賀日星，楊寶峰，陳瀚棟，羅振鵬

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

0 引言

隨著我國(guó)能源消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)和電力需求的不斷增加，直流輸電系統(tǒng)以其良好的發(fā)展趨勢(shì)在電力網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)發(fā)展趨勢(shì)也將更加多樣化、智能化和綠色化。

雖然基于電網(wǎng)換相換流器的常規(guī)高壓直流輸電（Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC）在技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是由于電網(wǎng)換相換流器采用沒(méi)有自關(guān)斷能力的晶閘管作為換流元件，因此存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。換相失敗會(huì)引起換流變壓器直流偏磁、換流閥過(guò)熱、送端電網(wǎng)過(guò)壓和發(fā)電機(jī)組脫機(jī)等問(wèn)題，嚴(yán)重情況下可能進(jìn)一步導(dǎo)致直流閉鎖，存在引發(fā)大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。大批學(xué)者針對(duì)抑制換相失敗的措施進(jìn)行研究，這些措施可以分為兩類(lèi)：一是從LCC本體出發(fā)，以修改控制器保護(hù)定值、改造局部拓?fù)涞姆绞綄?shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)不利換相條件的故障穿越；二是從影響LCC 換相失敗的外部因素入手，以改善系統(tǒng)外部換相條件的方式達(dá)到抵御換相失敗的目的。從換流器內(nèi)部看，成功換相需使晶閘管的電流小于其維持電流并持續(xù)一段時(shí)間；從換流器換相條件看，成功換相要求晶閘管運(yùn)行關(guān)斷角不能小于其固有極限關(guān)斷角。本文從換流器內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方向歸納分析已有的抑制換相失敗的措施，總結(jié)了亟待研究的問(wèn)題，為當(dāng)前及今后的研究提出可行的技術(shù)思路。

1 換相失敗機(jī)理分析

1.1 器件原因

LCC-HVDC 的換流器件由晶閘管組成，晶閘管是半控型器件，其觸發(fā)控制具有以下特征[4]：當(dāng)晶閘管承受正向電壓，且門(mén)極有觸發(fā)電流，晶閘管導(dǎo)通；導(dǎo)通后，門(mén)極對(duì)晶閘管失去控制作用，若需關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，需在晶閘管上加入反向電壓，使流過(guò)晶閘管的電流降至其維持電流以下。

由于晶閘管關(guān)斷存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，如果重新給晶閘管施加正向電壓，晶閘管不需要門(mén)極觸發(fā)電流也可以重新導(dǎo)通。正是由于這一物理特性，使LCC-HVDC 存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，這是直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的根本原因。

1.2 系統(tǒng)原因

因換相失敗多發(fā)生在逆變側(cè)，以傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)三相橋式換流器為例，三相六脈波換流器是LCC-HVDC的基本結(jié)構(gòu)單元，其電路拓?fù)鋱D如圖1 所示。按序號(hào)依次導(dǎo)通晶閘管，相鄰閥臂間隔60°。

圖1 三相橋式換流器拓?fù)銯ig.1 Topology of three-phase bridge converter

在直流輸電系統(tǒng)中，觸發(fā)角、超前觸發(fā)角、關(guān)斷角和換相角之間關(guān)系如式（1）與圖2所示。

圖2 逆變器換相過(guò)程電壓波形Fig.2 Voltage waveform during inverter commutation process

式中：α為觸發(fā)角；β為超前觸發(fā)角；γ為關(guān)斷角；μ為換相角。

在換流器中，如果實(shí)際運(yùn)行的晶閘管關(guān)斷角小于其固有的極限關(guān)斷角γmin，就會(huì)發(fā)生換相失敗。以S4對(duì)S6換相過(guò)程為例，簡(jiǎn)單描述單次換相失敗過(guò)程，其等值電路圖如圖3所示。

圖3 S4向S6換相過(guò)程等值電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram during the commutation process from S4 to S6

換相前，S4和S5導(dǎo)通，電流流經(jīng)S4和S5，當(dāng)S6的觸發(fā)脈沖到來(lái)，如果S6承受正向電壓，則立即導(dǎo)通，S4向S6換相。但由式（1）與圖3 可以看出，當(dāng)S6觸發(fā)后，如果換相角較大，就會(huì)導(dǎo)致S4在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)依然有少量載流子流過(guò)，當(dāng)晶閘管兩端電壓由負(fù)轉(zhuǎn)正后，無(wú)需觸發(fā)脈沖，S4也可重新導(dǎo)通，發(fā)生倒換相，S6關(guān)閉。如果沒(méi)有故障保護(hù)，則依然按照晶閘管的序號(hào)依次導(dǎo)通，在S1的觸發(fā)脈沖到來(lái)導(dǎo)通后，S1和S4直通導(dǎo)致直流側(cè)短路。

關(guān)斷角γ由多個(gè)參數(shù)決定，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，在系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)[5-6]，存在式（2）關(guān)系：

式中：k—換流變壓器變比；

IdL—直流電流；

XC—等效電抗；

UL—逆變側(cè)交流線電壓有效值。

當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)故障，引起電壓相角偏移時(shí)，存在式（3）關(guān)系：

式中：φ—電壓波形相角偏移電角度。

2 抑制換相失敗方法

2.1 修改控制器定值

現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)換相失敗是由交流系統(tǒng)故障造成電壓擾動(dòng)引起的，上述問(wèn)題在系統(tǒng)中不能完全避免[7]。但可以降低換相失敗的概率，或提高換相失敗后直流系統(tǒng)的恢復(fù)速度。常用的方法是在檢測(cè)到交流電壓干擾后，立即減小逆變器側(cè)的觸發(fā)角，以獲得較大的換相裕度。目前工程上應(yīng)用最為廣泛的是基于導(dǎo)通角修正的換相失敗預(yù)測(cè)控制法和抑制后續(xù)連續(xù)換相失敗的低壓限流控制法（Voltage Dependent Current Order Limit，VDCOL）兩種[9-12]。

2.1.1 換相失敗預(yù)測(cè)控制

換相失敗預(yù)測(cè)控制是通過(guò)檢測(cè)某些狀態(tài)量的變化來(lái)判斷是否將要發(fā)生換相失敗，在發(fā)生換相失敗前，通過(guò)減小觸發(fā)角來(lái)增大換相裕度，從而降低發(fā)生換相失敗概率。換相失敗預(yù)測(cè)控制是抑制首次換相失敗極其有效的控制方法。根據(jù)換相失敗機(jī)理可知，關(guān)斷角是影響換相失敗是否發(fā)生的最直接狀態(tài)量。但關(guān)斷角很難被準(zhǔn)確檢測(cè)，因此需要通過(guò)檢測(cè)其他影響關(guān)斷角的參數(shù)來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生換相失敗。換相失敗預(yù)測(cè)控制原理如圖4所示。

圖4 換相失敗預(yù)測(cè)控制原理Fig.4 Predictive control principles for commutation failure

從圖4 可以看出，換相失敗預(yù)測(cè)控制由單相故障檢測(cè)和三相故障檢測(cè)兩部分組成，當(dāng)三相瞬時(shí)電壓uU、uV、uW相加所得的零序電壓分量（a1）大于設(shè)定的單相故障閾值VDIFF（b1）時(shí)，檢測(cè)發(fā)生了單相故障，輸出相應(yīng)觸發(fā)角αCF；當(dāng)三相瞬時(shí)電壓通過(guò)坐標(biāo)變換得到的電壓uαβ（a2）大于設(shè)定的三相故障閾值VABZ（b2）時(shí)，檢測(cè)發(fā)生了三相故障，輸出相應(yīng)觸發(fā)角αCF。

文獻(xiàn)[13]根據(jù)逆變器交流母線的串聯(lián)阻抗故障前后的差異來(lái)判斷故障的嚴(yán)重程度，從而改變晶閘管的觸發(fā)角，以保證有足夠的換相裕度。文獻(xiàn)[11]指出，如果過(guò)度調(diào)整晶閘管觸發(fā)角可能會(huì)導(dǎo)致后續(xù)更為嚴(yán)重的換相失敗。文獻(xiàn)[14]從換相面積角度考慮了換相失敗預(yù)防控制，提出了計(jì)算換相失敗概率的方法。但換相失敗預(yù)測(cè)控制模塊的應(yīng)用也會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題，其中比較突出的問(wèn)題有兩個(gè)：一是引入換相失敗預(yù)測(cè)模塊會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)逆變側(cè)的無(wú)功需求增加，從而影響電壓的穩(wěn)定性；二是常規(guī)預(yù)測(cè)模塊使用的判據(jù)在交流電壓過(guò)零點(diǎn)的故障中存在啟動(dòng)慢的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行特高壓直流仿真建模，揭示了使用換相失敗預(yù)測(cè)控制的直流輸電系統(tǒng)中逆變站的非線性無(wú)功軌跡特性，針對(duì)預(yù)測(cè)控制模塊導(dǎo)致的無(wú)功需求增加，影響電壓穩(wěn)定性的問(wèn)題，提出了預(yù)測(cè)參數(shù)的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[16]提出了基于波形相似度檢測(cè)的換相失敗預(yù)測(cè)控制改進(jìn)方法，可以很好地提高預(yù)測(cè)模塊的靈敏度，消除故障合閘角對(duì)預(yù)測(cè)模塊的影響。

2.1.2 低壓限流控制

低壓限流控制是高壓直流輸電系統(tǒng)控制的重要組成部分，在預(yù)防高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗及切除故障后的恢復(fù)方面發(fā)揮著極其重要的作用。在實(shí)際工程和仿真研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切除交流故障后，很容易引起換相失敗，許多學(xué)者認(rèn)為這是由于電流恢復(fù)速度過(guò)快造成的，且后續(xù)發(fā)生的換相失敗會(huì)降低系統(tǒng)切除故障后的恢復(fù)能力，嚴(yán)重情況下會(huì)造成直流閉鎖。

文獻(xiàn)[17]指出，早期直流輸電工程大多僅采用直流低壓限流控制（DC-VDCOL），該方法可以通過(guò)直流電流指令反映直流電壓的變化，能夠降低直流故障后發(fā)生換相失敗的可能性，但對(duì)逆變側(cè)交流電壓波動(dòng)的情況反應(yīng)不夠迅速，當(dāng)有多饋入直流輸電系統(tǒng)互聯(lián)的電網(wǎng)及多個(gè)逆變站的電器距離較近時(shí)，若只采用DC-VDCOL控制器，可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此交流低壓限流控制器（AC-VDCOL）開(kāi)始應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)，用于提高交流系統(tǒng)的性能，其原理是用實(shí)際檢測(cè)到的交流換相電壓來(lái)限制直流電流指令，能有效地改善交流故障后換流站附近的交流電壓和直流功率的快速恢復(fù)。

根據(jù)低壓限流法的特性曲線及公式（2）、（3）可以看出，VDCOL控制器在抑制后續(xù)換相失敗及加快系統(tǒng)恢復(fù)速度方面有著很好的效果。常規(guī)的VDCOL 特性曲線如圖5 所示。VDCOL 控制原理圖如圖6所示。

圖5 VDCOL靜態(tài)特性曲線Fig.5 Static characteristics of VDCOL

圖6 VDCOL控制原理Fig.6 Control principles of VDCOL

文獻(xiàn)[18]將VDCOL和熄弧角控制結(jié)合起來(lái)組成協(xié)調(diào)控制恢復(fù)策略，并對(duì)熄弧角控制器和VDCOL進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。針對(duì)熄弧角控制器之前采用定值控制的適應(yīng)性較差的缺點(diǎn)，改進(jìn)為在穩(wěn)態(tài)期間熄弧角控制器增益取較小值來(lái)獲得控制穩(wěn)定性，暫態(tài)期間取較大值，以避免后續(xù)換相失敗的發(fā)生。VDCOL增加了延時(shí)環(huán)節(jié)和最小選擇單元，并采用優(yōu)化算法對(duì)兩處改進(jìn)進(jìn)行了優(yōu)化。

文獻(xiàn)[19]通過(guò)仿真形式分析總結(jié)了VDCOL控制對(duì)無(wú)功超調(diào)量大小的影響規(guī)律。針對(duì)常規(guī)VDCOL控制器不能對(duì)低電壓時(shí)的電流進(jìn)行有效限制的問(wèn)題，文獻(xiàn)[20]提出了一種基于模糊控制的變斜率VDCOL 控制器，利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)來(lái)克服建立換相失敗精確數(shù)學(xué)模型的困難，具有魯棒性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)迅速、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法可以抑制后續(xù)換相失敗，減小系統(tǒng)電氣量的振蕩，加快系統(tǒng)恢復(fù)速度，但該控制器的使用范圍還需進(jìn)一步研究拓展，且未考慮故障被切除瞬間電壓突變帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[21]總結(jié)了切除交流故障時(shí)引起換相失敗的機(jī)理及影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上根據(jù)換相面積評(píng)估計(jì)算結(jié)果對(duì)VDCOL 控制器進(jìn)行了改進(jìn)，仿真表明可以有效抑制故障切除時(shí)的換相失敗風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 增加額外組件或設(shè)備

2.2.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置

一些學(xué)者提出通過(guò)增加額外組件或設(shè)備來(lái)改善后續(xù)換相失敗的免疫能力，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、同步調(diào)相機(jī)等[22-26]。采用無(wú)功補(bǔ)償裝置可以增大直流輸電系統(tǒng)的有效短路比，降低系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)反應(yīng)的靈敏度，有效維持穩(wěn)態(tài)電壓[27]，是抑制換相失敗的重要措施之一。無(wú)功補(bǔ)償裝置抑制換相失敗控制流程圖如圖7所示。

圖7 無(wú)功補(bǔ)償裝置抑制換相失敗控制流程圖Fig.7 Control flowchart of reactive power compensation device suppressing commutation failure

電容器作為常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，需根據(jù)交流系統(tǒng)的不同情況進(jìn)行選擇，當(dāng)有效短路比大于5時(shí)，可全部使用電容器提供無(wú)功補(bǔ)償；當(dāng)有效短路比為3～5 時(shí)，電容器容量可占無(wú)功補(bǔ)償容量的40%～70%；當(dāng)有效短路比小于3時(shí)，電容器容量?jī)H占無(wú)功補(bǔ)償容量的20%～30%。

自二十世紀(jì)八十年代初開(kāi)始至今，SVC 以其有功損耗小、維護(hù)工作量少、可靠性高、無(wú)慣性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在抑制換相失敗應(yīng)用方面取得了很好的發(fā)展。但由于受端系統(tǒng)交流母線電壓越低越需要更多的無(wú)功功率，而SVC本質(zhì)上是依靠電容器產(chǎn)生無(wú)功功率，存在電壓越低提供感性無(wú)功功率越少的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[28]提出了一種采用實(shí)時(shí)信號(hào)調(diào)制的SVC綜合非線性控制器，進(jìn)行交直流混合系統(tǒng)的仿真，該控制方法可以穩(wěn)定支撐動(dòng)態(tài)電壓，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻尼增大，且控制方法復(fù)雜。文獻(xiàn)[29]針對(duì)在換相失敗故障期間出現(xiàn)電壓反調(diào)現(xiàn)象（送端換流母線電壓出現(xiàn)極快的先低后高變化）和選型裕度過(guò)大、經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題，提出了一種SVC 優(yōu)化定容設(shè)計(jì)的控制策略。目前國(guó)際許多實(shí)際工程安裝SVC用于與直流協(xié)調(diào)配合，如挪威至丹麥的海峽直流工程、美國(guó)跨山電力直流工程以及中俄直流背靠背物聯(lián)網(wǎng)工程等[30]。

與SVC 相比，STATCOM 在調(diào)節(jié)上更加靈活，且具有諧波小、運(yùn)行范圍寬、調(diào)節(jié)速度快、損耗小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[25]。文獻(xiàn)[25]通過(guò)研究STATCOM與單饋入直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，證明了STATCOM能夠?qū)o(wú)功快速控制，從而穩(wěn)定直流輸電系統(tǒng)交流母線的電壓。文獻(xiàn)[31]建立了含有STATCOM 的雙饋入直流系統(tǒng)模型，并證明在雙饋入直流輸電系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)逆變站交流母線上接入STATCOM，能夠提高系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。STATCOM 在大容量直流換流站也得到了廣泛應(yīng)用，如國(guó)內(nèi)第一條省內(nèi)直流輸電工程（±500 kV 永仁—富寧直流工程）[32]。

在系統(tǒng)故障不嚴(yán)重情況下，同步調(diào)相機(jī)和STATCOM對(duì)電壓的恢復(fù)能力基本相同，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，同步調(diào)相機(jī)對(duì)電壓的恢復(fù)能力與STATCOM相比有明顯的提升，能夠顯著提高直流輸電系統(tǒng)抑制換相失敗的能力。同步調(diào)相機(jī)在國(guó)內(nèi)外許多高壓直流輸電工程中都得到了應(yīng)用[33-34]。

2.2.2 電壓源換流器

電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）最早是加拿大Boon-Teck Ooi 等人在1990 年提出，其由可控關(guān)斷器件組成，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制，不存在換相失敗的問(wèn)題，且比LCC 控制靈活。但隨著電壓等級(jí)的增大和傳輸容量的提升，換流器的損耗也增大，且存在電磁干擾等問(wèn)題。

基于VSC 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，一些學(xué)者提出了VSC+LCC 的混合直流輸電系統(tǒng)[35]，這種輸電系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)LCC 的不足，發(fā)揮LCC 和VSC 的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)VSCLCC 控制，減少甚至避免LCC 換相失敗的發(fā)生。目前主要有并聯(lián)混合多饋入直流輸電系統(tǒng)、一端LCC一端VSC的混合直流輸電系統(tǒng)、混合多端直流輸電系統(tǒng)、一端由LCC和VSC串聯(lián)組成的混合直流輸電系統(tǒng)等典型拓?fù)?。但VSC+LCC 的設(shè)備成本遠(yuǎn)高于基于LCC換流技術(shù)的設(shè)備成本，且混合換流的協(xié)調(diào)控制技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究[36-37]。

2.3 局部改造換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)LCC 拓?fù)溥M(jìn)行局部改造，可以實(shí)現(xiàn)LCC 的強(qiáng)迫換流，如早期的電容換相換流器（Capacitor Commutated Converter，CCC）[38]、采用晶閘管的可控串聯(lián)電容換相換流器（Controlled Series Capacitor Converter，CSCC）[39]。由于LCC 采用的晶閘管為半控型功率器件，缺乏自關(guān)斷能力，晶閘管的關(guān)斷需要電網(wǎng)提供一定時(shí)間和幅值的反向電壓，CCC、CSCC 及可控子模塊輔助換向器都是利用這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。從器件層面上看，晶閘管的關(guān)斷是由于導(dǎo)通電流小于晶閘管的維持電流。根據(jù)這一原理，可以將晶閘管的導(dǎo)通電流降低至維持其導(dǎo)通的最小電流以下，則可以實(shí)現(xiàn)晶閘管的可靠關(guān)斷。

2.3.1 利用可控子模塊實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相

電容換相換流器是換流器拓?fù)涞母脑旆椒ㄖ凶钍軞g迎的一種[40]，它屬于強(qiáng)迫換相換流器，能夠在更高的功率因數(shù)下工作，換相失敗概率更低，但不能完全避免換相失敗，會(huì)導(dǎo)致晶閘管的電壓應(yīng)力增加[41]。文獻(xiàn)[42]在傳統(tǒng)CCC 基礎(chǔ)上提出了一種采用插入動(dòng)態(tài)串聯(lián)電容模塊來(lái)增加有效的換相電壓，通過(guò)RTDS 仿真驗(yàn)證，在零阻抗單相和三相接地故障情況下，即使缺乏交流換相電壓也能實(shí)現(xiàn)成功換相。且該系統(tǒng)在單相故障下仍能傳輸一定量的功率，在三相故障下也能實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。文獻(xiàn)[43-44]提出了在換流橋的閥臂上串接一種完全可控的子模塊，這種模塊化的換流器拓?fù)錇橐种茡Q相失敗提供了新的思路，且電壓控制更為靈活。兩種方案的區(qū)別在于：文獻(xiàn)[43]串入的是完全可控的IGBT 子模塊，文獻(xiàn)[44]采用的是基于晶閘管的可控子模塊。通過(guò)串接可控子模塊可以提供額外的換相電壓，增加伏秒換相面積，尤其在交流故障下，抑制換相失敗的能力比LCC-HVDC更強(qiáng)，且在合適的控制策略下，也能精確控制子模塊的電容電壓，使子模塊的電壓、電流應(yīng)力都在可接受的范圍內(nèi)。

串接可控子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。這種通過(guò)串接可控子模塊來(lái)抑制換相失敗的方法也同樣存在許多困難和問(wèn)題，首先在換流橋上串接可控子模塊使得拓?fù)鋸?fù)雜，工程改造應(yīng)用難度有所上升；其次使用全控型器件IGBT雖使模塊可控性提高，但通流能力和對(duì)暫態(tài)沖擊能力都與晶閘管有所差別，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)存在器件匹配的困難，而可控子模塊雖使用的是晶閘管導(dǎo)致可控性較弱，但在器件匹配問(wèn)題上相對(duì)容易；最后，引入可控子模塊必然會(huì)造成系統(tǒng)整體控制的復(fù)雜度上升和工程造價(jià)提升，其工程實(shí)用性還需進(jìn)一步探討。

圖8 串接可控子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topology diagram of connecting controllable submodules

2.3.2 基于多電平諧波注入技術(shù)的換相失敗抑制方法

借鑒多電平諧波注入理論，并利用這一理論衍生出的多電平電流源型換流器級(jí)聯(lián)拓?fù)鋄45-47]，級(jí)聯(lián)拓?fù)渲械那凹?jí)使用晶閘管三相十二脈動(dòng)全橋，后級(jí)采用由逆阻型全控器件和支路電抗器組成的多電平注入單元，采用晶閘管與多電平電分配單元的協(xié)調(diào)控制方法，利用多電平電流分配單元為三相十二脈動(dòng)全橋的晶閘管提供周期性電流過(guò)零點(diǎn)，晶閘管在電流過(guò)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相，而不再依賴(lài)于電網(wǎng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的有效抑制。注入式多電平電流源型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 注入式多電平電流源型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.9 Topology of injection multilevel current source converter

以直流母線電流為參考基準(zhǔn)，一個(gè)電源周波的標(biāo)幺值理論電流波形如圖10 所示（7 電平）。由圖10可以看出，IY和ID均為脈動(dòng)7電平階梯波，每個(gè)電源周期具有6 個(gè)電流過(guò)零區(qū)間，各組六脈動(dòng)換流器的晶閘管在各自對(duì)應(yīng)的6個(gè)電流過(guò)零區(qū)間換相。通過(guò)級(jí)聯(lián)多電平電流分配電路與晶閘管換相橋的協(xié)調(diào)控制，可以解決晶閘管的換相失敗問(wèn)題。與傳統(tǒng)十二脈動(dòng)換流器相比，晶閘管三相橋在零電流下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相，其開(kāi)關(guān)損耗有所降低。

圖10 理論電流波形Fig.10 Theoretical current waveform diagram

3 亟待研究的問(wèn)題

當(dāng)前在高壓直流輸電系統(tǒng)中抑制換相失敗的方法和策略取得了一系列有價(jià)值的成果，但仍然存在許多問(wèn)題亟待研究。

3.1 構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型

由于交直流輸電系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、非線性特性，因此建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型十分困難。而基于電磁暫態(tài)的LCC 仿真模型研究雖然可以很詳細(xì)地描述換相失敗現(xiàn)象，但隨著柔性電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓大電流交直流混聯(lián)電網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，仿真的計(jì)算速度和規(guī)模難以很好地研究這類(lèi)系統(tǒng)的換相失敗問(wèn)題。因此需要構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步推進(jìn)抑制換相失敗的研究。

3.2 降低工程應(yīng)用難度

目前有許多有效的抑制換相失敗措施，但一些措施是以犧牲直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行性能來(lái)降低換相失敗發(fā)生的概率，如帶來(lái)無(wú)功需求的增加。而另一些措施如增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和部分拓?fù)涓脑欤瑫?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧波復(fù)雜，需重新設(shè)計(jì)濾波裝置，使得工程造價(jià)增加和工程應(yīng)用的難度上升。

3.3 精確換相失敗判據(jù)

就換相失敗判據(jù)而言，最直接反映是否發(fā)生換相失敗的參數(shù)為關(guān)斷角。由于關(guān)斷角無(wú)法被準(zhǔn)確測(cè)量，只能通過(guò)檢測(cè)其他參數(shù)來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生換相失敗，這就使得不復(fù)雜系統(tǒng)（如單饋入直流輸電系統(tǒng)）的判據(jù)研究較為詳盡，而復(fù)雜系統(tǒng)（如多饋入直流輸電系統(tǒng)）存在多個(gè)逆變器之間的相互影響，導(dǎo)致同時(shí)或相繼的換相失敗判據(jù)還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

在抑制換相失敗的方法與措施上，換相失敗的預(yù)測(cè)控制是基礎(chǔ)，一個(gè)準(zhǔn)確的換相失敗判據(jù)對(duì)降低換相失敗發(fā)生的概率極其重要。無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備能夠極其有效地抑制后續(xù)換相失敗的發(fā)生，是穩(wěn)定交流母線電壓的重要措施之一；對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改造可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相，大大降低換相失敗的發(fā)生概率，未來(lái)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改造重中之重是既能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以降低工程造價(jià)和匹配難度，使其能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際工程。