带磁滞回线特性低压限流控制器的控制策略分析

方 苇,宁 晗

(1.国网湖北省电力有限公司直流公司,湖北 宜昌 443000;2.国网湖北省电力有限公司超高压公司,湖北 宜昌 443000)

0 引言

常规直流输电系统具有传输容量大,控制响应快等优点,但受晶闸管无自关断特性的限制,当逆变侧交流系统发生故障时,极易发生换相失败,引起直流电流增大,直流电压下降,继而引发连续换相失败[1-3]。为了保证直流输电系统的安全稳定运行,研究换相失败抑制方法及其恢复策略具有重要意义[4-7]。低压限流控制器(Voltage Dependent Curret Order Li miter,VDCOL)作为一种抑制换相失败的措施,已经在实际中得到广泛应用,并有诸多文献对VDCOL的改进进行研究[8-9]。文献[10-11]对VDCOL的基本原理和调节作用进行了分析,但在系统发生故障时,直流电流指令响应不够灵敏,且故障恢复期间功率恢复慢,容易造成连续换相失败。文献[12]提出了非线性的VDCOL改进策略,在一定程度上可以抑制连续换相失败的发生,但功率恢复的响应速度不够快。

本文针对以上问题,提出一种基于磁滞回线特性的VDCOL控制器,在故障时刻迅速降低直流电流指令值,在功率恢复时刻尽快提升直流电流指令值,从而实现故障的快速响应,降低连续换相失败的可能性。通过在PSCAD/EMTDC仿真环境中,使用CIGRE标准测试模型检验了所提控制方法,与固定斜率的VDCOL控制器进行对比。仿真实验证明,所提磁滞回线特性的VDCOL能够保证直流系统稳定运行,在故障期间抑制连续换相失败的发生,故障消失后有利于直流功率的迅速恢复。

1 传统VDCOL控制策略

VDCOL主要用于当直流系统电压或换流变进线交流母线电压下降至电压限定值时,通过对输出直流电流指令的限制,以达到对换流阀触发角输出的控制。

如果换流变进线交流母线电压过低,将导致触发角调节至最小值5°,但无法通过控制直流电流以达到当前所要输送的直流功率;VDCOL采用降低直流电流输出指令的方式,自动将直流系统控制于降容模式下运行[13-15]。如图1所示,VDCOL一般由最小直流电流指令限制I L、最大直流电流指令限制I H、最低直流电压门槛值U L、最高直流电压门槛值U H组成。

图1 VDCOL的I-U特性曲线

其中,I L用于保证直流电流过低时可控硅可靠的导通,即为可控硅关断电流;I H通常用于限制最大输送功率,一般取额定功率条件下的直流电流值;VDCOL的最低直流电压门槛值U L通常取0.45～0.35 pu,其最高直流电压门槛值U H通常取0.7～0.9 pu[16-18]。

国际大电网会议(CIGRE)标准测试模型中采用如图1所示的固定斜率VDCOL,直流电压U和直流电流指令值I的关系为

2 改进VDCOL控制策略

传统固定斜率的VDCOL控制在系统面临较严重故障时,难以抑制连续的换相失败,为了提高系统抵御连续换相失败、潮流恢复的能力,且在正常情况下不影响系统传输的功率,本文设计了一种基于磁滞回线特性的VDCOL连续换相失败抑制策略,其运行特性如图2所示。

图2 磁滞回线特性的VDCOL控制策略

从图2可以看出,当直流系统检测到直流电压高于0.9 pu或低于0.4 pu时,直流电流指令值输出与传统VDCOL设置相同,即直流电压高于0.9 pu时,直流电流指令值为1.0 pu;直流电压低于0.4 pu时,直流电流指令值为0.55 pu。当直流电压下降程度越深,给出的直流电流指令值越小,以达到快速降低直流电流的目的;在恢复阶段,直流电压恢复的越快,直流电流指令值增加的越多,以促使潮流尽快恢复。

当直流系统检测到直流电压在0.4～0.9 pu时,为了保证直流电流指令值的快速跟踪,沿A点至B点的圆弧线,可以实现最大的直流电流指令值变化率;以AB连接线作为圆的弦,圆心位于AB的中位线上,AB连接线的中点为M(0.65,0775),圆心所在直线方程为

图3 磁滞回线特性的VDCOL控制逻辑

3 仿真及结果分析

为了验证所提磁滞回线特性VDCOL控制策略的正确性,以CIGRE标准测试模型为基础,在不改变其基本控制逻辑的前提下,仅对VDCOL环节重新进行逻辑编辑。直流系统模型的主要参数如下。

整流侧:交流系统等效电源电压为382.87 k V,阻抗为47.655∠84°Ω,短路比SCR=2.5;换流变容量为603.7 MVA,短路电抗为0.18 pu,变比为345 k V/213.5 k V。

逆变侧:交流系统等效电源电压为215.05 k V,阻抗为21.2∠75°Ω,短路比SCR=2.5;换流变容量为591.79 MVA,短路电抗为0.18 pu,变比为230 k V/209.2 k V。

直流线路:直流电阻为2.5Ω,直流电感为0.6 H。

采用2套VDCOL控制系统对比的方法,建立2种策略的仿真方案进行验证。方案1,采用CIGRE标准测试模型中定斜率VDCOL控制策略即。方案2,基于CIGRE标准测试模型将定斜率VDCOL控制策略替换为本文所提磁滞回线特性的VDCOL控制策略,即上弧线和下弧线的组合。

通过设置3种模拟工况以比较2种方案的控制效果。

(1)工况1,正常运行,包括直流系统启动。如图4所示。

图4 正常工况下系统的运行状态

通过对比2种控制策略在正常运行时的电气量,控制效果基本相同;但在系统启动阶段,采用磁滞回线特性的VDCOL控制策略,电流指令值上升得更快,且直流电流达到正常稳定值的速度会更快,其响应更灵敏。

(2)工况2,在受端交流母线上设置单相接地故障,接地电感设为0.4 H,故障起始时间为t=1 s,故障持续时间为0.5 s。如图5所示。

从图5中可以看出,采用磁滞回线特性的VDCOL控制策略后,减少了一次换相失败,表明能够有效抑制连续换相失败的发生,并且直流电流恢复得更快,无明显过冲。

图5 单相接地故障下系统的运行状态

(3)工况3,在受端交流母线上设置三相接地故障,接地电感设为0.4 H,故障起始时间为t=1 s,故障持续时间为0.5 s。如图6所示。

从图6可以看出,采用磁滞回线特性的VDCOL控制策略后,虽然不能避免换相失败的发生,但关断角变得更大,对故障的响应更加灵敏。在故障恢复阶段,电流的响应速度更快,保证潮流尽快恢复正常水平。

图6 三相接地故障下系统的运行状态

4 结论

针对高压直流输电换相失败这一现象,提出了一种基于磁滞回线特性的VDCOL控制策略,通过CIGRE标准测试模型的仿真实验,验证了这一策略的有效性;仿真结果证明:在故障时刻,通过快速减小电流指令值,能够抑制换相失败的连续发生;在恢复阶段,快速增大电流指令值,保证功率输送的及时恢复。本文采用的磁滞回线特性VDCOL控制策略,可以降低直流系统换相失败几率,提高直流系统抑制连续换相失败的能力,为实际直流工程提供一定的参考价值;采用对VDCOL控制环节的改进,可以较好地兼容其他控制策略的优化,无需添加硬件设施,易于实现,其工程应用特性有待进一步验证。