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傳統(tǒng)的高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）憑借輸送容量大、功率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、造價(jià)相對(duì)較低等特點(diǎn)，在我國(guó)“南北互供”、“西電東送”以及“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”等國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中扮演了重要的角色。我國(guó)目前已有30多條高壓直流輸電工程建成并投入運(yùn)行，已成為擁有直流輸電工程最多、輸送容量最大、輸送線路最長(zhǎng)的國(guó)家。

然而該輸電技術(shù)的核心元件晶閘管卻沒(méi)有自關(guān)斷能力，這導(dǎo)致其在逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓支撐不足的情況下極易發(fā)生換相失敗。換相失敗不僅會(huì)引發(fā)直流電流激增、導(dǎo)致?lián)Q流閥受到?jīng)_擊，還會(huì)造成直流功率的大幅度波動(dòng)，嚴(yán)重情況甚至導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，該功率波動(dòng)將給直流系統(tǒng)的送、受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

雖然傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)有與生俱來(lái)的換相失敗缺陷，但其在輸送能力、輸送距離、造價(jià)等方面的顯著優(yōu)點(diǎn)使其工程應(yīng)用依舊廣泛。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)換相失敗的預(yù)防研究已經(jīng)開(kāi)展了大量的工作，其預(yù)防措施主要分為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)和控制策略優(yōu)化兩個(gè)方面。然而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)雖然能從換相機(jī)理上消除換相失敗，但改進(jìn)成本過(guò)高，同時(shí)工程實(shí)施難度較大。

在控制策略優(yōu)化方面，為實(shí)現(xiàn)換相失敗的快速預(yù)防，其研究思路主要分為兩個(gè)步驟：首先是換相失敗的快速檢測(cè)，其次是換相失敗的快速抑制。目前應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)的換相失敗檢測(cè)分為實(shí)測(cè)型和預(yù)測(cè)型兩大類。

1）實(shí)測(cè)型，是通過(guò)量測(cè)各換流閥換相結(jié)束時(shí)刻與對(duì)應(yīng)的換相電壓過(guò)零時(shí)刻的間隔，并將其轉(zhuǎn)換為角度量從而獲得熄弧角，通過(guò)與最小熄弧角的比較判斷是否發(fā)生換相失敗。首先實(shí)測(cè)型是對(duì)已經(jīng)發(fā)生的換相失敗進(jìn)行檢測(cè)，所以其后續(xù)采取的控制措施都在換相失敗發(fā)生后，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低，其次因?yàn)橹绷鞴こ讨幸粋€(gè)換流橋臂的晶閘管數(shù)量太多，故晶閘管的熄弧角不易測(cè)量。

2）預(yù)測(cè)型，是在逆變側(cè)交流母線對(duì)三相電壓提取零序分量或◆◆變換，從而預(yù)測(cè)單相故障和三相對(duì)稱故障所引發(fā)的換相失敗。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者針對(duì)電壓過(guò)零點(diǎn)啟動(dòng)慢的缺點(diǎn)，提出了增加正弦-余弦分量的檢測(cè)方法。雖然預(yù)測(cè)法在檢測(cè)速度上大大提高，為抑制換相失敗發(fā)生爭(zhēng)取了更多的時(shí)間，但現(xiàn)有預(yù)測(cè)法針對(duì)換相失敗是否發(fā)生的判據(jù)主要依賴仿真計(jì)算，無(wú)法建立換相失敗與預(yù)測(cè)判據(jù)之間的物理關(guān)系，缺乏理論依據(jù)，需針對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行仿真，普適性有待提高。

目前針對(duì)換相失敗的抑制措施主要為提前觸發(fā)，增大換相裕度。有學(xué)者采用了模糊控制器，設(shè)計(jì)了綜合各有關(guān)電氣量的模糊控制方案來(lái)計(jì)算提前觸發(fā)角度，以實(shí)現(xiàn)換相失敗的抑制。有學(xué)者在現(xiàn)有的換相失敗預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上提出了將零序電壓分量和旋轉(zhuǎn)矢量所檢測(cè)的最大值轉(zhuǎn)換為提前觸發(fā)的角度。有學(xué)者認(rèn)為提前觸發(fā)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)功需求增大，直流電流增大，這將更不利于換相過(guò)程。提前觸發(fā)角度過(guò)大的主要原因是現(xiàn)有方法并未將提前觸發(fā)角度與換相失敗的邊界條件建立物理關(guān)系，這也恰恰導(dǎo)致提前觸發(fā)控制存在超調(diào)的可能性。

綜合上述研究成果，新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、國(guó)網(wǎng)北京市電力公司的研究人員從換相失敗的物理判據(jù)出發(fā)，以換相需求面積和可供應(yīng)最小換相面積之間的關(guān)系作為換相失敗判斷標(biāo)準(zhǔn)，利用三點(diǎn)法對(duì)故障前后的換相線電壓波形進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的快速預(yù)測(cè)；并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)換相失敗的邊界條件，借助換相面積理論求解出控制器的最大觸發(fā)延遲角，增大換相裕度以實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的快速抑制。

圖1 換相失敗預(yù)測(cè)示意圖

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 基于換相面積的觸發(fā)角控制框圖

基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)所提換相失敗快速預(yù)測(cè)及抑制措施進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明本方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的準(zhǔn)確、快速預(yù)測(cè)，并在一定程度上抑制HVDC系統(tǒng)發(fā)生換相失敗，并得到以下結(jié)論。

1）換相失敗機(jī)理層面的原因是可供應(yīng)最小換相面積小于換相需求面積，兩者之間的關(guān)系可用來(lái)作為換相失敗的檢測(cè)判據(jù)，且物理意義清晰。

2）利用三點(diǎn)法快速擬合故障后的電壓波形，可以完成換相失敗的快速預(yù)測(cè)，且該預(yù)測(cè)不受故障類型、故障時(shí)間以及故障位置等因素的影響，且啟動(dòng)判據(jù)不依賴仿真，具有明晰的物理意義，保證預(yù)測(cè)的可靠性。

3）基于臨界換相面積的量化觸發(fā)角控制策略，可以實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的提前觸發(fā)，不但能降低換相失敗的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，還能避免過(guò)度超前觸發(fā)所引起的連續(xù)換相失敗，從而有利于系統(tǒng)的故障恢復(fù)。

以上研究成果發(fā)表在2020年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于電壓波形擬合的換相失敗快速預(yù)測(cè)與抑制措施”，作者為王增平、劉席洋、鄭博文、李永光。