陳鋒元, 韓昆侖， 宋海根， 楊東睿

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院, 南寧 530004)

由于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和一次能源供應(yīng)的不平衡性，使得“荷源分離”現(xiàn)象愈加明顯。高壓直流輸電系統(tǒng)(line-commutated-converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)因具有長(zhǎng)距離、大容量等輸電優(yōu)勢(shì)得到快速發(fā)展[1]。受晶閘管導(dǎo)通特性及控制系統(tǒng)響應(yīng)延遲等因素的影響，直流系統(tǒng)的首次換相失敗一般難以避免。首次換相失敗發(fā)生后，如果采取適當(dāng)?shù)拇胧?，則可有效抑制后續(xù)換相失敗的發(fā)生，使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定，不會(huì)危害系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]；否則可能會(huì)出現(xiàn)單次換相失敗發(fā)展為連續(xù)換相失敗的情況。連續(xù)換相失敗對(duì)直流系統(tǒng)的危害極大，會(huì)導(dǎo)致直流閉鎖、傳輸功率中斷，對(duì)交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也造成極大威脅。

針對(duì)單次換相失敗的問(wèn)題，中外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[3-7]分析了換相失敗的主要影響因素，主要有換流母線電壓、換流變壓器變比、直流電流、換相電抗、超前觸發(fā)角、不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)換相電壓過(guò)零點(diǎn)相位移和交流系統(tǒng)的頻譜特性以及低次諧波和負(fù)序諧波等，并根據(jù)這些因素提出了抑制換相失敗的相關(guān)措施。文獻(xiàn)[8-9]提出了換相電壓時(shí)間面積的概念，并將其用于換相失敗的理論分析。在判別換相失敗時(shí)考慮了直流電流的波動(dòng)，但該方法并沒(méi)有深入研究對(duì)換相失敗的抑制和后續(xù)恢復(fù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]分析了換相電流時(shí)間判據(jù)，并基于此判據(jù)對(duì)換相失敗預(yù)防控制作出改進(jìn)，增加了換相失敗預(yù)防控制的靈敏性，解決了在某些故障情況下?lián)Q相失敗預(yù)防控制在某些故障情況下存在啟動(dòng)不及時(shí)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]分析了由直流分量與地磁諧波元件引起的失真是造成換相失敗的原因，并提出了一種基于故障限流器的故障限流策略。文獻(xiàn)[12-13]提出了綜合各相關(guān)電氣量的模糊控制策略，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊控制方法來(lái)確定超前觸發(fā)角，并通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]指出目前對(duì)抑制直流輸電連續(xù)換相失敗的研究大多是利用低壓限流器(voltage dependent current order limiter，VDCOL)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并分析了VDCOL抑制連續(xù)換相失敗的原理，但是其調(diào)節(jié)靈敏度低，在發(fā)生換相失敗后的響應(yīng)較慢。為了在系統(tǒng)發(fā)生換相失敗時(shí)提高直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈敏度，文獻(xiàn)[15]提出了一種基于非線性動(dòng)態(tài)VDCOL控制器設(shè)計(jì)方案，該方案可靈活調(diào)節(jié)VDCOL控制器的控制曲線，提高直流電流指令在系統(tǒng)故障期間的響應(yīng)速度，解決了文獻(xiàn)[14]存在的缺陷。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于虛擬電感的VDCOL改進(jìn)控制策略用于抑制直流輸電的連續(xù)換相失敗，可有效抑制交流側(cè)單相故障造成的連續(xù)換相失敗，但該策略對(duì)三相故障引發(fā)的換相失敗效果不明顯。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于最大短路電流限制的連續(xù)換相失敗抑制方法，該方法可有效抑制交流側(cè)單相接地嚴(yán)重故障引起的連續(xù)換相失敗，但該方法需要以首次換相失敗信息為觸發(fā)信號(hào)，只有在換相失敗發(fā)生后才能發(fā)揮作用，不利于對(duì)故障的預(yù)判。文獻(xiàn)[18]提出了一種利用直流電流變化率判斷換相失敗的方法。文獻(xiàn)[19-20]提出了一種變熄弧角控制策略，該策略通過(guò)逆變側(cè)定熄弧角控制跟蹤定電流控制實(shí)現(xiàn)控制模式提前平穩(wěn)切換，但沒(méi)有深入分析故障嚴(yán)重程度對(duì)該控制策略的具體影響。

基于上述問(wèn)題，提出了一種基于虛擬電容的直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗抑制方法，引入了虛擬電容的概念，將其作為直流側(cè)電壓變化率的載體，利用虛擬電容來(lái)感應(yīng)直流電壓的變化，與VDCOL控制環(huán)節(jié)共同作用，限制故障期間直流電流指令值的上升，增大換相裕度，達(dá)到抑制直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的目的。采用直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)算例驗(yàn)證所提方法。以期為換相失敗研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 換相失敗機(jī)理分析

高壓直流輸電系統(tǒng)由于其采用晶閘管作為換流器的核心部件，其換相過(guò)程需要由交流系統(tǒng)提供換相電壓。當(dāng)同一橋臂組內(nèi)相鄰的兩個(gè)換流閥換相結(jié)束后，剛關(guān)斷的閥需要承受一段時(shí)間的反向電壓才能恢復(fù)阻斷能力，若換相過(guò)程未結(jié)束或換相過(guò)程雖已結(jié)束但閥阻斷能力尚未完全恢復(fù)的情況下閥電壓變?yōu)檎?，被換相的閥將向剛關(guān)斷的閥倒換相，這一過(guò)程稱(chēng)為換相失敗[14]。由于高壓直流輸電系統(tǒng)中晶閘管的特性，換相失敗對(duì)于逆變側(cè)來(lái)說(shuō)更為普遍，逆變側(cè)的交流系統(tǒng)故障是引起換相失敗發(fā)生的主要原因[21]。

以逆變器閥1向閥3換相為例對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)換相過(guò)程進(jìn)行分析。逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

VT1～VT6為晶閘管1～6的編號(hào)；Ud、Id為整流側(cè)直流系統(tǒng)的電壓電流；ua、ub、uc分別為逆變側(cè)交流系統(tǒng)的三相電壓；ia、ib、ic分別為逆變側(cè)交流系統(tǒng)的三相電流；Xar、Xbr、Xcr為分別為逆變側(cè)換流變壓器的三相電抗

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得回路方程為

(1)

式(1)中：ua、ub為逆變側(cè)交流系統(tǒng)的相電壓；ia、ib為逆變側(cè)交流系統(tǒng)的相電流；Ra、Rb和Xar、Xbr分別為逆變側(cè)換流變壓器的電阻和電抗；ω為角頻率；t為時(shí)間。

由于在大容量變壓器中，其電抗遠(yuǎn)大于電阻，故電阻可忽略，且Xar=Xbr=Xr，其中Xr為換相電抗，則式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行積分可得

(3)

式(3)中：α、μ分別為觸發(fā)延遲角、換相角。

在換相過(guò)程中，ia+ib=ic，ib(α)=0，ib(α+μ)=id，γ=π-(α+μ)，則解方程可得

(4)

式(4)中：γ為熄弧角；id為直流電流；uab為逆變側(cè)交流系統(tǒng)相間電壓。

換相失敗發(fā)生的根本原因是在于熄弧角γ小于極限熄弧角γmin，造成換相裕度不足，使晶閘管沒(méi)有充足的關(guān)斷時(shí)間。因此，抑制換相失敗最直接有效的方法就是在故障發(fā)生造成換相失敗發(fā)生時(shí)適當(dāng)增大熄弧角，保證換相過(guò)程中換流閥有充足的關(guān)斷時(shí)間，促進(jìn)換相完成。

在實(shí)際系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗時(shí)，將會(huì)造成直流電壓大幅下降，并且熄弧角的變化趨勢(shì)與直流電壓具有同步性，基于此，對(duì)直流電壓與換相裕度的關(guān)聯(lián)展開(kāi)詳細(xì)研究。研究發(fā)現(xiàn)如果故障發(fā)生后，電壓下降因素不能及時(shí)消除會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2所示。

由圖2可知，將故障期間及故障后的恢復(fù)過(guò)程分為5個(gè)階段：①直流電壓下降導(dǎo)致熄弧角降為零，發(fā)生換相失??；②直流電壓再次降為零，下降因素仍未消除，相應(yīng)的熄弧角也再次降為零，發(fā)生連續(xù)換相失??；③直流電壓下降趨勢(shì)明顯，相應(yīng)區(qū)間的熄弧角再次下降為零，發(fā)生三次連續(xù)換相失??；④直流電壓仍有微小下降趨勢(shì)，導(dǎo)致熄弧角再次下降，使得換相裕度大大縮小，增大了再次發(fā)生換相失敗的概率；⑤直流電壓呈持續(xù)上升趨勢(shì)，電壓下降因素已消除，熄弧角也相應(yīng)地恢復(fù)到正常值，不再發(fā)生換相失敗。分析可知，導(dǎo)致直流電壓下降的因素是導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗的主要原因，因此，及時(shí)采取措施消除電壓下降因素是抑制連續(xù)換相失敗的有效方法。

①～⑤為故障期間及故障后的恢復(fù)過(guò)程的5個(gè)階段

2 虛擬電容控制方法

傳統(tǒng)的低壓限流環(huán)節(jié)對(duì)直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗有一定的抑制作用，但當(dāng)直流電壓波動(dòng)劇烈時(shí)，VDCOL則無(wú)法及時(shí)做出響應(yīng)，可能會(huì)使直流輸電系統(tǒng)由單次換相失敗發(fā)展為連續(xù)換相失敗，嚴(yán)重威脅直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于此，提出了一種基于虛擬電容的直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的抑制方法，結(jié)合虛擬電容與低壓限流控制環(huán)節(jié)共同作用，達(dá)到抑制直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的目的。

2.1 直流輸電系統(tǒng)直流控制環(huán)節(jié)

低壓限流控制器可在故障期間幫助維持交流電壓穩(wěn)定、降低直流功率的同時(shí)減少對(duì)交流系統(tǒng)無(wú)功的需求，減小換相失敗發(fā)生的概率。目前，對(duì)于直流輸電連續(xù)換相失敗的主要應(yīng)對(duì)策略是利用VDCOL。圖3為低壓限流器特性曲線。

Imax、Imin、Umax、Umin分別為低壓限流器中的最大、最小電流及電壓；Udc為低壓限流器的啟動(dòng)電壓；Iord為低壓限流器輸出的電流指令值

Udc和Iord之間關(guān)系可用函數(shù)I=f(U)來(lái)表示，可表示為

Iord=f(U)

(5)

2.2 抑制高壓直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的控制策略

2.2.1 基于虛擬電容的控制策略

根據(jù)電容的電氣特性，構(gòu)造的虛擬電容控制環(huán)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用一階微分環(huán)節(jié)來(lái)模擬虛擬電容的測(cè)量過(guò)程，采用一階慣性環(huán)節(jié)用來(lái)模擬電壓、電流的測(cè)量環(huán)節(jié)。慣性時(shí)間常數(shù)T反映測(cè)量設(shè)備的響應(yīng)速度，增益G將電壓和電流實(shí)際值變換為無(wú)量綱的標(biāo)幺值。

Udi為直流電壓；Cv為虛擬電容值；Idc為直流電流；T1、T2為慣性時(shí)間常數(shù)；ΔIdc為直流電壓作用到虛擬電容上產(chǎn)生的電流差；Rv為補(bǔ)償電阻；U′dc為低壓限流控制環(huán)節(jié)的啟動(dòng)電壓；Iord為經(jīng)過(guò)限流控制環(huán)節(jié)輸出的電流指令值；I′dc=Idc-ΔIdc

由圖4可知，直流電壓作用到虛擬電容上會(huì)產(chǎn)生電流差ΔIdc，可表示為

(6)

將得到的ΔIdc與Idc做差得到I′dc，然后通過(guò)補(bǔ)償電阻與直流電壓Udi共同作為VDCOL控制環(huán)節(jié)的啟動(dòng)電壓，達(dá)到減小電流指令值來(lái)促進(jìn)換相和故障后的系統(tǒng)恢復(fù)的目的。在故障后的恢復(fù)期間，為了保證I′dc

(7)

I′dc=Idc-ΔIdc

(8)

則可得低壓限流控制環(huán)節(jié)的啟動(dòng)電壓U′dc，其表達(dá)式為

U′dc=Udi+I′dcRv

(9)

式(9)中：Rv為補(bǔ)償電阻。

引入虛擬電容后的低壓限流控制環(huán)節(jié)輸出的電流指令值變?yōu)?/p>

Iord=f(U)

(10)

由式(7)和式(8)可知，在故障期間，I′dc恒小于Idc，則U′dc恒小于Udc，與傳統(tǒng)的低壓限流控制環(huán)節(jié)相比，故障后VDCOL輸出的電流指令值將減小，可增大換相裕度，促進(jìn)換相成功。

2.2.2 改進(jìn)的基于虛擬電容的電壓補(bǔ)償法

虛擬電容策略主要是根據(jù)直流電壓的變化來(lái)降低電流指令值，進(jìn)而達(dá)到增大換相裕度的目的。但在故障期間及系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中的電壓恢復(fù)較緩慢，影響故障發(fā)生后的系統(tǒng)整體恢復(fù)。實(shí)際直流系統(tǒng)中發(fā)生換相失敗的主要因素是由于交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，使得直流電壓下降造成直流系統(tǒng)換相裕度變小，不足以完成正常換相?；诖耍瑢?duì)虛擬電容控制策略做出了改進(jìn)，提出了一種電壓直接補(bǔ)償策略，利用電容特性，感應(yīng)直流電壓的變化，在故障期間對(duì)直流電壓進(jìn)行補(bǔ)償，抑制直流電壓的下降趨勢(shì)，消除故障后電壓下降因素，達(dá)到抑制直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的目的。直接電壓補(bǔ)償法的原理框圖如圖5所示。

圖5 直接電壓補(bǔ)償法原理圖

如圖5所示，虛擬電容環(huán)節(jié)感應(yīng)直流電壓的變化，如式(7)所示把直流電壓變化量轉(zhuǎn)化為電流差ΔIdc，然后作用到補(bǔ)償電阻Rv形成電壓差ΔUdc，則可得補(bǔ)償后的直流電壓，可表示為

U′dc=Udi+ΔUdc

(11)

由式(11)可知，補(bǔ)償后的電壓U′dc在故障期間恒大于原始電壓Udi，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致直流電壓下降時(shí)，所提方法可快速有效地進(jìn)行補(bǔ)償，消除故障后直流電壓下降的因素，從根本上解決故障后直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的問(wèn)題。

2.3 虛擬電容控制環(huán)節(jié)的參數(shù)整定

虛擬電容控制環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)的不同取值對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度及抑制作用不同，不合適的取值會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及故障后的恢復(fù)造成不利影響。因此，選取合適的參數(shù)對(duì)控制方法的效果至關(guān)重要。

由于參數(shù)整定值難以通過(guò)理論推導(dǎo)得出，通過(guò)對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)得出不同參數(shù)下對(duì)故障期間的抑制效果及故障后的恢復(fù)特性，利用控制變量法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選取最佳參數(shù)值。由圖4可知，所提方法的相關(guān)參數(shù)主要有虛擬電容值Cv和ΔIdc的一階慣性濾波時(shí)間常數(shù)T2。仿真實(shí)驗(yàn)選取最嚴(yán)重的故障即三相故障情況下，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不失一般性。首先選取T2為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的默認(rèn)值0.05 s，分析不同的虛擬電容值Cv下的抑制效果及恢復(fù)特性，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6仿真結(jié)果可知，Cv取值過(guò)小，系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)連續(xù)換相失敗的抑制效果不好；Cv取值過(guò)大，對(duì)故障后系統(tǒng)的恢復(fù)不利。在Cv=0.09 F時(shí)，其換相失敗次數(shù)為1，并且系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間值也相對(duì)較小。因此，虛擬電容的最佳取值為Cv=0.09 F。

圖6 不同虛擬電容值的抑制效果和恢復(fù)特性

根據(jù)Cv=0.09 F時(shí)來(lái)仿真分析不同的一階慣性濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)故障期間的抑制效果及故障后的恢復(fù)特性。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，T2取值過(guò)小，直流功率波動(dòng)程度較劇烈，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；T2取值過(guò)大，不利于系統(tǒng)故障后的恢復(fù)。由上述分析可知，虛擬電容環(huán)節(jié)的最佳參數(shù)取值為：Cv=0.09 F，T2=0.001 s。利用同樣的方法可得改進(jìn)后的參數(shù)整定值，不再詳細(xì)贅述。改進(jìn)后的虛擬電容控制策略的參數(shù)值整定值為：Cv=0.3 F，T2=0.02 s。

圖7 不同濾波時(shí)間常數(shù)的抑制效果和恢復(fù)特性

3 方案對(duì)比分析

3.1 仿真模型

為驗(yàn)證基于虛擬電容的直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的抑制方法的有效性，在PSCAD/EMTDC環(huán)境中搭建了如圖8所示的電磁暫態(tài)仿真模型，并基于此模型實(shí)現(xiàn)了所提控制方法。

E1為整流側(cè)交流系統(tǒng)電壓；E2為逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓；ULR和ULI為整流側(cè)和逆變側(cè)的母線電壓；Ldr、Ldi和Rdr、Rdi分別為輸電線路整流側(cè)、逆變側(cè)的等值電感和電阻；C為輸電線路的對(duì)地電容

仿真模型的參數(shù)如表1所示。其中控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償電阻Rv取0.07 Ω，用于平衡在正常運(yùn)行時(shí)，由于直流電壓的微小變化造成的直流功率降低。

表1 仿真模型參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提方法對(duì)抑制直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的有效性，采用對(duì)比分析的方法，通過(guò)PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在逆變側(cè)交流母線上設(shè)置不同類(lèi)型的故障，故障接地方式選擇經(jīng)電感接地，接地電感值的大小表示故障的嚴(yán)重程度，接地電感值越小表示故障點(diǎn)距交流母線越近，故障越嚴(yán)重。為了使所提方法得到充分的驗(yàn)證，對(duì)4種方案進(jìn)行分析對(duì)比。

方案1加入了所提改進(jìn)的虛擬電容的電壓補(bǔ)償控制策略。

方案2CIGRE直流標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型控制策略。

方案3加入了所提的虛擬電容的控制策略。

方案4加入了文獻(xiàn)[14]提出的虛擬電感控制策略。

為方便分析，以接地電感值L=0.4 H為典型在不同故障類(lèi)型下對(duì)4種方案進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2.1 單相故障

在逆變側(cè)交流母線上設(shè)置A相經(jīng)電感接地故障，持續(xù)時(shí)間為0.5 s，接地電感L=0.4 H。4種方案的電氣量變化曲線如圖9所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖9)可知，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，原始控制策略方案2的直流電壓及直流電流波動(dòng)較大，出現(xiàn)3次下降到零的情況，熄弧角值也隨著電壓的下降發(fā)生相應(yīng)的減小，導(dǎo)致?lián)Q相裕度不足，發(fā)生3次換相失敗；基于虛擬電容的控制策略方案3通過(guò)感應(yīng)直流電壓的變化，在故障期間降低了直流電流指令值增大了換相裕度，減弱了直流電壓和電流的波動(dòng)程度，抑制了直流電壓的在故障后的下降趨勢(shì)，進(jìn)而達(dá)到了抑制連續(xù)換相失敗的目的，但該方案中的各個(gè)電氣量在故障后恢復(fù)較緩慢，使得直流系統(tǒng)在故障后系統(tǒng)的恢復(fù)效果不好；加入了虛擬電感的控制策略方案4對(duì)連續(xù)換相失敗有一定的抑制效果，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，總體的效果不如方案3；針對(duì)方案3在故障后系統(tǒng)恢復(fù)緩慢的問(wèn)題，基于虛擬電容控制策略加以改進(jìn)，改進(jìn)后的方案1不再僅是依靠降低電流指令值來(lái)抑制連續(xù)換相失敗，而是利用電容的特性有效地檢測(cè)到直流電壓的變化，及時(shí)地對(duì)故障期間及故障后的系統(tǒng)直流電壓進(jìn)行直接補(bǔ)償，從根本上消除電壓下降因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖9)可以明顯看出，改進(jìn)的虛擬電容策略方案1在各個(gè)方面都優(yōu)于其他3種方案，可有效抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，并可加速故障后系統(tǒng)的恢復(fù)。

圖9 單相故障時(shí)直流電氣特征量變化曲線

3.2.2 三相故障

把逆變側(cè)交流母線的故障類(lèi)型設(shè)置為三相故障，其他參數(shù)不變。其仿真結(jié)果如圖10所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖10)可知，在三相故障情況下，方案1和方案3均對(duì)連續(xù)換相失敗有一定的抑制效果，原始控制策略方案2直流功率波動(dòng)幅度較大，并且直流功率兩次降為零，直流電壓和直流電流的波動(dòng)程度較大。而方案1和方案3直流功率波動(dòng)幅度較小，直流電壓和直流電流的波動(dòng)程度相對(duì)較小，在發(fā)生故障時(shí)對(duì)整個(gè)輸電系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。

圖10 三相故障時(shí)直流電氣特征量變化曲線

4 基于實(shí)際參數(shù)的仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型

為充分驗(yàn)證所提方法的有效性，將所提控制方法基于某直流系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)搭建的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖11所示。

如圖11所示，基于實(shí)際參數(shù)搭建了直流輸電雙極模型，利用此模型實(shí)現(xiàn)了所提控制方法。

圖11 基于實(shí)際參數(shù)的直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

仿真參數(shù)如表2所示。在逆變側(cè)交流母線上設(shè)置不同類(lèi)型的短路故障，考慮到實(shí)際系統(tǒng)中故障持續(xù)時(shí)間一般較短，設(shè)置故障持續(xù)時(shí)間為0.2 s。

表2 實(shí)際參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

圖12、圖13中方案1為改進(jìn)的虛擬電容控制方法，方案2為原直流系統(tǒng)的控制方方法，方案3為基于虛擬電容的控制方法。

由圖12和圖13可知，當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，原始系統(tǒng)方案2的熄弧角出現(xiàn)三次下降，皆小于極限熄弧角值，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生三次換相失敗，而所提的基于虛擬電容的控制策略方案3及其改進(jìn)控制方法的方案1熄弧角皆?xún)H出現(xiàn)一次下降到小于極限熄弧角的狀態(tài)；其中，方案1的直流電壓、直流電流及直流功率的波動(dòng)程度都相對(duì)較小，故障后系統(tǒng)的恢復(fù)也相對(duì)較快。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，方案3也可有效抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，引入方案1控制方法的直流系統(tǒng)的各電氣特征量的恢復(fù)速度相比方案2和方案3都有顯著的優(yōu)勢(shì)。表明所提的基于虛擬電容的控制方法可有效抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，并可加速故障后系統(tǒng)的恢復(fù)。

圖12 單相故障時(shí)直流電氣特征量變化曲線

圖13 三相故障時(shí)直流電氣特征量變化曲線

5 結(jié)論

結(jié)合在直流輸電系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)直流電壓和直流電流的變化特性，提出了一種基于虛擬電容的連續(xù)換相失敗抑制方法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提的基于虛擬電容的控制方法能夠有效抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，并加速了故障后系統(tǒng)的恢復(fù)。得出如下結(jié)論。

(1)所提方法引入虛擬電容的概念，通過(guò)虛擬電容環(huán)節(jié)直接并準(zhǔn)確感應(yīng)故障時(shí)直流電壓的變化，提高了VDCOL感應(yīng)故障的靈敏性，可提前降低VDCOL的電流指令值，進(jìn)而達(dá)到抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的目的；基于虛擬電容控制策略基礎(chǔ)的改進(jìn)策略可及時(shí)對(duì)故障期間的直流電壓進(jìn)行補(bǔ)償，消除直流電壓下降因素，增大了換相裕度，可有效抑制直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，并加速了故障后系統(tǒng)的恢復(fù)。

(2)該策略是在直流控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需在實(shí)際工程應(yīng)用中加入實(shí)際電氣元件，可在很大程度上節(jié)約成本，并且不需考慮實(shí)際電氣元件的電氣特性，易于實(shí)現(xiàn)。

(3)能有效抑制交流側(cè)單相短路故障及三相短路故障引起的直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗，對(duì)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定及恢復(fù)也有良好的效果。