一种抑制多馈入特高压直流换相失败的投旁通控制策略

2022-06-06张朝峰张伟晨饶宇飞夏秋李程昊鲍超斌

电力建设 2022年6期

张朝峰，张伟晨，饶宇飞，夏秋，李程昊，鲍超斌

(1. 国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州市450052；2. 武汉启亦电气有限公司，武汉市430074)

0 引言

特高压直流 (ultra-high voltage direct current, UHVDC)输电技术作为解决我国能源与负荷中心逆向分布问题的重要手段，因其具有输送容量大、输送距离远、线路损耗小等优点，已在我国电力系统建设中得到广泛应用[1]。换相失败是直流输电线路的常见故障，多由逆变侧交流系统短路故障引起[2]。据统计，自2004年至2018年底，国家电网有限公司直流输电系统共发生换相失败1 353次，每条直流系统年平均发生换相失败9.1次，部分直流工程甚至超过15次/年[3-4]。换相失败会导致直流电压急剧下降，电流大幅变化，引发剧烈的无功波动，若不能及时控制，可能会引发后续换相失败，导致直流输送功率中断和弱电网电压崩溃等严重后果[5-6]。因此，换相失败的抑制和故障后直流功率协调恢复措施是电网实际运行控制中要考虑的重要问题。

目前已有诸多关于换相失败抑制及直流功率协调恢复措施的相关研究，可分为以下三大类：1)无功功率补偿装置布点、容量配置及投切控制的优化[7-9]；2)对换流器拓扑结构进行改造[10-12]；3)改进直流控制策略[13-16]。安装无功补偿设备(如同步调相机和静止无功补偿装置等)除成本较高外，还会增大交流系统短路电流越限的风险。对换流器的改造包括晶闸管特性优化、在换流器上串并联电容、电感及晶闸管等器件以降低换相失败的风险。但受制于电压等级、传输容量、技术难度等因素，其工程实用性有待进一步验证[17]。对直流控制策略的改进主要在低压限流(voltage depend current order limitation, VDCOL)算法和换相失败预防控制(commutation failure prevention, CFPREV)算法的基础上，从检测判据、启动阈值、响应特性等方面进行优化[18]。文献[19]针对多馈入直流系统的无功耦合特性对传统的CFPREV[20]算法进行改进，设计了一种多馈入系统换相失败预防协调控制策略。文献[21]则通过差异化设置多馈入直流系统内各直流线路的CFPREV启动门槛值以降低故障暂态过程中系统的无功波动。文献[22]提出了一种基于关断角判据的输入信号自动切换的改进VDCOL模块；文献[23]提出一种根据受端交流电压恢复程度调整VDCOL斜率的非线性控制方案。相比于前两类方案，直流控制策略在经济性和可操作性上更具优势，因此在工程中得到了广泛应用[17]。

投入旁通对是直流系统保护装置的重要控制策略之一。当直流输电系统发生故障时，逆变侧保护装置动作后投入旁通对有助于达到快速停运直流输电系统，隔离故障的目的[24]。而旁通对的有效性有赖于其投切控制的及时性和正确性。文献[25]指出错误投旁通对将对直流系统的紧急停运或闭锁造成不良影响，例如在极闭锁时不投旁通对更有利于直流系统的稳定。文献[26]对投旁通对策略进行优化，避免了阀组出现过压损坏的风险，加快保护装置动作后阀组闭锁的过程。现有关于旁通对的研究多集中于其在直流故障中的应用，而关于旁通对在交流系统故障导致的换相失败问题中的应用较少[27]。

本文通过对比分析在换相失败情景下，投入旁通对前后特高压直流系统送、受端电压特性的变化，论证合理的旁通对投切可有效抑制换相失败暂态过程引起的送端过电压、受端低电压问题，进而提出一种换相失败后投旁通对的控制方法。以逆变阀组换相失败及交流电压跌落程度为旁通对控制的启动判据，根据直流运行状态对直流电流进行动态调节，根据受端交流系统恢复程度退出旁通对。最后基于河南电网在PSCAD/EMTDC建立仿真模型对所提控制策略进行验证。

1 旁通对控制抑制换相失败原理

1.1 旁通对原理

旁通对是指换流器中在同一桥臂上连接到同一交流相的2个阀所形成的旁通回路，如图1所示。图1中，晶闸管VT1、VT4形成一对旁通对，同理，晶闸管VT3、VT6及VT2、VT5分别形成一对旁通对。

正常运行时，由上下半桥分属不同相的晶闸管导通构成回路，例如图1(a)中的VT6—交流侧B相—交流侧C相—晶闸管VT5回路，经过晶闸管依次通断控制，在阀侧形成三相交流电源。阀侧交流电源通过一个换流变压器间接与母线侧交流电源连接，即换流变压器两端的交流电源之间有电流和功率的传递。

而旁通对的形成则导致阀侧交流电源与母线侧交流电源出现电气隔离，即对应桥向交流母线的电流传递和功率传递中断。以图1(b)中与B相相连的VT6和VT3形成旁通对为例进行分析。图1(b)中i1—i6分别为晶闸管VT1—VT6中的电流，而ia、ib、ic分别为经过逆变形成的阀侧三相交流电流。控制VT6和VT3形成旁通对期间，该6脉波桥中电流不再轮相更换，而是持续由图1(b)中红线所示的路径流过，i6=i3在直流侧形成自回路，相当于阀侧电源的B相电位点被短路，同时A、C相电位点断路，i4=i1=i2=i5=0。此时流向交流母线的阀侧电流ia=ib=ic=0，相当于阀侧电源与母线侧电源被隔离开，没有电流和功率联系。旁通对投入后晶闸管电流与阀侧电流如图2所示，换流阀的无功吸收情况如图3所示。可以看出，旁通对形成后，该换流器闭锁，从换流母线吸取的无功功率下跌至零。

图2 形成旁通对后的晶闸管电流与阀侧电流波形

图3 形成旁通对后换流阀吸收的无功功率

1.2 换相失败对直流系统电压特性的影响

受端交流系统短路故障可能导致换流阀发生换相失败。换相失败后直流电压下降，直流电流增大，交流系统稳定性也受到极大影响。以一组故障仿真为例，分析换相失败对于特高压直流系统送、受端电压特性的影响。图4所示为CIGRE HVDC标准测试模型。其中整流侧、逆变侧交流系统短路比(short circuit ratio, SCR)均为2.5。在逆变侧换流母线附近设置单相短路接地故障。故障开始时刻为1.0 s，持续时间为0.1 s，故障点与逆变侧换流母线间的等值电抗值为0.1 H。需要说明的是，交流故障可能发生在系统中任何位置，其与待研究母线之间通过交流网络形成间接的电气联系，同时交流线路主要呈感性阻抗，因此常用一个等值电感来描述故障与待研究母线之间的电气联系强度。电感值越小，则电气距离越近，该故障对换流母线造成的影响越大，即所谓的故障(对待研究母线的影响)越严重；电感值越大则相反。

图4 CIGRE HVDC标准测试模型主电路图

图5展示了逆变侧各电气量的变化曲线，其中Uiac为逆变侧三相交流电压瞬时值；IiY和IiD分别为逆变侧Y桥和D桥的阀侧交流电流测量值；Iid、Uid分别为逆变侧直流电流和电压。在故障发生后1.00 s至1.02 s，受逆变侧换相失败影响，直流电压快速降低，直流电流激增，此时大电流流过受端换流阀，使换流阀从交流系统吸收大量无功功率，进一步加剧了受端交流系统低电压和无功缺额，对受端电网交流电压的恢复造成不利影响。在1.10 s后，接地故障清除，逆变侧受端系统逐渐恢复稳定。

图5 逆变侧部分电气量响应曲线

图6展示了整流侧部分电气量变化曲线。其中Urac为整流侧三相交流电压瞬时值；αr为整流侧触发角；Ird、Urd分别为整流侧直流电流和电压。换相失败发生后，整流侧电流控制器增大触发角以抑制直流电流的上升；随着触发角的不断增大，直流电压随之下降。由于送端直流控制调节特性，直流电流过调至接近0值，即流过换流器的电流很小，整流侧换流阀消耗无功减少，交流系统无功大量过剩，造成送端电网出现过电压。

图6 整流侧部分电气量响应曲线

综上所述，受端系统短路故障造成逆变阀组发生换相失败后，将导致受端电网低电压和送端电网过电压。在实际运行的电网中，送端电网过电压将导致送端新能源机组无序脱网；而受端电网低电压将影响受端电网故障清除后的电压恢复，严重时可能造成弱电网电压崩溃。

1.3 旁通对控制对换相失败的影响分析

由1.2节分析可知，当逆变阀组发生换相失败后，直流电压降低，直流电流激增。若此时在逆变侧投入旁通对，受端交流系统与直流系统将被阻隔开，换流变压器中直流电流降至0，换流阀从受端交流系统中吸收的无功功率将急剧减少，受端母线低电压问题得到改善，为系统恢复提供有利条件。而对于直流系统来说，当逆变侧投入旁通对后，亦避免了受端系统扰动对直流电流造成的冲击影响。同时整流侧的直流电流维持在较高水平，使得整流侧换流阀可持续稳定地从送端交流系统吸收无功功率，从而改善送端交流系统暂时过电压情况。

2 抑制换相失败的旁通对控制策略

所设计的抑制换相失败的投旁通对控制器如图7所示。

该控制器启动后，除了在相应的换流桥中形成旁通对外，将向整流、逆变两侧同时发出高电平触发信号BPPO，对整流，逆变侧的部分控制参数进行临时调整，如图7中标红部分所示。在逆变侧的控制系统中，VDCOL为低压限流环节；Iord为直流电流指令值，Iord限幅幅值Io_min=0.55 pu，Io_max=1.00 pu；βinvI、βinvG分别为定电流控制和定熄弧角控制计算得到的越前触发角指令；βinv为最终送往逆变侧触发系统越前触发角指令。当逆变侧控制系统检测到旁通对控制信号BPPO为高电平时，对VDCOL环节控制参数进行调整，即提高故障期间VDCOL环节输出下限值Io_min，避免因直流电流被过调至0而导致送端过电压。如图8所示，常规控制中Io_min=0.55 pu，旁通导通期间Io_min=0.80 pu。

图7 旁通对控制基本控制结构

图8 VDCOL工作曲线

在整流侧控制系统中，Ird为整流侧直流电流测量值；ar_ord为整流侧触发角指令值。整流侧控制系统检测到旁通对控制信号BPPO为高电平时，增加整流侧触发角限幅控制，限制触发角上限αr_max为80°。当旁通对控制退出后，限幅指令延时30 ms退出。这样做是为了避免逆变侧换流阀恢复导通后，整流侧触发角指令为限制电流而持续增大，导致直流电流过低，整流侧再次出现过电压风险。

综上所述，在旁通对控制期间对整流侧和逆变侧进行控制参数调整是为了解决暂态过程中送端过电压问题。

投旁通对控制流程如图9所示。其中，Ui为逆变侧换流母线电压有效值；Ui0为逆变侧换流母线电压零序分量。

图9 旁通对控制流程

旁通对控制信号BPPO的生成分为两部分：启动信号生成和复位信号生成，如图10所示。

图10 旁通对控制信号生成环节

图10中，换相失败检测模块中的SY、SD分别代表换流器Y桥和D桥换相失败检测信号，Y桥和D桥的换相失败检测算法分别如式(1)和(2)所示[4]：

(1)

(2)

式中：Iidn为逆变侧直流电流额定值。

当式(1)(或式(2))为真时，SY(或SD)输出1；反之，SY(或SD)输出0。图10中，Ui_th为逆变侧换流母线电压有效值的检测阈值；CO为旁通控制启动信号；RES为旁通控制复位信号。启动信号模块中，当SY与SD均检测出换相失败发生，且换流母线电压有效值Ui小于检测阈值Ui_th时，则启动信号CO输出为1，投旁通控制信号BPPO为1。控制器的复位信号环节分为换流母线电压有效值检测、换流母线电压零序电压检测和旁通对导通时间TBPPO检测环节。检测条件为：

(3)

(4)

3 算例分析

在PSCAD/EMTDC中搭建河南特高压直流多馈入系统仿真模型，其结构如图11所示。其中，天中直流系统受端为常规的特高压直流单端馈入结构，经中州换流站500 kV母线接入交流电网。青海—河南(以下简称青豫)直流系统采用多端单层馈入结构，即将高端换流器I,IV和低端换流器II, III分别接入豫驻马换流站内的两个500 kV母线。为便于表述，将天中直流馈入点编号为母线1，将青豫直流高端馈入点编号为母线2，低端馈入点编号为母线3。受端交流系统由等效阻抗与电源构成的戴维宁模型进行等效替代。Zi和Si为各馈入点处的等效交流系统阻抗和电源；Zij为换流母线间联络通道的等值阻抗。

图11 河南特高压直流多馈入系统结构图

考虑到直流逆变器正常运行时将从系统吸收大量无功功率，为避免投旁通可能造成的受端交流系统无功过剩，进而导致过电压问题，仅将抑制换相失败的投旁通控制器安装于图11所示直流系统1和直流系统2的正极直流线路中，负极直流线路仍采用原控制方式运行。控制器中逆变侧换流母线电压检测阈值Ui_th设置为0.94 pu。

3.1 交流故障下控制器效果验证

首先以三相接地短路故障为例，进行对称故障下的控制器性能测试。在距离直流系统1逆变侧换流母线电气距离0.3 H处设置三相短路接地故障，故障开始时刻为0.800 s，持续0.100 s。在该工况情景下对比有无控制器时直流系统在换相失败后的恢复效果。

图12为直流系统1、直流系统2中高压阀组的旁通对控制信号BPPO及其内部各控制信号。直流系统1正极高端阀组D桥、Y桥分别在0.805、0.807 s检测出发生换相失败，交流电压检测环节检测出交流电压在0.809 s下降至阈值，故直流系统1旁通对在0.809 s时导通，0.869 s时退出。直流系统2未检测出发生换相失败，旁通对未启动。

图12 旁通控制信号

图13是旁通对措施投入前后，直流系统1的送端直流电流Ird及直流电流指令值Iord对比图。可以看出，VDCOL下限值提升后，直流电流指令值提升至0.8 pu，送端直流电流在第一个振荡周期内未出现断流。

图13 旁通控制投入前后直流系统1送端直流电流对比

图14对比了投旁通控制前后，直流系统1在交流故障下送、受端的换流母线电压有效值Ur、Ui及阀组吸收的无功功率Qr、Qi。图14(c)中，在故障初期0.800 s至0.833 s内，受逆变侧交流系统故障影响，逆变阀组换相失败，向系统释放大量无功功率，此阶段图14(a)中的逆变侧母线电压先降后升；而后在0.834 s至0.869 s内，换相失败的晶闸管恢复正常工作，常规控制方式下换流阀从交流系统吸收的无功功率明显回升，交流电压再次显著降低。而旁通措施方式下，由于逆变侧正极仍处于旁通状态，正极阀组从系统吸收的无功功率仍处于低水平。而随着负极直流电流逐渐恢复，负极阀组无功功率吸收增加，此时逆变侧交流电压总体下降但程度较轻，缓解了逆变侧恢复过程低电压问题。

图14 旁通控制投入前后直流系统1母线电压与阀吸收无功功率对比

图14(d)中，受逆变侧换相失败后直流电流被过调至接近0的影响，整流侧换流阀在0.802 s后向交流系统释放大量无功功率。常规控制方式下，整流阀组将最大向交流系统释放约2 000 MV·A无功功率；而在旁通措施方式下，换流阀组最大仅向交流系统释放500 MV·A无功功率。因此在图14(b)中，常规控制方式下的整流侧母线电压最高可达到1.12 pu；而旁通措施方式下，整流侧母线电压最高仅为1.08 pu。可以看出旁通措施限制送端母线过电压的效果显著。

再以单相接地故障为例，进行不对称故障下的控制器性能测试。0.4 s时在距离母线1电气距离0.05 H的位置设置一持续时间为0.1 s的A相接地故障。图15展示了该故障工况下旁通控制对直流系统1的控制效果。

图15 单相接地故障下控制效果

由图15(a)可看出，在满足旁通对投入条件后，直流系统1逆变侧的高端D桥在0.405 s至0.550 s之间被闭锁，在此期间该换流器不再从交流系统吸取无功功率。因此，图15(b)中红线所示的旁通对控制下的逆变侧换流器吸收的无功功率总额明显低于常规控制。旁通对控制使交流故障引起的受端交流系统无功缺额情况得到了明显的缓解，如图15(c)中的红线所示，逆变侧换流母线低电压问题得到了显著改善。而根据图15(d)，旁通对作用期间对直流电流整定值进行临时调整可显著改善直流电流被过调至0值的问题。VDCOL参数调整和整流侧触发角限幅对送端换流阀吸收无功的控制效果明显，如图15(e)中红线所示，整流侧换流阀吸收的无功功率增多，图15(f)中送端过电压问题也得到了明显改善。

上述两组实验结果对本文所提的旁通对控制基本原理进行了验证，即通过将部分逆变侧换流阀闭锁以限制受端无功功率消耗，进而缓解受端因无功功率缺额导致的低电压问题；同时调整暂态期间直流电流整定值和整流侧触发角限幅以增大送端无功功率消耗，进而缓解受端因换流器断流引发的过电压问题。这种控制原理决定了其有效性不受交流故障类型影响，只要故障引发的电压电流波动满足了该控制策略的投入条件，控制器即可有效工作。同时需要说明的是，三相短路故障作为交流系统中发生概率较低也较为严重的短路故障，更容易出现触发旁通控制的工况。而相比之下，单相故障和相间故障罕见出现能满足旁通对触发条件的工况。

3.2 单极与双极投入旁通对控制效果对比

在如图11所示的多馈入直流输电系统中采用旁通措施，分别设置如下方案进行对照：1)仅在正极投入旁通对控制器(方案1)；2)正负极都投入旁通对控制器(方案2)。

在距离直流系统1逆变侧换流母线电气距离0.15 H处分别设置三相短路接地故障、两相短路接地故障、相间故障和单相接地故障，故障开始时刻为0.800 s，故障持续0.100 s。在以上4组故障工况下，两组方案旁通措施投退时间如表1所示。旁通对的退出时间受逆变侧交流系统电压恢复程度影响，表1中各种故障工况下方案2的旁通作用时间较方案1均有延长，由此可知，当正负极同时投入旁通控制器后，其交流系统电压恢复速度较仅正极投入旁通控制器的恢复速度更慢。

表1 旁通对导通时间

下面以三相短路故障下两组方案的仿真波形为例，对单极投入旁通对相较双极投入更有利于系统恢复的原因进行分析。图16比较了2种控制方案下逆变侧换流母线电压与换流阀吸收无功功率。如图16所示，相比方案1，方案2旁通控制期间正负极旁通对同时导通，换流器向受端系统释放更多无功功率，因此方案2中逆变侧母线电压较方案1有更大的提升。但是逆变侧换流器过多释放无功功率会导致受端系统出现过电压风险，如图16 (b)所示，在0.83 s至0.90 s间，方案2的逆变侧换流母线电压有效值在1.15 pu以上，存在过电压风险。

图16 两种控制方案下逆变侧参数对比

图17为2种控制方式下整流侧参数对比。对于直流系统1，相比于方案1，方案2下旁通对导通时间更长，阀组从交流系统吸收更多无功功率，控制期间母线电压峰值更低，电压回落至额定值的速度更快。而当旁通对断开后，直流电流下降，整流侧阀组向交流系统释放无功功率，此时方案2相比方案1中阀组无功功率释放量更大，交流电压的二次抬升峰值更高。而对于直流系统2来说，方案2下直流系统1整流侧进一步释放的无功功率加剧了其整流侧过电压问题。

由上述2组方案对比可知，在多馈入系统中，多回直流同时启动旁通将会为交流系统带来大量的无功功率盈余，对于严重故障点，盈余的无功功率则可有效缓解故障点附近的低电压问题，但是对于故障远端换流站，其母线电压则可能出现大幅上升，面临过电压风险。采用单极直流投入旁通控制器的方法，在故障期间仅控制一极逆变阀组向交流系统释放无功功率，不仅在一定程度上提升了逆变侧交流电压，同时也不至于使整流侧交流系统出现过电压风险。