基于提升直流输电系统换相失败抵御能力分析

基于提升直流输电系统换相失败抵御能力分析

菅亮亮、张震

山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250001

摘要：随着直流输电工程在大容量远距离输电及区域电网互联等领域的广泛应用，已经出现多条基于电网换相换流器的高压直流输电系统。因此，研究提升直流输电系统换相失败抵御能力具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。

关键词：直流输电系统；换相；抵御能力

1直流输电系统概述

基于电网换相换流器的高压直流(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)输电由于输送容量大损耗低经济性好等优势被广泛应用于远距离输电与区域电网异步互联，是实现我国西电东送能源发展战略的重要技术手段 LCC-HVDC采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，依赖交流系统电压进行换相，因此受端交流系统故障晶闸管及其控制电路不可靠等均易导致换相失败。换相失败发生后，直流传输功率迅速下降，若直流系统调节不当会导致连续换相失败，在多馈入直流系统中甚至引发多条直流同时或级联换相失败，影响直流受端系统以及交直流混联电网的安全稳定运行。在此背景下，亟需开展换相失败机理及影响因素分析、连续换相失败抑制策略等研究，以提升LCC-HVDC、混合直流输电系统抵御换相失败的能力。

2换相失败的基本原理

在换相过程刚结束时，若刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，或换相过程未能结束，则电压转向后被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，称之为换相失败。通常首次换相失败都是由于逆变侧交流系统故障导致换流母线电压快速跌落，换相裕度不足，最终熄弧角γ小于固有极限熄弧角γ_min而在此期间控制器还来不及响应，因此首次换相失败是很难避免的。逆变侧熄弧角γ的计算公式为:

(1)

式中:k为逆变侧变压器变比; 为直流电流; 为逆变侧等效换相电抗; 为逆变侧交流母线线电压有效值; 为逆变侧越前触发角。连续换相失败指直流输电系统首次发生换相失败后，再次发生换相失败的现象。连续换相失败一般发生在直流系统的故障恢复过程中，此时部分电气量已恢复到额定值左右，且直流系统的控制器有能力对系统进行调节以保持系统的稳定运行。因此，连续换相失败主要是由决定γ大小的直流电流、换流母线电压幅值和越前触发角3个电气变量互不配合及控制器交互不当导致的。换相失败的根本原因是熄弧角小于其固有极限熄弧角，根据连续换相失败的机理，分析式(1)可知，可分别针对决定γ大小的3个主要电气变量开展抑制措施的研究。文中重点从换流母线电压角度进行改进，通过增加VSC-HVDC在故障期间输出的无功功率，提高受端交流系统的无功电压支撑强度，增大换相裕度。

3混合多馈入直流输电系统协调控制策略

3.1基于熄弧角偏差的VSC-HVDC无功附加控制

为了充分利用VSC-HVDC无功补偿的能力，抑制VSC-HVDC连续换相失败，根据文中对换相失败的机理分析，可以将故障时根据γ的偏差量计算得到的补偿量 附加至VSC-HVDC的无功外环控制，使得VSC-HVDC能在换相裕度不足时产生更多的无功功率，并同时加快的响应速度，提高对受端交流电压的支撑能力。基于熄弧角偏差的无功附加控制的逻辑框图见图1。

图1 基于熄弧角偏差的无功附加控制的逻辑框图

该控制计算得到补偿值后还需要使能环节来控制其投入运行。使能选择信号为故障判别模块的输出信号，当判别出故障发生时，其输出信号置1，并维持到系统恢复至稳态值。

3.2动态功率限幅调节策略

动态功率限幅调节策略是混合双馈入直流输电系统协调控制策略的核心部分，该策略是在自适应的电流限制策略基础上，根据LCC-HVDC的实时无功缺额动态调整VSC-HVDCq轴无功功率外环输出 的上、下限幅值，从而实现在故障期间改变VSC-HVDC的稳态运行点。

图2 VSC-HVDC动态功率限幅调节逻辑框图

图2中，动态功率限幅调节策略是对无功电流参考值 进行限制，其核心是根据LCC-HVDC的无功缺额动态求取 的上、下限幅值 和 ，并将其送往自适应电流限制控制器作为功率外环控制输出的 的上、下限幅。而自适应的电流限制策略是在满足q轴无功电流需求的基础上将剩余容量裕度作为 的限制。图2中， ， 分别为初始设定的静态无功的上、下限幅值， 为速率限制器的斜率; 为LCC的临界换相电压，其计算公式见式(2)其中， 为逆变侧的额定越前触发角。

(2)

图2中， 为根据瞬时功率理论计算得到，其计算公式为:

(3)

式中: 为LCC-HVDC从受端交流系统吸收的无功功率; 为系统容量的基准值。根据锁相环的控制理论，此处设定 =0， =1因此可得 的最终计算公式为:

(4)

该控制策略包括如下部分:(1)上、下限幅选择。根据计算得到

的参考值，求取其斜率。当斜率为正且受端交流电压大于临界换相电压时，则改变 的下限值选择为 ，否则为 ;当斜率为负时，则改变 的上限值选择为 ，否则为 。

(2)斜率限制。考虑到VSC-HVDC的调节速度较快，故加入斜率控制器限制无功的变化速率，提高系统的稳定性。其速率控制器的斜率根据直流熄弧角偏差的大小来决定，即将熄弧角偏差经过比例控制器并限幅后得到。

(3)使能环节。该控制策略中的使能控制与3.1节中的相同。通过采用文中所提的协调控制策略，VSC-HVDC在故障初期可以快速增发大量的无功功率，进而使LCC-HVDC的直流电压恢复速度加快，相应地，经VDCOL的直流电流参考值恢复速度也加快，因此在文中所提协调控制策略下，LCC-HVDC有功恢复速度将快于传统控制策略下的恢复速度。同时虽然在故障初期文中所提的控制策略会因增发大量无功而导致其输出的有功受到一定限制，但根据动态功率限幅策略的控制逻辑，当受端交流电压大于临界换相电压时，控制器会迅速调节其限幅值，减少输出的无功功率，进而加快其有功功率的恢复。

3.3 VSC-HVDC协调控制策略的实现流程

VSC-HVDC的协调控制策略主要包括基于熄弧角偏差的无功附加控制和动态功率限幅调节策略两部分，其实现流程如图3所示。

图3 VSC-HVDC协调控制策略的实现流程

其具体步骤如下:(1)LCC-HVDC从受端换流站采样其从交流系统吸收的无功功率、换流阀熄弧角和直流电流，并通过通信网络传输到VSC-HVDC控制系统;(2)故障判别模块判断是否发生故障，是则跳转至步骤(3)，否则跳转至步骤(5);(3)求取 , ；(4)将 , 送入动态功率限幅调节控制器计算得到最终的 信号的上、下限幅值，跳转至步骤(6);(5)采用静态设定的 和 作为无功电流限幅的上、下限幅值;(6)根据改进的外环控制策略，同时将得到的 和 送入如图3所示的自适应电流限制控制器，得到 和 。文中所提协调控制策略的信号传递如图4所示。

图4 VSC-HVDC协调控制策略的信号传递

结论

综上，本文通过采用动态功率限幅调节的控制策略，改变VSC-HVDC故障期间的暂态稳定运行点，既可以充分发挥VSC-HVDC无功快速调节的能力，快速补偿故障恢复期间系统的无功缺额，抑制连续换相失败的发生，又能较大限度提升故障恢复期间有功功率的传输能力。

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