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高压直流电源输电连续换相失败发生机理及抑制策略研究

高压直流电源系统逆变侧交流系统发生不对称故障后,若故障不能及时清除,极易引起直流系统发生连续换相失败,严重时甚至引起直流闭锁,影响交直流混联电网的安全稳定运行。过往文献主要关注故障后换流母线电压、直流电流等电气量,忽略了控制策略及外部故障对超前触发角的影响,所提出的抑制直流连续换相失败方法效果有限。为此,本文深入研究了逆变侧交流系统不对称故障后超前触发角的暂态特征,提出一种基于滞环控制理论的超前触发角跟踪控制器,能有效降低直流连续换相失败发生概率。

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连续换相失败发生机理

逆变侧交流系统发生不对称故障后,直流输电系统调节换流阀触发角来恢复稳定运行。逆变器超前触发角在暂态过程中由极控制级、阀组控制级共同决定,存在以下关系:

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式中:β(n)、βinv(n)分别为逆变器实际超前触发角、极控制级给出的超前触发角指令;∆φ(i)为相邻两次换相电压之间的相位间隔,则(∆φ(i)−30°)为阀组控制级等间隔触发方式下由∆φ≠30°引起的超前触发角偏差。


实际超前触发角β由超前触发角指令βinv与(∆φ(i)−30°)的累和两部分组成,分别体现为控制系统对超前触发角指令的调节与换相电压不对称对实际超前触发角影响的累积作用。


以实际工程中最为常见的单相接地故障为例,根据交直流混联电网逆变侧故障后复合序网图,换相电压可由式(2)-(3)计算得到:

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将6组换相电压的相位依次作差,在设置的不同过渡电阻故障场景下,得到6组换相电压相位间隔曲线如下:

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图1  单相经不同过渡电阻接地故障时∆φ(i)计算结果


江苏快3专家计划假设超前触发角指令不变时,单独考察换相电压相位间隔∆φ≠30°对超前触发角的影响,得到结果如图2所示:

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图2  单独计及∆φ≠30°影响时的实际超前触发角


由图2可知,单独计及换相电压相位间隔∆φ≠30°对实际超前触发角β的影响时,实际超前触发角表现出以6次换相为一个周期的波动特征。并且,当过渡电阻R越小时,6组∆φ(i)计算结果与30°偏离越多,∆φ≠30°引起实际超前触发角周期性波动的范围越大。


为考察故障后超前触发角指令暂态特征,对直流极控制级输出结构进行分析:

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除去直流分量外,超前触发角指令βinv在逆变侧交流系统不对称故障后还含有一定程度的2次谐波分量。


因此,综合极控制级、阀组控制级共同的作用,在逆变侧交流系统不对称故障期间,实际超前触发角将表现出周期性波动的特征,不仅不利于对直流系统重新恢复稳定运行,还可能导致关断角波动并跌至固有最小关断角以下,引起连续换相失败。

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论文重点内容  

江苏快3专家计划提出一种减小实际超前触发角波动范围的连续换相失败抑制策略。具体策略如下:


1)采用傅氏算法在线计算6组换相电压的相位,得到的6组|∆φ(i)−30°|取最大值并与设定的门槛值比较,以决定是否启动控制策略。


2)启动控制策略后,在极控制级增加一个中心频率为100 Hz的二阶带阻滤波器,以减小超前触发角指令βinv的2次谐波分量。


3)采集换相实际超前触发角β与超前触发角指令βinv的差值∆β,将∆β经过滞环比较器得到超前触发角指令的补偿分量βcps。


滞环比较器输入输出特性如式(5)所示:

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式中:βcps(n)、βcps(n-1)分别为同组内前后两次换相超前触发角指令的补偿分量;∆β(n-1)为前一次换相超前触发角指令βinv与实际超前触发角β的差值;±h分别为滞环比较器上、下限;s为滞环比较器的状态信号。


江苏快3专家计划滞环控制器的基本思想为:若差值∆β大于h,则控制滞环比较器增加βcps,使差值∆β减小;若差值∆β小于−h,则控制滞环比较器减小βcps,使差值∆β增大,以控制控制βinv对β进行跟踪,从而减小由给β引入的波动。


引入超前触发角跟踪控制环节后,直流系统闭环控制框图如图3所示。

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图3  改进后的高压直流电源输电系统闭环控制框图

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结论 

基于以下三种控制策略,在CIGRE HVDC标准模型中进行了仿真实验:


1)控制策略1:CIGRE HVDC标准模型控制策略。


2)控制策略2:在控制策略1基础上,增加基于虚拟电阻电流限制的连续换相失败抑制策略。


3)控制策略3:在控制策略1基础上,增加本文提出的连续换相失败抑制策略。


算例1:为验证本文连续换相失败机理分析正确性,在采用控制策略1时,设置1。0 s时刻在逆变侧换流母线处A相分别经R=40Ω、R=100Ω发生接地故障,故障持续时间0。5 s。

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图4  采用控制策略1时单相接地故障仿真波形


R=40Ω、R=100Ω两种故障情况下,实际超前触发角β均呈现出周期性波动特征;R=40 Ω时,β的周期性波动范围相对R=100 Ω时明显较大,导致了第2次换相失败。


算例2:为验证本文所提控制策略3抑制连续换相失败的有效性,设置1。0 s时刻在逆变侧换流母线处A相经R=30 Ω发生单相接地故障,故障持续时间0。5 s,分别采用3种控制策略进行仿真,仿真结果如图5所示。

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图5  单相经R=30 Ω接地故障时3种控制策略仿真对比


在过渡电阻R=30 Ω、故障严重程度较高时,控制策略1、控制策略2在故障期间连续出现2次换相失败,而控制策略3通过提高超前触发角控制精度,减小了实际超前触发角β的波动范围,成功抑制了连续换相失败。


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结论 

1)故障后实际超前触发角表现出周期性波动特征,极易引起连续换相失败;且随故障严重程度越高,实际超前触发角周期性波动范围越大,连续换相失败发生概率越高。

2)提出一种基于滞环控制理论的超前触发角内环控制器,通过提高实际超前触发角的跟踪精度,可以减小其波动范围,能有效抑制直流系统逆变侧发生不对称故障后的连续换相失败。

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