直流输电控制策略对换相失败影响的比较研究

张庆武，陈 乐，鲁 江，王永平

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211100)

直流输电控制策略对换相失败影响的比较研究

张庆武，陈 乐，鲁 江，王永平

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211100)

控制策略的选择与实现方法对直流输电系统的稳态和动态性能有重要影响。本文基于特高压直流实际工程参数RTDS模型和控制保护样机，构建了闭环仿真测试环境;逆变侧直流控制系统分别实现了实际工程中常见的两类控制策略:定电压控制策略和定熄弧角控制策略;通过逆变侧交流故障试验，对比研究了这两种控制策略对直流系统换相失败的影响。研究表明，这两种控制策略本身对换相失败的预防和抑制效果相当。

特高压直流输电;控制策略;换相失败;电压控制;定熄弧角控制;RTDS仿真

1 引言

换相失败是高压直流输电系统逆变站最常见的故障之一［1，2］。发生换相失败后，直流电压迅速降低、直流功率减少、直流电流增大，将影响相连交流系统的电压、无功、潮流、谐波等，进而形成复杂的交直流相互作用［3］;如果控制不当，还可能引发后继换相失败，甚至导致直流闭锁。随着±800kV以及后续的±1100kV特高压直流工程相继建设和投运，直流输电系统容量越来越大，其发生换相失败时对系统的扰动也更为严重，须引起进一步重视［4］。

换相失败的诱因很多，可归纳为直流输电系统自身故障和交流系统扰动两大类，在实际工程中，后一类原因引起的换相失败最为常见［5］。

文献［6］推导了逆变器熄弧角的表达式，指出直流换相失败受换流母线电压、换流变压器变比、直流电流、换相电抗、交流系统频谱特性等众多因素的影响。文献［7］分析了单相交流故障合闸角对换相失败的影响机理，将换相电压时间面积作为评价直流系统抵御换相失败能力强弱的指标。文献［8］仿真分析了故障引起换相失败后，控制保护的动作特性。文献［9，10］对多馈入直流系统换相失败的特性进行了研究。

总体来说，现有的研究多侧重于换相失败影响因素的原理分析和普通模型仿真，其控制策略的实现方式以及使用的仿真模型等，与实际工程有不小的差距;另外，对直流控制保护系统预防和抑制换相失败的控制策略本身研究较少，能够结合实际直流输电工程的定量对比分析则更少。

本文根据规划设计中的灵州-绍兴±800kV特高压直流输电工程主回路参数建立了RTDS仿真模型，与实际特高压直流控制保护样机［11］构成闭环仿真环境。在此基础上，分别实现了目前直流工程中两种最有代表性的逆变侧控制策略，两种策略的明显区别在于稳态工作点所处的控制器区间:一种是稳态工作点处于定电压控制器工作范围，简称为定电压控制策略;另一种的稳态工作点处于定熄弧角控制器的工作范围，简称为定熄弧角控制策略。

论文重点对比了逆变侧这两种控制策略，仿真研究了逆变侧交流系统同等故障条件下，两种策略的直流系统发生换相失败的概率及其换相失败后的控制行为，从而评价两种控制策略对直流换相失败的预防和抑制效果。

2 控制策略

2.1 基本控制器

按控制对象区分，直流系统有三种最基本的控制器:定电流控制器、定电压控制器和定熄弧角控制器。

通过设置电流裕度，正常工况下，整流站由定电流控制器维持直流电流恒定;逆变站则工作在定电压控制或定熄弧角控制状态，维持直流电压稳定。

定电压控制器和定电流控制器一样，主要功能是比例积分调节器，调节器的输入是参考值与实测值的偏差，输出为触发角指令。

现有的研究表明，换流阀的熄弧角过小是引起换相失败的根本原因［2］。定熄弧角控制器的目的就是维持熄弧角γ为参考值以保证足够的换相裕量，避免换流阀熄弧不彻底时重燃导致换相失败。定熄弧角控制器分预测型和实测型［12］两种，其中预测型定熄弧角控制器的原理如下。

对熄弧角的控制是通过调节逆变器的超前触发角β来实现的。如式(1)所示，β为换向重叠角μ与熄弧角γ之和:

逆变站的直流电压为:

式中，Udi0和Udi0N分别为理想空载直流电压及其额定值;dx和dr分别为换流变的相对感性压降和相对阻性压降;Id为直流电流;IdN为直流电流额定值。可以看出，对于恒定的γ角，当直流电流增大时，逆变端的直流电压将降低，即当逆变站运行于定γ控制时，在低频下具有负阻特性。

逆变站的直流电压还可以表示为:

根据式(1)～式(3)并忽略相对阻性压降dr，可得:

对式(4)引入电流项修正，可使它在暂态情况下具有正斜率，有利于提高直流系统的稳定性，即得到修正的定熄弧角控制器，如式(5)所示:

式中，Io为电流指令。

稳态情况下，Id等于电流指令Io，式(5)所确定的β可使逆变侧运行在定γ状态;暂态情况下，Io保持不变，当Id因扰动而变大时，控制器将减小β角，使得逆变侧电压增大，导致直流电流Id将减小;当Id因扰动变小时，控制器将增大β角，使得逆变侧电压减小，导致直流电流Id将增大，从而回到稳态工作点。

由修正的定熄弧角控制器得到的触发角为:

2.2 控制器的配合策略

定电流、定电压和定熄弧角控制器各自计算的触发角指令需要策略配合，形成最终的触发角指令。现有的直流输电工程中，根据控制器实现方法及参数配置划分，主要有两类控制器配合策略，其中一类是三个基本控制器依次限幅的配合方式，如图1所示。

图1 控制器的限幅配合方式Fig.1 Limitation and coordination of controllers

这种方式下，三个控制器各自计算触发角，其输出依次限幅。熄弧角控制器的输出作为电压控制器的最大值限幅，电压控制器的输出在逆变侧作为电流调节器的最大值限幅，在整流侧作为其最小值限幅。通过控制器的参数设置使逆变侧的稳态工作点处于定熄弧角控制状态;仅当电压偏高导致定电压控制器的输出小于定熄弧角控制器的输出时，定电压控制器才具备调节作用。我国的葛南、三常、三广、三沪、德宝、呼辽、向上、锦苏和哈郑等高压、特高压直流输电工程均基于这种控制器配合策略。

另一类控制器配合策略通过选择和切换基本控制器获得触发角指令，如图2所示。这种方式下，电流偏差、电压偏差和熄弧角偏差经过归一化处理，控制器选择逻辑根据整流/逆变状态进行选择，在整流侧，电流偏差与电压偏差相比较，较小值被选择作为换流器的控制偏差;在逆变侧，三个偏差相比较，最大值被选为换流器控制偏差。通过控制器的参数设置，逆变站通常处于定电压控制状态，定熄弧角控制器仅在特殊工况下作为最小熄弧角限制器起作用，避免熄弧角过小而连续换相失败。天广、贵广I回和贵广II回等直流输电工程采用了这种控制策略。

图2 控制器的切换配合方式Fig.2 Switch and coordination of controllers

3 试验设计

控制策略的选择及实现方法将确定直流系统稳态和动态过程中的行为，对直流系统的性能有重要影响。本文重点关注上述两种控制策略本身对逆变侧换相失败的预防和抑制效果，通过设计对比试验开展定量分析研究。试验方案设计如下:

3.1 试验环境

为获得接近实际工程的仿真数据，本文以灵州-绍兴±800kV特高压直流输电工程主回路参数为基础构建RTDS仿真模型，与实际特高压直流控制保护样机构成闭环仿真环境。针对2.2节所述的定熄弧角和定电压两种控制策略，分别实现两套控制保护样机软件。样机软件与工程软件在程序结构、算法策略、任务分配、执行顺序和周期等方面一致，因此仿真结果与实际工程相似度较高。

3.2 试验方案

对换相失败的发生概率进行定量研究是一个难点。本文设计的试验方法在逆变站交流母线处模拟单相带过渡电阻接地故障，以过渡电阻阻值表征交流电压跌落的幅度。

在相同工况下，设置不同的过渡电阻阻值，进行多次试验，可获得在某一控制策略下，发生临界换相失败时的过渡电阻阻值，从而建立以临界过渡电阻阻值表征换相失败概率的定量分析方法。比较两种控制策略的临界过渡电阻阻值，可反映出两种控制策略对交流故障引发换相失败的抵御能力。

3.3 试验条件一致性

为了准确对比两种控制策略本身的效果，试验应在相同的条件下进行，以排除其它影响因素对换相失败比较结果的干扰。主要措施包括:

(1)分别设置定电压控制策略和定熄弧角控制策略中的控制器参数，使两种控制策略下稳态工况基本一致。

在定电压控制策略中，其定电压控制器的参考值为800kV，使逆变站正常工况下处于定电压控制状态;逆变侧换流变分接头为定角度控制，控制目标为γ在(19.5±2)°;其定熄弧角控制器参考值为17°，通常情况下不起作用，仅作为γ角最小限幅。

定熄弧角控制策略中，在逆变侧定电压控制器的参考值上增加一偏移量，参考直流电压为810kV，使逆变站正常工况下处于定熄弧角控制状态，与之相配合，逆变站换流变分接头控制目标为定直流电压(800±4)kV。为获得相同的稳态工况，将定熄弧角控制器的参考值设为19°。

每次试验前校核稳态工况，确认可能影响换相失败的各种因素条件是一致的，逆变侧γ角应稳定在19°左右。

(2)由于发生单相接地故障时刻的交流相位对换相失败有较大影响，在RTDS模型中设定故障发生相位角为70°，故障持续100ms。

4 仿真结果

4.1 临界阻值试验

采用第3节所述试验方法，分别针对定熄弧角和定电压两种策略，设置不同的过渡电阻阻值，进行多次逆变侧交流系统单相接地故障试验，并记录临界换相失败时的过渡电阻阻值。试验工况为单极功率控制，定功率3200MW，结果如下。

(1)定熄弧角控制

经过多次试验，该工况下，接地电阻小于等于28Ω时发生换相失败，高于28Ω时不发生换相失败。

定熄弧角控制策略下的换相失败波形如图3所示，其中UAC为三相交流电压，UDL为直流电压，IVD为换流器D桥三相阀侧电流，GAMMA为逆变侧熄弧角测量值。约0.015s时逆变侧发生单相接地故障，故障瞬时逆变侧熄弧角降到5°左右，换相失败发生，阀侧电流IVD迅速降为0，直流电压降到0.5pu左右。随后，定熄弧角控制增大了γ角，防止了连续换相失败。0.115s时交流故障消除，直流系统逐渐恢复原先的工况。

(2)定电压控制

多次试验测得该工况下的临界过渡电阻阻值为28Ω，与定熄弧角控制策略的临界阻值一致。

定电压控制策略下的换相失败波形如图4所示。故障发生时刻，逆变侧正处于定电压控制状态，直流电压下降，导致定电压控制器将减小γ角;由于交流故障和定电压控制器的作用，γ角降到0°左右，换相失败发生;此时，逆变侧切换为定熄弧角控制，熄弧角增大;后续由于直流电流较低，逆变侧再切换为定电流控制，直到故障切除，系统逐渐恢复原工况。

图3 定熄弧角控制策略下的换相失败波形Fig.3 Commutation failure in extinction angle control strategy

4.2 不同功率水平的比较

通过4.1节的对比，在定功率3200MW时，两种控制策略预防换相失败的效果相当，为进一步验证该结果，在多个功率水平下重复上述试验，测得的临界过渡电阻阻值如表1所示。

从表1可以看出，在各种功率水平下，两种控制策略的临界过渡电阻阻值基本一致，即两种控制策略预防换相失败的能力相当。另外，不同功率水平、多次试验得到的临界阻值稳定一致，也表明本文提出的以临界过渡电阻阻值表征换相失败概率的定量分析方法是可行的。

表1 不同功率水平下临界电阻统计表Tab.1 Critical resistance under different power conditions

5 结论

本文介绍了直流工程中广泛应用的两种逆变侧控制策略:定熄弧角控制策略和定电压控制策略;提出了以临界过渡电阻阻值表征换相失败概率的定量分析方法;在特高压直流工程控制保护样机和实际参数RTDS模型构建的闭环仿真测试环境下，仿真对比了两种控制策略对换相失败的预防和抑制效果。综合分析结论如下:

(1)两种控制策略本身对换相失败的预防效果基本相当。事实上，分析多年来的实际工程运行统计数据可知，采用上述两种控制策略的各高压直流输电工程，都有过发生换相失败的记录，且从其发生次数、频率上看不出明显的差异。

(2)逆变侧的定电压控制策略，当交流故障导致直流电压下降时，定电压控制器的调节方向是减小熄弧角，提升直流电压，这与预防换相失败需要增大熄弧角相反;直到切换为定熄弧角控制器作用时，才减小触发角，增大熄弧角。控制器切换时间对预防后续换相失败有重要影响。

(3)熄弧角过小是换相失败发生的根本原因。增大稳态熄弧角有利于预防换相失败发生，但随着熄弧角的增大，吸收无功增多，直流输电的经济性会下降。因此，稳态熄弧角的设计需综合考虑各因素，选取最优值。

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Research on control strategies of HVDC in commutation failure

ZHANG Qing-wu，CHEN Le，LU Jiang，WANG Yong-ping
(Nari-relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211100，China)

The selection and configuration of the control strategies have great influences on the steady state and dynamic performance of HVDC.Based on the RTDS model with actual engineering parameters and the prototype of control and protection system for UHVDC，a closed-loop simulation system was developed.This paper has built two kinds of HVDC control systems at the inverter side，one is based on the voltage control strategy，and the other is based on the extinction angle control strategy.By simulating ground fault in the AC system at the inverter side，the impact of the control strategies on the occurrence of commutation failure is compared.The results show that the effects of the two control strategies for preventing commutation failure are basically the same.

UHVDC(ultra high voltage direct current);control strategy;commutation failure;voltage controller; extinction angle controller;RTDS(real-time digital simulation)

TM721

:A

:1003-3076(2015)07-0053-05

2014-05-15

张庆武(1982-)，男，安徽籍，高级工程师，博士，研究方向为高压直流输电及其控制保护技术开发;陈 乐(1985-)，男，江西籍，助理工程师，硕士，研究方向为高压直流输电及其控制保护技术开发。