宋新甫， 陳偉偉， 周博昊， 李鳳婷， 許葉林， 任娟

(1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830011；2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830047)

0 引言

換相失敗是依靠電網(wǎng)電壓換相的高壓直流輸電技術(shù)中最為常見的故障類型之一[1—2]。隨著我國特高壓直流輸電工程不斷推進(jìn)，換相失敗引起的故障容量和發(fā)生頻率有所增加，給混聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[3—6]。據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，2004年至2018年，所投運(yùn)的21個(gè)直流工程共發(fā)生1 353次換相失敗，平均每個(gè)直流工程每年發(fā)生9.1次換相失敗[7]。因此，開展換相失敗的機(jī)理及抑制措施研究具有較高的理論、工程價(jià)值。

國內(nèi)外學(xué)者針對直流電流的增加[8—9]、換相電壓的降低[10]、換相電感的變化[11]、不對稱故障下電壓的偏移、諧波造成的電壓畸變[12]以及故障合閘角[13]對換相過程的影響機(jī)理已進(jìn)行了相關(guān)研究?，F(xiàn)有文獻(xiàn)針對電氣量對換相過程的影響研究較為全面，針對控制量對換相失敗的影響或鎖相環(huán)誤差、交流保護(hù)動作等間接影響因素仍缺乏相關(guān)定量計(jì)算方法。

目前換相失敗抑制措施可分為2類：一類是通過增加設(shè)備或改變換流器的結(jié)構(gòu)[14—15]等方法，增強(qiáng)系統(tǒng)的換相失敗免疫能力，然而額外設(shè)備的加入會增加運(yùn)行成本、損耗與新的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；另一類是改進(jìn)控制策略，這類換相失敗抑制措施可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)維持一個(gè)較小的換相裕度，在故障暫態(tài)期間通過控制調(diào)節(jié)觸發(fā)角、電流或電壓的指令值，迅速增加換相裕度，抵御換相失敗的發(fā)生，是一種靈活、經(jīng)濟(jì)的方式。

定關(guān)斷角控制是逆變器的一種基本控制策略，可分為實(shí)測型和預(yù)測型2種[16]。文獻(xiàn)[17]使用同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)技術(shù)改進(jìn)了實(shí)測型定關(guān)斷角控制策略，但要事先獲得系統(tǒng)的等值戴維南參數(shù)。相比實(shí)測型定關(guān)斷角控制器，預(yù)測型定關(guān)斷角控制器具有更好的速動性。文獻(xiàn)[18—19]在預(yù)測型定關(guān)斷角控制內(nèi)部增加了直流電流預(yù)測模塊，將實(shí)時(shí)計(jì)算控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測控制，實(shí)現(xiàn)首次換相失敗的預(yù)測與抑制。文獻(xiàn)[12]考慮了諧波，提出考慮直流電流變化和諧波影響的換相失敗抑制策略。文獻(xiàn)[20]利用關(guān)斷角變化與電流偏差控制函數(shù)斜率關(guān)聯(lián)關(guān)系，提出動態(tài)電流偏差控制方法，能夠很好地抑制連續(xù)換相失敗發(fā)生。

目前鮮有文獻(xiàn)對預(yù)測型定關(guān)斷角控制中電流偏差環(huán)節(jié)的暫態(tài)影響進(jìn)行分析。文中分析了高壓直流輸電基本控制策略中預(yù)測型定關(guān)斷角控制與電流偏差控制的關(guān)系，明確了電流偏差環(huán)節(jié)的功能。在此基礎(chǔ)上，研究了故障暫態(tài)初期與恢復(fù)階段，電流偏差環(huán)節(jié)中比例系數(shù)對換相失敗抑制、系統(tǒng)恢復(fù)效果的影響，并提出一種自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)，通過檢測電氣量判別系統(tǒng)狀態(tài)并自適應(yīng)輸出比例系數(shù)，以兼顧換相失敗的有效抑制與系統(tǒng)快速平穩(wěn)恢復(fù)。最后，基于CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)，改變換流站控制策略，搭建了高壓直流輸電系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了所提理論分析和自適應(yīng)電流偏差控制的有效性。

1 HVDC系統(tǒng)換相失敗及基本控制策略

1.1 HVDC系統(tǒng)換相失敗

高壓直流輸電系統(tǒng)中換流器的基本模塊是Graetz橋，其包含6個(gè)晶閘管閥，連接于交流三相中某一相與直流正或負(fù)極間。通過調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，可以實(shí)現(xiàn)功率在交、直流系統(tǒng)間的雙向傳導(dǎo)：當(dāng)觸發(fā)角α>90°時(shí)，換流器工作于逆變器狀態(tài)，功率從直流流向交流；當(dāng)α<90°時(shí)，換流器工作于整流器狀態(tài)，功率從交流向直流系統(tǒng)傳導(dǎo)。閥電流在共陰極組或共陽極組之間傳導(dǎo)的過程被稱為換相過程，由于線路、濾波器等的電感分量以及變壓器存在的漏感，會使換相過程中存在等效換相電感，導(dǎo)致?lián)Q相過程并不是瞬時(shí)完成的，這部分時(shí)間轉(zhuǎn)化為電角度后被稱為換相角μ。換相成功后，由于半控型元件的特性，換流閥需要承受一段時(shí)間的反向截止電壓，使內(nèi)部載流子復(fù)合以恢復(fù)其阻斷能力，這部分時(shí)間轉(zhuǎn)化為電角度后被稱為關(guān)斷角γ。

晶閘管元件中，載流子復(fù)合開關(guān)建立P-N結(jié)阻擋層以恢復(fù)正向阻斷能力需要一定的時(shí)間，文中取400 μs，這部分時(shí)間對應(yīng)的電角度被稱為臨界關(guān)斷角γ0。當(dāng)實(shí)際關(guān)斷角小于γ0時(shí)，會出現(xiàn)下列2種情況：(1) 換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用期間不能恢復(fù)阻斷能力；(2) 2個(gè)橋臂的換相過程一直未能結(jié)束。這2種情況都會導(dǎo)致預(yù)期開通的閥未能開通，預(yù)期關(guān)斷的閥未能關(guān)斷，這種異常的工況被稱為換相失敗。

1.2 高壓直流輸電系統(tǒng)基本控制策略

高壓直流輸電系統(tǒng)基本控制策略包含定電流、定電壓和定關(guān)斷角控制，均配備獨(dú)立控制器并采用限幅相互嵌套的方式實(shí)現(xiàn)控制模式平滑切換，如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)基本控制策略(逆變側(cè))

圖1中，γref為預(yù)測型定關(guān)斷角控制器中關(guān)斷角整定值；Io，Id分別為低壓限流控制(voltage dependent current order limiter,VDCOL)輸出的逆變側(cè)直流電流指令值與直流電流經(jīng)一階慣性環(huán)節(jié)后的實(shí)測值；EL為逆變側(cè)交流系統(tǒng)線電壓有效值；Udo，Ud分別為逆變側(cè)直流電壓指令值與經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)后的逆變側(cè)直流電壓實(shí)測值；βCEA，αCEA，βCV，αCV，βCC，αCC分別為預(yù)測型定關(guān)斷角、定電壓、定電流控制器輸出的超前觸發(fā)角和觸發(fā)角指令值，CEA，CV，CC分別為預(yù)測型定關(guān)斷角、定電壓、定電流控制器；δCFPREV為換相失敗預(yù)測控制輸出量；αoi為逆變器觸發(fā)角指令值；此外還配備最小關(guān)斷角(GAMMA0)控制功能，保證直流電壓下降階段逆變器觸發(fā)角指令值由CEA提供，以改善交流電壓穩(wěn)定性[21]。

其中預(yù)測型定關(guān)斷角控制可表示為：

(1)

式中：dx為逆變側(cè)等值換相電抗標(biāo)幺值；Udi0N，Udi0分別為逆變側(cè)理想空載直流電壓的額定值、實(shí)際值；K為電流偏差比例系數(shù)；γref為關(guān)斷角參考值；IdN為額定直流電流。

Udi0與EL關(guān)系為：

(2)

式中：N為串聯(lián)六脈動橋的數(shù)量；T為換流變壓器變比，閥側(cè)電壓/二次側(cè)電壓=1/T。dx計(jì)算方法為：

(3)

式中：Xc為換相電抗。將式(2)和式(3)代入式(1)可得：

(4)

忽略三相間的不平衡度及電壓偏移角度，三相對稱始終存在α+β=π，式(4)變?yōu)椋?/p>

(5)

根據(jù)式(5)，預(yù)測型定關(guān)斷角控制的原理仍然是經(jīng)典關(guān)斷角計(jì)算公式，通過獲取直流電流、交流電壓等信息，采用計(jì)算方式替代實(shí)時(shí)測量的方式，應(yīng)用開環(huán)控制快速輸出逆變器的觸發(fā)角指令值。且在控制環(huán)節(jié)加入了電流偏差控制環(huán)節(jié)，并將電流偏差比例系數(shù)K設(shè)置為正，從而保證系統(tǒng)在暫態(tài)下具有一定的正斜率特征：當(dāng)Io保持不變時(shí)，若系統(tǒng)實(shí)際電流受小干擾擾動而增大，根據(jù)式(5)，控制器增大α，從而主動增大逆變側(cè)直流電壓，最終達(dá)到降低直流電流，將系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的作用。

采用式(5)表示的預(yù)測型定關(guān)斷角控制，可以在小干擾下，通過主動控制直流電壓的方式消除擾動的影響，但是在大暫態(tài)干擾下很難有效恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，極易引起換相失敗，其主要是因?yàn)闀簯B(tài)期間系統(tǒng)選取了直流電流指令值。因此在文獻(xiàn)[22]中，預(yù)測型關(guān)斷角控制的表示為：

(6)

無論是式(5)還是式(6)，預(yù)測型定關(guān)斷角控制內(nèi)部嵌入了電流偏差控制環(huán)節(jié)，為了獲得正斜率的特征，設(shè)置電流偏差系數(shù)為正常數(shù)，以保證小干擾下系統(tǒng)的穩(wěn)定。但針對電流偏差環(huán)節(jié)引入的影響，目前鮮有文獻(xiàn)給出具體分析并提出解決方案。

2 電流偏差環(huán)節(jié)的影響分析

2.1 電流偏差環(huán)節(jié)對換相失敗抑制效果的影響

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障并導(dǎo)致?lián)Q流母線處電壓跌落時(shí)，Id會迅速上升，而故障初期Io會保持不變或減小，因此電流偏差K(Io-Id)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，引起觸發(fā)角α不斷增大，易導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

式(6)對K求解偏導(dǎo)數(shù)有：

(7)

故障初期Id增加，Io不變或降低，Id-Io為正，根據(jù)式(7)可知?α/?K為正，α與K呈現(xiàn)正相關(guān)函數(shù)關(guān)系，即α隨著K增大而增大。因此，當(dāng)K設(shè)置為正時(shí)，K越大，電流偏差環(huán)節(jié)在故障初期引起的觸發(fā)角增量越大。為定量計(jì)算電流偏差環(huán)節(jié)的影響，可將式(6)轉(zhuǎn)化為：

(8)

其中，關(guān)斷角目標(biāo)值γtarget計(jì)算公式為：

γtarget=arccos[cosγref+K(Id-Io)]

(9)

根據(jù)式(9)，故障初期直流電流升高，電流偏差環(huán)節(jié)相當(dāng)于主動將預(yù)測型定關(guān)斷角控制的控制目標(biāo)由γref調(diào)整為γtarget。由于K為正數(shù)，導(dǎo)致γtarge<γref，因此這種調(diào)整會增加系統(tǒng)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)程度。由此可見，電流偏差環(huán)節(jié)的目標(biāo)僅為使系統(tǒng)獲得正斜率特征，以保證其在小干擾下可以回歸至穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。但在較大干擾的暫態(tài)過程中，若將比例系數(shù)設(shè)置為正數(shù)，該環(huán)節(jié)會導(dǎo)致?lián)Q相失敗的風(fēng)險(xiǎn)增加，且K越大，換相失敗風(fēng)險(xiǎn)程度越高。

2.2 電流偏差環(huán)節(jié)對系統(tǒng)恢復(fù)過程的影響

若系統(tǒng)經(jīng)歷換相失敗，在恢復(fù)過程中，由預(yù)測型定關(guān)斷角控制切換至定電流控制(情況一)，定電流控制接管逆變器期間，逆變器控制目標(biāo)變?yōu)槭怪绷麟娏鱅d達(dá)到VDCOL輸出的指令值Io，該階段內(nèi)Id在Io的帶動下，按照設(shè)定的恢復(fù)速率進(jìn)行恢復(fù)，Io大于Id。定電流控制期間，由于電流偏差環(huán)節(jié)嵌入于預(yù)測型定關(guān)斷角控制中，預(yù)測型定關(guān)斷角控制輸出量為定電流控制輸出的上限，并不會被選中，看似該階段電流偏差控制并不會直接影響系統(tǒng)的恢復(fù)過程，但實(shí)際上電流偏差控制會通過改變預(yù)測型定關(guān)斷角控制輸出量間接影響預(yù)測型定關(guān)斷角控制與定電流控制輸出曲線交點(diǎn)，即定電流控制器起作用時(shí)刻。

當(dāng)電流偏差系數(shù)K為正數(shù)時(shí)，根據(jù)式(7)可知，故障初期電流偏差環(huán)節(jié)將會導(dǎo)致觸發(fā)角指令值增大，且K越大，該環(huán)節(jié)引起的觸發(fā)角增量越大。因此，K為正時(shí)，K越大，預(yù)測型定關(guān)斷角控制切換至定電流控制時(shí)刻越早。當(dāng)K設(shè)置為正時(shí)，K越大對系統(tǒng)恢復(fù)過程越有利，但相應(yīng)地系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)程度可能也會有所提高。

若系統(tǒng)未發(fā)生換相失敗，系統(tǒng)恢復(fù)過程中逆變器始終為預(yù)測型定關(guān)斷角控制(情況二)，直流電流指令值Io不變或輕微減小，直流電流在故障初期后由最高值(大于1.0 p.u)開始降低，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)值1.0 p.u后繼續(xù)降低，并開始恢復(fù)。此過程中(Io-Id)由負(fù)轉(zhuǎn)為正且始終增加，若K設(shè)置為正，根據(jù)式(9)，γtarget會先大于γref，后小于γref，但一直在減小。

逆變器功率因數(shù)φ近似計(jì)算公式為[23]：

cosφ≈0.5(cosγi+cos(γi+μ))

(10)

式中：γi為逆變器關(guān)斷角。根據(jù)式(10)可知，K設(shè)置為正數(shù)，恢復(fù)過程中定關(guān)斷角控制器的控制目標(biāo)γtarget始終保持減小的趨勢，關(guān)斷角的減小有助于增加逆變器功率因數(shù)，降低逆變器無功消耗，對恢復(fù)過程有利，但同時(shí)會增加后續(xù)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。

3 自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)

電流偏差系數(shù)K設(shè)置為正，可令系統(tǒng)在小干擾下自動恢復(fù)穩(wěn)定點(diǎn)，但若在大干擾情況下，會降低預(yù)測型定關(guān)斷角控制對換相失敗的抑制能力。在恢復(fù)過程中，雖然有助于系統(tǒng)恢復(fù)，但同時(shí)會增加后續(xù)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此在不同的階段，識別系統(tǒng)狀態(tài)，選取最為適合的電流偏差系數(shù)，可使電流偏差環(huán)節(jié)更具優(yōu)勢，起到兼顧換相失敗抑制與系統(tǒng)快速恢復(fù)的效果。因此，改進(jìn)后的電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)選取方法如圖2、圖3所示。其中，圖2為控制信號判別模塊，其功能為判別系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)；圖3為電流偏差比例系數(shù)輸出模塊，其功能為依據(jù)所判別狀態(tài)，輸出最為適合的比例系數(shù)。

圖2 自適應(yīng)電流偏差判斷模塊

圖3 自適應(yīng)電流偏差輸出模塊

自適應(yīng)電流偏差判斷模塊中將故障暫態(tài)期間系統(tǒng)狀態(tài)劃分為三部分：第一部分為故障初期，通過檢測三相電壓的αβ分量與零序分量快速判別交流系統(tǒng)是否發(fā)生故障，通過預(yù)測直流電流初步判別該故障是否會引起換相失??；第二部分為故障恢復(fù)階段，通過比較定電流控制與預(yù)測型定關(guān)斷角控制輸出判斷定電流控制是否起作用，同時(shí)判別直流電流形態(tài)，在直流電流達(dá)到峰值后的下降階段內(nèi)同時(shí)發(fā)出啟動信號，因此無論系統(tǒng)處于2.2節(jié)中2種情況中任何一種，均可有效識別；第三部分為故障恢復(fù)末期階段，通過檢測直流輸送功率是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%[24]進(jìn)行判別。

在檢測系統(tǒng)處于故障初期階段時(shí)，將電流偏差環(huán)節(jié)中比例系數(shù)調(diào)整為k1(k1可依據(jù)工程調(diào)試情況進(jìn)行設(shè)定，可為負(fù)數(shù))；在檢測系統(tǒng)處于恢復(fù)階段時(shí)，將比例系數(shù)調(diào)整為k2，以改善系統(tǒng)恢復(fù)效果；當(dāng)檢測到系統(tǒng)處于恢復(fù)末期，將比例系數(shù)調(diào)整為穩(wěn)態(tài)值，確保穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)仍然具有預(yù)設(shè)的正斜率特征。其中k1，k2須設(shè)定單邊界動態(tài)限幅klimit，其計(jì)算公式為：

(11)

4 仿真案例分析

4.1 仿真模型

為驗(yàn)證傳統(tǒng)電流偏差環(huán)節(jié)的影響與所提出自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)的有效性，在PSCAD/EMTDC中，基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型，通過修改整流、逆變站控制系統(tǒng)建立測試系統(tǒng)，其中模型參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[25]，控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，仿真測試中晶閘管最小關(guān)斷時(shí)間設(shè)置為400 μs。

表1 整流側(cè)和逆變側(cè)控制參數(shù)

4.2 電流偏差環(huán)節(jié)影響驗(yàn)證

4.2.1 算例1：電流偏差環(huán)節(jié)對換相失敗抑制影響

為排除換相失敗預(yù)測控制的干擾將其主動切除，為全面衡量換相失敗可能性，在逆變側(cè)換流母線處設(shè)置不同時(shí)刻(1.30～1.31 s)經(jīng)過不同電感(1.2～1.5 H)接地的三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s，電流偏差環(huán)節(jié)中比例系統(tǒng)分別設(shè)置為0.15和-0.15，換相失敗測試結(jié)果如圖4所示。在逆變側(cè)換流母線處設(shè)置不同故障時(shí)刻(1.30～1.31 s)經(jīng)過不同電感(0.6～0.9 H)單相(A相)接地故障，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)分別設(shè)置為0.15和-0.15，換相失敗情況如圖5所示。

圖4 三相接地故障下不同比例系數(shù)的臨界電感

圖5 單相(A相)接地故障下不同比例系數(shù)的臨界電感

圖4、圖5中折面代表了臨界換相電感，折面以上未發(fā)生換相失敗，折面以下發(fā)生換相失敗。測試結(jié)果表明，電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)會影響預(yù)測型定關(guān)斷角控制器的換相失敗抑制能力。三相故障下，當(dāng)比例系數(shù)設(shè)置為0.15時(shí)，平均臨界電壓約為0.905 p.u.；當(dāng)比例系數(shù)為-0.15時(shí)，平均臨界電壓變?yōu)?.897 p.u.。單相故障下，當(dāng)比例系數(shù)為0.15時(shí)，平均臨界電壓約為0.938 p.u.；當(dāng)比例系數(shù)為-0.15時(shí)，平均臨界電壓變?yōu)?.852 p.u.?？梢姡壤禂?shù)由0.15變?yōu)?0.15，系統(tǒng)的換相失敗抵御能力明顯提高。

4.2.2 算例2：電流偏差環(huán)節(jié)對系統(tǒng)恢復(fù)影響(切換至定電流控制)

設(shè)置逆變側(cè)換流母線處1.3 s發(fā)生三相電感性接地故障，接地電感1.2 H，故障持續(xù)0.1 s。電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)分別設(shè)置為0.15和-0.15情況下，系統(tǒng)換流母線電壓有效值、直流電流和逆變器關(guān)斷角實(shí)測值如圖6所示。

圖6 三相故障下不同比例系數(shù)的系統(tǒng)恢復(fù)情況

根據(jù)圖6，在該故障下，無論比例系數(shù)為0.15或是-0.15，均發(fā)生了單次換相失敗，在這種情況下，系統(tǒng)恢復(fù)過程中均由定關(guān)斷角控制切換至定電流控制并在恢復(fù)末期切換至定電壓控制，該測試情況對應(yīng)了2.2節(jié)中的情況一。測試結(jié)果表明，比例系數(shù)由-0.15變?yōu)?.15，系統(tǒng)恢復(fù)階段的交流電壓水平、直流電流恢復(fù)速率、關(guān)斷角超調(diào)量及其恢復(fù)速率有明顯改善。

4.2.3 算例3：電流偏差環(huán)節(jié)對系統(tǒng)恢復(fù)影響(始終為預(yù)測型定關(guān)斷角控制)

設(shè)置逆變側(cè)換流母線處1.3 s發(fā)生單相(A相)接地故障，接地電感0.9 H，故障持續(xù)0.1 s。電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)分別設(shè)置為0.15和-0.15情況下，逆變器關(guān)斷角、直流電流和換流母線電壓有效值如圖7所示。

圖7 單相故障下不同比例系數(shù)的系統(tǒng)恢復(fù)效果

根據(jù)圖7，該故障情況下，比例系數(shù)為0.15和-0.15均未發(fā)生換相失敗，在這種情況下，系統(tǒng)恢復(fù)過程始終由定關(guān)斷角控制器起作用，該測試算例對應(yīng)2.2節(jié)中情況二。測試結(jié)果表明，相比-0.15，比例系數(shù)設(shè)置為0.15時(shí)，在恢復(fù)過程中關(guān)斷角相對較低，導(dǎo)致了逆變器功率因數(shù)較大，消耗無功相對減小，因此換流母線處電壓有效值更高，電流、電壓的恢復(fù)效果更好。

4.3 自適應(yīng)電流偏差控制效果驗(yàn)證

自適應(yīng)電流偏差控制中，k1設(shè)置為-0.15，k2設(shè)置為0.15，Ulevel1和Ulevel2分別設(shè)置為0.6和0.85，展寬統(tǒng)一選取20 ms。為全面衡量換相失敗發(fā)生情況，故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)置為(1.30～1.31 s)，則傳統(tǒng)電流偏差環(huán)節(jié)在比例系數(shù)分別為0.15，-0.15下和所提出的自適應(yīng)電流偏差控制在三相、單相(A相)電感性接地故障下的臨界故障電感如表2所示。為了方便表示，表2中傳統(tǒng)電流偏差環(huán)節(jié)比例系數(shù)為0.15時(shí)的三相、單相電感性測試結(jié)果分別表示為A1，A2；傳統(tǒng)比例系數(shù)為-0.15的三相、單相電感性測試結(jié)果分別表示為B1，B2；所提出電流偏差控制的三相電感性測試結(jié)果為C1，單相電感性測試結(jié)果為C2。

表2 2種電流偏差控制下臨界故障電感

根據(jù)表2可知，在三相、單相電感性故障下，所提出的自適應(yīng)電流偏差控制的臨界電感均不高于傳統(tǒng)的電流偏差控制(K=0.15或-0.15)，因此使用自適應(yīng)電流偏差控制后，系統(tǒng)抵御換相失敗的能力得到提升。為直觀顯示改進(jìn)后電流偏差控制的系統(tǒng)響應(yīng)，選取1.31 s換流母線處發(fā)生三相電感性接地故障，故障電感分別為1.35 H，1.3 H，持續(xù)0.1 s，傳統(tǒng)電流偏差K設(shè)置為0.15，-0.15以及自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)接入下，系統(tǒng)響應(yīng)分別如圖8、圖9所示。

根據(jù)圖8可知，自適應(yīng)電流偏差控制接入后，系統(tǒng)暫態(tài)期間直流電流、逆變側(cè)換流母線電壓及逆變器觸發(fā)角指令值的波動相比傳統(tǒng)電流偏差K設(shè)置為-0.15時(shí)小，且故障初期關(guān)斷角實(shí)測值相比傳統(tǒng)電流偏差K設(shè)置為0.15時(shí)更大。

圖8 自適應(yīng)電流偏差控制測試結(jié)果(故障電感為1.35 H)

根據(jù)圖9可知，自適應(yīng)電流偏差控制接入后，系統(tǒng)暫態(tài)期間直流電流、逆變側(cè)換流母線電壓及逆變器觸發(fā)角指令值的波動有所改善(相比K=-0.15)，且在一定程度上可以增強(qiáng)系統(tǒng)換相失敗的抵御能力。傳統(tǒng)電流偏差K被設(shè)置為0.15時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生首次換相失敗，而使用所提出的自適應(yīng)電流偏差控制的系統(tǒng)有效避免了換相失敗的發(fā)生。

圖9 自適應(yīng)電流偏差控制測試結(jié)果(故障電感為1.3 H)

綜上，所提出的自適應(yīng)電流偏差控制兼顧了換相失敗的抑制與系統(tǒng)的快速平穩(wěn)恢復(fù)，可以在故障初期增強(qiáng)系統(tǒng)的換相失敗抑制能力，在故障恢復(fù)階段，抑制電流、電壓波動，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)恢復(fù)的目標(biāo)。

5 結(jié)論

針對預(yù)測型定關(guān)斷角控制中電流偏差環(huán)節(jié)，分析了該環(huán)節(jié)中比例系數(shù)對故障初期換相失敗抑制效果、系統(tǒng)恢復(fù)效果的影響，并提出了一種自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)，得到如下結(jié)論：

(1) 電流偏差環(huán)節(jié)設(shè)定的目的為增強(qiáng)系統(tǒng)小干擾下穩(wěn)定性，但在大的擾動下，正的比例系數(shù)會導(dǎo)致故障初期換相失敗抑制效果變差，有利于系統(tǒng)的故障恢復(fù)，但須注意限制恢復(fù)速率防止后續(xù)換相失敗的發(fā)生。

(2) 所提出的自適應(yīng)電流偏差環(huán)節(jié)可以有效識別系統(tǒng)狀態(tài)并輸出合適的比例系數(shù)，起到兼顧換相失敗抑制與系統(tǒng)快速穩(wěn)定恢復(fù)的作用。