曹善康，魏繁榮，林湘寧，李正天，江 毅，陳 岑，馬云聰，李飛宇

一種基于自適應(yīng)電壓限值的換相失敗抑制策略

曹善康，魏繁榮，林湘寧，李正天，江 毅，陳 岑，馬云聰，李飛宇

(強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

為有效抑制高壓直流輸電系統(tǒng)在不同故障程度下的換相失敗，提出了一種基于自適應(yīng)電壓限值的改進(jìn)低壓限流控制器(voltage dependent current order limiter, VDCOL)設(shè)計(jì)方案。首先，詳細(xì)分析了包含傳統(tǒng)VDCOL的直流輸電系統(tǒng)在換相失敗及恢復(fù)期間的運(yùn)行特性，并提出VDCOL曲線在不同時(shí)間段下應(yīng)具備的動(dòng)態(tài)性能。然后，引入直流電流這一反映故障特性的時(shí)變電氣量優(yōu)化傳統(tǒng)VDCOL的直流電壓上下限值，從而在不同時(shí)間段自適應(yīng)改變電流指令啟動(dòng)電壓閾值與電壓-電流指令變化趨勢(shì)，以滿足輸電系統(tǒng)換相失敗及恢復(fù)期間的有功與無功需求。同時(shí)考慮到VDCOL電壓上下限值的過度變化會(huì)惡化系統(tǒng)運(yùn)行特性，對(duì)其范圍的設(shè)置進(jìn)行了解析和合理選取。最后,在PSCAD/EMTDC中對(duì)所提方法進(jìn)行仿真測試。結(jié)果表明，所提出的改進(jìn)控制策略能在一定程度上抑制直流輸電系統(tǒng)的連續(xù)換相失敗，同時(shí)有效地改善換相失敗各階段直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

高壓直流輸電；換相失??；自適應(yīng)控制；低壓限流控制；故障恢復(fù)過程

0 引言

高壓直流輸電由于其輸送功率大、線路造價(jià)低且無須考慮同步問題等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電能遠(yuǎn)距離傳輸及非同步交流系統(tǒng)互聯(lián)等場合[1-3]。然而，由于輸電系統(tǒng)換流器件采用無自關(guān)斷能力的半控型器件晶閘管，僅依靠電網(wǎng)電壓保證晶閘管阻斷能力，這導(dǎo)致?lián)Q相失敗成為直流輸電的典型故障[4]。換相失敗在引起直流電壓跌落的同時(shí)會(huì)引起直流電流短時(shí)激增、直流偏磁、有功功率大幅下降，連續(xù)換相失敗甚至?xí)?dǎo)致輸電系統(tǒng)閥組閉鎖或極閉鎖，進(jìn)而引發(fā)連鎖故障，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]。

在快速故障檢測的基礎(chǔ)上，目前常通過增大關(guān)斷角，降低直流電流指令值等控制策略進(jìn)一步降低換相失敗發(fā)生的概率。文獻(xiàn)[11]結(jié)合換相失敗預(yù)測控制，實(shí)現(xiàn)提前觸發(fā)以獲得較大的換相裕度。文獻(xiàn)[12]根據(jù)交流故障嚴(yán)重程度動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)斷角增量，抑制后續(xù)換相失敗。然而增大關(guān)斷角在降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)會(huì)造成逆變側(cè)吸收過量無功，增大交流電壓再次畸變的概率[13]。對(duì)于降低電流指令值方案，實(shí)際工程中主要采用改進(jìn)低壓限流控制器(voltage dependent current order limiter, VDCOL)環(huán)節(jié)限制換相失敗時(shí)直流電流的突增。文獻(xiàn)[14]采用改進(jìn)的非線性 VDCOL 策略實(shí)現(xiàn)連續(xù)換相失敗的有效抑制，提高直流電流指令在系統(tǒng)故障期間的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[15]從高壓直流輸電系統(tǒng)無功特性的角度對(duì)VDCOL參數(shù)的設(shè)置方法進(jìn)行了改進(jìn)，得到參數(shù)最佳設(shè)置范圍。文獻(xiàn)[16]提出一種基于漸變恢復(fù)理論的新型VDCOL控制方式，通過延緩直流功率恢復(fù)速率，降低故障期間直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)的無功需求。然而此類VDCOL曲線設(shè)計(jì)中所采用的固定修正系數(shù)無法全面反映電壓跌落期間的故障嚴(yán)重程度。若能將故障期間系統(tǒng)實(shí)時(shí)電氣參數(shù)引入VDCOL曲線，則可以較好地匹配換相失敗期間的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

目前，雖然已有部分文獻(xiàn)著手此類研究，但其未能有效兼顧換相失敗各時(shí)間段的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)需求。其中，文獻(xiàn)[17]引入交流電壓在線調(diào)整VDCOL直流電壓上限值，使直流的恢復(fù)速度能適應(yīng)交流系統(tǒng)的恢復(fù)狀態(tài)。但其改進(jìn)控制曲線完全置于傳統(tǒng)曲線下方，犧牲了故障穩(wěn)態(tài)期間直流系統(tǒng)有功保留能力。文獻(xiàn)[18]引入直流電流修正VDCOL曲線，在抑制換相失敗的同時(shí)限制直流系統(tǒng)輸出功率的大幅降低。然而該策略在微小擾動(dòng)下會(huì)造成電流指令過量偏移，進(jìn)而引發(fā)功率的大范圍波動(dòng)。文獻(xiàn)[19]在VDCOL曲線中引入直流電流導(dǎo)數(shù)抑制換相失敗，并在控制策略中加入延遲控制環(huán)節(jié)從而抑制輕微故障下系統(tǒng)輸送功率變化范圍，但也減緩了系統(tǒng)在故障下的恢復(fù)速度。

基于上述分析，本文針對(duì)換相失敗各階段下直流輸電系統(tǒng)的有功無功需求，提出VDCOL策略在故障暫態(tài)過程中應(yīng)滿足的動(dòng)態(tài)特性。通過引入直流電流這一時(shí)變電氣特征信息優(yōu)化傳統(tǒng)VDCOL的直流電壓上下限值，在換相失敗不同時(shí)間段自適應(yīng)地改變電流指令區(qū)段的啟動(dòng)電壓閾值與電壓-電流指令變化趨勢(shì)。分別分析了改進(jìn)控制系統(tǒng)在正常工況、輕微擾動(dòng)與嚴(yán)重故障下的工作特性，以及在直流系統(tǒng)恢復(fù)過程中的作用。最后在 PSCAD/ EMTDC環(huán)境中，基于CIGRE模型對(duì)改進(jìn)VDCOL進(jìn)行了仿真并與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，所提出的電流限制控制器可以在一定程度上抑制單相故障和三相故障情況下HVDC 系統(tǒng)的首次換相失敗及連續(xù)換相失敗，同時(shí)改善換相失敗期間不同階段的直流輸電系統(tǒng)性能。

1 換相失敗及低壓限流控制

1.1 換相失敗機(jī)理

直流輸電系統(tǒng)通過交流側(cè)提供的電壓與電流實(shí)現(xiàn)整流側(cè)與逆變側(cè)的換相過程。在換相過程剛結(jié)束時(shí)，退出導(dǎo)通的閥需要在一定時(shí)間的反向電壓作用下恢復(fù)阻斷能力。若時(shí)間不足，或換相過程未能結(jié)束，則承受反向電壓的晶閘管將會(huì)承受正向電壓，被換相的閥將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥倒換相，從而發(fā)生換相失敗[20]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，式(1)所示關(guān)系成立。

1.2 傳統(tǒng)VDCOL控制策略

直流系統(tǒng)逆變側(cè)通常配備有低壓限流控制(VDCOL)，該控制策略在直流電壓跌落至某一程度后限制直流電流設(shè)定值并通過整流側(cè)定電流控制降低實(shí)際直流電流，由式(1)可知，在故障期間維持較低電流水平能夠增大逆變側(cè)關(guān)斷角。這一措施有利于促進(jìn)直流系統(tǒng)換相成功，恢復(fù)換流母線電壓，同時(shí)降低逆變側(cè)的無功消耗。

傳統(tǒng)VDCOL 控制策略的運(yùn)行特性如圖1所示(以CIGRE標(biāo)準(zhǔn)模型為例)。

圖1 傳統(tǒng)VDCOL策略示意圖

傳統(tǒng)VDCOL能在一定程度上降低故障期間直流電流，減小換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。但由于其電流指令變化速率與對(duì)應(yīng)的直流電壓最大、最小限值都為固定值，導(dǎo)致其在故障發(fā)生時(shí)電流指令調(diào)節(jié)靈敏度難以適配故障嚴(yán)重程度，在系統(tǒng)暫穩(wěn)運(yùn)行下保留的傳送功率不佳。若受端系統(tǒng)較弱，其固定電流指令變化速率可能導(dǎo)致直流電流恢復(fù)過快，需要從交流側(cè)吸收大量無功功率，從而造成交流電壓下降和畸變，引起關(guān)斷角減小，再次觸發(fā)換相失敗[21]。因此有必要提高VDCOL 控制器在系統(tǒng)故障期間各階段的性能。

2 自適應(yīng)電壓限值的低壓限流控制策略

系統(tǒng)故障期間電流指令最終輸出值由VDCOL 功能確定，直流電壓的最大、最小限值決定了低壓限流控制的動(dòng)態(tài)性能。電壓上限取值過大，在微小擾動(dòng)下電流指令值會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，太小則控制策略對(duì)電壓波動(dòng)反應(yīng)不夠靈敏；電壓下限太低則會(huì)過早恢復(fù)電流，增加逆變側(cè)無功吸收；二者之差決定了電流指令的變化速率，其值越大限制直流電流效果越好，但在故障后電壓恢復(fù)過程中的電流上升會(huì)很快，對(duì)系統(tǒng)的沖擊較大。

傳統(tǒng)VDCOL為了滿足普遍適用性通常采取的直流電壓范圍為[0.4, 0.9]，固定的電流指令區(qū)段啟動(dòng)電壓閾值難以保證控制系統(tǒng)感測故障的靈敏性，電壓-電流線性相關(guān)的變化趨勢(shì)更是無法動(dòng)態(tài)匹配輸電系統(tǒng)實(shí)時(shí)的有功與無功需求[22]。

2.1 換相失敗直流系統(tǒng)暫態(tài)特性

輸電系統(tǒng)直流線路的動(dòng)態(tài)方程可以表示為[23]

式中：和分別為整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓；和分別為直流線路電阻和電感；和分別為整流側(cè)和逆變側(cè)平波電抗器電感。發(fā)生換相失敗后，直流系統(tǒng)故障清除、系統(tǒng)恢復(fù)前的暫態(tài)過程可以分為如下3個(gè)階段(以直流電流為例進(jìn)行說明)，換相失敗各階段電流示意圖如圖2所示。

傳統(tǒng)VDCOL特性曲線難以應(yīng)對(duì)換相失敗各時(shí)間段需求，為了在換相失敗期間保證直流系統(tǒng)獲得良好的控制性能，改進(jìn)VDCOL策略在故障暫態(tài)過程各階段應(yīng)滿足如下條件。

階段1：換相失敗發(fā)生時(shí)，隨著故障嚴(yán)重程度加大低壓限流啟動(dòng)電壓閾值以及電流指令值下降速率。防止輕微擾動(dòng)造成的大范圍功率波動(dòng)的同時(shí)，提高控制策略對(duì)嚴(yán)重故障的針對(duì)性，降低首次換相失敗概率。

階段2：換相失敗處于恢復(fù)過程時(shí)，直流電流指令值上升速率應(yīng)隨直流電壓增長，在電壓較低時(shí)限制直流電流恢復(fù)速率，降低故障期間直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)的無功需求，防止交流側(cè)電壓再次跌落造成后續(xù)換相失敗[14]。直流電壓接近額定值時(shí)加大電流上升速率以恢復(fù)有功功率的輸送。

階段3：換相失敗進(jìn)入暫穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)直流電流指令值不能過小，從而避免直流系統(tǒng)輸出功率的大幅降低。需要注意的是，部分場景下交流側(cè)故障清除速度快，此時(shí)系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)入階段3，但其恢復(fù)需求仍與階段2保持一致。

結(jié)合式(3)及階段1—階段3中的直流電流變化趨勢(shì)，可以看出直流電流在換相失敗發(fā)生瞬間迅速增加隨后下降，在換相失敗恢復(fù)期間逐漸回升，在換相失敗暫穩(wěn)運(yùn)行后保持恒定且小于額定值。其特征能較好地反映換相失敗各故障時(shí)間段的動(dòng)態(tài)特性，且不增加其他附加投入，故本文利用直流電流對(duì)低壓限流控制進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 基于實(shí)時(shí)電流的自適應(yīng)電壓限值調(diào)節(jié)方法

圖3 改進(jìn)VDCOL曲線

對(duì)式(7)兩邊進(jìn)行微分，可以得到改進(jìn)VDCOL特性曲線在換相失敗恢復(fù)期間，直流電流指令值隨直流電壓的變換率為

將式(8)重復(fù)部分進(jìn)行合并，交換微分項(xiàng)位置可以簡化為式(9)與式(10)。

對(duì)基于自適應(yīng)電壓限值的VDCOL在換相失敗各時(shí)間段的工作效果詳細(xì)分析如圖4所示。

2.3 參數(shù)選取原則

從2.2節(jié)分析可知，利用電流實(shí)時(shí)測量值與 VDCOL 配合，改變其電壓最大最小限值，可以保證系統(tǒng)故障期間具有良好的動(dòng)態(tài)性能。其中不同的系數(shù)、對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響不同，因此二者的合理取值對(duì)控制系統(tǒng)的故障反應(yīng)特性尤為重要。

對(duì)于系數(shù)、的取值范圍，同時(shí)需要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：一方面，二者取值過小，會(huì)導(dǎo)致直流電壓最大最小限值在故障發(fā)生至電流達(dá)到最大值這一暫態(tài)過程中右移范圍有限，無法減小首次換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，為了在故障恢復(fù)期間保證系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，故期望式(9)能夠隨著電流指令遞增，畫出式(9)的波形圖，如圖5所示。

圖5 式(9)波形示意圖

為了獲得符合故障恢復(fù)期間動(dòng)態(tài)性能的電壓指令變化速率，希望取值較小，而取值較大。

根據(jù)上述系數(shù)、的取值要求可以概括為下述兩個(gè)方面：

1) 取值不能過小，保證故障發(fā)生瞬間電壓最大最小限值存在一定的偏移量，從而迅速限制直流電流。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提基于自適應(yīng)電壓限值的低壓限流控制策略的有效性，基于圖6所示的CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型，在 PSCAD/EMTDC環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了所提出的控制方法。系數(shù)分別取為0.3和0.5。

圖6 CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型

表1 HVDC系統(tǒng)參數(shù)

3.1 換相失敗抑制效果仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提控制策略抑制換相失敗的能力，在逆變側(cè)換流母線處設(shè)置單相、三相感性接地故障來模擬不同交流系統(tǒng)工況。對(duì)比研究不同故障工況下，采用所提出控制策略前后HVDC系統(tǒng)相關(guān)電氣量的動(dòng)態(tài)特性。

分別基于以下兩種控制策略在不同交流故障場景下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

控制策略I：CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型原有策略(圖7中虛線)。

控制策略II：在原有策略基礎(chǔ)上，采用本文所提出的基于自適應(yīng)電壓限值的控制策略(圖7中實(shí)線)。

由于此處主要強(qiáng)調(diào)本文控制策略對(duì)換相失敗的抑制效果，對(duì)于不會(huì)引發(fā)換相失敗的輕微故障將在3.2節(jié)動(dòng)態(tài)特性中詳細(xì)展開。設(shè)逆變側(cè)換流母線于 2 s時(shí)分別發(fā)生單相與三相故障，接地電感值都設(shè)為為0.4 H，故障持續(xù)時(shí)間為0.5 s。采用控制策略I與II時(shí)，HVDC各物理量的對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制策略Ⅰ與Ⅱ下系統(tǒng)運(yùn)行特性

為充分衡量本文所提控制策略對(duì) HVDC 連續(xù)換相失敗的抑制能力，分別設(shè)置多種故障工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。故障時(shí)刻以2 ms 為步長連續(xù)變化，所有故障均持續(xù)0.5 s?？紤]到接地電感大于1.2 H時(shí)，控制策略I與II下HVDC系統(tǒng)在任何故障類型下均不會(huì)發(fā)生首次換相失敗，且在接地電感小于0.2 H的嚴(yán)重故障工況下，本文策略對(duì)連續(xù)換相失敗的改善效果不明顯，因此給出接地電感在0.2～1.2 H范圍內(nèi)以0.1 H為步長連續(xù)變化時(shí)，傳統(tǒng)VDCOL與本文策略對(duì)系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的抑制效果對(duì)比，如圖8、圖9所示。

圖8 單相故障下本文策略對(duì)連續(xù)換相失敗的抑制效果

圖9 三相故障下本文策略對(duì)連續(xù)換相失敗的抑制效果

由圖8可知，對(duì)于單相故障，在接地故障電感0.6 H以下區(qū)域內(nèi)不均勻地分布著橙色與紅色區(qū)塊，系統(tǒng)可能發(fā)生兩次到三次連續(xù)換相失敗。在0.6～0.9 H則主要為橙色區(qū)塊，0.9 H以上的區(qū)域內(nèi)均不會(huì)發(fā)生換相失敗。其故障特性整體隨故障接地電感的增大而減小。采用本文控制策略后，所有的三次與大部分的兩次連續(xù)換相失敗都得到了有效抑制，部分兩次連續(xù)換相失敗與所有單次換相失敗更是直接避免。可以看出，本文策略對(duì)于單相接地故障的首次換相失敗和連續(xù)換相失敗均具有較好的抑制效果。

由圖9可知，對(duì)于三相故障，采用傳統(tǒng)VDCOL策略時(shí)，故障接地電感小于1.2 H的區(qū)域內(nèi)黃色塊、橙色塊分布不均勻，系統(tǒng)可能發(fā)生單次換相失敗或兩次連續(xù)換相失敗。在采用本文控制策略后，兩次連續(xù)換相失敗均得到了有效的抑制，少部分首次換相失敗也得以避免。可以看出，本文所提抑制策略對(duì)于三相接地故障的連續(xù)換相失敗抑制較為有利，而對(duì)于首次換相失敗抑制能力仍有一定提升空間。

3.2 換相失敗各階段系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

為了驗(yàn)證本文所提控制策略在換相失敗各階段的動(dòng)態(tài)性能提升效果，分別與同樣采用直流電流改進(jìn)策略的文獻(xiàn)[18]與文獻(xiàn)[19]進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)3種控制策略在不同交流故障場景下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)比研究不同故障工況下采用3種控制策略時(shí)HVDC系統(tǒng)相關(guān)電氣量的動(dòng)態(tài)特性。

其中，文獻(xiàn)[18]為了保證故障時(shí)的電流限值效果，采用了固定的虛擬電阻，因此在輕微故障下其低壓限流啟動(dòng)電壓以及電流指令值下降速率都較大，從而加大其功率波動(dòng)范圍，而采用本文所提的基于自適應(yīng)電壓限值的控制策略以及文獻(xiàn)[19]采用的虛擬電感控制策略時(shí)，直流輸電系統(tǒng)功率波動(dòng)相對(duì)較小，但文獻(xiàn)[19]控制策略包含的延遲環(huán)節(jié)導(dǎo)致?lián)Q相失敗恢復(fù)時(shí)間加長。不同故障程度下3種控制策略的功率波動(dòng)范圍如表2所示。

表2 控制策略功率波動(dòng)范圍

從表2可以看出，本文控制策略相較于文獻(xiàn)[18]，在輕微故障下造成的傳輸功率波動(dòng)更小，直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。

從圖11可以看出，嚴(yán)重故障下3種控制策略都能阻斷后續(xù)換相失敗的發(fā)生。文獻(xiàn)[19]由于在控制環(huán)節(jié)中引入延遲項(xiàng)，加大了各電氣量故障暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間，且在換相失敗暫穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下未能有效提升系統(tǒng)有功傳輸能力。而本文所提控制策略與文獻(xiàn)[18]策略并未出現(xiàn)上述問題。值得注意的是，本文所提控制策略在輕微故障下電流下降速率小于文獻(xiàn)[18]，如圖10所示。但在嚴(yán)重故障下，電流指令值能更快地下降到最小電流限值，且其下降速率隨電壓跌落程度遞增，與前文分析一致。而在換相失敗恢復(fù)階段，本文所提控制策略在電壓較低時(shí)，功率恢復(fù)速度相較于文獻(xiàn)[18]更慢，從而降低后續(xù)換相失敗的發(fā)生概率。

圖11 單相故障Lf = 0.4 H下系統(tǒng)運(yùn)行特性

本文控制策略較文獻(xiàn)[18-19]的抑制效果如圖12所示，其中黃色代表三者對(duì)換相失敗抑制效果相同，綠色是本文控制策略抑制效果同時(shí)優(yōu)于文獻(xiàn)[18-19]，而橙色是未能優(yōu)于文獻(xiàn)[18-19]的場景。

從前文分析及圖12可以看出，本文所提控制策略在保證換相失敗抑制效果與文獻(xiàn)[18-19]大體相同的同時(shí)，有效地解決了文獻(xiàn)[18]在輕微故障下功率波動(dòng)幅度過大，以及文獻(xiàn)[19]在換相失敗暫穩(wěn)狀態(tài)下傳輸功率保留能力不足的問題。在輕微故障下本文控制策略能防止傳輸系統(tǒng)嚴(yán)重限流，在嚴(yán)重故障下能迅速限制直流電流，減小首次換相失敗概率，在恢復(fù)階段保持電流恢復(fù)速度隨電壓上升，并在換相失敗暫穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下限制輸出功率的大幅降低。有效地提升了換相失敗全過程下各階段的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

圖12 單相與三相故障下3種策略對(duì)連續(xù)換相失敗的抑制效果對(duì)比圖

3.3 參數(shù)選取效果驗(yàn)證分析

直流電流指令值下降時(shí)間段曲線如圖13所示，可以看出，隨著系數(shù)、的增大，電流指令值下降速率提高，且系數(shù)越大，指令值開始下降時(shí)間越提前，從而能夠在換相失敗瞬間迅速限制直流電流的突增。因此應(yīng)選擇盡可能大的系數(shù)、以減小首次換相失敗的概率。

直流電流指令值恢復(fù)時(shí)間段曲線如圖14所示。3種參數(shù)選取方法都能在2.14 s左右將電流指令值恢復(fù)至1 p.u.附近，且當(dāng)參數(shù)越大，參數(shù)越小時(shí)，電流指令值初始恢復(fù)速率越高。因此應(yīng)選擇盡可能大的系數(shù)以及盡可能小的系數(shù)，以滿足換相失敗恢復(fù)期間系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。綜合考慮不同時(shí)間段的需求，本文選擇、系數(shù)分別為0.3和0.5。

圖13 不同參數(shù)下電流指令值下降曲線

圖14 不同參數(shù)下電流指令值恢復(fù)曲線

4 結(jié)語

本文提出了一種自適應(yīng)電壓限值的直流電流限制策略。本文主要研究工作包括：

1) 針對(duì)換相失敗各階段的直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)有功無功需求，提出VDCOL策略在故障暫態(tài)過程中應(yīng)滿足的動(dòng)態(tài)特性。

2) 引入直流電流這一時(shí)變電氣特征信息，優(yōu)化傳統(tǒng)VDCOL的直流電壓上下限值，從而在換相失敗不同時(shí)間段內(nèi)自適應(yīng)地改變電流指令值變化速率與啟動(dòng)電壓閾值。在不同故障時(shí)間段自適應(yīng)地改變電流指令區(qū)段啟動(dòng)電壓閾值與電壓-電流變化趨勢(shì)，從而滿足直流輸電系統(tǒng)實(shí)時(shí)有功與無功需求。提出的基于自適應(yīng)電壓限值的控制策略，在面對(duì)不同故障種類、故障發(fā)生時(shí)刻以及故障嚴(yán)重程度均能夠有效減小直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的概率，并提升換相失敗各階段的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，有助于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 邵慶祝, 趙曉東, 趙創(chuàng)業(yè), 等. 基于高壓直流輸電線路分布參數(shù)模型的模態(tài)電流差動(dòng)保護(hù)算法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(22): 171-179.

SHAO Qingzhu, ZHAO Xiaodong, ZHAO Chuangye, et al. Modal current differential protection method based on distributed parameter model of an HVDC transmission line[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(22): 171-179.

[2] MUNIAPPAN M. A comprehensive review of DC fault protection methods in HVDC transmission-systems[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2021, 6(1): 1-20.

[3] 張懌寧, 孟令軍, 王越楊. 基于非接觸式行波采集的分布式高壓直流故障測距方法[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2020, 36(4): 55-59, 65.

ZHANG Yining, MENG Lingjun, WANG Yueyang. A fault location method for distributed HVDC high resistance fault based on non-contact traveling wave collecting[J]. Power System and Clean Energy, 2020, 36(4): 55-59, 65.

[4] 李旭旻, 顧丹珍, 楊秀, 等. Statcom 對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)過程的影響[J]. 電測與儀表 2020, 57(13): 55-60.

LI Xumin, GU Danzhen, YANG Xiu, et al. Effect of Statcom on recovery process of commutation failure in multi-infeed HVDC system[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2020, 57(13): 55-60.

[5] 黃志光, 曹路, 李建華, 等. 混合多饋入直流作用下江蘇受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定性評(píng)估及改善[J]. 中國電力, 2021, 54(9): 55-65.

HUANG Zhiguang, CAO Lu, LI Jianhua, et al. Evaluation and improvement of security and stability of jiangsu receiving-end power grid with hybrid multi-infeed DC[J]. Electric Power, 2021, 54(9): 55-65.

[6] 李欣悅, 李鳳婷, 尹純亞, 等. 直流雙極閉鎖故障下送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓計(jì)算方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(1): 1-8.

LI Xinyue, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Transient overvoltage calculation method of HVDC sending-end system under DC bipolar blocking[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 1-8.

[7] 歐開健, 任震, 荊勇. 直流輸電系統(tǒng)換相失敗的研究(一) —換相失敗的影響因素分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2003, 23(5): 5-8, 25.

OU Kaijian, REN Zhen, JING Yong. Research on commutation failure in HVDC transmission system part 1: commutation failure factors analysis[J]. Electric Power Automation Equipment, 2003, 23(5): 5-8, 25.

[8] 陳樹勇, 李新年, 余軍, 等. 基于正余弦分量檢測的高壓直流換相失敗預(yù)防方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(14): 1-6.

CHEN Shuyong, LI Xinnian, YU Jun, et al. A method based on the sin-cos components detection mitigates commutation failure in HVDC[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(14): 1-6.

[9] GUO Chunyi, LIU Yuchao, ZHAO Chengyong, et al. Power component fault detection method and improved current order limiter control for commutation failure mitigation in HVDC[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(3): 1585-1593.

[10] 程帆, 姚良忠, 王志冰, 等. 一種基于虛擬鎖相電壓的換相失敗抑制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(9): 2756-2766.

CHENG Fan, YAO Liangzhong, WANG Zhibing, et al. A commutation failure suppression strategy based on virtual phase-locked voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(9): 2756-2766.

[11]??SON H I, KIM H M. An algorithm for effective mitigation of commutation failure in high voltage direct current systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(4): 1437-1446.

[12] 夏海濤, 周小平, 洪樂榮, 等. 一種抑制后續(xù)換相失敗的自適應(yīng)電流偏差控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(15): 4345-4355.

XIA Haitao, ZHOU Xiaoping, HONG Lerong, et al. An adaptive current deviation control method for suppressing following commutation failures[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(15): 4345-4355.

[13]劉磊, 林圣, 何正友. 基于虛擬換相面積缺乏量的 HVDC系統(tǒng)連續(xù)換相失敗抑制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(18): 5361-5368.

LIU Lei, LIN Sheng, HE Zhengyou. A novel method based on virtual commutation area insufficient to mitigate the continuous commutation failure for HVDC[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(18): 5361-5368.

[14] 孟慶強(qiáng), 劉澤洪, 洪樂榮, 等. 一種抑制連續(xù)換相失敗的非線性VDCOL控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2019, 47(7): 119-127.

MENG Qingqiang, LIU Zehong, HONG Lerong, et al. A suppression method based on nonlinear VDCOL to mitigate the continuous commutation failure[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(7): 119-127.

[15] 李瑤佳, 汪娟娟, 李子林, 等. 考慮高壓直流輸電系統(tǒng)無功特性的低壓限流參數(shù)設(shè)置[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2017, 45(16): 16-23.

LI Yaojia, WANG Juanjuan, LI Zilin, et al. VDCOL parameters setting influenced by reactive power characteristics of HVDC system[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(16): 16-23.

[16] 郭利娜, 劉天琪, 李興源. 抑制多饋入直流輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗措施研究[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2013. 33(11): 95-99.

GUO Lina, LIU Tianqi, LI Xingyuan. Measures inhibiting follow-up commutation failures in multi-infeed HVDC system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(11): 95-99.

[17] 雷霄, 孫栩, 李新年, 等. 適應(yīng)大容量直流接入弱受端的直流極控系統(tǒng)優(yōu)化控制方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2017, 37(9): 205-209.

LEI Xiao, SUN Xu, LI Xinnian, et al. Optimization methods of pole control system for large-capacity HVDC accessing to weak receiving system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(9): 205-209.

[18] 郭春義, 李春華, 劉羽超, 等. 一種抑制傳統(tǒng)直流輸電連續(xù)換相失敗的虛擬電阻電流限制控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(18): 4930-4937.

GUO Chunyi, LI Chunhua, LIU Yuchao, et al. A DC current limitation control method based on virtual-resistance to mitigate the continuous commutation failure for conventional HVDC[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(18): 4930-4937.

[19] 陸翌, 童凱, 寧琳如, 等. 基于虛擬電感的雙饋入直流輸電系統(tǒng)連續(xù)換相失敗的抑制方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2017, 41(5): 1503-1509.

LU Yi, TONG Kai, NING Linru, et al. A method mitigating continuous commutation failure for double-infeed HVDC system based on virtual inductor[J]. Power System Technology, 2017, 41(5): 1503-1509.

[20] 王璐, 李鳳婷, 尹純亞, 等. 考慮直流電流變化的 HVDC 系統(tǒng)不對(duì)稱故障換相失敗分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(1): 17-23.

WANG Lu, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Analysis of asymmetric fault commutation failure in an HVDC system with DC current variation[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 17-23.

[21] 雷霄, 孫栩, 李新年, 等. 適應(yīng)大容量直流接入弱受端的直流極控系統(tǒng)優(yōu)化控制方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2017, 37(9): 205-209.

LEI Xiao, SUN Xu, LI Xinnian, et al. Optimization methods of pole control system for large-capacity HVDC accessing to weak receiving system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2017, 37(9): 205-209.

[22] SUN Y Z, PENG L, MA F, et al. Design a fuzzy controller to minimize the effect of HVDC commutation failure on power system[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2008, 23(1): 100-107.

[23] 李瑞鵬, 李永麗, 陳曉龍. 一種抑制直流輸電連續(xù)換相失敗的控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(17): 5029-5042.

LI Ruipeng, LI Yongli, CHEN Xiaolong. A control method for suppressing the continuous commutation failure of HVDC transmission[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(17): 5029-5042.

A commutation failure suppression strategy based on adaptive voltage limits

CAO Shankang, WEI Fanrong, LIN Xiangning, LI Zhengtian, JIANG Yi, CHEN Cen, MA Yuncong, LI Feiyu

(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China)

To effectively restrain a continuous commutation failure of an HVDC system at different degrees of fault, an improved voltage-dependent current order limiter (VDCOL) controller design scheme based on adaptive voltage limits is proposed. First, this paper makes a detailed analysis of operating characteristics of an HVDC system with VDCOL involved during commutation failure and recovery. At the same time, the dynamic performance of the VDCOL curve over different periods is proposed. Then, the time-varying DC current, which can reflect the fault characteristics, is introduced to optimize the upper and lower limits of the DC voltage of a conventional VDCOL.Thus, the starting voltage threshold and the variation trend between voltage and current instruction are adaptively changed in different periods, meetingthe dynamic active and reactive power demand of the transmission system. Knowing that an excessive change of the voltage limits will deteriorate the system operational characteristics, its range is analyzed and rationally selected. Finally, the proposed method is simulated and tested in PSCAD/EMTD. The simulation results show that the improved control strategy can suppress the continuous commutation failure of the HVDC system to a certain extent and effectively improve the operation characteristics of the HVDC system at each fault stage.

high voltage direct current transmission; commutation failure; self-adaptation control; voltage dependent current limit control; fault recovery process

10.19783/j.cnki.pspc.220366

國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目資助(5100-20219954 5A-0-5-ZN)

This work is supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 5100-202199545A-0-5-ZN).

2022-03-20；

2022-07-12

曹善康(1997—)，男，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: 804741785@qq.com

魏繁榮(1991—)，男，通信作者，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

(編輯 許 威)