張朝峰，張偉晨，饒宇飛，夏秋，李程昊，鮑超斌

(1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州市450052；2. 武漢啟亦電氣有限公司，武漢市430074)

0 引 言

特高壓直流 (ultra-high voltage direct current, UHVDC)輸電技術(shù)作為解決我國(guó)能源與負(fù)荷中心逆向分布問(wèn)題的重要手段，因其具有輸送容量大、輸送距離遠(yuǎn)、線路損耗小等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)電力系統(tǒng)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。換相失敗是直流輸電線路的常見(jiàn)故障，多由逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路故障引起[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2004年至2018年底，國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流輸電系統(tǒng)共發(fā)生換相失敗1 353次，每條直流系統(tǒng)年平均發(fā)生換相失敗9.1次，部分直流工程甚至超過(guò)15次/年[3-4]。換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流電壓急劇下降，電流大幅變化，引發(fā)劇烈的無(wú)功波動(dòng)，若不能及時(shí)控制，可能會(huì)引發(fā)后續(xù)換相失敗，導(dǎo)致直流輸送功率中斷和弱電網(wǎng)電壓崩潰等嚴(yán)重后果[5-6]。因此，換相失敗的抑制和故障后直流功率協(xié)調(diào)恢復(fù)措施是電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行控制中要考慮的重要問(wèn)題。

目前已有諸多關(guān)于換相失敗抑制及直流功率協(xié)調(diào)恢復(fù)措施的相關(guān)研究，可分為以下三大類：1)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置布點(diǎn)、容量配置及投切控制的優(yōu)化[7-9]；2)對(duì)換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造[10-12]；3)改進(jìn)直流控制策略[13-16]。安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(如同步調(diào)相機(jī)和靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等)除成本較高外，還會(huì)增大交流系統(tǒng)短路電流越限的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)換流器的改造包括晶閘管特性優(yōu)化、在換流器上串并聯(lián)電容、電感及晶閘管等器件以降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。但受制于電壓等級(jí)、傳輸容量、技術(shù)難度等因素，其工程實(shí)用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證[17]。對(duì)直流控制策略的改進(jìn)主要在低壓限流(voltage depend current order limitation, VDCOL)算法和換相失敗預(yù)防控制(commutation failure prevention, CFPREV)算法的基礎(chǔ)上，從檢測(cè)判據(jù)、啟動(dòng)閾值、響應(yīng)特性等方面進(jìn)行優(yōu)化[18]。文獻(xiàn)[19]針對(duì)多饋入直流系統(tǒng)的無(wú)功耦合特性對(duì)傳統(tǒng)的CFPREV[20]算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種多饋入系統(tǒng)換相失敗預(yù)防協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[21]則通過(guò)差異化設(shè)置多饋入直流系統(tǒng)內(nèi)各直流線路的CFPREV啟動(dòng)門檻值以降低故障暫態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)的無(wú)功波動(dòng)。文獻(xiàn)[22]提出了一種基于關(guān)斷角判據(jù)的輸入信號(hào)自動(dòng)切換的改進(jìn)VDCOL模塊；文獻(xiàn)[23]提出一種根據(jù)受端交流電壓恢復(fù)程度調(diào)整VDCOL斜率的非線性控制方案。相比于前兩類方案，直流控制策略在經(jīng)濟(jì)性和可操作性上更具優(yōu)勢(shì)，因此在工程中得到了廣泛應(yīng)用[17]。

投入旁通對(duì)是直流系統(tǒng)保護(hù)裝置的重要控制策略之一。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，逆變側(cè)保護(hù)裝置動(dòng)作后投入旁通對(duì)有助于達(dá)到快速停運(yùn)直流輸電系統(tǒng)，隔離故障的目的[24]。而旁通對(duì)的有效性有賴于其投切控制的及時(shí)性和正確性。文獻(xiàn)[25]指出錯(cuò)誤投旁通對(duì)將對(duì)直流系統(tǒng)的緊急停運(yùn)或閉鎖造成不良影響，例如在極閉鎖時(shí)不投旁通對(duì)更有利于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[26]對(duì)投旁通對(duì)策略進(jìn)行優(yōu)化，避免了閥組出現(xiàn)過(guò)壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)，加快保護(hù)裝置動(dòng)作后閥組閉鎖的過(guò)程?，F(xiàn)有關(guān)于旁通對(duì)的研究多集中于其在直流故障中的應(yīng)用，而關(guān)于旁通對(duì)在交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的換相失敗問(wèn)題中的應(yīng)用較少[27]。

本文通過(guò)對(duì)比分析在換相失敗情景下，投入旁通對(duì)前后特高壓直流系統(tǒng)送、受端電壓特性的變化，論證合理的旁通對(duì)投切可有效抑制換相失敗暫態(tài)過(guò)程引起的送端過(guò)電壓、受端低電壓?jiǎn)栴}，進(jìn)而提出一種換相失敗后投旁通對(duì)的控制方法。以逆變閥組換相失敗及交流電壓跌落程度為旁通對(duì)控制的啟動(dòng)判據(jù)，根據(jù)直流運(yùn)行狀態(tài)對(duì)直流電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)受端交流系統(tǒng)恢復(fù)程度退出旁通對(duì)。最后基于河南電網(wǎng)在PSCAD/EMTDC建立仿真模型對(duì)所提控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 旁通對(duì)控制抑制換相失敗原理

1.1 旁通對(duì)原理

旁通對(duì)是指換流器中在同一橋臂上連接到同一交流相的2個(gè)閥所形成的旁通回路，如圖1所示。圖1中，晶閘管VT1、VT4形成一對(duì)旁通對(duì)，同理，晶閘管VT3、VT6及VT2、VT5分別形成一對(duì)旁通對(duì)。

正常運(yùn)行時(shí)，由上下半橋分屬不同相的晶閘管導(dǎo)通構(gòu)成回路，例如圖1(a)中的VT6—交流側(cè)B相—交流側(cè)C相—晶閘管VT5回路，經(jīng)過(guò)晶閘管依次通斷控制，在閥側(cè)形成三相交流電源。閥側(cè)交流電源通過(guò)一個(gè)換流變壓器間接與母線側(cè)交流電源連接，即換流變壓器兩端的交流電源之間有電流和功率的傳遞。

而旁通對(duì)的形成則導(dǎo)致閥側(cè)交流電源與母線側(cè)交流電源出現(xiàn)電氣隔離，即對(duì)應(yīng)橋向交流母線的電流傳遞和功率傳遞中斷。以圖1(b)中與B相相連的VT6和VT3形成旁通對(duì)為例進(jìn)行分析。圖1(b)中i1—i6分別為晶閘管VT1—VT6中的電流，而ia、ib、ic分別為經(jīng)過(guò)逆變形成的閥側(cè)三相交流電流。控制VT6和VT3形成旁通對(duì)期間，該6脈波橋中電流不再輪相更換，而是持續(xù)由圖1(b)中紅線所示的路徑流過(guò)，i6=i3在直流側(cè)形成自回路，相當(dāng)于閥側(cè)電源的B相電位點(diǎn)被短路，同時(shí)A、C相電位點(diǎn)斷路，i4=i1=i2=i5=0。此時(shí)流向交流母線的閥側(cè)電流ia=ib=ic=0，相當(dāng)于閥側(cè)電源與母線側(cè)電源被隔離開(kāi)，沒(méi)有電流和功率聯(lián)系。旁通對(duì)投入后晶閘管電流與閥側(cè)電流如圖2所示，換流閥的無(wú)功吸收情況如圖3所示?？梢钥闯?，旁通對(duì)形成后，該換流器閉鎖，從換流母線吸取的無(wú)功功率下跌至零。

圖2 形成旁通對(duì)后的晶閘管電流與閥側(cè)電流波形

圖3 形成旁通對(duì)后換流閥吸收的無(wú)功功率

1.2 換相失敗對(duì)直流系統(tǒng)電壓特性的影響

受端交流系統(tǒng)短路故障可能導(dǎo)致?lián)Q流閥發(fā)生換相失敗。換相失敗后直流電壓下降，直流電流增大，交流系統(tǒng)穩(wěn)定性也受到極大影響。以一組故障仿真為例，分析換相失敗對(duì)于特高壓直流系統(tǒng)送、受端電壓特性的影響。圖4所示為CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型。其中整流側(cè)、逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路比(short circuit ratio, SCR)均為2.5。在逆變側(cè)換流母線附近設(shè)置單相短路接地故障。故障開(kāi)始時(shí)刻為1.0 s，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，故障點(diǎn)與逆變側(cè)換流母線間的等值電抗值為0.1 H。需要說(shuō)明的是，交流故障可能發(fā)生在系統(tǒng)中任何位置，其與待研究母線之間通過(guò)交流網(wǎng)絡(luò)形成間接的電氣聯(lián)系，同時(shí)交流線路主要呈感性阻抗，因此常用一個(gè)等值電感來(lái)描述故障與待研究母線之間的電氣聯(lián)系強(qiáng)度。電感值越小，則電氣距離越近，該故障對(duì)換流母線造成的影響越大，即所謂的故障(對(duì)待研究母線的影響)越嚴(yán)重；電感值越大則相反。

圖4 CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型主電路圖

圖5展示了逆變側(cè)各電氣量的變化曲線，其中Uiac為逆變側(cè)三相交流電壓瞬時(shí)值；IiY和IiD分別為逆變側(cè)Y橋和D橋的閥側(cè)交流電流測(cè)量值；Iid、Uid分別為逆變側(cè)直流電流和電壓。在故障發(fā)生后1.00 s至1.02 s，受逆變側(cè)換相失敗影響，直流電壓快速降低，直流電流激增，此時(shí)大電流流過(guò)受端換流閥，使換流閥從交流系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率，進(jìn)一步加劇了受端交流系統(tǒng)低電壓和無(wú)功缺額，對(duì)受端電網(wǎng)交流電壓的恢復(fù)造成不利影響。在1.10 s后，接地故障清除，逆變側(cè)受端系統(tǒng)逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 逆變側(cè)部分電氣量響應(yīng)曲線

圖6展示了整流側(cè)部分電氣量變化曲線。其中Urac為整流側(cè)三相交流電壓瞬時(shí)值；αr為整流側(cè)觸發(fā)角；Ird、Urd分別為整流側(cè)直流電流和電壓。換相失敗發(fā)生后，整流側(cè)電流控制器增大觸發(fā)角以抑制直流電流的上升；隨著觸發(fā)角的不斷增大，直流電壓隨之下降。由于送端直流控制調(diào)節(jié)特性，直流電流過(guò)調(diào)至接近0值，即流過(guò)換流器的電流很小，整流側(cè)換流閥消耗無(wú)功減少，交流系統(tǒng)無(wú)功大量過(guò)剩，造成送端電網(wǎng)出現(xiàn)過(guò)電壓。

圖6 整流側(cè)部分電氣量響應(yīng)曲線

綜上所述，受端系統(tǒng)短路故障造成逆變閥組發(fā)生換相失敗后，將導(dǎo)致受端電網(wǎng)低電壓和送端電網(wǎng)過(guò)電壓。在實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)中，送端電網(wǎng)過(guò)電壓將導(dǎo)致送端新能源機(jī)組無(wú)序脫網(wǎng)；而受端電網(wǎng)低電壓將影響受端電網(wǎng)故障清除后的電壓恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)可能造成弱電網(wǎng)電壓崩潰。

1.3 旁通對(duì)控制對(duì)換相失敗的影響分析

由1.2節(jié)分析可知，當(dāng)逆變閥組發(fā)生換相失敗后，直流電壓降低，直流電流激增。若此時(shí)在逆變側(cè)投入旁通對(duì)，受端交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)將被阻隔開(kāi)，換流變壓器中直流電流降至0，換流閥從受端交流系統(tǒng)中吸收的無(wú)功功率將急劇減少，受端母線低電壓?jiǎn)栴}得到改善，為系統(tǒng)恢復(fù)提供有利條件。而對(duì)于直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)逆變側(cè)投入旁通對(duì)后，亦避免了受端系統(tǒng)擾動(dòng)對(duì)直流電流造成的沖擊影響。同時(shí)整流側(cè)的直流電流維持在較高水平，使得整流側(cè)換流閥可持續(xù)穩(wěn)定地從送端交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率，從而改善送端交流系統(tǒng)暫時(shí)過(guò)電壓情況。

2 抑制換相失敗的旁通對(duì)控制策略

所設(shè)計(jì)的抑制換相失敗的投旁通對(duì)控制器如圖7所示。

該控制器啟動(dòng)后，除了在相應(yīng)的換流橋中形成旁通對(duì)外，將向整流、逆變兩側(cè)同時(shí)發(fā)出高電平觸發(fā)信號(hào)BPPO，對(duì)整流，逆變側(cè)的部分控制參數(shù)進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整，如圖7中標(biāo)紅部分所示。在逆變側(cè)的控制系統(tǒng)中，VDCOL為低壓限流環(huán)節(jié)；Iord為直流電流指令值，Iord限幅幅值Io_min=0.55 pu，Io_max=1.00 pu；βinvI、βinvG分別為定電流控制和定熄弧角控制計(jì)算得到的越前觸發(fā)角指令；βinv為最終送往逆變側(cè)觸發(fā)系統(tǒng)越前觸發(fā)角指令。當(dāng)逆變側(cè)控制系統(tǒng)檢測(cè)到旁通對(duì)控制信號(hào)BPPO為高電平時(shí)，對(duì)VDCOL環(huán)節(jié)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即提高故障期間VDCOL環(huán)節(jié)輸出下限值Io_min，避免因直流電流被過(guò)調(diào)至0而導(dǎo)致送端過(guò)電壓。如圖8所示，常規(guī)控制中Io_min=0.55 pu，旁通導(dǎo)通期間Io_min=0.80 pu。

圖7 旁通對(duì)控制基本控制結(jié)構(gòu)

圖8 VDCOL工作曲線

在整流側(cè)控制系統(tǒng)中，Ird為整流側(cè)直流電流測(cè)量值；ar_ord為整流側(cè)觸發(fā)角指令值。整流側(cè)控制系統(tǒng)檢測(cè)到旁通對(duì)控制信號(hào)BPPO為高電平時(shí)，增加整流側(cè)觸發(fā)角限幅控制，限制觸發(fā)角上限αr_max為80°。當(dāng)旁通對(duì)控制退出后，限幅指令延時(shí)30 ms退出。這樣做是為了避免逆變側(cè)換流閥恢復(fù)導(dǎo)通后，整流側(cè)觸發(fā)角指令為限制電流而持續(xù)增大，導(dǎo)致直流電流過(guò)低，整流側(cè)再次出現(xiàn)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，在旁通對(duì)控制期間對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整是為了解決暫態(tài)過(guò)程中送端過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

投旁通對(duì)控制流程如圖9所示。其中，Ui為逆變側(cè)換流母線電壓有效值；Ui0為逆變側(cè)換流母線電壓零序分量。

圖9 旁通對(duì)控制流程

旁通對(duì)控制信號(hào)BPPO的生成分為兩部分：?jiǎn)?dòng)信號(hào)生成和復(fù)位信號(hào)生成，如圖10所示。

圖10 旁通對(duì)控制信號(hào)生成環(huán)節(jié)

圖10中，換相失敗檢測(cè)模塊中的SY、SD分別代表?yè)Q流器Y橋和D橋換相失敗檢測(cè)信號(hào)，Y橋和D橋的換相失敗檢測(cè)算法分別如式(1)和(2)所示[4]：

(1)

(2)

式中：Iidn為逆變側(cè)直流電流額定值。

當(dāng)式(1)(或式(2))為真時(shí)，SY(或SD)輸出1；反之，SY(或SD)輸出0。圖10中，Ui_th為逆變側(cè)換流母線電壓有效值的檢測(cè)閾值；CO為旁通控制啟動(dòng)信號(hào)；RES為旁通控制復(fù)位信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)模塊中，當(dāng)SY與SD均檢測(cè)出換相失敗發(fā)生，且換流母線電壓有效值Ui小于檢測(cè)閾值Ui_th時(shí)，則啟動(dòng)信號(hào)CO輸出為1，投旁通控制信號(hào)BPPO為1。控制器的復(fù)位信號(hào)環(huán)節(jié)分為換流母線電壓有效值檢測(cè)、換流母線電壓零序電壓檢測(cè)和旁通對(duì)導(dǎo)通時(shí)間TBPPO檢測(cè)環(huán)節(jié)。檢測(cè)條件為：

(3)

(4)

3 算例分析

在PSCAD/EMTDC中搭建河南特高壓直流多饋入系統(tǒng)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。其中，天中直流系統(tǒng)受端為常規(guī)的特高壓直流單端饋入結(jié)構(gòu)，經(jīng)中州換流站500 kV母線接入交流電網(wǎng)。青?！幽?以下簡(jiǎn)稱青豫)直流系統(tǒng)采用多端單層饋入結(jié)構(gòu)，即將高端換流器I,IV和低端換流器II, III分別接入豫駐馬換流站內(nèi)的兩個(gè)500 kV母線。為便于表述，將天中直流饋入點(diǎn)編號(hào)為母線1，將青豫直流高端饋入點(diǎn)編號(hào)為母線2，低端饋入點(diǎn)編號(hào)為母線3。受端交流系統(tǒng)由等效阻抗與電源構(gòu)成的戴維寧模型進(jìn)行等效替代。Zi和Si為各饋入點(diǎn)處的等效交流系統(tǒng)阻抗和電源；Zij為換流母線間聯(lián)絡(luò)通道的等值阻抗。

圖11 河南特高壓直流多饋入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

考慮到直流逆變器正常運(yùn)行時(shí)將從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功功率，為避免投旁通可能造成的受端交流系統(tǒng)無(wú)功過(guò)剩，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)電壓?jiǎn)栴}，僅將抑制換相失敗的投旁通控制器安裝于圖11所示直流系統(tǒng)1和直流系統(tǒng)2的正極直流線路中，負(fù)極直流線路仍采用原控制方式運(yùn)行。控制器中逆變側(cè)換流母線電壓檢測(cè)閾值Ui_th設(shè)置為0.94 pu。

3.1 交流故障下控制器效果驗(yàn)證

首先以三相接地短路故障為例，進(jìn)行對(duì)稱故障下的控制器性能測(cè)試。在距離直流系統(tǒng)1逆變側(cè)換流母線電氣距離0.3 H處設(shè)置三相短路接地故障，故障開(kāi)始時(shí)刻為0.800 s，持續(xù)0.100 s。在該工況情景下對(duì)比有無(wú)控制器時(shí)直流系統(tǒng)在換相失敗后的恢復(fù)效果。

圖12為直流系統(tǒng)1、直流系統(tǒng)2中高壓閥組的旁通對(duì)控制信號(hào)BPPO及其內(nèi)部各控制信號(hào)。直流系統(tǒng)1正極高端閥組D橋、Y橋分別在0.805、0.807 s檢測(cè)出發(fā)生換相失敗，交流電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出交流電壓在0.809 s下降至閾值，故直流系統(tǒng)1旁通對(duì)在0.809 s時(shí)導(dǎo)通，0.869 s時(shí)退出。直流系統(tǒng)2未檢測(cè)出發(fā)生換相失敗，旁通對(duì)未啟動(dòng)。

圖12 旁通控制信號(hào)

圖13是旁通對(duì)措施投入前后，直流系統(tǒng)1的送端直流電流Ird及直流電流指令值Iord對(duì)比圖。可以看出，VDCOL下限值提升后，直流電流指令值提升至0.8 pu，送端直流電流在第一個(gè)振蕩周期內(nèi)未出現(xiàn)斷流。

圖13 旁通控制投入前后直流系統(tǒng)1送端直流電流對(duì)比

圖14對(duì)比了投旁通控制前后，直流系統(tǒng)1在交流故障下送、受端的換流母線電壓有效值Ur、Ui及閥組吸收的無(wú)功功率Qr、Qi。圖14(c)中，在故障初期0.800 s至0.833 s內(nèi)，受逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障影響，逆變閥組換相失敗，向系統(tǒng)釋放大量無(wú)功功率，此階段圖14(a)中的逆變側(cè)母線電壓先降后升；而后在0.834 s至0.869 s內(nèi)，換相失敗的晶閘管恢復(fù)正常工作，常規(guī)控制方式下?lián)Q流閥從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率明顯回升，交流電壓再次顯著降低。而旁通措施方式下，由于逆變側(cè)正極仍處于旁通狀態(tài)，正極閥組從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率仍處于低水平。而隨著負(fù)極直流電流逐漸恢復(fù)，負(fù)極閥組無(wú)功功率吸收增加，此時(shí)逆變側(cè)交流電壓總體下降但程度較輕，緩解了逆變側(cè)恢復(fù)過(guò)程低電壓?jiǎn)栴}。

圖14 旁通控制投入前后直流系統(tǒng)1母線電壓與閥吸收無(wú)功功率對(duì)比

圖14(d)中，受逆變側(cè)換相失敗后直流電流被過(guò)調(diào)至接近0的影響，整流側(cè)換流閥在0.802 s后向交流系統(tǒng)釋放大量無(wú)功功率。常規(guī)控制方式下，整流閥組將最大向交流系統(tǒng)釋放約2 000 MV·A無(wú)功功率；而在旁通措施方式下，換流閥組最大僅向交流系統(tǒng)釋放500 MV·A無(wú)功功率。因此在圖14(b)中，常規(guī)控制方式下的整流側(cè)母線電壓最高可達(dá)到1.12 pu；而旁通措施方式下，整流側(cè)母線電壓最高僅為1.08 pu。可以看出旁通措施限制送端母線過(guò)電壓的效果顯著。

再以單相接地故障為例，進(jìn)行不對(duì)稱故障下的控制器性能測(cè)試。0.4 s時(shí)在距離母線1電氣距離0.05 H的位置設(shè)置一持續(xù)時(shí)間為0.1 s的A相接地故障。圖15展示了該故障工況下旁通控制對(duì)直流系統(tǒng)1的控制效果。

圖15 單相接地故障下控制效果

由圖15(a)可看出，在滿足旁通對(duì)投入條件后，直流系統(tǒng)1逆變側(cè)的高端D橋在0.405 s至0.550 s之間被閉鎖，在此期間該換流器不再?gòu)慕涣飨到y(tǒng)吸取無(wú)功功率。因此，圖15(b)中紅線所示的旁通對(duì)控制下的逆變側(cè)換流器吸收的無(wú)功功率總額明顯低于常規(guī)控制。旁通對(duì)控制使交流故障引起的受端交流系統(tǒng)無(wú)功缺額情況得到了明顯的緩解，如圖15(c)中的紅線所示，逆變側(cè)換流母線低電壓?jiǎn)栴}得到了顯著改善。而根據(jù)圖15(d)，旁通對(duì)作用期間對(duì)直流電流整定值進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整可顯著改善直流電流被過(guò)調(diào)至0值的問(wèn)題。VDCOL參數(shù)調(diào)整和整流側(cè)觸發(fā)角限幅對(duì)送端換流閥吸收無(wú)功的控制效果明顯，如圖15(e)中紅線所示，整流側(cè)換流閥吸收的無(wú)功功率增多，圖15(f)中送端過(guò)電壓?jiǎn)栴}也得到了明顯改善。

上述兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文所提的旁通對(duì)控制基本原理進(jìn)行了驗(yàn)證，即通過(guò)將部分逆變側(cè)換流閥閉鎖以限制受端無(wú)功功率消耗，進(jìn)而緩解受端因無(wú)功功率缺額導(dǎo)致的低電壓?jiǎn)栴}；同時(shí)調(diào)整暫態(tài)期間直流電流整定值和整流側(cè)觸發(fā)角限幅以增大送端無(wú)功功率消耗，進(jìn)而緩解受端因換流器斷流引發(fā)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。這種控制原理決定了其有效性不受交流故障類型影響，只要故障引發(fā)的電壓電流波動(dòng)滿足了該控制策略的投入條件，控制器即可有效工作。同時(shí)需要說(shuō)明的是，三相短路故障作為交流系統(tǒng)中發(fā)生概率較低也較為嚴(yán)重的短路故障，更容易出現(xiàn)觸發(fā)旁通控制的工況。而相比之下，單相故障和相間故障罕見(jiàn)出現(xiàn)能滿足旁通對(duì)觸發(fā)條件的工況。

3.2 單極與雙極投入旁通對(duì)控制效果對(duì)比

在如圖11所示的多饋入直流輸電系統(tǒng)中采用旁通措施，分別設(shè)置如下方案進(jìn)行對(duì)照：1)僅在正極投入旁通對(duì)控制器(方案1)；2)正負(fù)極都投入旁通對(duì)控制器(方案2)。

在距離直流系統(tǒng)1逆變側(cè)換流母線電氣距離0.15 H處分別設(shè)置三相短路接地故障、兩相短路接地故障、相間故障和單相接地故障，故障開(kāi)始時(shí)刻為0.800 s，故障持續(xù)0.100 s。在以上4組故障工況下，兩組方案旁通措施投退時(shí)間如表1所示。旁通對(duì)的退出時(shí)間受逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)程度影響，表1中各種故障工況下方案2的旁通作用時(shí)間較方案1均有延長(zhǎng)，由此可知，當(dāng)正負(fù)極同時(shí)投入旁通控制器后，其交流系統(tǒng)電壓恢復(fù)速度較僅正極投入旁通控制器的恢復(fù)速度更慢。

表1 旁通對(duì)導(dǎo)通時(shí)間

下面以三相短路故障下兩組方案的仿真波形為例，對(duì)單極投入旁通對(duì)相較雙極投入更有利于系統(tǒng)恢復(fù)的原因進(jìn)行分析。圖16比較了2種控制方案下逆變側(cè)換流母線電壓與換流閥吸收無(wú)功功率。如圖16所示，相比方案1，方案2旁通控制期間正負(fù)極旁通對(duì)同時(shí)導(dǎo)通，換流器向受端系統(tǒng)釋放更多無(wú)功功率，因此方案2中逆變側(cè)母線電壓較方案1有更大的提升。但是逆變側(cè)換流器過(guò)多釋放無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致受端系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)，如圖16 (b)所示，在0.83 s至0.90 s間，方案2的逆變側(cè)換流母線電壓有效值在1.15 pu以上，存在過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 兩種控制方案下逆變側(cè)參數(shù)對(duì)比

圖17為2種控制方式下整流側(cè)參數(shù)對(duì)比。對(duì)于直流系統(tǒng)1，相比于方案1，方案2下旁通對(duì)導(dǎo)通時(shí)間更長(zhǎng)，閥組從交流系統(tǒng)吸收更多無(wú)功功率，控制期間母線電壓峰值更低，電壓回落至額定值的速度更快。而當(dāng)旁通對(duì)斷開(kāi)后，直流電流下降，整流側(cè)閥組向交流系統(tǒng)釋放無(wú)功功率，此時(shí)方案2相比方案1中閥組無(wú)功功率釋放量更大，交流電壓的二次抬升峰值更高。而對(duì)于直流系統(tǒng)2來(lái)說(shuō)，方案2下直流系統(tǒng)1整流側(cè)進(jìn)一步釋放的無(wú)功功率加劇了其整流側(cè)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

由上述2組方案對(duì)比可知，在多饋入系統(tǒng)中，多回直流同時(shí)啟動(dòng)旁通將會(huì)為交流系統(tǒng)帶來(lái)大量的無(wú)功功率盈余，對(duì)于嚴(yán)重故障點(diǎn)，盈余的無(wú)功功率則可有效緩解故障點(diǎn)附近的低電壓?jiǎn)栴}，但是對(duì)于故障遠(yuǎn)端換流站，其母線電壓則可能出現(xiàn)大幅上升，面臨過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。采用單極直流投入旁通控制器的方法，在故障期間僅控制一極逆變閥組向交流系統(tǒng)釋放無(wú)功功率，不僅在一定程度上提升了逆變側(cè)交流電壓，同時(shí)也不至于使整流側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

換相失敗是影響直流輸電安全穩(wěn)定運(yùn)行的不利因素之一，本文基于旁通控制投入對(duì)換相失敗后直流輸電系統(tǒng)送、受端電壓特性影響的分析，提出一種抑制多饋入特高壓直流換相失敗的旁通對(duì)控制策略，得出如下結(jié)論：

1)通過(guò)原理分析得出，換相失敗后投旁通對(duì)可改善整流側(cè)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)、逆變側(cè)低電壓?jiǎn)栴}，為旁通措施控制器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2)提出了一種抑制換相失敗的旁通對(duì)控制策略，以逆變閥組換相失敗及交流電壓跌落程度為啟動(dòng)判據(jù)投入逆變側(cè)旁通對(duì)，根據(jù)直流運(yùn)行狀態(tài)對(duì)直流電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最后根據(jù)受端交流系統(tǒng)恢復(fù)程度退出旁通對(duì)。

3)以河南多饋入直流輸電系統(tǒng)為例,仿真驗(yàn)證了所提方法對(duì)換相失敗后整流側(cè)、逆變側(cè)交流電壓運(yùn)行特性的提升效果，但是該方法一定程度上犧牲了直流功率恢復(fù)速度。