帶磁滯回線特性低壓限流控制器的控制策略分析

方 葦,寧 晗

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司直流公司,湖北 宜昌 443000;2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司,湖北 宜昌 443000)

0 引言

常規(guī)直流輸電系統(tǒng)具有傳輸容量大,控制響應(yīng)快等優(yōu)點,但受晶閘管無自關(guān)斷特性的限制,當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時,極易發(fā)生換相失敗,引起直流電流增大,直流電壓下降,繼而引發(fā)連續(xù)換相失敗[1-3]。為了保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,研究換相失敗抑制方法及其恢復(fù)策略具有重要意義[4-7]。低壓限流控制器(Voltage Dependent Curret Order Li miter,VDCOL)作為一種抑制換相失敗的措施,已經(jīng)在實際中得到廣泛應(yīng)用,并有諸多文獻對VDCOL的改進進行研究[8-9]。文獻[10-11]對VDCOL的基本原理和調(diào)節(jié)作用進行了分析,但在系統(tǒng)發(fā)生故障時,直流電流指令響應(yīng)不夠靈敏,且故障恢復(fù)期間功率恢復(fù)慢,容易造成連續(xù)換相失敗。文獻[12]提出了非線性的VDCOL改進策略,在一定程度上可以抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生,但功率恢復(fù)的響應(yīng)速度不夠快。

本文針對以上問題,提出一種基于磁滯回線特性的VDCOL控制器,在故障時刻迅速降低直流電流指令值,在功率恢復(fù)時刻盡快提升直流電流指令值,從而實現(xiàn)故障的快速響應(yīng),降低連續(xù)換相失敗的可能性。通過在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境中,使用CIGRE標準測試模型檢驗了所提控制方法,與固定斜率的VDCOL控制器進行對比。仿真實驗證明,所提磁滯回線特性的VDCOL能夠保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行,在故障期間抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生,故障消失后有利于直流功率的迅速恢復(fù)。

1 傳統(tǒng)VDCOL控制策略

VDCOL主要用于當直流系統(tǒng)電壓或換流變進線交流母線電壓下降至電壓限定值時,通過對輸出直流電流指令的限制,以達到對換流閥觸發(fā)角輸出的控制。

如果換流變進線交流母線電壓過低,將導(dǎo)致觸發(fā)角調(diào)節(jié)至最小值5°,但無法通過控制直流電流以達到當前所要輸送的直流功率;VDCOL采用降低直流電流輸出指令的方式,自動將直流系統(tǒng)控制于降容模式下運行[13-15]。如圖1所示,VDCOL一般由最小直流電流指令限制I L、最大直流電流指令限制I H、最低直流電壓門檻值U L、最高直流電壓門檻值U H組成。

圖1 VDCOL的I-U特性曲線

其中,I L用于保證直流電流過低時可控硅可靠的導(dǎo)通,即為可控硅關(guān)斷電流;I H通常用于限制最大輸送功率,一般取額定功率條件下的直流電流值;VDCOL的最低直流電壓門檻值U L通常取0.45～0.35 pu,其最高直流電壓門檻值U H通常取0.7～0.9 pu[16-18]。

國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)標準測試模型中采用如圖1所示的固定斜率VDCOL,直流電壓U和直流電流指令值I的關(guān)系為

2 改進VDCOL控制策略

傳統(tǒng)固定斜率的VDCOL控制在系統(tǒng)面臨較嚴重故障時,難以抑制連續(xù)的換相失敗,為了提高系統(tǒng)抵御連續(xù)換相失敗、潮流恢復(fù)的能力,且在正常情況下不影響系統(tǒng)傳輸?shù)墓β?本文設(shè)計了一種基于磁滯回線特性的VDCOL連續(xù)換相失敗抑制策略,其運行特性如圖2所示。

圖2 磁滯回線特性的VDCOL控制策略

從圖2可以看出,當直流系統(tǒng)檢測到直流電壓高于0.9 pu或低于0.4 pu時,直流電流指令值輸出與傳統(tǒng)VDCOL設(shè)置相同,即直流電壓高于0.9 pu時,直流電流指令值為1.0 pu;直流電壓低于0.4 pu時,直流電流指令值為0.55 pu。當直流電壓下降程度越深,給出的直流電流指令值越小,以達到快速降低直流電流的目的;在恢復(fù)階段,直流電壓恢復(fù)的越快,直流電流指令值增加的越多,以促使潮流盡快恢復(fù)。

當直流系統(tǒng)檢測到直流電壓在0.4～0.9 pu時,為了保證直流電流指令值的快速跟蹤,沿A點至B點的圓弧線,可以實現(xiàn)最大的直流電流指令值變化率;以AB連接線作為圓的弦,圓心位于AB的中位線上,AB連接線的中點為M(0.65,0775),圓心所在直線方程為

圖3 磁滯回線特性的VDCOL控制邏輯

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗證所提磁滯回線特性VDCOL控制策略的正確性,以CIGRE標準測試模型為基礎(chǔ),在不改變其基本控制邏輯的前提下,僅對VDCOL環(huán)節(jié)重新進行邏輯編輯。直流系統(tǒng)模型的主要參數(shù)如下。

整流側(cè):交流系統(tǒng)等效電源電壓為382.87 k V,阻抗為47.655∠84°Ω,短路比SCR=2.5;換流變?nèi)萘繛?03.7 MVA,短路電抗為0.18 pu,變比為345 k V/213.5 k V。

逆變側(cè):交流系統(tǒng)等效電源電壓為215.05 k V,阻抗為21.2∠75°Ω,短路比SCR=2.5;換流變?nèi)萘繛?91.79 MVA,短路電抗為0.18 pu,變比為230 k V/209.2 k V。

直流線路:直流電阻為2.5Ω,直流電感為0.6 H。

采用2套VDCOL控制系統(tǒng)對比的方法,建立2種策略的仿真方案進行驗證。方案1,采用CIGRE標準測試模型中定斜率VDCOL控制策略即。方案2,基于CIGRE標準測試模型將定斜率VDCOL控制策略替換為本文所提磁滯回線特性的VDCOL控制策略,即上弧線和下弧線的組合。

通過設(shè)置3種模擬工況以比較2種方案的控制效果。

(1)工況1,正常運行,包括直流系統(tǒng)啟動。如圖4所示。

圖4 正常工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)

通過對比2種控制策略在正常運行時的電氣量,控制效果基本相同;但在系統(tǒng)啟動階段,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略,電流指令值上升得更快,且直流電流達到正常穩(wěn)定值的速度會更快,其響應(yīng)更靈敏。

(2)工況2,在受端交流母線上設(shè)置單相接地故障,接地電感設(shè)為0.4 H,故障起始時間為t=1 s,故障持續(xù)時間為0.5 s。如圖5所示。

從圖5中可以看出,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略后,減少了一次換相失敗,表明能夠有效抑制連續(xù)換相失敗的發(fā)生,并且直流電流恢復(fù)得更快,無明顯過沖。

圖5 單相接地故障下系統(tǒng)的運行狀態(tài)

(3)工況3,在受端交流母線上設(shè)置三相接地故障,接地電感設(shè)為0.4 H,故障起始時間為t=1 s,故障持續(xù)時間為0.5 s。如圖6所示。

從圖6可以看出,采用磁滯回線特性的VDCOL控制策略后,雖然不能避免換相失敗的發(fā)生,但關(guān)斷角變得更大,對故障的響應(yīng)更加靈敏。在故障恢復(fù)階段,電流的響應(yīng)速度更快,保證潮流盡快恢復(fù)正常水平。

圖6 三相接地故障下系統(tǒng)的運行狀態(tài)

4 結(jié)論

針對高壓直流輸電換相失敗這一現(xiàn)象,提出了一種基于磁滯回線特性的VDCOL控制策略,通過CIGRE標準測試模型的仿真實驗,驗證了這一策略的有效性;仿真結(jié)果證明:在故障時刻,通過快速減小電流指令值,能夠抑制換相失敗的連續(xù)發(fā)生;在恢復(fù)階段,快速增大電流指令值,保證功率輸送的及時恢復(fù)。本文采用的磁滯回線特性VDCOL控制策略,可以降低直流系統(tǒng)換相失敗幾率,提高直流系統(tǒng)抑制連續(xù)換相失敗的能力,為實際直流工程提供一定的參考價值;采用對VDCOL控制環(huán)節(jié)的改進,可以較好地兼容其他控制策略的優(yōu)化,無需添加硬件設(shè)施,易于實現(xiàn),其工程應(yīng)用特性有待進一步驗證。