一种基于自适应电压限值的换相失败抑制策略

曹善康，魏繁荣，林湘宁，李正天，江 毅，陈 岑，马云聪，李飞宇

一种基于自适应电压限值的换相失败抑制策略

曹善康，魏繁荣，林湘宁，李正天，江 毅，陈 岑，马云聪，李飞宇

(强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北 武汉 430074)

为有效抑制高压直流输电系统在不同故障程度下的换相失败，提出了一种基于自适应电压限值的改进低压限流控制器(voltage dependent current order limiter, VDCOL)设计方案。首先，详细分析了包含传统VDCOL的直流输电系统在换相失败及恢复期间的运行特性，并提出VDCOL曲线在不同时间段下应具备的动态性能。然后，引入直流电流这一反映故障特性的时变电气量优化传统VDCOL的直流电压上下限值，从而在不同时间段自适应改变电流指令启动电压阈值与电压-电流指令变化趋势，以满足输电系统换相失败及恢复期间的有功与无功需求。同时考虑到VDCOL电压上下限值的过度变化会恶化系统运行特性，对其范围的设置进行了解析和合理选取。最后,在PSCAD/EMTDC中对所提方法进行仿真测试。结果表明，所提出的改进控制策略能在一定程度上抑制直流输电系统的连续换相失败，同时有效地改善换相失败各阶段直流输电系统的运行特性。

高压直流输电；换相失败；自适应控制；低压限流控制；故障恢复过程

0 引言

高压直流输电由于其输送功率大、线路造价低且无须考虑同步问题等优点，被广泛应用于电能远距离传输及非同步交流系统互联等场合[1-3]。然而，由于输电系统换流器件采用无自关断能力的半控型器件晶闸管，仅依靠电网电压保证晶闸管阻断能力，这导致换相失败成为直流输电的典型故障[4]。换相失败在引起直流电压跌落的同时会引起直流电流短时激增、直流偏磁、有功功率大幅下降，连续换相失败甚至会导致输电系统阀组闭锁或极闭锁，进而引发连锁故障，严重威胁电网的安全稳定运行[5-6]。

在快速故障检测的基础上，目前常通过增大关断角，降低直流电流指令值等控制策略进一步降低换相失败发生的概率。文献[11]结合换相失败预测控制，实现提前触发以获得较大的换相裕度。文献[12]根据交流故障严重程度动态调整关断角增量，抑制后续换相失败。然而增大关断角在降低换相失败风险的同时会造成逆变侧吸收过量无功，增大交流电压再次畸变的概率[13]。对于降低电流指令值方案，实际工程中主要采用改进低压限流控制器(voltage dependent current order limiter, VDCOL)环节限制换相失败时直流电流的突增。文献[14]采用改进的非线性 VDCOL 策略实现连续换相失败的有效抑制，提高直流电流指令在系统故障期间的响应速度。文献[15]从高压直流输电系统无功特性的角度对VDCOL参数的设置方法进行了改进，得到参数最佳设置范围。文献[16]提出一种基于渐变恢复理论的新型VDCOL控制方式，通过延缓直流功率恢复速率，降低故障期间直流系统对交流系统的无功需求。然而此类VDCOL曲线设计中所采用的固定修正系数无法全面反映电压跌落期间的故障严重程度。若能将故障期间系统实时电气参数引入VDCOL曲线，则可以较好地匹配换相失败期间的系统动态特性。

目前，虽然已有部分文献着手此类研究，但其未能有效兼顾换相失败各时间段的系统动态需求。其中，文献[17]引入交流电压在线调整VDCOL直流电压上限值，使直流的恢复速度能适应交流系统的恢复状态。但其改进控制曲线完全置于传统曲线下方，牺牲了故障稳态期间直流系统有功保留能力。文献[18]引入直流电流修正VDCOL曲线，在抑制换相失败的同时限制直流系统输出功率的大幅降低。然而该策略在微小扰动下会造成电流指令过量偏移，进而引发功率的大范围波动。文献[19]在VDCOL曲线中引入直流电流导数抑制换相失败，并在控制策略中加入延迟控制环节从而抑制轻微故障下系统输送功率变化范围，但也减缓了系统在故障下的恢复速度。

基于上述分析，本文针对换相失败各阶段下直流输电系统的有功无功需求，提出VDCOL策略在故障暂态过程中应满足的动态特性。通过引入直流电流这一时变电气特征信息优化传统VDCOL的直流电压上下限值，在换相失败不同时间段自适应地改变电流指令区段的启动电压阈值与电压-电流指令变化趋势。分别分析了改进控制系统在正常工况、轻微扰动与严重故障下的工作特性，以及在直流系统恢复过程中的作用。最后在 PSCAD/ EMTDC环境中，基于CIGRE模型对改进VDCOL进行了仿真并与现有文献进行对比。仿真结果表明，所提出的电流限制控制器可以在一定程度上抑制单相故障和三相故障情况下HVDC 系统的首次换相失败及连续换相失败，同时改善换相失败期间不同阶段的直流输电系统性能。

1 换相失败及低压限流控制

1.1 换相失败机理

直流输电系统通过交流侧提供的电压与电流实现整流侧与逆变侧的换相过程。在换相过程刚结束时，退出导通的阀需要在一定时间的反向电压作用下恢复阻断能力。若时间不足，或换相过程未能结束，则承受反向电压的晶闸管将会承受正向电压，被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，从而发生换相失败[20]。系统运行时，式(1)所示关系成立。

1.2 传统VDCOL控制策略

直流系统逆变侧通常配备有低压限流控制(VDCOL)，该控制策略在直流电压跌落至某一程度后限制直流电流设定值并通过整流侧定电流控制降低实际直流电流，由式(1)可知，在故障期间维持较低电流水平能够增大逆变侧关断角。这一措施有利于促进直流系统换相成功，恢复换流母线电压，同时降低逆变侧的无功消耗。

传统VDCOL 控制策略的运行特性如图1所示(以CIGRE标准模型为例)。

图1 传统VDCOL策略示意图

传统VDCOL能在一定程度上降低故障期间直流电流，减小换相失败风险。但由于其电流指令变化速率与对应的直流电压最大、最小限值都为固定值，导致其在故障发生时电流指令调节灵敏度难以适配故障严重程度，在系统暂稳运行下保留的传送功率不佳。若受端系统较弱，其固定电流指令变化速率可能导致直流电流恢复过快，需要从交流侧吸收大量无功功率，从而造成交流电压下降和畸变，引起关断角减小，再次触发换相失败[21]。因此有必要提高VDCOL 控制器在系统故障期间各阶段的性能。

2 自适应电压限值的低压限流控制策略

系统故障期间电流指令最终输出值由VDCOL 功能确定，直流电压的最大、最小限值决定了低压限流控制的动态性能。电压上限取值过大，在微小扰动下电流指令值会出现剧烈波动，太小则控制策略对电压波动反应不够灵敏；电压下限太低则会过早恢复电流，增加逆变侧无功吸收；二者之差决定了电流指令的变化速率，其值越大限制直流电流效果越好，但在故障后电压恢复过程中的电流上升会很快，对系统的冲击较大。

传统VDCOL为了满足普遍适用性通常采取的直流电压范围为[0.4, 0.9]，固定的电流指令区段启动电压阈值难以保证控制系统感测故障的灵敏性，电压-电流线性相关的变化趋势更是无法动态匹配输电系统实时的有功与无功需求[22]。

2.1 换相失败直流系统暂态特性

输电系统直流线路的动态方程可以表示为[23]

式中：和分别为整流侧和逆变侧直流电压；和分别为直流线路电阻和电感；和分别为整流侧和逆变侧平波电抗器电感。发生换相失败后，直流系统故障清除、系统恢复前的暂态过程可以分为如下3个阶段(以直流电流为例进行说明)，换相失败各阶段电流示意图如图2所示。

传统VDCOL特性曲线难以应对换相失败各时间段需求，为了在换相失败期间保证直流系统获得良好的控制性能，改进VDCOL策略在故障暂态过程各阶段应满足如下条件。

阶段1：换相失败发生时，随着故障严重程度加大低压限流启动电压阈值以及电流指令值下降速率。防止轻微扰动造成的大范围功率波动的同时，提高控制策略对严重故障的针对性，降低首次换相失败概率。

阶段2：换相失败处于恢复过程时，直流电流指令值上升速率应随直流电压增长，在电压较低时限制直流电流恢复速率，降低故障期间直流系统对交流系统的无功需求，防止交流侧电压再次跌落造成后续换相失败[14]。直流电压接近额定值时加大电流上升速率以恢复有功功率的输送。

阶段3：换相失败进入暂稳运行状态，此时直流电流指令值不能过小，从而避免直流系统输出功率的大幅降低。需要注意的是，部分场景下交流侧故障清除速度快，此时系统不会进入阶段3，但其恢复需求仍与阶段2保持一致。

结合式(3)及阶段1—阶段3中的直流电流变化趋势，可以看出直流电流在换相失败发生瞬间迅速增加随后下降，在换相失败恢复期间逐渐回升，在换相失败暂稳运行后保持恒定且小于额定值。其特征能较好地反映换相失败各故障时间段的动态特性，且不增加其他附加投入，故本文利用直流电流对低压限流控制进行改进。

2.2 基于实时电流的自适应电压限值调节方法

图3 改进VDCOL曲线

对式(7)两边进行微分，可以得到改进VDCOL特性曲线在换相失败恢复期间，直流电流指令值随直流电压的变换率为

将式(8)重复部分进行合并，交换微分项位置可以简化为式(9)与式(10)。

对基于自适应电压限值的VDCOL在换相失败各时间段的工作效果详细分析如图4所示。

2.3 参数选取原则

从2.2节分析可知，利用电流实时测量值与 VDCOL 配合，改变其电压最大最小限值，可以保证系统故障期间具有良好的动态性能。其中不同的系数、对控制系统性能的影响不同，因此二者的合理取值对控制系统的故障反应特性尤为重要。

对于系数、的取值范围，同时需要从以下两个方面进行考虑：一方面，二者取值过小，会导致直流电压最大最小限值在故障发生至电流达到最大值这一暂态过程中右移范围有限，无法减小首次换相失败的风险；另一方面，为了在故障恢复期间保证系统获得良好的动态性能，故期望式(9)能够随着电流指令递增，画出式(9)的波形图，如图5所示。

图5 式(9)波形示意图

为了获得符合故障恢复期间动态性能的电压指令变化速率，希望取值较小，而取值较大。

根据上述系数、的取值要求可以概括为下述两个方面：

1) 取值不能过小，保证故障发生瞬间电压最大最小限值存在一定的偏移量，从而迅速限制直流电流。

3 仿真验证

为验证所提基于自适应电压限值的低压限流控制策略的有效性，基于图6所示的CIGRE标准测试模型，在 PSCAD/EMTDC环境中实现了所提出的控制方法。系数分别取为0.3和0.5。

图6 CIGRE标准测试模型

表1 HVDC系统参数

3.1 换相失败抑制效果仿真分析

为了验证本文所提控制策略抑制换相失败的能力，在逆变侧换流母线处设置单相、三相感性接地故障来模拟不同交流系统工况。对比研究不同故障工况下，采用所提出控制策略前后HVDC系统相关电气量的动态特性。

分别基于以下两种控制策略在不同交流故障场景下进行仿真验证。

控制策略I：CIGRE标准测试模型原有策略(图7中虚线)。

控制策略II：在原有策略基础上，采用本文所提出的基于自适应电压限值的控制策略(图7中实线)。

由于此处主要强调本文控制策略对换相失败的抑制效果，对于不会引发换相失败的轻微故障将在3.2节动态特性中详细展开。设逆变侧换流母线于 2 s时分别发生单相与三相故障，接地电感值都设为为0.4 H，故障持续时间为0.5 s。采用控制策略I与II时，HVDC各物理量的对比结果如图7所示。

图7 控制策略Ⅰ与Ⅱ下系统运行特性

为充分衡量本文所提控制策略对 HVDC 连续换相失败的抑制能力，分别设置多种故障工况进行仿真验证。故障时刻以2 ms 为步长连续变化，所有故障均持续0.5 s。考虑到接地电感大于1.2 H时，控制策略I与II下HVDC系统在任何故障类型下均不会发生首次换相失败，且在接地电感小于0.2 H的严重故障工况下，本文策略对连续换相失败的改善效果不明显，因此给出接地电感在0.2～1.2 H范围内以0.1 H为步长连续变化时，传统VDCOL与本文策略对系统连续换相失败的抑制效果对比，如图8、图9所示。

图8 单相故障下本文策略对连续换相失败的抑制效果

图9 三相故障下本文策略对连续换相失败的抑制效果

由图8可知，对于单相故障，在接地故障电感0.6 H以下区域内不均匀地分布着橙色与红色区块，系统可能发生两次到三次连续换相失败。在0.6～0.9 H则主要为橙色区块，0.9 H以上的区域内均不会发生换相失败。其故障特性整体随故障接地电感的增大而减小。采用本文控制策略后，所有的三次与大部分的两次连续换相失败都得到了有效抑制，部分两次连续换相失败与所有单次换相失败更是直接避免。可以看出，本文策略对于单相接地故障的首次换相失败和连续换相失败均具有较好的抑制效果。

由图9可知，对于三相故障，采用传统VDCOL策略时，故障接地电感小于1.2 H的区域内黄色块、橙色块分布不均匀，系统可能发生单次换相失败或两次连续换相失败。在采用本文控制策略后，两次连续换相失败均得到了有效的抑制，少部分首次换相失败也得以避免。可以看出，本文所提抑制策略对于三相接地故障的连续换相失败抑制较为有利，而对于首次换相失败抑制能力仍有一定提升空间。

3.2 换相失败各阶段系统动态特性分析

为了验证本文所提控制策略在换相失败各阶段的动态性能提升效果，分别与同样采用直流电流改进策略的文献[18]与文献[19]进行对比。通过对3种控制策略在不同交流故障场景下进行仿真验证，对比研究不同故障工况下采用3种控制策略时HVDC系统相关电气量的动态特性。

其中，文献[18]为了保证故障时的电流限值效果，采用了固定的虚拟电阻，因此在轻微故障下其低压限流启动电压以及电流指令值下降速率都较大，从而加大其功率波动范围，而采用本文所提的基于自适应电压限值的控制策略以及文献[19]采用的虚拟电感控制策略时，直流输电系统功率波动相对较小，但文献[19]控制策略包含的延迟环节导致换相失败恢复时间加长。不同故障程度下3种控制策略的功率波动范围如表2所示。

表2 控制策略功率波动范围

从表2可以看出，本文控制策略相较于文献[18]，在轻微故障下造成的传输功率波动更小，直流输电系统稳定性更高。

从图11可以看出，严重故障下3种控制策略都能阻断后续换相失败的发生。文献[19]由于在控制环节中引入延迟项，加大了各电气量故障暂态响应时间，且在换相失败暂稳运行状态下未能有效提升系统有功传输能力。而本文所提控制策略与文献[18]策略并未出现上述问题。值得注意的是，本文所提控制策略在轻微故障下电流下降速率小于文献[18]，如图10所示。但在严重故障下，电流指令值能更快地下降到最小电流限值，且其下降速率随电压跌落程度递增，与前文分析一致。而在换相失败恢复阶段，本文所提控制策略在电压较低时，功率恢复速度相较于文献[18]更慢，从而降低后续换相失败的发生概率。

图11 单相故障Lf = 0.4 H下系统运行特性

本文控制策略较文献[18-19]的抑制效果如图12所示，其中黄色代表三者对换相失败抑制效果相同，绿色是本文控制策略抑制效果同时优于文献[18-19]，而橙色是未能优于文献[18-19]的场景。

从前文分析及图12可以看出，本文所提控制策略在保证换相失败抑制效果与文献[18-19]大体相同的同时，有效地解决了文献[18]在轻微故障下功率波动幅度过大，以及文献[19]在换相失败暂稳状态下传输功率保留能力不足的问题。在轻微故障下本文控制策略能防止传输系统严重限流，在严重故障下能迅速限制直流电流，减小首次换相失败概率，在恢复阶段保持电流恢复速度随电压上升，并在换相失败暂稳运行状态下限制输出功率的大幅降低。有效地提升了换相失败全过程下各阶段的系统动态性能。

图12 单相与三相故障下3种策略对连续换相失败的抑制效果对比图

3.3 参数选取效果验证分析

直流电流指令值下降时间段曲线如图13所示，可以看出，随着系数、的增大，电流指令值下降速率提高，且系数越大，指令值开始下降时间越提前，从而能够在换相失败瞬间迅速限制直流电流的突增。因此应选择尽可能大的系数、以减小首次换相失败的概率。

直流电流指令值恢复时间段曲线如图14所示。3种参数选取方法都能在2.14 s左右将电流指令值恢复至1 p.u.附近，且当参数越大，参数越小时，电流指令值初始恢复速率越高。因此应选择尽可能大的系数以及尽可能小的系数，以满足换相失败恢复期间系统的动态性能。综合考虑不同时间段的需求，本文选择、系数分别为0.3和0.5。

图13 不同参数下电流指令值下降曲线

图14 不同参数下电流指令值恢复曲线

4 结语

本文提出了一种自适应电压限值的直流电流限制策略。本文主要研究工作包括：

1) 针对换相失败各阶段的直流输电系统暂态有功无功需求，提出VDCOL策略在故障暂态过程中应满足的动态特性。

2) 引入直流电流这一时变电气特征信息，优化传统VDCOL的直流电压上下限值，从而在换相失败不同时间段内自适应地改变电流指令值变化速率与启动电压阈值。在不同故障时间段自适应地改变电流指令区段启动电压阈值与电压-电流变化趋势，从而满足直流输电系统实时有功与无功需求。提出的基于自适应电压限值的控制策略，在面对不同故障种类、故障发生时刻以及故障严重程度均能够有效减小直流输电系统发生换相失败的概率，并提升换相失败各阶段的系统动态性能，有助于电网的安全稳定运行。

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A commutation failure suppression strategy based on adaptive voltage limits

CAO Shankang, WEI Fanrong, LIN Xiangning, LI Zhengtian, JIANG Yi, CHEN Cen, MA Yuncong, LI Feiyu

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

To effectively restrain a continuous commutation failure of an HVDC system at different degrees of fault, an improved voltage-dependent current order limiter (VDCOL) controller design scheme based on adaptive voltage limits is proposed. First, this paper makes a detailed analysis of operating characteristics of an HVDC system with VDCOL involved during commutation failure and recovery. At the same time, the dynamic performance of the VDCOL curve over different periods is proposed. Then, the time-varying DC current, which can reflect the fault characteristics, is introduced to optimize the upper and lower limits of the DC voltage of a conventional VDCOL.Thus, the starting voltage threshold and the variation trend between voltage and current instruction are adaptively changed in different periods, meetingthe dynamic active and reactive power demand of the transmission system. Knowing that an excessive change of the voltage limits will deteriorate the system operational characteristics, its range is analyzed and rationally selected. Finally, the proposed method is simulated and tested in PSCAD/EMTD. The simulation results show that the improved control strategy can suppress the continuous commutation failure of the HVDC system to a certain extent and effectively improve the operation characteristics of the HVDC system at each fault stage.

high voltage direct current transmission; commutation failure; self-adaptation control; voltage dependent current limit control; fault recovery process

10.19783/j.cnki.pspc.220366

国家电网有限公司科技项目资助(5100-20219954 5A-0-5-ZN)

This work is supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 5100-202199545A-0-5-ZN).

2022-03-20；

2022-07-12

曹善康(1997—)，男，博士，主要研究方向为电力系统保护与控制；E-mail: 804741785@qq.com

魏繁荣(1991—)，男，通信作者，博士，讲师，主要研究方向为电力系统保护与控制。

(编辑 许 威)