考虑双桥共同换相影响的换相失败预测控制参数优化策略

袁煜文， 李晓华， 陈镇生， 赵君， 张靖宜

(华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

0 引 言

换相失败会引起直流电气量剧烈变化和交流保护误动等不良后果[1]。多条直流同时换相失败时，功率出现大规模损失，严重影响电网的可靠运行[2]。因此，减少换相失败的发生具有重要的现实意义。

针对换相失败的预防，当前的研究重点大多是换流器控制策略的优化。换相失败预测控制(commutation failure prevention control, CFPREV)作为抵御换相失败的主要控制手段，通过改变逆变侧换流阀的触发角以增加直流系统的换相裕度，在一定程度上可以避免换相失败的发生[3]。文献[4]提出了基于正余弦分量的检测算法，避免了电压过零点附近零序电压检测法灵敏度不足的问题。文献[5]提出基于交流电压电流Clark变换计算其功率分量的检测算法，一定程度上提升了故障检测速度。文献[6]通过添加辅助环节，避免了CFPREV因变压器励磁涌流而误动。上述文献大多考虑的是优化CFPREV交流故障检测环节算法，或者简单分析控制参数对下次换相的影响，均未考虑双桥共同换相对预测控制效果的影响。

为此，本文研究了双桥共同换相对直流换相影响的机理，分析了CFPREV控制参数不合理时加剧双桥共同换相影响的原因，并提出了控制参数优化策略。最后利用PSCAD/EMTDC软件在具有CFPREV环节的Cigre HVDC标准模型中，验证了文中提出的CFPREV控制参数优化策略的有效性。

1 双桥共同换相对直流换相影响的机理

本文将双桥十二脉动逆变器中Y桥A相往B相的换相过程记作YAB，D桥A相往B相的换相过程记作DAB。将本次换相过程还未结束下次换相即已触发的情况定义为双桥共同换相，例如YAB和DAB同时换相。双桥共同换相对本次换相和下次换相的影响不同，本文重点研究双桥共同换相对本次换相的不利影响，从而导致本次换相失败的情况。以下为两种特殊的导通顺序。

顺序1：(VY1、VD1、VY2、VD2)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→VY1往VY3换相失败。

顺序2：(VY1、VD1、VY2、VD2)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3)→(VY1、VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→(VD1、VY2、VD2、VY3、VD3)→VY1往VY3换相失败。

图1为两种特殊顺序下的换相过程。图1中：uBA为YAB的换相电压;μfY、μfD分别为YAB和DAB的换相角;γfY、γfD分别为YAB和DAB的熄弧角;PYAB、PDAB分别为YAB和DAB的触发脉冲;iVY1、iVY3、iVD1、iVD3分别为Y桥和D桥中阀1与阀3的电流。顺序1下，YAB换相还未结束D桥即已触发，此时出现两桥六个阀同时导通的情况,即发生双桥共同换相。受其影响，先开始的换相过程在换相电压uBA过零后仍未结束，导致VY1往VY3换相失败。顺序2下，同样发生双桥共同换相，但YAB能正常结束，之后由于熄弧角γfY较小，阀无法恢复阻断能力又引发换相失败。

图1 特殊顺序下的换相过程

设换流变压器变比为k，两种特殊顺序下，桥臂导通状态都出现了从5个阀导通(Y桥A相往B相换相，D桥A相和C相导通，记作工况一)到6个阀导通(Y桥A相往B相换相，D桥A相往B相换相，记作工况二)，可推导两种工况下电源支路电流关系式：

(1)

式中:id为直流电流;isc1、isc2分别为Y桥和D桥的换相电流;iA、iB、iC分别为一次侧各相电流;下标1、2分别为工况一和工况二。则双桥共同换相后，母线电压可表示为：

(2)

式中：UBA0、UBA分别为工况一和工况二下的母线电压;ΔUBA为双桥共同换相前后母线电压变化量;RS、LS分别为系统电阻和电感。逆变侧的换相过程可视为发生两相短路，短路电流不断增大;isc2和disc2/dt始终大于0。因此ΔUBA始终大于0。由两相短路的闭合回路可得逆变侧A相电源电压USA：

(3)

(4)

式中:系统阻抗角为90°-φ2°。

偏感性的交流系统阻抗角一般>75°，因此-π/4≤-π/6-φ2<-π/6。而逆变侧触发角满足π/2<α<π，因此dB1/dα始终<0，即ΔUBA随着α减小而增大。换相过程开始后，ωt≥α，因此B2始终>0。当π/2<α<2π/3时，cos(α-π/6)>0，B1>0；当2π/3<α<π时，cos(α-π/6)<0,B1<0。结合前述分析可作双桥共同换相后UBA随着α变化的相量轨迹如图2所示。

图2 双桥共同换相影响后换相电压轨迹图

图2中:φ0为换相电压初始的相角;UBAmin、UBAmax分别为双桥共同换相后换相电压的最小值和最大值;φ1max和φ1min则是与之对应的相角。从图2不难发现：由于ΔUBA始终大于0，双桥共同换相后，换相电压从UBA0减小为UBA，相角由φ0增大至φ1，即双桥共同换相不仅导致换相电压幅值减小，同时还造成其相角前移，不利于直流系统换相。进一步分析可知，当触发角α>2π/3时，随着α减小UBA的相量终点由位置3往位置2方向移动；当触发角α<2π/3时，则由位置2移向位置1。这表示随着α减小，双桥共同换相的时间将增加，在双桥共同换相后换相电压幅值跌落的程度进一步加大，过零点前移更多，增加了本次换相面临换相失败的风险。

2 CFPREV对双桥共同换相的影响分析

2.1 换相失败预测控制基本原理

CFPREV作为直流系统中的关键环节，是抵御换相失败的主要手段，通过将换流母线三相电压瞬时值相加和Clark变换得到u0和uαβ。当u0大于阈值时表示检测到单相故障，当uαβ大于阈值时表示检测到三相故障，接着经过系列处理后输出触发角调整值Δα。

引发换相失败的根本原因是故障后实际提供的最大换相面积小于所需的换相面积，从而导致熄弧角小于最小熄弧角γmin[7]。CFPREV检测到交流故障，通过调整触发角，增大换相面积，从而避免发生换相失败。

2.2 CFPREV控制参数影响分析

CFPREV抑制换相失败的效果受到交流故障检测速度和输出值大小的影响。交流故障检测速度越快，CFPREV调整触发角越早，避免首次换相失败的几率越大。CFPREV输出值越大，增大的换相面积越大，更有利于下次换相。在CFPREV控制参数中，启动阈值Uset影响交流故障检测速度，启动阈值越小CFPREV启动越快；增益系数G决定触发角调整值Δα的大小，增益系数越大Δα也越大。Uset和G对CFPREV输出的影响如图3所示。

图3 控制参数对CFPREV输出的影响

CFPREV控制参数合理时，输出值Δα的大小能够与直流系统在故障下的运行工况相匹配，通过调整触发角达到控制目的。但是由于实际工程中，CFPREV控制参数往往根据经验给定，Δα的大小在部分工况下与之难以匹配。此外，CFPREV在检测到交流故障后经过固有延时便立即输出Δα，刚性的响应特性使CFPREV实际输出时刻不可控并影响控制效果。

CFPREV控制参数不合理时，Δα过大使触发角较小，不仅将增大双桥共同换相出现的几率，还将加剧其带来的不利影响。此外，由于不同故障类型下不同相之间换相的裕度不同[8]。当本次换相过程恰好换相裕度最小时，双桥共同换相很容易引起本次换相失败。因此，为了进一步提高CFPREV抑制换相失败的能力，避免因双桥共同换相引发新的换相失败，应当合理选取CFPREV的控制参数，限制Δα的大小或者控制CFPREV实际输出时间。

2.3 改进的控制参数选取策略

通过上述分析可知，在未配置CFPREV时，若CFPREV实际输出时刻恰好在本次和下次换相触发时间之间，同时CFPREV控制参数设置不合理导致CFPREV输出值过大，配置CFPREV后将引发新的换相失败。因此，改进的思路有两种。

(1) 适当减小增益系数，进而减小CFPREV的输出值，避免触发脉冲提前过多，但是该方法会降低预测控制的控制效果，因此只能作为辅助改进措施。

(2) 适当减小启动阈值，提高CFPREV故障检测速度，从而提前实际输出时间，避免本次换相裕度最小时处于本次和下次换相触发时间之间。减小启动阈值不会削弱CFPREV的调控能力，因此可作为主要的改进策略。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

在PSCAD/EMTDC中基于Cigre标准模型搭建了包含CFPREV模块的仿真模型，本文CFPREV启动阈值Uset=0.05，增益系数G=0.15，仿真步长设为50 μs，最小熄弧角γmin为0。

3.2 案例分析

在逆变侧母线处，设置不同故障时间，A相经不同过渡电感Lf发生接地短路故障(不同电感值模拟不同电气距离)，故障持续时间为0.1 s。故障发生时刻t以5.01 s为参考点，每隔1 ms做一组仿真。Lf取值为0～0.78 H。图4为增益系数G=0.15和0.20时换相情况对比。

图4 不同增益系数下的换相情况

可以发现，设置G=0.15，在Lf为0.63 H且t为5.013 ms时，未配置CFPREV直流系统换相成功，然而配置CFPREV后反而换相失败。当G增大至0.20且t为5.013 ms时，在Lf为0.63 H和0.66 H下直流系统同样因CFPREV的调控出现了新的换相失败。

图5 双桥共同换相对预测控制效果的影响

Lf为0.63 H时，Y桥和D桥中换流变压器阀侧电流iY与iD、母线电压u、CFPREV输出值Δα和熄弧角γ，如图5所示。图5中：t0、t3分别为YAB触发和结束时间；t1为DAB触发时间，t2为uAB过零时间；tf为故障开始时间。不难发现，未配置CFPREV时没有出现双桥共同换相，直流系统未发生换相失败。配置CFPREV后，其实际输出时间恰好处于本次和下次换相触发时间之间，因此YAB触发时间不变，CFPREV仅提早DAB的触发时间，由配置CFPREV前的5.016 6 s提前到5.016 2 s，YAB和DAB触发时间间隔由0.001 7 s变为0.001 3 s。DAB触发后YAB还未结束换相，发生了双桥共同换相。从图5中还可以发现双桥共同换相后母线电压幅值出现跌落，过零点前移，而本次换相过程YAB在该故障类型下裕度最小，故换相电压变化对YAB的影响很大。对比t2与t3可以发现前者比后者更早，即YAB还没有结束，换相电压已过零，这导致了YAB换相失败。仿真的结果与理论分析一致。

3.3 改进效果验证

在逆变侧母线处，设置不同故障时刻，A相经不同过渡电感Lf发生接地短路故障和三相故障，故障持续时间0.1 s。故障发生时间t以5.01 s为参考点，每隔1 ms做一组仿真。Lf分别取值为0～0.78 H和0～1.25 H。图6为启动阈值Uset=0.04和0.05时换相情况对比。

图6 改进前后换相情况对比

从图6可知，适当降低启动阈值，CFPREV实际输出时间能够在本次换相裕度最小时不处于本次和下次换相触发时间之间，从而避免双桥共同换相导致本次换相过程发生新的换相失败。在交流系统发生三相故障和单相故障时都有较好的改进效果，并且没有削弱CFPREV原本抵御换相失败的能力。

图7为A相短路故障发生在5.013 s且Lf为0.63 H时，CFPREV控制参数优化前后相关电气量和角度量的对比。在适当降低启动阈值Uset后，CFPREV实际输出时间提前到YAB触发脉冲到达之前，这使YAB提早到5.014 7 s触发，DAB触发时间依旧提前到5.016 2 s，两个触发时刻之间间隔比改进前更大。虽然DAB的触发角与改进前相同，但是双桥共同换相的时间减少，削弱了其带来的不利影响。改进后，uAB过零时间t2晚于YAB换相结束时间t3，成功避免了YAB换相失败。上述仿真和分析验证了改进方法的有效性。

图7 改进前后电气量和角度量的对比

4 结束语

本文研究了双桥共同换相对直流系统换相的影响机理，分析了CFPREV控制参数不合理会加剧双桥共同换相不利影响的原因，提出了考虑双桥共同换相影响的CFPREV控制参数优化策略。参数优化后的CFPREV在不同的故障类型下都能有效避免双桥共同换相引起新的换相失败，进一步提升了直流系统抵御换相失败的能力。

本文所提的改进策略简单有效，针对性强，对实际工程具有一定的指导意义。但是工程应用时需要收集大量现场数据来确定优化后的参数值，因此只能作为临时的改进措施，后续将围绕如何精准控制CFPREV实际输出时间和限制CFPREV输出量开展进一步研究。