基于可控关断电流源换流器的直流输电控制策略

2022-02-02周晓风李卓凡吴庆范

湖北电力 2022年5期

崔晨，周晓风，李卓凡，肖繁，吴庆范

（1.许继集团有限公司，河南许昌 461000；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉 430077）

0 引言

围绕2030 年“碳达峰”、2060 年“碳中和”目标，我国正在加速构建清洁能源的循环利用体系。特高压直流输电工程为新能源的高效利用起到了重要作用，对促进中国的“30·60”目标有重大积极意义。

目前，高压直流输电主要是基于晶闸管电网换相换流阀（Line Commutated Converter，LCC），但LCC换流阀有换相失败固有缺陷［1-3］。IGBT 电压源型换流阀（Voltage Source Converter，VSC）解决了受端换相失败问题，目前国内建成了多条柔性直流输电系统及混合直流输电系统，但是现有IGBT器件过流和过压能力较差，不适应大规模能源送出场景［4-9］。

基于以上问题，国内外对可控关断电流源型换流阀（Current Source Converter，CSC）做了大量研究。文献［10］-文献［11］提出一种基于主动换相换流器的混合直流输电系统，整流侧采用传统LCC，逆变侧采用基于全控型器件的PWM-CSC，并推导了PWM-CSC 在d/q 旋转坐标系中的低频和稳态数学模型。文献［12］-文献［14］利用特征谐波消除调制算法构建了混合直流输电系统，对PWM电流源型换流器的控制策略及交直流故障穿越等问题进行了研究。

上述文献均是基于PWM 电流源型换流器进行的研究，用于高压直流输电时PWM电流源型换流器关断需要较大的驱动功率，运行损耗大，同时对工程上换流阀驱动信号取能和冷却系统设计带来诸多挑战，其技术经济性不具备优势［15-17］。本文充分结合传统LCC和可控关断电流源型换流器的优点，提出一种基于可控关断电网换相换流阀的混合直流输电系统及其控制策略。

1 可控关断电流源型换流阀原理

1.1 全控型功率器件工程适用性分析

用于可控关断电流源型换流阀的全控型功率器件除具备正反向阻断能力外，还应耐过压及过流。在现有全控型功率器件中，IGBT/IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）、IGCT 串联大功率二极管或具有反向阻断能力的IGCT是较好的选择。

IGBT/IEGT 器件串联一直是较难突破的工程瓶颈问题，并且IGBT 通流能力及过流能力还远不及晶闸管。另外，由于IGBT 与二极管开关特性的不一致，两者直接串联构成的换流阀在工程设计中存在静动态均压困难的问题［18］。

IGCT具有大电流、高阻断电压、低通态压降，同时还具有高可靠性、高开关速度等优点［19-20］。根据器件封装不同，IGCT主要分为非对称型、逆导型和逆阻型。其中，非对称和逆导型主要用于VSC场景，逆阻型则用于CSC场合。

相比器件外部串联二极管，逆阻型IGCT避免了换流阀工程设计中器件特性不一致带来的均压难问题。另外，国内已研发出逆阻型IGCT 器件，其断态重复峰值电压达到4.5 kV，最大可关断电流达到6 kA，这为CSC 技术的发展提供了有利支撑［21-23］。因此，逆阻型IGCT是构成可控关断电流源型换流阀的理想器件。

1.2 可控关断电流源型换流阀运行约束及拓扑

目前，可控关断电流源型换流器主要应用于交流传动等中低压场合［24-26］，控制方式多基于PWM。

PWM 电流源型换流器开关状态需满足以下运行约束：任意时刻（除去换相时）都只有两组功率器件导通，上桥臂一组，下桥臂一组。公式（1）给出了具体的运行约束条件。

式（1）中：Sap、Sbp、Scp分别为A/B/C三相上桥臂的开关状态，1为开通，0为关断；San、Sbn、Scn为A/B/C三相下桥臂的开关状态。

因此，电流源型换流器每一相桥臂有4 种开关状态：①下桥臂开通上桥臂关断；②下桥臂关断上桥臂开通；③上下桥臂均开通；④上下桥臂均关断［27］。构建三值逻辑开关函数Sj，可表示为：

显然，LCC 换流阀也满足上述运行约束，是PWM电流源型换流器在工频调制工况下的特例。LCC换流阀可以视作是PWM 电流源型换流器在工频调制工况下的特例［28］。

因此，对于长距离、大容量特高压直流输电应用场合，可将LCC与可控关断功率器件相结合，形成一种可控关断电网换相换流阀，拓扑结构如图1所示。图1中红框标注为交流故障穿越所需的第四桥臂，即：旁通阀支路。

图1 基于IGCT的可控关断电网换相换流阀拓扑Fig.1 Circuit topology of controllable switching-off LCC based on IGCT

正常情况下，可控关断LCC 关断的显著特征为流过功率器件的电流几乎为零，开关频率为50 Hz，明显区别于PWM 电流源型换流阀的中高频大电流开断。故障情况下，如发生逆变侧交流低电压，通过关断信号调制，在桥臂承受反向电压结束时刻强制关断，可以避免换流阀无法关断导致的换相失败问题；如发生交流侧非对称性故障或严重的三相接地故障情况时，长时间的强制换相会引起的直流电压振荡及阀侧过电压问题，导致避雷器甚至换流阀损坏，因此采用投入旁通桥臂避免该现象。

可控关断LCC可以利用全控器件的自关断特性解决直流输电受端换流阀换相失败问题，避免了PWM电流源型换流阀中高开关频率调制带来的运行损耗以及相应的复杂控制策略。同时，用于在运特高压直流换流站升级改造时也可以充分利用已有设备（如交流滤波器组、换流变、直流场设备等），仅需替换LCC 换流阀，具有较好的技术经济性。

该拓扑下换流阀脉冲触发方式将不同于PWM，本文提出一种面向可控关断LCC的改进相移触发控制方法。该方式下换流阀拥有与LCC相同的开通和线电压强迫换相过程，同时，还拥有不同于LCC的可控关断特性。

2 可控关断LCC直流输电触发及故障控制策略

2.1 可控关断LCC同步触发控制策略

可控关断LCC开通及电网线电压强迫换相过程与LCC 完全一致，其关断控制的核心问题就是如何确定关断脉冲触发时刻。

对于LCC，由直流输电基本原理可知：触发角、换相角与熄弧角之和为180°［29］。

第一种方法：已知触发角α和换相角μ，求取α+μ之和，即为关断脉冲所对应的电角度。

换相角计算如式（3）所示。

式（3）中：dxN为额定相对感性压降，Id和IdN分别为直流电流实际值和额定值，Udi0和Udi0N分别为理想空载直流电压实际值和额定值。

对于LCC，最小关断角要足够大，应使换流阀有足够长的时间处于反向电压作用下，以保证退出导通的桥臂能完全恢复阻断能力。显然，对于可控关断LCC，在每个导通周期内，可将换流阀桥臂重新承受正向电压时刻作为关断脉冲的最后触发时刻，LCC 最小关断角概念同样适用于可控关断LCC。

第二种方法：已知换流阀可控关断角参考值γcs，间接得到关断脉冲对应电角度。

以上2 种方法均能得到换流阀关断脉冲触发信号，但后者无需实时求解换相角，仅需简单的比较算法，工程实现更具优势。其中，PLL采用文献［30］中并联延迟信号消去算法。

本文提出一种基于非全周逆向锁相环的可控关断触发脉冲信号生成策略，如图2所示。

图2 非全周逆向锁相环关断控制Fig.2 Switching-off control of non-full cycle reverse PLL

这里，以可控关断LCC 接入50 Hz 交流系统中A相1 号阀为例。如图2 所示，θ为基于A/C 线电压的锁相环相位，构造非全周逆向锁相环相位θ′= 300 -θ，“ON”“OFF”分别为换流阀的触发脉冲开通和关断时刻。开关触发脉冲电平信号应满足如下逻辑表达式：

FP=TRUE∧(θ≥α) ∧((300 -θ) ≥γcs) （4）式（4）中：FP为触发脉冲电平信号，γcs为换流阀可控关断角参考值。

A相1号阀触发脉冲依次滞后60°便可以得到2号阀至6号阀的触发脉冲。

在给定γcs为1°，α为150°时，对以上可控关断策略进行仿真验证，结果如图3所示。

图3 非全周逆向锁相环关断控制仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of non-full cycle reverse PLL switching-off control

由图3可知，在某相桥臂承受正向电压后，根据正向锁相环信息，触发角与θ比较后得到触发脉冲的开通时刻。此后，桥臂在交流线电压作用下完成强迫换相，换相结束后被换相的桥臂电流到零。最后，判断非全相逆向锁相环值小于γcs时，触发脉冲关断时刻产生。

相较于LCC，由于采用了可控关断器件，可控关断LCC 增加了关断触发脉冲信号，触发脉冲的改变必然导致阀控单元与极控系统之间接口信号的改动［31］，如图4虚线所示，需增加可控关断使能信号。

图4 极控系统与阀控单元之间接口信号Fig.4 Interface signal between pole control system and valve control unit

2.2 直流稳态控制策略及故障穿越

混合直流输电整流侧采用LCC可以充分利用LCC技术成熟、投资成本低等优点，逆变侧采用可控关断LCC可避免交流故障引起的换相失败。

不同于VSC 构成的混合直流输电系统，常规LCC直流工程的电流/电压裕度控制仍适用于可控关断LCC 混合直流，即：较高直流电流指令站整流运行，较低直流电流指令站逆变运行。

根据逆变侧熄弧角控制方式的不同，控制策略主要分两种路线，路线I 逆变侧角度控制选择定修正关断角控制器输出，分接头控制整流侧直流电压在额定值范围内；路线II 逆变侧角度控制选择定直流电压控制器输出，分接头控制关断角在一定范围内，两种基本控制策略区别如表1所示。

表1 直流输电基本控制策略Table 1 HVDC basic control strategy

LCC熄弧角可观但不可控，然而，由于采用了全控型器件，可控关断LCC关断角既可观又可控，存在触发角和可控关断角两个自由度。

本文基于路线II提出改进的混合直流稳态控制策略，将逆变侧熄弧角闭环控制器改为基于可控关断角的最大触发角限幅器，如式（5）所示。

式（5）中，γCS为熄弧角参考值；Udi0I为逆变侧理想空载直流电压；Udi0NI为逆变侧额定空载直流电压；dxI为逆变侧相对感性压降；drI为逆变侧相对阻性压降；Id为实际直流电流；IdN为额定直流电流。

图5给出了整个混合直流系统整流与逆变侧的稳态控制框图。

图5 混合直流输电稳态控制策略Fig.5 Steady-state control strategy for hybrid HVDC

混合直流输电系统解锁及直流线路故障再起动过程，与常规LCC直流完全一致。对于受端交流故障，不同于LCC，可以利用可控关断LCC 的可控关断特性和旁通支路完成交流故障穿越。

首先，对于交流低电压故障，依靠换流阀关断特性完成故障穿越；其次，当交流系统发生非对称故障时，可控关断LCC换流阀在故障相换相时的大电流关断会造成严重的阀侧过电压及直流电压大幅振荡，需要投入旁通桥臂配合完成故障穿越过程。具体地，受端交流故障时需根据故障程度采取不同的控制策略，判据如下：

1）当交流电压幅值小于定值1 时，可控关断LCC换流阀可控关断信号使能，阀控单元根据极控触发脉冲向器件发送主动关断信号。该策略主要针对交流低电压等三相对称性故障。

2）当零序交流电压大于定值2或交流电网幅值小于定值3 时，旁通桥臂投入信号使能。该策略主要用于单相或多相不对称交流故障。

根据可控关断LCC 换流阀关断特性，取定值1 为0.9 p.u，保证交流低电压时逆变侧不发生换相失败，可以保证功率传输；取定值2 和定值3 分别为0.15 p.u 和0.3 p.u，判定交流系统发送非对称故障或交流系统严重故障，投入旁通桥臂。

3 硬件在环仿真验证

基于RTDS搭建混合直流输电系统两站换流阀及一次主电路模型，整流侧为晶闸管换流阀，逆变侧为可控关断电流源换流阀，直流系统拓扑结构如图6所示。

图6 混合直流输电稳态控制策略Fig.6 Steady-state control strategy for hybrid HVDC

直流控制保护系统采用实物控制器，通过半实物仿真对本文提出的混合直流输电触发策略、控制策略的有效性及故障穿越能力进行验证，其中，一次主电路参数如表2所示。

表2 混合直流输电系统主电路参数Table 2 Main circuit parameters of hybrid HVDC system

3.1 算例1：直流线路故障及重起动仿真

试验条件：混合直流输电系统极I 1 500 MW 功率运行，设置极I 直流线路中点接地故障，接地电阻 0.1 Ω，持续时间0.1 s。

试验分析：如图7所示，在0.05 s时刻发生故障，直流线路保护（行波、突变量）动作，直流系统进入直流线路重启动时序，整流侧进行再启动强制移相触发角先移相到120°再移相到160°，直流线路经过一定时间去游离清除瞬时性故障后，整流侧直流电流控制器使能，重新建立起直流电压和电流，直流系统恢复功率传输。

图7 整流侧直流线路重启过程Fig.7 DC line fault recovery process

3.2 算例2：逆变侧单相接地故障仿真

试验条件：混合直流输电系统极I 1 500 MW 功率运行，设置极I 逆变侧交流A 相接地故障，接地电阻0.1 Ω，持续时间0.1 s。

试验分析：如图8 所示，在0.05 s 时刻发生逆变侧单相接地故障，逆变侧控制系统零序交流故障检测判据满足定值动作，为避免阀侧过电压及直流电压振荡，触发逆变侧投入旁通桥臂。整流侧检测到直流低电压后，低压限流功能启动限制故障直流电流；逆变侧检测判断直流电流到零且交流故障消失后撤销投入旁通对操作，直流系统进入正常恢复阶段，最后重新建立起直流电压和电流。

图8 交流单相接地故障波形Fig.8 AC single-phase grounding fault waveform

3.3 算例3：逆变侧交流低电压故障仿真

试验条件：混合直流输电系统极I 1 500 MW 功率运行，设置极I 逆变侧交流低电压故障，交流低电压0.7 p.u.，持续时间0.1 s。

试验分析：如图9 所示，在0.05 s 时刻发生逆变侧交流低电压至0.7 p.u.，逆变侧控制器向可控关断换流阀发送关断脉冲信号，换流阀进行强制换相，确保不发生换相失败导致直流断续；由于三相对称故障的强制换相不会引起直流电压的大幅震荡，因此逆变侧控制逻辑不触发投旁通桥臂指令。故障期间直流电压降低，直流电流波动，但由于换流阀的可控关断特性，有效地抵御逆变侧换相失败，保证换流阀正常换相，直流系统仍可进行功率传输，功率缺额最高为30%，相较于逆变侧晶闸管换流阀换相失败导致的功率缺额大幅减小，提升了交流系统的暂态稳定性。