分析

三相短路故障开始时刻0s，故障持续时间0.1s，发生换相失败后的波形如图5所示．

图5 三相短路故障引发换相失败波形图Fig 5 The three-phase short-circuit fault waveform of commutation failure caused

图5分别为直流电压、直流电流、直流功率、熄弧角γ、阀电流、超前角β换相失败波形图．三相短路故障后，此过程可分为以下几个阶段：

（1）发生故障后，三相短路故障引起逆变侧近端交流母线与直流线路电压明显降低，直流电流升高的同时熄弧角减小；

（2）在极短的时间内，电压下降迅速，在超前角还未来得及调整的情况下，直流电流瞬间增大与此同时超前角增大，从而使得熄弧角迅速减小到0，此时阀电流电流为0，直流系统发生换相失败；

（3）熄弧角控制器迅速减小超前角，增大熄弧角，换相失败的过程结束；

（4）故障切除后，熄弧角减小，直流电压电流增大，350 ms左右恢复到稳态值．

在故障期间，逆变器发生长时间的换相失败，恢复时间较慢，但在消除故障后，其他元件也未停止运行，且未发生后续的换相失败．

3.2 单相接地故障换相失败恢复特性研究

单相接地故障开始时刻0 s，故障持续时间0.1 s，设置为a相接地，发生换相失败后的波形如图6所示．

图6 单相接地故障引发换相失败波形图Fig 6 The single-phase grounding fault waveform of commutation failure caused

图6分别为直流电压、直流电流、直流功率、熄弧角γ、阀电流、超前角β换相失败波形图．单相故障后，此过程可分为以下几个阶段：

（1）发生故障后，单相接地故障引起逆变侧近端交流母线电压以及直流电压降低，直流电流升高，熄弧角减小；

（2）在极短的时间内，交流电压下降迅速且直流电压电流二次急速跌落，对电网造成了二次冲击，100 ms时发生了二次换相失败，导致直流系统发生持续200 ms的故障；

（3）熄弧角控制器迅速减小超前角，增大熄弧角，换相失败的过程结束；

（4）故障切除后，熄弧角减小，直流电压电流增大，350 ms左右恢复到稳态值．

单相接地故障这种不对称故障，会使在阀上的电压产生严重畸变，若压降过大还会导致连续的换相失败而无法恢复，且交直流系统强度较弱提供不了足够的无功，威胁系统的安全稳定运行．

在实际的弱交流系统中，长时间的恢复会导致二次换相失败，不利于直流系统的安全稳定运行．所以，需要通过优化VDCOL中参数的选择来减小换流阀换相失败概率，同时改善换相失败后系统的恢复特性．

4 换相失败恢复特性优化

4.1 电流指令最大值的选取

为了优化VDCOL中的电流指令，利用高压直流准稳态公式，得到三相短路故障与单相接地故障中电压与电流之间的约束关系．

高压直流准稳态公式为

通过公式(8)可解得直流指令值的计算公式

式(9)中：X与k均为常量，由此可得到电流指令值与熄弧角呈正相关性，与超前角呈负相关性．本节以HVDC模型为算例，将关断角γ=15°以及超前角β代入公式(9)，此时可求解出三相短路故障和单相接地故障两种工况下直流指令的最大值．

4.1.1 三相短路故障

在三相短路故障下，关断角γ=15°，换相角取最大值25°，根据β=α+μ，超前角β=40°．将超前角与熄弧角代入公式(9)可得到直流指令最大值与Uac的函数表达式为

4.1.2 单相接地故障

当系统发生单相接地故障时，换相电压过零点产生相位移．以a相接地故障为例，如图7所示，由于线电压Va的下降，此时触发角α′=α+φ，超前角β′=β-φ，熄弧角γ′=γ-φ．因此在求解单相接地故障时，需要确定偏移角φ的取值区间．

在Y-Y和Y-D两种接线方式下，通过式(7)计算出偏移量φ后得到超前角β和熄弧角γ代入式(9)可得到单相接地故障下直流指令最大值与Uac的函数表达式

图7 单相接地故障下的角度参数Fig 7 The angle of single-phase grounding fault parameters under

4.2 并联静止同步补偿器

为了解决因恢复过快而产生的无功盈余问题，在电网受端交流母线上并联一个静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)，如图8所示，主要参数见表2.

图8典型的STATCOM模型Fig 8 Typical model of STATCOM

表2 STATCOM模型数据Tab 2 STATCOM model data

4.3 改进后换相失败仿真分析

在电网受端交流母线并联STATCOM且优化电流指令值，一方面能优化功率的恢复特性；另一面能够解决因恢复过快产生大量无功盈余的问题．

4.3.1 三相短路故障

从图9(b)中可以看出，三相短路故障引起的换相失败在改进后的对直流电流进行了调节，降低了换相失败过程中直流电流、直流电压的最大值，在200 ms内直流系统就能够恢复．在并联STAMCOM后，恢复性能与改进前相比有相当大的好转，并能有效预防二次换相失败．

图9 改进后三相短路故障引发换相失败波形图Fig 9 The improved three-phase short circuit fault cause commutation failure of waveform

图10 改进后单相接地故障引发换相失败波形图Fig 10 The improved single-phase grounding fault cause commutation failure waveform

4.3.2 单相接地故障

由图9，图10可知，单相接地故障较三相短路故障更为严重．单相接地故障两次电压跌落发生二次换相失败，都会对电网造成巨大的冲击，但时间极短，没有因换相失败而进一步造成直流闭锁．同时由图10(b)可知，并联STATCOM后，在150 ms左右系统就已恢复正常，恢复特性有明显的改善．

5 结论

文中采用双极六脉冲HVDC模型，对交流故障特性进行仿真分析，分别给出了三相故障以及单相故障波形图，得出以下结论：

（1）在实际的高压直流输电工程中，低压限流环节参数会影响换相失败后的恢复过程．

（2）不对称故障后，阀侧线电压变化幅值较大，单相故障较容易发生换相失败且危害更大．

（3）通过对两种故障条件下的仿真，优化低压限流控制装置中电流指令值，并且采用静止同步补偿器能改善换相失败后的系统恢复特性，功率恢复同时也能补偿无功，避免再次换相失败．