高壓直流電源系統(tǒng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障后，若故障不能及時清除，極易引起直流系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)換相失敗，嚴(yán)重時甚至引起直流閉鎖，影響交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。過往文獻主要關(guān)注故障后換流母線電壓、直流電流等電氣量，忽略了控制策略及外部故障對超前觸發(fā)角的影響，所提出的抑制直流連續(xù)換相失敗方法效果有限。為此，本文深入研究了逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障后超前觸發(fā)角的暫態(tài)特征，提出一種基于滯環(huán)控制理論的超前觸發(fā)角跟蹤控制器，能有效降低直流連續(xù)換相失敗發(fā)生概率。
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連續(xù)換相失敗發(fā)生機理
逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障后，直流輸電系統(tǒng)調(diào)節(jié)換流閥觸發(fā)角來恢復(fù)穩(wěn)定運行。逆變器超前觸發(fā)角在暫態(tài)過程中由極控制級、閥組控制級共同決定，存在以下關(guān)系：
式中：β(n)、βinv(n)分別為逆變器實際超前觸發(fā)角、極控制級給出的超前觸發(fā)角指令；?φ(i)為相鄰兩次換相電壓之間的相位間隔，則(?φ(i)?30°)為閥組控制級等間隔觸發(fā)方式下由?φ≠30°引起的超前觸發(fā)角偏差。
實際超前觸發(fā)角β由超前觸發(fā)角指令βinv與(?φ(i)?30°)的累和兩部分組成，分別體現(xiàn)為控制系統(tǒng)對超前觸發(fā)角指令的調(diào)節(jié)與換相電壓不對稱對實際超前觸發(fā)角影響的累積作用。
以實際工程中最為常見的單相接地故障為例，根據(jù)交直流混聯(lián)電網(wǎng)逆變側(cè)故障后復(fù)合序網(wǎng)圖，換相電壓可由式(2)-(3)計算得到：
將6組換相電壓的相位依次作差，在設(shè)置的不同過渡電阻故障場景下，得到6組換相電壓相位間隔曲線如下：
圖1 單相經(jīng)不同過渡電阻接地故障時?φ(i)計算結(jié)果
假設(shè)超前觸發(fā)角指令不變時，單獨考察換相電壓相位間隔?φ≠30°對超前觸發(fā)角的影響，得到結(jié)果如圖2所示：
圖2 單獨計及?φ≠30°影響時的實際超前觸發(fā)角
由圖2可知，單獨計及換相電壓相位間隔?φ≠30°對實際超前觸發(fā)角β的影響時，實際超前觸發(fā)角表現(xiàn)出以6次換相為一個周期的波動特征。并且，當(dāng)過渡電阻R越小時，6組?φ(i)計算結(jié)果與30°偏離越多，?φ≠30°引起實際超前觸發(fā)角周期性波動的范圍越大。
為考察故障后超前觸發(fā)角指令暫態(tài)特征，對直流極控制級輸出結(jié)構(gòu)進行分析：
除去直流分量外，超前觸發(fā)角指令βinv在逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障后還含有一定程度的2次諧波分量。
因此，綜合極控制級、閥組控制級共同的作用，在逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障期間，實際超前觸發(fā)角將表現(xiàn)出周期性波動的特征，不僅不利于對直流系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)定運行，還可能導(dǎo)致關(guān)斷角波動并跌至固有最小關(guān)斷角以下，引起連續(xù)換相失敗。
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論文重點內(nèi)容
提出一種減小實際超前觸發(fā)角波動范圍的連續(xù)換相失敗抑制策略。具體策略如下：
1）采用傅氏算法在線計算6組換相電壓的相位，得到的6組|?φ(i)?30°|取最大值并與設(shè)定的門檻值比較，以決定是否啟動控制策略。
2）啟動控制策略后，在極控制級增加一個中心頻率為100 Hz的二階帶阻濾波器，以減小超前觸發(fā)角指令βinv的2次諧波分量。
3）采集換相實際超前觸發(fā)角β與超前觸發(fā)角指令βinv的差值?β，將?β經(jīng)過滯環(huán)比較器得到超前觸發(fā)角指令的補償分量βcps。
滯環(huán)比較器輸入輸出特性如式(5)所示：
式中：βcps(n)、βcps(n-1)分別為同組內(nèi)前后兩次換相超前觸發(fā)角指令的補償分量；?β(n-1)為前一次換相超前觸發(fā)角指令βinv與實際超前觸發(fā)角β的差值；±h分別為滯環(huán)比較器上、下限；s為滯環(huán)比較器的狀態(tài)信號。
滯環(huán)控制器的基本思想為：若差值?β大于h，則控制滯環(huán)比較器增加βcps，使差值?β減小；若差值?β小于?h，則控制滯環(huán)比較器減小βcps，使差值?β增大，以控制控制βinv對β進行跟蹤，從而減小由給β引入的波動。
引入超前觸發(fā)角跟蹤控制環(huán)節(jié)后，直流系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖如圖3所示。
圖3 改進后的高壓直流電源輸電系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖
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結(jié)論
基于以下三種控制策略，在CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型中進行了仿真實驗：
1）控制策略1：CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型控制策略。
2）控制策略2：在控制策略1基礎(chǔ)上，增加基于虛擬電阻電流限制的連續(xù)換相失敗抑制策略。
3）控制策略3：在控制策略1基礎(chǔ)上，增加本文提出的連續(xù)換相失敗抑制策略。
算例1：為驗證本文連續(xù)換相失敗機理分析正確性，在采用控制策略1時，設(shè)置1.0 s時刻在逆變側(cè)換流母線處A相分別經(jīng)R=40Ω、R=100Ω發(fā)生接地故障，故障持續(xù)時間0.5 s。
圖4 采用控制策略1時單相接地故障仿真波形
R=40Ω、R=100Ω兩種故障情況下，實際超前觸發(fā)角β均呈現(xiàn)出周期性波動特征；R=40 Ω時，β的周期性波動范圍相對R=100 Ω時明顯較大，導(dǎo)致了第2次換相失敗。
算例2：為驗證本文所提控制策略3抑制連續(xù)換相失敗的有效性，設(shè)置1.0 s時刻在逆變側(cè)換流母線處A相經(jīng)R=30 Ω發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時間0.5 s，分別采用3種控制策略進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 單相經(jīng)R=30 Ω接地故障時3種控制策略仿真對比
在過渡電阻R=30 Ω、故障嚴(yán)重程度較高時，控制策略1、控制策略2在故障期間連續(xù)出現(xiàn)2次換相失敗，而控制策略3通過提高超前觸發(fā)角控制精度，減小了實際超前觸發(fā)角β的波動范圍，成功抑制了連續(xù)換相失敗。
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結(jié)論
1）故障后實際超前觸發(fā)角表現(xiàn)出周期性波動特征，極易引起連續(xù)換相失??；且隨故障嚴(yán)重程度越高，實際超前觸發(fā)角周期性波動范圍越大，連續(xù)換相失敗發(fā)生概率越高。
2）提出一種基于滯環(huán)控制理論的超前觸發(fā)角內(nèi)環(huán)控制器，通過提高實際超前觸發(fā)角的跟蹤精度，可以減小其波動范圍，能有效抑制直流系統(tǒng)逆變側(cè)發(fā)生不對稱故障后的連續(xù)換相失敗。
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