逆变侧控制策略对换相失败的影响及恢复特性优化研究

李亚男，卢亚军，刘心旸，邹欣

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)



逆变侧控制策略对换相失败的影响及恢复特性优化研究

李亚男，卢亚军，刘心旸，邹欣

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

针对直流系统逆变侧不同控制策略下的换相失败恢复特性开展研究，首先从原理上分析了定关断角控制与定电压控制方式下换相失败控制器的工作原理；然后基于实时数字仿真平台以及实际工程的录波数据，全面研究比较了这2种控制策略对换相失败恢复特性的影响，结果表明换相失败与直流运行功率、稳态运行时的关断角以及故障发生时刻均有关系，而与采用何种控制方式相关性不强；最后提出对低压限流功能模块 (voltage dependent current order limiter, VDCOL)电流指令参数进行优化的措施，以改善换相失败恢复特性并对其效果进行了仿真验证。

直流系统；换相失败；恢复特性；实时数字仿真；定关断角控制；定电压控制

0 引 言

换相失败是基于传统换相原理的高压直流输电系统逆变侧常见故障之一[1]，会导致直流电流上升、换流阀过电流，从而损害阀的寿命；连续的换相失败可能引起直流系统降功率运行，严重的将造成阀组闭锁或极闭锁，从而诱发更大的电力系统事故[2-3]。由于换相失败故障仅发生于直流系统的逆变侧，而目前众多特高压直流受端落点集中于华北、华东等负荷中心，加大了单一交流系统故障引发多回直流同时或相继发生换相失败的可能性；多回直流连续换相失败导致直流功率传输的中断，在受端系统强度较弱或故障较严重时，最终可能威胁到整个系统的安全稳定运行[4]。

传统电网换相型换流器(line commutated converter, LCC)换流器从理论上不能完全避免换相失败。换相失败实际是否发生与直流系统运行功率、关断角、换相电抗大小、交流系统强度、扰动发生时刻和扰动程度均密切相关。文献[5-9]针对换相失败的影响因素、预测算法及控制策略进行了理论分析与仿真计算，取得了一定成果。目前，我国已投运的直流工程控制系统有2种主要的技术路线，其中逆变站通常采取定关断角控制或定电压控制策略。目前暂未有文献针对2种控制策略对于换相失败的响应与恢复特性差异进行分析比较。本文在此基础上，依托实时数字仿真平台以及实际的直流工程换相失败录波数据，全面研究分析定关断角与定电压这2种逆变站控制策略对于直流换相失败的影响及暂态特性的差异。通常直流系统能够从单次换相失败中恢复，但不希望在恢复过程中再次引起新的换相失败，且恢复过程应平稳快速。本文通过分析实际的换相失败过程，提出一种控制系统参数优化方案，通过修改低压限流功能模块(voltage dependent current order limiter, VDCOL)中的电流指令，能够有效改善直流系统的换相失败恢复特性，缩短直流恢复过程。

1 直流工程逆变侧控制策略

直流工程控制系统主要有3类基本控制器，分别是：电压控制器、电流控制器和关断角控制器。正常情况下整流侧为定电流控制方式，而逆变侧的常用控制策略主要有2种：预测型关断角控制和定电压控制。

1.1 预测型关断角控制策略

预测型关断角控制策略的控制结构如图1所示。该类控制方式下，3个控制器分别有自己独立的比例积分调节器。关断角控制器的输出作为电压调节器的最大值限幅，电压调节器的输出在逆变运行时作为电流调节器的最大限幅值，在整流运行时作为最小限幅值。

在预测型关断角控制模式下，一般采用换相失败预测控制功能、最小换相裕度控制功能，在检测到换相失败风险或换相裕度不足时，提前实现触发以避免

图1 预测型关断角控制结构图

换相失败。另外，低压限流功能通过电流指令的变化可以改善换相失败发生后直流系统的恢复特性，尤其是对于接入弱交流系统的直流工程稳定具有重要意义。

1.2 定电压控制策略

定电压控制策略的控制结构如图2所示。该控制方式下，直流控制系统采用选择输入的逻辑来实现3个控制器的协调配合，3个控制器合用1个比例积分调节器：逆变运行时，选择电流偏差(ΔI)，电压偏差(ΔU)和关断角偏差(Δγ)中的较大值作为调节器的输入，整流运行时，选取ΔI和ΔU中的较小值作为调节器的输入。

这种控制原理的关断角控制是实测型关断角控制，所以没有配置专门的换相失败预测功能。通过换流阀阀控装置返回的电流过零点信号，测得换流阀的实际关断角；当关断角小于参考值时，逆变侧选择关断角控制器的输出，并减小触发角，以防止进一步的换相失败。

图2 定电压控制结构图

2 换相失败控制器调节行为分析

2.1 定关断角控制

2.1.1 换相失败预测

当直流工程逆变侧交流故障时，交流电压降低。为阻止换相失败发生，控制系统配有换相失败预测功能：根据交流电压零序检测单相故障，利用α-β变换检测交流三相故障。当预测到将要发生换相失败时，增大逆变侧γ角，以降低发生换相失败的几率。

2.1.2VDCOL

低压限流功能主要反应于当直流电压降低时，控制系统根据检测到的直流电压限制直流电流指令。VDCOL的作用主要体现为：(1)在交流系统扰动时和扰动后避免输送功率的不稳定；(2)交流和直流系统故障清除后提供快速、可控的再启动；(3)避免连续换相失败给设备造成的应力；(4)抑制恢复期间连续换相失败的可能性。

2.1.3 电流裕度补偿

直流电流降低超过正常的电流裕度后，整流侧增大电流指令，并将指令送至逆变站以保证整个直流系统的电流没有很大幅度的降低。

逆变站交流电压恢复正常后，直流系统换相失败过程结束并开始恢复，若此时直流电流建立缓慢，整流站触发角α降至最小值5°，逆变站可能进入电流控制，由于电流裕度补偿的作用，电流指令增大将有利于直流电流的恢复。

2.2 定电压控制

逆变侧采用定电压控制方式时，正常运行时起作用的是直流电压控制器，而预防换相失败的主要控制模块为关断角控制器。关断角控制器是1个PI控制器，控制变量为实测的关断角，其作用是防止逆变侧的关断角小于最小关断角。

逆变侧发生交流系统故障时，交流电压降低，实际关断角减小，关断角偏差(Δγ)将增大，逆变侧转为关断角控制，关断角控制器将会发挥作用，以防止关断角小于最小关断角。如果逆变侧发生换相失败，关断角控制器将会快速起作用，减小触发角，防止再次发生换相失败。

3 不同控制策略换相失败试验研究

3.1 实时数字仿真分析

为对比分析定电压控制与定关断角控制策略下直流系统换相失败动态特性，利用三常直流仿真系统开展了逆变站交流系统接地故障试验，并进行控制系统暂态调节行为的对比研究。其中，定关断角控制采用实际的三常直流控制系统，定电压控制方式则通过对定电压和定关断角控制器的参数调整来实现。试验重点进行逆变侧定γ控制与定电压控制模式下换相失败过程的比较。

三常直流工程额定电压±500kV，单极额定功率1 500MW，额定电流3kA。通过模拟逆变侧不同程度的交流电压跌落，进行如下3种情况的对比分析：

(1) 发生换相失败(换相失败预测动作)。

(2)未发生换相失败(换相失败预测动作)。

(3)未发生换相失败(换相失败预测未动作)。

以发生换相失败时的工况为例，对应的试验录波波形如图3所示。

注：图中曲线从上到下依次为交流电压、YY换流变阀侧电流、YD换流变阀侧电流、直流有功功率、换流器无功功率、直流电压、直流电流、熄弧角计算值。

图3 发生换相失败时试验录波波形

Fig.3 Experiment waveform record during commutation failure

根据录波波形，结合试验测试数据分析可以得到以下结论：

(1)逆变侧交流系统发生严重故障时，由于关断角γ大幅降低，采用定电压控制时逆变侧迅速转为关断角控制，控制器将增大γ角，以阻止发生连续换相失败；采用定关断角控制时，换相失败预测功能将会增大γ角。因此，这2种控制策略暂态调节方向一致。

(2)逆变侧交流系统发生轻微扰动时，采用定关断角控制，在换相失败预测还未动作的情况下，逆变侧触发角将会轻微增加，关断角γ减小；而采用定电压控制，由于直流电压降低，为了维持直流电压触发角将增大，关断角γ将减小。因此两种控制策略暂态调节特性相同。

(3)是否发生换相失败与直流系统的运行功率、稳态运行时的γ角以及故障发生时刻均有关系，而与采用何种控制方式关系不大。试验表明，两种控制策略在设计的3种试验中发生换相失败的电压临界值基本相当。

3.2 实际工程对比

依托国内某2条在运直流工程[10-11]开展换相失败研究对比试验，比较定关断角控制与定电压控制方式下的系统响应特性。定关断角控制方式下试验录波波形如图4所示；定电压控制方式下试验录波波形如图5所示。

注：图中曲线从上到下依次为交流电压、YY换流变阀侧电流、YD换流变阀侧电流、直流电压、直流电流、换相失败信号、触发角指令、熄弧角计算值。

图4 定关断角控制方式试验录波波形

Fig.4 Waveform record of constant extinguish angle control logic

根据录波波形图可以看出：对于图4中逆变侧采用定关断角控制的直流工程，当逆变侧交流故障时，换相失败预测动作，增大γ角，以防止连续发生换相失败并进行换相失败恢复；图5中逆变侧采用定电压控制的直流工程，当逆变侧交流故障时，由于逆变侧γ角迅速降低，Δγ>ΔU，逆变侧立即转为γ控制，控制系统增大γ角，以防止连续发生换相失败并进行换相失败恢复。

由于2种控制策略下整流侧均为定电流控制，换相失败时整流侧触发角增大以降低直流电流，当逆变侧交流故障清除后，直流电压迅速上升，但此时整流侧触发角较大且下调较慢，直流系统未能快速建立直流电流，直流电流在一段时间内接近于0，直至逆变侧进入电流控制，直流系统电流逐渐恢复。可见，2种控制策略下换相失败的恢复过程基本一致。

注：图中曲线从上到下依次为直流电压、直流电流、YY换流变阀侧电流、有功功率、定电流控制信号、定电压控制信号、定关断角控制信号、换相失败信号、熄弧角测量值、触发角指令。

图5 定电压控制方式试验录波波形

Fig.5 Waveform record of constant voltage control logic

4 换相失败恢复特性优化

VDCOL是直流电压降低时维持系统稳定的重要控制环节，其参数对于提高直流系统稳定性，加快故障恢复过程具有重要意义，控制系统VDCOL的参数应根据具体的直流系统响应要求、交流系统条件等进行优化。从试验波形和换相失败故障录波中可以看出，换相失败恢复过程中逆变侧交流电压已经恢复、直流电流未能建立的过程制约了系统从故障中恢复的速度。其中，最小电流指令IO-lim适当提高将使换相失败期间整流站触发角调节上限有所降低，因此，本文提出优化VDCOL模块相关参数，将IO-lim从0.35pu增加到0.5pu的措施，并利用实时数字仿真平台仿真验证该措施的效果。通过优化IO-lim，换相失败恢复特性对比波形如图6所示。

注：图中曲线从上到下依次为交流电压、直流电压、直流电流、YY换流变阀侧电流、YD换流变阀侧电流、触发角指令、VDCOL最小电流限制指令。

图6 VDCOL参数优化后换相失败恢复特性

Fig.6 Recovery characteristic of commutation failure after VDCOL parameter optimization

试验表明，调节VDCOL参数(提高VDCOL中IO-lim指令值)可减少换相失败恢复过程中电流为0 的时间，显著加快直流系统的恢复速度。

5 结 论

(1) 逆变侧采用定关断角控制与采用定电压控制在逆变侧交流故障时控制器调节特性基本一致：在交流系统严重故障时，控制系统均会增大γ角；交流系统轻微扰动时，均会降低γ角。试验结果表明，在逆变侧发生交流系统故障时，2种控制策略下直流系统发生换相失败的概率相当。

(2) 直流系统是否发生换相失败，取决于逆变侧交流系统故障的严重程度，以及直流系统的运行工况，如运行电流大小、关断角运行角度等，与直流系统的控制策略无直接关系。

(3) 适当提高VDCOL中最小电流指令限制IO-lim，有助于加快直流系统换相失败后的恢复速度，但IO-lim的提高须考虑到换流阀等设备的耐受能力。

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(编辑： 蒋毅恒)

Influence of Inverter Control Strategy on Commutation Failure and Recovery Characteristic Optimization

LI Yanan, LU Yajun, LIU Xinyang, ZOU Xin

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The recovery characteristics of DC system after commutation failure with different inverter control strategies were studied. Firstly, the operation principle of controller with commutation failure under constant extinguish angle and constant voltage control mode was analyzed. Then based on real-time digital simulation (RTDS) and the record data of actual project, the influences of these two control modes on the recovery characteristics of commutation failure were comprehensively compared. The results indicate that commutation failure is bound up with DC operation power, extinguish angle in steady state and failure moment, but has no relationship with inverter control mode. Finally, a novel optimization method of recovery characteristic was proposed, based on modifying current instruction parameter in VDCOL (voltage dependent current order limiter) module, and the simulation was carried out to verify its effect.

DC system; commutation failure; recovery characteristic; real-time digital simulation; constant extinguish angle control; constant voltage control

国家电网公司科技项目(SGCC[2012]515)。

TM 721

A

1000-7229(2015)09-0112-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.09.018

2015-07-17

2015-08-11

李亚男(1971)，女，博士，主要从事直流输电系统研究工作；

卢亚军(1982)，男，硕士，主要从事直流控制保护系统设计工作；

刘心旸(1987)，男，硕士，主要从事直流输电系统研究工作；

邹欣(1981)，女，博士，主要从事直流输电系统研究工作。