高壓直流輸電換相失敗響應策略與預測控制技術路線分析

王海軍，黃義隆，周 全

(中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510663)

0 引言

熄弧角控制是高壓直流輸電工程逆變側的一種主要控制策略，該控制器的主要目的是將熄弧角控制在設定范圍內，防止由于熄弧角過小造成換相失敗。目前國內已投運的大容量高壓直流輸電工程熄弧角控制大致可以分為SIEMENS和ABB兩種技術路線，SIEMENS技術路線采用實測型熄弧角控制，ABB技術路線采用預測型熄弧角控制。南方電網公司所轄的高肇、興安、楚穗、普僑等直流采用了SIEMENS技術路線，國家電網公司所轄的呼遼、德寶、向上等直流采用了ABB技術路線。兩種技術路線在世界范圍內都得到成功和廣泛的應用，工程運行經驗表明這兩種技術均能有效降低熄弧角減小造成的換相失敗。但是，當多回直流落點在同一局域電網時，交流系統故障時，仍可能導致多回直流同時換相失敗[1-10]。

國內對換相失敗的原因及影響因素的研究較為深入，但對預防換相失敗的研究仍較少[11-19]。文獻[17]提出了一種利用多饋入交互作用因子快速判斷直流系統換相失敗的方法。文獻[18]針對單相接地故障的特點，通過判斷交流電壓計算得到理想的觸發角，從而預防換相失敗。ABB和SIEMENS換相失敗響應策略之間一個重要區別是ABB采用了換相失敗預測控制功能（CFPREV）。文獻[19]在CFPREV的基礎上提出了一種基于sin-cos分量檢測交流電壓以預防換相失敗的方法，在一定程度上提高了CFPREV功能啟動的靈敏性，但對CFPREV功能在預防換相失敗方面的作用、效果以及受影響因素等的認識還不夠深入。

本文從熄弧角控制原理出發，對比了實測型和預測型熄弧角控制方式的優缺點。針對不同的熄弧角控制方式，SIEMENS和ABB所采取的換相失敗策略也各不相同，本文從控制系統響應和保護系統響應兩方面進行梳理分析。

本文對換相失敗預測控制功能進行深入分析，利用實時數字仿真平臺（Real Time Digital Simulator，RTDS）模擬了不同電壓跌落程度和電壓畸變程度的交流系統故障，著重研究了換相失敗預測控制功能在這些故障下的響應特性。

1 實測型和預測型熄弧角控制原理及優缺點

由換流閥換相原理可知，熄弧角是衡量逆變站是否發生換相失敗最直接的狀態量。如果實際熄弧角γ小于晶閘管恢復阻斷能力需要的最小熄弧角γmin，就會發生換相失敗。目前高壓直流輸電所用晶閘管的去離子恢復時間一般為400 μs左右，考慮到串聯元件的不一致、器件特性的變化、交流系統三相電壓的不對稱性、換相回路各相阻抗的不一致和安全裕度的需要等，工程中通常取熄弧角的設定值為15°～21.5°。熄弧角可以用式（1）表示。

由式（1）可知，換相電壓U下降、超前觸發角β減小、直流電流Id增大及換相電壓過零點前移都會使熄弧角減小，可能導致換相失敗。

熄弧角控制是通過比較熄弧角測量值與熄弧角設定值之間的差，通過PI調節器產生用于調節觸發脈沖的觸發角，最終確保直流系統的實際熄弧角在設定范圍內。

1.1 實測型熄弧角控制

實測型熄弧角控制是指用于控制的熄弧角測量值是采用實測方式得到的。晶閘管電壓監測板（TVM）檢測晶閘管上電壓的負向過零，利用回檢光纖將相關信號送至閥基電子設備（VBE），VBE基于此產生閥電流過零點信號?？刂葡到y通過比較來自VBE系統的EOC信號與鎖相的電壓過零信號得到熄弧角。最后，通過取所有換流閥熄弧角的最小值得到整個直流系統的熄弧角測量值。

實測型熄弧角控制的優點：根據實際波形測量的熄弧角進行控制，角度測量準確，控制精度較高，魯棒性較好。

實測型熄弧角控制的缺點：熄弧角測量值依賴于每個換流閥的電流過零信號，任意一個測量的電流過零信號出現誤差都可能會影響最終產生的熄弧角測量值；電流過零信號采用脈沖信號，容易受到干擾；當直流電流增大很快，電壓下降很快或者兩者同時發生，熄弧角可能突然減小很多或者繼續很快地減小，使控制器來不急調節就發生換相失敗。

1.2 預測型熄弧角控制

預測型熄弧角控制是指用于控制的熄弧角是通過直流電流、換流變二次側電壓、換相電抗等模擬量計算得到的。由于當逆變側運行在定熄弧角控制時，系統在低頻下具有負阻特性，這不利于系統的穩定。因此，ABB技術路線通常采用逆變側最大觸發角控制（Amax）對熄弧角控制特性進行修正，使之在暫態情況下具有正斜率。最大觸發角控制的原理是：

（1）首先將0γ設定為參考值，計算出越前觸發角β，相關公式為

（2）然后用Amax=180°?β得到最大觸發角Amax，由于整流側和逆變側存在電流裕度，逆變側的電流控制器的PI調節器輸入一直不為零，所以其輸出將一直試圖增大觸發角直至被允許的最大值。因此將上述計算得到的Amax作為電流控制器的最大限制值就可以實現最大觸發角控制。

穩態情況下，由于Id等于電流指令Io，式（2）所確定的β可使逆變側運行在定γ狀態。暫態情況下，Io保持不變，Id因擾動而變大時，Amax控制將減小β角使得逆變側電壓增大，直流電流Id變小，從而回到穩態工作點；反之，Id因擾動變小時，Amax控制將增大β角使得逆變側電壓減小，直流電流Id增大。

基于ABB技術路線的熄弧角測量值主要通過以下幾個步驟獲得：

（1） 首先計算換相角μ，根據換流閥觸發時間、Uac、Id0、dx等量得到換流閥換相的結束時間，相關公式為

（2）利用鎖相環的電壓過零時刻與換流閥換相結束時間之間的差得到熄弧角，相關功能示意圖如圖1所示。

圖1 預測型熄弧角計算示意圖Fig.1 Sketch of the calculation of predictive extinction angle

預測型熄弧角控制的優點：能夠根據觸發脈沖發出之前系統的運行情況計算得到熄弧角進行控制，響應速度較快。

預測型熄弧角控制的缺點：熄弧角不是通過測量得到，在故障情況下計算出的角度與實際熄弧角相差較大；在脈沖發出之后，無法預計到換相期間運行情況的繼續變化，如換相期間直流電流繼續增加，則換相角可能比預期的大，使實際熄弧角小于最小值。

2 換相失敗響應策略

實際工程中應用的預測型和實測型熄弧角控制，都采用了多種措施以防止和控制換相失敗的發展，但無論是預測型還是實測型都不可能完全避免換相失敗[20]。

2.1 SIEMENS換相失敗響應策略

2.1.1 控制系統響應情況

換相失敗發生后，逆變側極控系統會通過減少換流器觸發角的方式來提高換相裕度。與此同時，當直流系統電壓下降到某一閥值時，極控系統中的低壓限流單元（VDCL）起作用，降低直流電流參考值，以便盡快恢復正常換相。為避免由于控制系統丟脈沖造成換相失敗，極控在換相失敗后一段時間會啟動系統切換。

1）極控系統切換

在200 ms內連續檢測到換流器發生換相失敗，為了避免因控制系統設備故障而造成直流停運，極控系統和VBE系統會由值班系統切換到備用系統。ABB技術中將此功能作為保護的出口方式。

2）熄弧角控制策略

換相失敗后，實測的熄弧角會變成零，熄弧角控制起作用，快速將觸發角移動到上限以提高換相裕度；整流側VDCL動作快速降低直流電流。

3）低壓限流控制（VDCL）

低壓限流控制功能（VDCL）是換流器觸發控制的一個重要功能，該功能會在換相失敗、交流系統故障、直流系統故障等情況下啟動，通過降低電流設定值來減少發生連續換相失敗的幾率，避免由于逆變器長時間換相失敗造成直流場設備諧振過電壓。

2.1.2 保護系統響應情況

對于單次換相失敗，直流系統一般會順利恢復，不會發生閉鎖的現象，而長時間的換相失敗會使直流保護動作（一般來說與換相失敗時間長短和交流系統故障恢復時間有關），導致直流閉鎖甚至停運。與換相失敗相關的保護功能有50 Hz保護（81DC-50 Hz）、橋差保護（87CBY/87CBD）、閥組差動保護（87CG）等。

2.2 ABB換相失敗響應策略

ABB在控制策略中加入了換相失敗預測控制(CFPRED)，降低換相失敗的發生幾率?？刂破魍ㄟ^零序檢測法和交流電壓α/β轉換來檢測交流系統故障，增大熄弧角γ并采用逆變側最小換相裕度(AMIN)控制提高換相裕度，減少換相失敗的概率，減輕連續多次換相失敗對直流系統的影響，提高運行可靠性。

2.2.1 控制系統響應情況

1）換相失敗預測控制(CFPRED)

換相失敗預測控制(CFPRED)用于防止由交流故障引起的換相失敗。這部分內容將在3.1小節中詳細討論。

2）最小換相裕度(AMIN)控制

當極控系統檢測到交流系統故障后，將采用最小換相裕度(AMIN)控制增大換相角來提高換相裕度，將當前時刻所對應的換相裕度值AMIN_CALC與最小允許的剩余電壓-時間區域的參考值AMINREF作比較，如果AMIN_CALC低于AMINREF，為了防止閥的換相電壓-時間區域過小，需立即發出點火指令。

如果換相失敗預測功能檢測到交流系統故障，需增大AMINREF，以防止換相失敗。如果發生了換相失敗，迅速增大AMINREF，以避免連續的換相失敗。最小換相裕度(AMIN)控制功能退出的時間常數相對較大，可以避免再次發生換相失敗。

3）低壓限流控制(VDCL)

ABB路線控制系統的VDCL與SIEMENS路線控制系統的VDCL在原理上是相同的。ABB是通過在整流側和逆變側設置帶上下限幅環節的濾波器來實現的，而SIEMENS是通過在整流側和逆變側設置變化曲線來實現的。ABB技術路線的VDCL將當前直流電流值引入到VDCL曲線中，可以確保當直流電壓降低時，電流限制是從當前電流開始的，所以在某些情況下其響應特性比基于SIEMENS技術路線的VDCL要快。SIEMENS技術路線的VDCL退出時，控制系統會在電流指令上增加一個電流變化量，以利于系統從故障狀態快速恢復到正常狀態。

2.2.2 保護系統響應情況

為防止交流系統故障引發的換相失敗，ABB路線的直流保護系統配置了換相失敗保護（87CFP），通過交直流電流差反應換相失敗。與換相失敗相關的保護還包括橋差動保護（87CBY/87CBD）、閥組差動保護（87CG）和50 Hz保護，通過增大換流閥觸發角、極控系統切換和閉鎖換流器等方式對直流系統進行保護。

3 換相失敗預測控制功能研究

3.1 換相失敗預測控制原理

換相失敗預測控制(CFPRED)用于防止由交流系統故障引起的換相失敗。該功能包括兩部分：①基于零序檢測法檢測單相故障；②基于交流電壓α/β轉換檢測三相故障[19]。換相失敗預測控制原理如下。

1）單相故障判據：當逆變側交流系統發生單相故障時，交流母線電壓出現零序分量，即三相電壓總和不為零。若零序分量大于設定值，則啟動換相失敗預測控制功能。

2）三相故障判據：當逆變側交流系統發生三相故障時，交流電壓通過abc-αβ變換得到在α-β平面α軸和β軸上對應的兩個分量，三相對稱分量經變換后在α-β平面得到一個以角速度旋轉的矢量uαβ。

當交流系統發生故障時，若uαβ與故障前該量之差大于設定值，則啟動控制模塊，并將該差值通過變化轉換為一角度，最終從逆變站的觸發角中減去該角度。

換相失敗預測控制的輸入為交流電壓，輸出為在交流系統故障時對AMIN控制和AMAX控制的角度增大值。如果檢測到交流故障，將增大AMINREF，以提前點火，預防換相失敗的發生。該角度同時送給AMAX控制，以減小觸發角的最大限幅值。圖2為換相失敗預測控制邏輯功能圖。

圖2 換相失敗預測控制(CFPRED)邏輯功能圖Fig.2 Logic function of CFPRED

3.2 交流母線電壓跌落故障下的換相失敗預測控制響應

在天廣直流RTDS（Real Time Digital Simulator）仿真平臺上模擬不同程度的三相、單相交流母線電壓跌落故障，逆變側交流系統采用直流系統與交流母線間電氣聯系較強的系統模型（系統等值阻抗為4.372 ?），直流系統在1 800 MW下雙極大地回線方式運行。

表1比較了是否投入換相失敗預測控制功能下不同程度的三相交流母線電壓跌落對直流控制保護的影響。表中CFPREV表示換相失敗預測控制功能最終輸出，當未投入換相失敗預測控制功能且檢測到系統發生換相失敗時，該輸出為一固定值5°。從表中可以看出三相交流母線電壓跌落至0.9 p.u.、0.8 p.u.、0.7 p.u.時，都會發生換相失敗，無論是否投入CFPREV，都不能阻止換相失敗發生；單相交流母線電壓跌落至0.9 p.u.時，不會發生換相失敗，而跌落至0.85 p.u.、0.8 p.u.時，會發生換相失敗。但投入CFPREV后，由于滿足三相故障判據，CFPREV動作后會根據電壓的跌落程度增大CFPREV輸出，電壓跌落越嚴重，CFPREV輸出越大，最終減小逆變側觸發角，有利于直流系統恢復。

下面以三相交流母線電壓跌落至0.8 p.u.的試驗為例，分析故障期間直流控制保護系統的響應情況。

圖3、圖4分別是無CFPREV和投入CFPREV時三相交流電壓跌落故障下直流控制系統極1錄波圖。由圖可知，無CFPREV時換相失敗預測控制功能輸出為一固定值5°，投入CFPREV后增大至12.65°，逆變側觸發角減小，換相失敗引起的直流電流IdH迅速增大的情況也有所緩解，有利于換相失敗后直流系統的恢復。

圖中UACA、UACB、UACC分別是三相交流電壓；IACY_L1、IACY_L2、IACY_L3分別是三相閥側電流；ALPHA_ORD、ALPHA_MEAS分別是觸發角指令和測量值；IDH是極母線電流；COMM_FAILURE_IND是換相失敗信號，下同。

表1 交流母線電壓跌落對直流控制保護系統的影響Table 1 Effect of AC voltage falling on DC control and protection system

圖3 無CFPREV時三相交流電壓跌落故障下直流控制系統極1錄波圖Fig.3 Record of pole 1 under three phase AC falling fault without CFPREV

圖4 投入CFPREV時三相交流電壓跌落故障下直流控制系統極1錄波圖Fig.4 Record of pole 1 under three phase AC falling fault with CFPREV

3.3 交流母線電壓畸變故障下的換相失敗預測控制響應

在天廣直流RTDS仿真平臺上通過改變小組交流濾波器開關投入時與交流電壓過零點的延遲角度（本文簡稱延遲角），模擬不同程度的三相、兩相交流母線電壓畸變故障。逆變側交流系統等值阻抗對電壓畸變的程度影響較大，因此根據不同的延遲角采用不同等值阻抗的交流系統模型（阻抗4.372 ?、8.139 ?、12 ?，阻抗越小說明直流系統與交流系統的電氣聯系越強）。直流系統在1 400 MW下雙極大地回線方式運行，通過手動投入一組交流濾波器來模擬電壓畸變故障。

表2比較了不同交流系統阻抗時交流母線電壓畸變對直流控制保護的影響。故障類型包括交流濾波器三相和AB兩相以一定延遲角合閘兩種方式。

從表中可以看出，當交流系統阻抗為4.372 ?時，由于交流系統較強，交流電壓不容易受交流濾波器投入影響，只有在三相延遲角90°合閘的最嚴重情況下才發生換相失??；當交流系統阻抗為8.139?時，交流濾波器三相和AB兩相在延遲角90°合閘的情況下會發生換相失敗，但投入CFPREV后，直流系統沒有發生換相失敗，說明CFPREV對預防換相失敗有一定作用。而當交流系統阻抗為12 ?時，交流系統較弱，不管是否投入CFPREV交流濾波器在延遲角三相60°和45°合閘的情況下都會發生換相失敗。

圖5、圖6分別是同一次試驗，極2未投入CFPREV，極1投入CFPREV下交流濾波器三相90°合閘的錄波圖。圖7是在雙極都投入CFPREV下重復該試驗。從圖5中極2 D橋閥側電流錄波可以看出，D橋發生了換相失敗，但投入CFPREV后的極1 D橋卻沒有發生換相失敗，如圖6所示。從圖7中也可以看出，投入CFPREV后的D橋也沒有發生換相失敗，說明CFPREV能夠快速反應投入交流濾波器引起的交流電壓畸變故障，及時減小逆變側觸發角，增大熄弧角，有效防止換相失敗。

表2 不同交流系統阻抗時交流母線電壓畸變對直流控制保護的影響Table 2 Effect of AC voltage distortion on DC control and protection without CFPREV and with CFPREV

圖5 系統阻抗為4.372 ?、未投入CFPREV下三相90°合閘極2錄波圖Fig.5 Record of pole 2 under the condition of impedance is 4.372 ?, breaker closed at 90° and without CFPREV

圖6 系統阻抗為4.372 ?、投入CFPREV下三相90°合閘極1錄波圖（與圖4同一次試驗）Fig.6 Record of pole 1 under impedance is 4.372 ?, breaker closed at 90° and with CFPREV(the same test with Fig.4)

圖7 系統阻抗為4.372 ?、投入CFPREV下三相90°合閘極2錄波圖Fig.7 Record of pole 2 under the condition of impedance is 4.372 ?, breaker closed at 90° and with CFPREV

4 結語

本文對比了實測型、預測型熄弧角控制的優缺點，并梳理了基于兩種控制模式的換相失敗響應策略，其特點如下：

1）實測型的控制精度較高，魯棒性較好；預測型響應速度較快，但控制精度不如實測型。

2）從控制系統和保護系統的響應情況看，實測型和預測型方法在實際工程中都采用了多種措施以防止和控制換相失敗。

本文著重研究了換相失敗預測控制功能（CFPREV）在交流母線電壓跌落和電壓畸變故障下的響應情況，研究結論如下：

1）當系統發生較為嚴重的交流母線電壓跌落故障時，無論是否投入CFPREV功能，都未能阻止換相失敗。

2）CFPREV功能能夠快速反應交流母線電壓跌落故障，CFPREV動作后會根據交流電壓的跌落程度增大CFPREV輸出，減小逆變側觸發角，增大熄弧角，抑制換相失敗引起的直流電流IdH迅速增大的情況，有利于換相失敗后直流控制保護系統恢復。

3）當逆變側交流系統較弱時，交流濾波器在電壓非過零點合閘引起的電壓畸變故障容易引起換相失敗。

4）當逆變側交流系統較強或交流母線電壓畸變程度較小時，CFPREV功能在預防換相失敗上有明顯效果。

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