計及晶閘管最小關(guān)斷角變化的動態(tài)關(guān)斷角控制

黃小晶, 吳學(xué)光，范征，古懷廣，韓民曉

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市102206；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京市 102209)

0 引 言

換流閥是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心裝置，是實現(xiàn)交、直流電能轉(zhuǎn)換的重要功能單元，其運行可靠性很大程度上決定了高壓直流電網(wǎng)的運行可靠性。換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)中逆變器比較容易發(fā)生的故障之一[1]，目前換相失敗已經(jīng)成為進(jìn)一步提升直流輸電系統(tǒng)可靠性的短板。換相失敗的檢測是對換相失敗進(jìn)行預(yù)防和控制的基礎(chǔ)，怎樣提高換相失敗檢測能力和換流閥抵御換相失敗能力是目前提升直流系統(tǒng)可靠性的首要解決方法。

截至目前，國內(nèi)外學(xué)者對換相失敗做了大量的研究。但結(jié)合工程實際，考慮換流閥的最小關(guān)斷時間的研究工作很少。文獻(xiàn)[2-3]指出換相失敗的原因可以歸結(jié)為：換相電壓幅值減小、電壓相移以及諧波等；文獻(xiàn)[4-5]總結(jié)了換相失敗的影響因素：交流電壓幅值的變化、超前觸發(fā)角的大小、換流變壓器變比的大小、換相電抗的大小以及不對稱故障；文獻(xiàn)[6-7]提出了幾種常見的換相失敗判別方法：直流電壓過零法、關(guān)斷角判斷法、相位比較法以及最小電壓降落法；文獻(xiàn)[8-9]對電壓、電流波形進(jìn)行sin-cos分解，采用小波能量譜分析對換相失敗進(jìn)行特征提取和判斷；文獻(xiàn)[10]從控制策略和硬件裝置2個方面提出了一些換相失敗的恢復(fù)措施；文獻(xiàn)[11]針對不同的運行工況，提出了不同的換相失敗風(fēng)險評估方法；文獻(xiàn)[12-13]結(jié)合華東電網(wǎng)直流工程，對換相失敗過程中的故障恢復(fù)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[14]研究了多饋入直流輸電系統(tǒng)下的換相失敗問題。

以上研究成果中，換流閥的最小關(guān)斷角皆被定義為一個定值(8°左右)，與運行工況和運行環(huán)境無關(guān)；但在實際工程中，換流閥的關(guān)斷時間(關(guān)斷角)與運行工況及運行環(huán)境動態(tài)相關(guān)，直接決定換流閥是否發(fā)生換相失敗，并對控制系統(tǒng)關(guān)斷角的控制裕度有間接影響，現(xiàn)有技術(shù)忽視了晶閘管最小關(guān)斷角變化所引起的換相失敗隱患。因此，在考慮換流閥設(shè)備動態(tài)最小關(guān)斷角的基礎(chǔ)上進(jìn)行抵御換相失敗的研究更具有現(xiàn)實意義。

本文從換流閥的動態(tài)換相特性出發(fā)研究換相失敗發(fā)生的機(jī)理，建立適用于工程應(yīng)用的基于試驗擬合參數(shù)的晶閘管固有關(guān)斷角模型，并在CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試模型上進(jìn)行仿真，通過修改6脈波封裝組件中的最小關(guān)斷角選項，驗證晶閘管最小關(guān)斷角變化對直流輸電控制系統(tǒng)的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于晶閘管實測數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)斷角控制策略，在PSCAD/EMTDC中建立對應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行驗證。仿真結(jié)果表明，該控制策略能在一定程度上提高換流閥在故障期間的換相裕度，緩解高壓直流輸電系統(tǒng)在各種故障下的換相失敗。

1 換流閥換相過程及最小關(guān)斷角模型

1.1 換流閥換相過程分析

直流輸電系統(tǒng)中換流器所采用的可控硅閥是半控型功率器件，具有導(dǎo)通關(guān)斷特性，且必須在同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時[15]，才能從關(guān)斷轉(zhuǎn)入導(dǎo)通。只有當(dāng)流經(jīng)閥門的電流為0時，即晶閘管閥內(nèi)多余的載流子消失，才能從導(dǎo)通轉(zhuǎn)入關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)2個閥在進(jìn)行換相時，換相回路中電感的作用(通過電感的電流是連續(xù)的，不會發(fā)生突變)使流過閥的電流不能突變，因此，2個閥之間的電流轉(zhuǎn)換需要一個過程，這個過程叫做換相過程[16]。正常換相過程為：換流完成后，反向電壓將繼續(xù)在閥門上施加一段時間來恢復(fù)正向閉鎖能力。若應(yīng)該關(guān)閉的閥在還沒有恢復(fù)阻斷能力的情況下再次承受正向電壓，那么，將要導(dǎo)通的閥將向原來將要退出導(dǎo)通的閥倒換相，這種現(xiàn)象稱為換相失敗。晶閘管閥中載流子的去離子恢復(fù)時間為400～900 μs。 恢復(fù)時間對應(yīng)于電角度，定義為最小關(guān)斷角[17]，表示晶閘管關(guān)斷角的最小值γmin。在實際工程中觸發(fā)角度的變化、交流電壓的擾動等都會直接導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)斷角γ的減小，當(dāng)γ<γmin時發(fā)生換相失敗。

1.2 晶閘管最小關(guān)斷角模型

晶閘管閥關(guān)斷過程由晶閘管反向恢復(fù)特性和外電路參數(shù)共同決定。對晶閘管進(jìn)行關(guān)斷特性測試試驗，發(fā)現(xiàn)晶閘管關(guān)斷時間受晶閘管結(jié)溫、過零點電流變化率、正向通態(tài)電流等狀態(tài)量的影響，即實際工程中的晶閘管關(guān)斷時間是隨著運行工況的變化而變化的。通過對8.5 kV晶閘管關(guān)斷特性的測試，得到試驗數(shù)據(jù)，讀取多組原始數(shù)據(jù)，利用MATLAB建模，進(jìn)行多元線性回歸分析，可精確得到不同運行工況下的晶閘管關(guān)斷時間近似公式[18]：

(1)

式中：tq為晶閘管最小關(guān)斷時間(μs)；di/dt為晶閘管過零點電流變化率(A/μs)；Tj為晶閘管結(jié)溫(℃)；IF為晶閘管正向通態(tài)電流(kA)；β0—β3為線性回歸擬合系數(shù)。

針對50 Hz交流系統(tǒng)，晶閘管最小關(guān)斷角可由關(guān)斷時間得到：

(2)

利用式(1)，可在PSCAD上建立晶閘管最小關(guān)斷角模型，即可得到關(guān)斷角的動態(tài)曲線。實際工程中晶閘管的結(jié)溫變化范圍為70～90 ℃，此模型中取平均值80 ℃，其中正向通態(tài)電流和過零點電流變化率采樣邏輯如圖1所示。

圖1 采樣電路邏輯框圖Fig.1 Logic diagram of sampling circuit

首先測量流過晶閘管閥電流i，利用微分電路計算閥電流的實時電流變化率。通過反向過零檢測器，在第k周期閥電流下降過零的時刻發(fā)出脈沖。利用脈沖和保持器，記錄保持過零點的電流下降率di/dt。同樣可根據(jù)上升沿觸發(fā)電路得到第k周期閥穩(wěn)態(tài)開通時刻脈沖，利用此脈沖和保持器，記錄保持此時的晶閘管電流值，得到第k周期閥的正向通態(tài)電流值IF。將采樣獲得的值代入式(2)，便可得每只晶閘管的最小關(guān)斷角，然后取6只晶閘管關(guān)斷角的最大值作為該閥的最小關(guān)斷角。

2 關(guān)斷角動態(tài)調(diào)節(jié)控制方法

2.1 定關(guān)斷角控制原理

為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，盡可能提高交流系統(tǒng)的功率因數(shù)，逆變側(cè)一般采用定關(guān)斷角控制。工程實際中常用的定關(guān)斷角控制有2種：閉環(huán)控制器和開環(huán)控制器[19]。其原理分別如圖2(a)和(b)所示。

圖2 定關(guān)斷角控制器原理框圖Fig.2 Schematic diagram of fixed turn-off angle controller

閉環(huán)控制器根據(jù)2次換相電壓的過零信號確定被測關(guān)斷角γinv，并與參考值γref進(jìn)行比較，兩者之差通過PI控制環(huán)節(jié)輸出作為逆變器的觸發(fā)角信號α；當(dāng)計及不連續(xù)觸發(fā)的影響時，以上個周期中的最小關(guān)斷角作為閉環(huán)反饋的測量值。開環(huán)型控制器則是根據(jù)直流系統(tǒng)實際運行參數(shù)，計算出與γref對應(yīng)的觸發(fā)角α，然后對逆變側(cè)進(jìn)行觸發(fā)控制。開環(huán)型定關(guān)斷角控制原理公式為：

(3)

式中：γ0是關(guān)斷角指令值；Id是直流電流指令值；dx是換相電抗；Ud0是理想空載直流電壓；K為修正系數(shù)。考慮到觸發(fā)脈沖發(fā)出后和換相過程中系統(tǒng)可能發(fā)生的變化，公式(3)中增加了對直流電流變化率的修正量KdId/dt。

這2種控制方法各有優(yōu)缺點。閉環(huán)控制器響應(yīng)速度較慢，但容易與等間隔觸發(fā)控制相配合。開環(huán)控制不僅修正了閉環(huán)控制的負(fù)斜率伏安特性，而且由于關(guān)斷角的預(yù)測功能，具有了更快的響應(yīng)速度，然而，當(dāng)交流電流發(fā)生畸變時，預(yù)測精度會下降[20]。

一般來講，從抑制換相失敗的角度來看，逆變器的關(guān)斷角參考值應(yīng)該大一些；但從確保逆變器功率因數(shù)、降低換流器無功損耗來看，關(guān)斷角應(yīng)相對小一些。因此，逆變器一般采用定γ角控制來將關(guān)斷角限制在一定范圍內(nèi)，其整定值一般取15°～18°之間的某個固定值。通過定γ角控制器將測得的γ控制在一定范圍內(nèi)，使其大于晶閘管固有關(guān)斷角γmin并留有一定裕度。

2.2 關(guān)斷角動態(tài)控制原理

由2.1節(jié)分析可知，現(xiàn)有定關(guān)斷角控制策略中，關(guān)斷角的參考值γref一般取定值(比如15°)，相對于最小關(guān)斷角(8°)具有一定的控制裕度(比如7°)，然而最小關(guān)斷角是隨著晶閘管運行環(huán)境和工況變化而不斷變化。當(dāng)最小關(guān)斷角增加時，控制系統(tǒng)的換相裕度減小，直流系統(tǒng)更加容易發(fā)生換相失敗。

為了考慮晶閘管實際運行情況，利用最小關(guān)斷角在故障狀態(tài)下的特征，提出了一種基于晶閘管實測最小關(guān)斷角的動態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)斷角控制策略，其原理如圖3所示。

圖3 關(guān)斷角動態(tài)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of dynamic control of turn-off angle

顯然，基于晶閘管實測最小關(guān)斷角的關(guān)斷角動態(tài)調(diào)節(jié)控制策略更加符合工程實際，且對故障的反應(yīng)更加準(zhǔn)確，有利于降低故障期間換相失敗的概率，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

3 仿真驗證

3.1 仿真模型

為了驗證晶閘管最小關(guān)斷角模型用于換相故障檢測的準(zhǔn)確性和關(guān)斷角動態(tài)控制策略的有效性，基于圖4所示的CIGRE標(biāo)準(zhǔn)試驗?zāi)Ｐ?，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下測試所提出控制方法的有效性。E1為整流側(cè)交流系統(tǒng)等值電勢；Z1為整流側(cè)交流系統(tǒng)等值電抗；UL1為整流側(cè)交流母線電壓；T1為整流側(cè)換流變壓器；E2為逆變側(cè)交流系統(tǒng)等值電勢；Z2為逆變側(cè)交流系統(tǒng)等值電抗；UL2為逆變側(cè)交流母線電壓；T2為逆變側(cè)換流變壓器；Ud1為整流側(cè)直流電壓；Ud2為逆變側(cè)直流電壓；Rd為直流線路電阻值；Ld為直流線路電感值。CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測試模型中晶閘管閥封裝組件中的最小關(guān)斷角設(shè)置為穩(wěn)態(tài)時由式(1)所得的值，最小關(guān)斷角模型由1.2節(jié)獲得，用圖3所示的動態(tài)關(guān)斷角模型替代CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測試模型中逆變側(cè)的定關(guān)斷角模型，利用該模型進(jìn)行仿真能夠得到直流系統(tǒng)在各種工況下的響應(yīng)曲線。

圖4 直流輸電系統(tǒng)簡化模型Fig.4 Simplified model of an HVDC system

3.2 模型仿真分析與驗證

電阻性接地故障是實際工程中最為常見的故障類型。本文在仿真模型中，通過在逆變側(cè)的交流母線處設(shè)置電阻Rf接地來模擬實際工程中交流線路故障[21]，首先驗證晶閘管最小關(guān)斷角變化對直流輸電控制系統(tǒng)的影響，然后，比較采用控制策略前后HVDC系統(tǒng)相關(guān)電量的變化。

首先驗證晶閘管最小關(guān)斷角變化對直流輸電控制系統(tǒng)的影響。故障設(shè)置條件：逆變側(cè)交流母線在0.7 s 時發(fā)生A相電阻接地故障，接地電阻值Rf=15 Ω，故障作用時間為 0.2 s。在該故障條件下，將CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試模型中晶閘管的最小關(guān)斷角分別設(shè)置成9°、10°、11°、13°，觀察直流電壓的響應(yīng)情況，如圖5所示。

由圖5仿真結(jié)果可知，晶閘管的最小關(guān)斷角由9°增加到13°時，直流電壓分別發(fā)生了不同程度的跌落。當(dāng)晶閘管最小關(guān)斷角為10°時，直流輸電系統(tǒng)受到了2次沖擊；當(dāng)晶閘管最小關(guān)斷角為13°時，直流輸電系統(tǒng)受到了3次沖擊，說明晶閘管的最小關(guān)斷角的變化影響到了直流輸電系統(tǒng)的控制，而實際工程在暫態(tài)情況下的晶閘管最小關(guān)斷角是不斷變化的，因此在考慮換流閥動態(tài)最小關(guān)斷角的基礎(chǔ)上進(jìn)行抵御換相失敗的研究更具有現(xiàn)實意義。

圖5 晶閘管最小關(guān)斷角變化時直流電壓響應(yīng)曲線Fig.5 DC voltage response curve when minimum thyristor turn-off angle changes

基于以下2種方案，分別在單相和三相交流故障情況下對比仿真驗證本文所提控制策略的有效性。

方案1：采用CIGRE-HVDC標(biāo)準(zhǔn)測試模型中的控制策略，CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試模型中晶閘管的最小關(guān)斷角設(shè)置為10°；

Y為工業(yè)生產(chǎn)總值，K為投入資本，A（t）為技術(shù)水平，L為勞動資本投入，α和β分為資本與勞動產(chǎn)出彈性。為便于回歸分析，對上式兩端取對數(shù)可得到線性生產(chǎn)函數(shù)：

方案2：將方案1中的定關(guān)斷角控制改為本文所提的動態(tài)控制。

通過2個方案的比對來驗證晶閘管最小關(guān)斷角發(fā)生變化時對直流輸電控制系統(tǒng)的影響和關(guān)斷角動態(tài)控制策略在抑制直流輸電換相失敗及改善故障恢復(fù)特性方面的作用。

在上述仿真故障條件下，方案1和方案2各物理量的響應(yīng)結(jié)果如圖6和圖7所示。當(dāng)采用方案1時，直流系統(tǒng)在故障發(fā)生后不久發(fā)生2次換相失敗故障。采用關(guān)斷角動態(tài)控制能有效地提高換相裕度，避免換相失敗的發(fā)生。

圖6 單相故障下(Rf=15 Ω)方案1系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.6 System dynamic performance of scheme 1 under single-phase fault with Rf=15 Ω

圖7 單相故障下(Rf=15 Ω)方案2系統(tǒng)的動態(tài)特性Fig.7 System dynamic performance of scheme 2 under single-phase fault with Rf=15 Ω

在相同的時間和地點設(shè)置三相電阻接地故障，接地電阻值Rf=15 Ω，故障作用時間為0.1 s。在該工況下，方案1和方案2下各物理量的響應(yīng)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 三相故障下(Rf=15 Ω)方案1系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.8 System dynamic performance of scheme 1 under three-phase fault with Rf=15 Ω

圖9 三相故障下(Rf=15 Ω)方案2系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.9 System dynamic performance of scheme 2 under three-phase fault with Rf=15 Ω

在該工況下，由于三相接地故障，相當(dāng)于實際工程中較為嚴(yán)重的故障，在故障初期，關(guān)斷角的動態(tài)控制響應(yīng)較慢，第一次換相失敗很難避免。關(guān)斷角參考值在故障發(fā)生40 ms后迅速增加到17°，并在故障期間一直保持17°，從而控制調(diào)節(jié)越前觸發(fā)角增加以抑制后續(xù)換相失敗的發(fā)生。故障消失后，晶閘管閥的最小關(guān)斷角減小，關(guān)斷角的參考值也隨之減小，從而加快了系統(tǒng)的恢復(fù)過程。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合故障發(fā)生時晶閘管閥最小關(guān)斷角的暫態(tài)變化特征，優(yōu)化了換相失敗判據(jù)，并提出了一種關(guān)斷角動態(tài)控制方法。該控制策略考慮了實際工程在故障發(fā)生時與故障恢復(fù)過程中晶閘管閥最小關(guān)斷角的波動特性，可靈活調(diào)節(jié)關(guān)斷角參考值。通過仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)晶閘管最小關(guān)斷角發(fā)生變化時，高壓直流輸電系統(tǒng)存在換相失敗的風(fēng)險，考慮晶閘管實測動態(tài)最小關(guān)斷角的控制策略更加貼近實際工程。

2)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，關(guān)斷角動態(tài)調(diào)節(jié)方法能有效調(diào)節(jié)關(guān)斷角參考值，通過增大關(guān)斷角的控制裕度，可以在一定程度上降低直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的概率從而有利于系統(tǒng)的快速恢復(fù)。

3)所提出的控制方法不需要裝設(shè)輔助換相裝置，也不需要額外的故障診斷和快速數(shù)字信號處理器，經(jīng)濟(jì)性好且易于實現(xiàn)。

致 謝

本文中實驗方案的制定和實驗數(shù)據(jù)的測量記錄工作是在全球能源互聯(lián)網(wǎng)有限公司林志光、許偉華等工作人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。