抑制直流输电换相失败方法研究

贺日星，杨宝峰，陈瀚栋，罗振鹏

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特 010080）

0 引言

随着我国能源消费的不断增长和电力需求的不断增加，直流输电系统以其良好的发展趋势在电力网络中的应用越来越广泛[1-3]，在实现节能、环保和可持续发展等方面发挥着重要的作用，同时发展趋势也将更加多样化、智能化和绿色化。

虽然基于电网换相换流器的常规高压直流输电（Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC）在技术性和经济性上有其独特的优势，但是由于电网换相换流器采用没有自关断能力的晶闸管作为换流元件，因此存在换相失败的风险。换相失败会引起换流变压器直流偏磁、换流阀过热、送端电网过压和发电机组脱机等问题，严重情况下可能进一步导致直流闭锁，存在引发大面积停电的风险。大批学者针对抑制换相失败的措施进行研究，这些措施可以分为两类：一是从LCC本体出发，以修改控制器保护定值、改造局部拓扑的方式实现系统对不利换相条件的故障穿越；二是从影响LCC 换相失败的外部因素入手，以改善系统外部换相条件的方式达到抵御换相失败的目的。从换流器内部看，成功换相需使晶闸管的电流小于其维持电流并持续一段时间；从换流器换相条件看，成功换相要求晶闸管运行关断角不能小于其固有极限关断角。本文从换流器内部和外部两个方向归纳分析已有的抑制换相失败的措施，总结了亟待研究的问题，为当前及今后的研究提出可行的技术思路。

1 换相失败机理分析

1.1 器件原因

LCC-HVDC 的换流器件由晶闸管组成，晶闸管是半控型器件，其触发控制具有以下特征[4]：当晶闸管承受正向电压，且门极有触发电流，晶闸管导通；导通后，门极对晶闸管失去控制作用，若需关断已经导通的晶闸管，需在晶闸管上加入反向电压，使流过晶闸管的电流降至其维持电流以下。

由于晶闸管关断存在一个过渡过程，在这个过程中，如果重新给晶闸管施加正向电压，晶闸管不需要门极触发电流也可以重新导通。正是由于这一物理特性，使LCC-HVDC 存在换相失败的风险，这是直流输电系统发生换相失败的根本原因。

1.2 系统原因

因换相失败多发生在逆变侧，以传统的直流输电系统逆变侧三相桥式换流器为例，三相六脉波换流器是LCC-HVDC的基本结构单元，其电路拓扑图如图1 所示。按序号依次导通晶闸管，相邻阀臂间隔60°。

图1 三相桥式换流器拓扑Fig.1 Topology of three-phase bridge converter

在直流输电系统中，触发角、超前触发角、关断角和换相角之间关系如式（1）与图2所示。

图2 逆变器换相过程电压波形Fig.2 Voltage waveform during inverter commutation process

式中：α为触发角；β为超前触发角；γ为关断角；μ为换相角。

在换流器中，如果实际运行的晶闸管关断角小于其固有的极限关断角γmin，就会发生换相失败。以S4对S6换相过程为例，简单描述单次换相失败过程，其等值电路图如图3所示。

图3 S4向S6换相过程等值电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram during the commutation process from S4 to S6

换相前，S4和S5导通，电流流经S4和S5，当S6的触发脉冲到来，如果S6承受正向电压，则立即导通，S4向S6换相。但由式（1）与图3 可以看出，当S6触发后，如果换相角较大，就会导致S4在电压过零点时依然有少量载流子流过，当晶闸管两端电压由负转正后，无需触发脉冲，S4也可重新导通，发生倒换相，S6关闭。如果没有故障保护，则依然按照晶闸管的序号依次导通，在S1的触发脉冲到来导通后，S1和S4直通导致直流侧短路。

关断角γ由多个参数决定，根据相关文献研究，在系统对称运行时[5-6]，存在式（2）关系：

式中：k—换流变压器变比；

IdL—直流电流；

XC—等效电抗；

UL—逆变侧交流线电压有效值。

当发生系统不对称故障，引起电压相角偏移时，存在式（3）关系：

式中：φ—电压波形相角偏移电角度。

2 抑制换相失败方法

2.1 修改控制器定值

现有研究发现，大多数换相失败是由交流系统故障造成电压扰动引起的，上述问题在系统中不能完全避免[7]。但可以降低换相失败的概率，或提高换相失败后直流系统的恢复速度。常用的方法是在检测到交流电压干扰后，立即减小逆变器侧的触发角，以获得较大的换相裕度。目前工程上应用最为广泛的是基于导通角修正的换相失败预测控制法和抑制后续连续换相失败的低压限流控制法（Voltage Dependent Current Order Limit，VDCOL）两种[9-12]。

2.1.1 换相失败预测控制

换相失败预测控制是通过检测某些状态量的变化来判断是否将要发生换相失败，在发生换相失败前，通过减小触发角来增大换相裕度，从而降低发生换相失败概率。换相失败预测控制是抑制首次换相失败极其有效的控制方法。根据换相失败机理可知，关断角是影响换相失败是否发生的最直接状态量。但关断角很难被准确检测，因此需要通过检测其他影响关断角的参数来判断是否会发生换相失败。换相失败预测控制原理如图4所示。

图4 换相失败预测控制原理Fig.4 Predictive control principles for commutation failure

从图4 可以看出，换相失败预测控制由单相故障检测和三相故障检测两部分组成，当三相瞬时电压uU、uV、uW相加所得的零序电压分量（a1）大于设定的单相故障阈值VDIFF（b1）时，检测发生了单相故障，输出相应触发角αCF；当三相瞬时电压通过坐标变换得到的电压uαβ（a2）大于设定的三相故障阈值VABZ（b2）时，检测发生了三相故障，输出相应触发角αCF。

文献[13]根据逆变器交流母线的串联阻抗故障前后的差异来判断故障的严重程度，从而改变晶闸管的触发角，以保证有足够的换相裕度。文献[11]指出，如果过度调整晶闸管触发角可能会导致后续更为严重的换相失败。文献[14]从换相面积角度考虑了换相失败预防控制，提出了计算换相失败概率的方法。但换相失败预测控制模块的应用也会带来许多问题，其中比较突出的问题有两个：一是引入换相失败预测模块会导致系统逆变侧的无功需求增加，从而影响电压的稳定性；二是常规预测模块使用的判据在交流电压过零点的故障中存在启动慢的问题。文献[15]通过对实际工程进行特高压直流仿真建模，揭示了使用换相失败预测控制的直流输电系统中逆变站的非线性无功轨迹特性，针对预测控制模块导致的无功需求增加，影响电压稳定性的问题，提出了预测参数的优化方案。文献[16]提出了基于波形相似度检测的换相失败预测控制改进方法，可以很好地提高预测模块的灵敏度，消除故障合闸角对预测模块的影响。

2.1.2 低压限流控制

低压限流控制是高压直流输电系统控制的重要组成部分，在预防高压直流输电系统换相失败及切除故障后的恢复方面发挥着极其重要的作用。在实际工程和仿真研究中发现，当切除交流故障后，很容易引起换相失败，许多学者认为这是由于电流恢复速度过快造成的，且后续发生的换相失败会降低系统切除故障后的恢复能力，严重情况下会造成直流闭锁。

文献[17]指出，早期直流输电工程大多仅采用直流低压限流控制（DC-VDCOL），该方法可以通过直流电流指令反映直流电压的变化，能够降低直流故障后发生换相失败的可能性，但对逆变侧交流电压波动的情况反应不够迅速，当有多馈入直流输电系统互联的电网及多个逆变站的电器距离较近时，若只采用DC-VDCOL控制器，可能会影响系统的稳定性。因此交流低压限流控制器（AC-VDCOL）开始应用于直流输电系统，用于提高交流系统的性能，其原理是用实际检测到的交流换相电压来限制直流电流指令，能有效地改善交流故障后换流站附近的交流电压和直流功率的快速恢复。

根据低压限流法的特性曲线及公式（2）、（3）可以看出，VDCOL控制器在抑制后续换相失败及加快系统恢复速度方面有着很好的效果。常规的VDCOL 特性曲线如图5 所示。VDCOL 控制原理图如图6所示。

图5 VDCOL静态特性曲线Fig.5 Static characteristics of VDCOL

图6 VDCOL控制原理Fig.6 Control principles of VDCOL

文献[18]将VDCOL和熄弧角控制结合起来组成协调控制恢复策略，并对熄弧角控制器和VDCOL进行了优化改进。针对熄弧角控制器之前采用定值控制的适应性较差的缺点，改进为在稳态期间熄弧角控制器增益取较小值来获得控制稳定性，暂态期间取较大值，以避免后续换相失败的发生。VDCOL增加了延时环节和最小选择单元，并采用优化算法对两处改进进行了优化。

文献[19]通过仿真形式分析总结了VDCOL控制对无功超调量大小的影响规律。针对常规VDCOL控制器不能对低电压时的电流进行有效限制的问题，文献[20]提出了一种基于模糊控制的变斜率VDCOL 控制器，利用模糊控制的优点来克服建立换相失败精确数学模型的困难，具有鲁棒性强、抗干扰能力强、响应迅速、设计简单的特点，并通过仿真验证了该方法可以抑制后续换相失败，减小系统电气量的振荡，加快系统恢复速度，但该控制器的使用范围还需进一步研究拓展，且未考虑故障被切除瞬间电压突变带来的影响。文献[21]总结了切除交流故障时引起换相失败的机理及影响规律，在此基础上根据换相面积评估计算结果对VDCOL 控制器进行了改进，仿真表明可以有效抑制故障切除时的换相失败风险。

2.2 增加额外组件或设备

2.2.1 无功补偿装置

一些学者提出通过增加额外组件或设备来改善后续换相失败的免疫能力，如静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、同步调相机等[22-26]。采用无功补偿装置可以增大直流输电系统的有效短路比，降低系统对暂态反应的灵敏度，有效维持稳态电压[27]，是抑制换相失败的重要措施之一。无功补偿装置抑制换相失败控制流程图如图7所示。

图7 无功补偿装置抑制换相失败控制流程图Fig.7 Control flowchart of reactive power compensation device suppressing commutation failure

电容器作为常见的无功补偿装置，需根据交流系统的不同情况进行选择，当有效短路比大于5时，可全部使用电容器提供无功补偿；当有效短路比为3～5 时，电容器容量可占无功补偿容量的40%～70%；当有效短路比小于3时，电容器容量仅占无功补偿容量的20%～30%。

自二十世纪八十年代初开始至今，SVC 以其有功损耗小、维护工作量少、可靠性高、无惯性、响应速度快等优点，在抑制换相失败应用方面取得了很好的发展。但由于受端系统交流母线电压越低越需要更多的无功功率，而SVC本质上是依靠电容器产生无功功率，存在电压越低提供感性无功功率越少的缺点。文献[28]提出了一种采用实时信号调制的SVC综合非线性控制器，进行交直流混合系统的仿真，该控制方法可以稳定支撑动态电压，但会导致系统阻尼增大，且控制方法复杂。文献[29]针对在换相失败故障期间出现电压反调现象（送端换流母线电压出现极快的先低后高变化）和选型裕度过大、经济性差的问题，提出了一种SVC 优化定容设计的控制策略。目前国际许多实际工程安装SVC用于与直流协调配合，如挪威至丹麦的海峡直流工程、美国跨山电力直流工程以及中俄直流背靠背物联网工程等[30]。

与SVC 相比，STATCOM 在调节上更加灵活，且具有谐波小、运行范围宽、调节速度快、损耗小、可靠性高等优点[25]。文献[25]通过研究STATCOM与单馈入直流输电系统的协调配合，证明了STATCOM能够对无功快速控制，从而稳定直流输电系统交流母线的电压。文献[31]建立了含有STATCOM 的双馈入直流系统模型，并证明在双馈入直流输电系统中的一个子系统逆变站交流母线上接入STATCOM，能够提高系统暂态和稳态运行特性。STATCOM 在大容量直流换流站也得到了广泛应用，如国内第一条省内直流输电工程（±500 kV 永仁—富宁直流工程）[32]。

在系统故障不严重情况下，同步调相机和STATCOM对电压的恢复能力基本相同，但当系统发生严重故障时，同步调相机对电压的恢复能力与STATCOM相比有明显的提升，能够显著提高直流输电系统抑制换相失败的能力。同步调相机在国内外许多高压直流输电工程中都得到了应用[33-34]。

2.2.2 电压源换流器

电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）最早是加拿大Boon-Teck Ooi 等人在1990 年提出，其由可控关断器件组成，采用脉宽调制技术控制，不存在换相失败的问题，且比LCC 控制灵活。但随着电压等级的增大和传输容量的提升，换流器的损耗也增大，且存在电磁干扰等问题。

基于VSC 的技术优势，一些学者提出了VSC+LCC 的混合直流输电系统[35]，这种输电系统能够弥补LCC 的不足，发挥LCC 和VSC 的优势，通过VSCLCC 控制，减少甚至避免LCC 换相失败的发生。目前主要有并联混合多馈入直流输电系统、一端LCC一端VSC的混合直流输电系统、混合多端直流输电系统、一端由LCC和VSC串联组成的混合直流输电系统等典型拓扑。但VSC+LCC 的设备成本远高于基于LCC换流技术的设备成本，且混合换流的协调控制技术仍有待进一步研究[36-37]。

2.3 局部改造换流器拓扑结构

对LCC 拓扑进行局部改造，可以实现LCC 的强迫换流，如早期的电容换相换流器（Capacitor Commutated Converter，CCC）[38]、采用晶闸管的可控串联电容换相换流器（Controlled Series Capacitor Converter，CSCC）[39]。由于LCC 采用的晶闸管为半控型功率器件，缺乏自关断能力，晶闸管的关断需要电网提供一定时间和幅值的反向电压，CCC、CSCC 及可控子模块辅助换向器都是利用这个原理设计的。从器件层面上看，晶闸管的关断是由于导通电流小于晶闸管的维持电流。根据这一原理，可以将晶闸管的导通电流降低至维持其导通的最小电流以下，则可以实现晶闸管的可靠关断。

2.3.1 利用可控子模块实现强迫换相

电容换相换流器是换流器拓扑的改造方法中最受欢迎的一种[40]，它属于强迫换相换流器，能够在更高的功率因数下工作，换相失败概率更低，但不能完全避免换相失败，会导致晶闸管的电压应力增加[41]。文献[42]在传统CCC 基础上提出了一种采用插入动态串联电容模块来增加有效的换相电压，通过RTDS 仿真验证，在零阻抗单相和三相接地故障情况下，即使缺乏交流换相电压也能实现成功换相。且该系统在单相故障下仍能传输一定量的功率，在三相故障下也能实现快速恢复。文献[43-44]提出了在换流桥的阀臂上串接一种完全可控的子模块，这种模块化的换流器拓扑为抑制换相失败提供了新的思路，且电压控制更为灵活。两种方案的区别在于：文献[43]串入的是完全可控的IGBT 子模块，文献[44]采用的是基于晶闸管的可控子模块。通过串接可控子模块可以提供额外的换相电压，增加伏秒换相面积，尤其在交流故障下，抑制换相失败的能力比LCC-HVDC更强，且在合适的控制策略下，也能精确控制子模块的电容电压，使子模块的电压、电流应力都在可接受的范围内。

串接可控子模块拓扑结构如图8所示。这种通过串接可控子模块来抑制换相失败的方法也同样存在许多困难和问题，首先在换流桥上串接可控子模块使得拓扑复杂，工程改造应用难度有所上升；其次使用全控型器件IGBT虽使模块可控性提高，但通流能力和对暂态冲击能力都与晶闸管有所差别，在实际应用中可能会存在器件匹配的困难，而可控子模块虽使用的是晶闸管导致可控性较弱，但在器件匹配问题上相对容易；最后，引入可控子模块必然会造成系统整体控制的复杂度上升和工程造价提升，其工程实用性还需进一步探讨。

图8 串接可控子模块拓扑结构Fig.8 Topology diagram of connecting controllable submodules

2.3.2 基于多电平谐波注入技术的换相失败抑制方法

借鉴多电平谐波注入理论，并利用这一理论衍生出的多电平电流源型换流器级联拓扑[45-47]，级联拓扑中的前级使用晶闸管三相十二脉动全桥，后级采用由逆阻型全控器件和支路电抗器组成的多电平注入单元，采用晶闸管与多电平电分配单元的协调控制方法，利用多电平电流分配单元为三相十二脉动全桥的晶闸管提供周期性电流过零点，晶闸管在电流过零点实现强迫换相，而不再依赖于电网电压，从而实现对换相失败的有效抑制。注入式多电平电流源型换流器拓扑结构如图9所示。

图9 注入式多电平电流源型换流器拓扑结构Fig.9 Topology of injection multilevel current source converter

以直流母线电流为参考基准，一个电源周波的标幺值理论电流波形如图10 所示（7 电平）。由图10可以看出，IY和ID均为脉动7电平阶梯波，每个电源周期具有6 个电流过零区间，各组六脉动换流器的晶闸管在各自对应的6个电流过零区间换相。通过级联多电平电流分配电路与晶闸管换相桥的协调控制，可以解决晶闸管的换相失败问题。与传统十二脉动换流器相比，晶闸管三相桥在零电流下实现强迫换相，其开关损耗有所降低。

图10 理论电流波形Fig.10 Theoretical current waveform diagram

3 亟待研究的问题

当前在高压直流输电系统中抑制换相失败的方法和策略取得了一系列有价值的成果，但仍然存在许多问题亟待研究。

3.1 构建准确的数学模型

由于交直流输电系统具有强耦合、非线性特性，因此建立准确的数学模型十分困难。而基于电磁暂态的LCC 仿真模型研究虽然可以很详细地描述换相失败现象，但随着柔性电力电子技术的发展，高压大电流交直流混联电网应用越来越广泛，仿真的计算速度和规模难以很好地研究这类系统的换相失败问题。因此需要构建准确的数学模型，进一步推进抑制换相失败的研究。

3.2 降低工程应用难度

目前有许多有效的抑制换相失败措施，但一些措施是以牺牲直流输电系统运行性能来降低换相失败发生的概率，如带来无功需求的增加。而另一些措施如增加无功补偿设备和部分拓扑改造，会导致系统谐波复杂，需重新设计滤波装置，使得工程造价增加和工程应用的难度上升。

3.3 精确换相失败判据

就换相失败判据而言，最直接反映是否发生换相失败的参数为关断角。由于关断角无法被准确测量，只能通过检测其他参数来判断是否会发生换相失败，这就使得不复杂系统（如单馈入直流输电系统）的判据研究较为详尽，而复杂系统（如多馈入直流输电系统）存在多个逆变器之间的相互影响，导致同时或相继的换相失败判据还需要进一步研究和优化。

4 结语

在抑制换相失败的方法与措施上，换相失败的预测控制是基础，一个准确的换相失败判据对降低换相失败发生的概率极其重要。无功补偿设备能够极其有效地抑制后续换相失败的发生，是稳定交流母线电压的重要措施之一；对拓扑结构的改造可以实现强迫换相，大大降低换相失败的发生概率，未来对拓扑结构的改造重中之重是既能增强系统的稳定性，又可以降低工程造价和匹配难度，使其能够更好地应用于实际工程。