特高压直流输电工程逆变侧控制策略优化设计

和提升量对换相失败的影响，并在现有逆变侧控制策略的基础上，提出一种预防换相失败的控制器，通过引入熄弧 角测量值，实现熄弧角闭环控制，从而保证换相裕度，避免换相失败。在实时数字仿真系统(RTDS)中进行了试验

验证，结果表明，所提策略可解决特高压直流大幅提升功率时的换相失败问题。关键词：直流输电；弱交流系统；紧急提升;换相失败;定熄弧角控制中图分类号:TM721.1

文献标志码:A 文章编号:2096-3203 (2021) 01-0208-070引言特高压直流输电具有输送功率大、启动和调速 快、可控性强等优点,对有功功率输送和无功功率

时，交流电压的变化不一定能达到预测换相失败控 制的启动定值，因此不能解决直流功率大幅提升时 逆变侧发生换相失败的问题。文中分析了直流功率大幅提升的执行过程、发

消耗均有灵活的能力，可用于快速改善交流系 生换相失败的原因及交流系统强度和提升量对换

统的运行特性⑴。特高压直流输电在远距离输电、 跨区电网互联中得到了广泛应用，已经成为电网中 的一个重要组成部分,是影响电网安全稳定运行一

相失败的影响。之后,在现有工程应用的逆变侧修 正定熄弧角控制器的基础上，提出一种预防换相失

败的控制器，将熄弧角测量值引入控制器,实现闭 环控制，进而保证换相裕度，避免发生换相失败。

个重要因素⑵。送端电网与受端电网间采用多回直流相连，在

最后,在实时数字仿真系统(real time digital simula­

tion system,RTDS)中验证了所提策略的有效性。一回直流故障时，通过提升其他直流实现功率紧急

支援。在受端电网相对较弱的情况下，当需要大幅 提升直流功率时，若采用传统的逆变侧定熄弧角控 制策略，会出现换相失败的情况，这是由于大幅提 升直流需要消耗大量的无功,对交流系统来说是一

1美丽山II期直流所接入的交流电网以巴西美丽山II期宜流为研究对象，如图1所 示,巴西美丽山直流输电工程包含两回±800 kV双

个大的扰动。在交流系统出现大的扰动时，传统的 逆变侧定熄弧角控制策略输出的触发角较发生扰 动之前增大，从而使熄弧角实际值远小于熄弧角参 考值，换相裕度减小,进而极易导致换流器发生换

极双落点直流。第一回(美丽山I回)北部起于欣 古换流站,南部止于埃斯特雷多换流站，输电距离

为2 084 km,已于2018年建成。第二回(美丽山II

回)北部起于欣古换流站，止于巴西东南部里约换

相失败文献[3]在发生大的暂态扰动时，采

流站，输电距离为2 542 km,已于2019年建成。每 回直流输送容量均为4 000 MW,宜流额定电流为均

2 500 A[8-14] 0两回直流运行时,功率互相支援，在

用自适应的增益调整，但是需要精确的物理模型。 文献[4]在判断出现大的扰动时，采用改进的逆变

侧最大触发延迟角控制策略，在某些大扰动情况下

一回直流故障导致功率损失时，提升另一回直流。具有优势,但需要准确的扰动判据。为避免发生换相失败，直流控制系统配置了预

与宜流系统互连的交流系统有强弱之分，系统

越强则越稳定。有效短路比Kescr是衡量交流系统 强弱的重要指标,其计算如下：测换相失败控制功能。该功能主要用于防止由交

流故障引起的换相失败，当交流系统出现大的扰动

收稿日期：2020-08-02；修回 0 期：2020-08-25

K =交流系统短路容量_无功补偿 n、ESCR_ 直流系统额定功率 (丿基金项目：国家电网有限公司总部科技项目(SGJSJYOOJCJS-

一般认为,Kescr>3时为强系统,Kescr e [2,3] 时为弱系统,Kescr<2时为极弱系统少—闵。1800115)209李林等:特高压直流输电工程逆变侧控制策略优化设计图1美丽山II期直流所接入的交流电网Fig.1 AC power grid which Belo Monte ||HVDC connect巴西美丽山II期直流里约侧交流系统短路容 量为17 834 - 54 559 MV-A,无功补偿的容量为

2 700 Mvar,根据式（1）,可以计算出KESCR为3.7 ~ 12.9,如考虑宜流1.5 p.u.,过负荷能力,此时的Kescr

为2.5~&6。因此,在交流系统最小运行方式下，存 在相对较弱交流系统运行方式。2大幅提升直流时发生换相失败的问题及

原因分析2.1问题描述美丽山两回直流运行时,功率互相支援，在一

回宜流故障导致功率损失时，提升另一回宜流。通 过RTDS试验发现，采用欣古侧短路容量为42 166

MV・A,里约侧短路容量为17 834 MV-A（最小短路

容量）的戴维南等效系统，直流双极全压运行，功率

2 600 MW。模拟收到稳控紧急提升量为3 400 MW,提升速率为840 000 MW/min,将直流提升至

6 000 MW（1.5 p.u.）,里约侧出现换相失败。波形

如图2所示。2.2导致换相失败的原因分析当直流电流从一个阀换相到另一个阀时，最新

导通的阀和即将退出导通的阀会同时导通较短的 时间，这段时间即叠弧时间。因为晶闸管为半控元

件，即将退出导通的阀必须承受一定的反向电压, 使得载流子反向恢复后，才能安全关断。因此定义

从叠弧结束到换相电压过零点的剩余的电压-时间 区域为逆变侧的换相裕度，如图3所示。当换相裕

度不足时，退出导通的阀不能关断,从而引起换相 失败纲。图3中,a为延时触发角许为叠弧角;y为熄弧

角。由图3可知，熄弧角大小和交流电压幅值是决 定换相裕度大小的主要因素。功率提升过程如图4所示，逆变侧控制器的工M7W 600o / 00o褂5挥 400 o詹 00 o3摆

00 o

9S vI

6 330w3 165tf0

IW

-3 165A益榛耙

026 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42图2最小短路容量下美丽山II期直流功率由2 600 MW提升至6 000 MW发生换相失败Fig.2 Commutation failure occurs when Belo Monte ||HVDC runup from 2 600 MW to 6 000 MWunder minimum short circuit capacity图3换相裕度的定义Fig.3 Definition of commutation margin作分为3个阶段：（1）第一阶段,整流侧a大于5。, 整流侧依靠调节a控制直流电流，此时，逆变侧定 熄弧角控制器起作用;（2）第二阶段,整流侧a已调

至最低5。,失去控制直流电流的能力，逆变侧定电 流控制器起作用；（3）第三阶段，宜流电流指令上升 已完成，随着直流电流的上升，与电流指令的差小

于电流裕度，逆变侧定熄弧角控制起作用。通过波形可以看出，在第三阶段时，直流电流

指令不变，交流电压减小,直流电流上升，换相过程

变长，而定熄弧角控制器输出基本不变（132。），此

时的叠弧角为35。,进而导致熄弧角减小至13。,交 流电压相电压幅值由314 kV下降至271 kVo根据

上述换相裕度的介绍，熄弧角下降和交流电压大幅 下降两方面的因素导致换相裕度大幅减小，退出导

通的阀没有承受足够的反压，没有关断，从而导致

换相失败。电力工程就术210一电流指令值一电流测量值8 000-；第一；

第二阶段 000第三吟000一；阶段；2 0000130 - }201 in -__ ；Ii_i _____I—_____AMAX_____控制器输出________

鳶«畐醺

la-tf烁叙

0.22 024 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36t/s图4大幅提升过程的3个阶段Fig.4 Three phases in the process of large runup

同时可以看出，在整个功率提升的过程中，由

于直流功率提升了 3 400 MW,提升的幅度较大，无 功消耗增加，导致交流电压下降了约68 kVo2.3交流系统强度的影响欣古侧短路容量不变，仍为42 166 MV・A,里约 侧短路容量由17 834 MV-A改为28 000 MV・A,进 行同样的试验，无换相失败，波形如图5所示。6 o500 o4 o

O

v■ 2Wp

5w

02 02O -tfl“5w-24

C5 5 35 o 25 o 1C

OSC026 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42

t/s图5美丽山II期直流功率由2 600 MW 提升至6 000 MW (增大短路容量)

Fig.5 Belo Monte || HVDC runup from 2 600 MW to 6 000 MW (increase short circuit capacity)通过图5可见，随着直流功率上升，换流器消耗 无功增加,逆变侧交流电压降低，由于系统强度增 加，交流电压下降的幅度减小，下降了约45 kV。对

比2.2节的第三阶段，由于此时交流电压变化较小, 直流电流相对稳定,没有发生换相失败。在大幅提升宜流时，交流电压降低的程度与交 流系统强弱有关,交流系统越弱,逆变侧交流电压

降幅越大,越不稳定,越容易导致换相失败。2.4提升量的影响采用欣古侧短路容量为42 166 MV・A,里约侧

短路容量为17 834 MV-A,减小提升量，功率由

2 600 MW提升4 000 MW,进行提升试验，无换相失

败，波形如图6所示。4 000槪3 500旨®K

3 0002 500v2 7921 3 —A相一B相一C相w

96

0

-tf專-1 396-2 7925i 540s

30520 “=

0.26 028 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42t/s图6美丽山II期直流功率由2 600 MW

提升至4 000 MW(减小提升量)Fig.6 Belo Monte || HVDC runup from 2 600 MW

to 4 000 MW{ reduce the runup capacity)由图6可知,减小直流功率提升量，换流器消耗

无功减小，交流电压下降幅度减小,下降约26 kV0

对比2.2节的第三阶段，由于此时交流电压变化较 小，直流电流相对稳定，没有发生换相失败。综上，在相对较弱的交流系统下，大幅的紧急

提升宜流，无功消耗大幅增加，导致交流电压大幅

跌落是导致换相失败的主要原因。解决该问题的 措施有：(1) 通过在电网中增加无功补偿设备,稳定交

流系统电压，进而避免在大幅提升宜流时发生换相

失败。(2) 根据实际电网的运行方式，当交流电网为

弱交流系统方式运行时，直流功率提升量的上 限,确保提升量在安全的范围内，避免大幅提升直

流功率。(3) 在不增加电网设备投资的条件下,从熄弧

角控制的角度来说，针对大幅提升直流的情况，进 一步优化逆变侧定熄弧角控制策略。由于定熄弧

角控制采用的是开环定熄弧角控制，其控制没有引

入熄弧角测量值，在某些情况下不能将熄弧角控制

在设定值,从而增加了发生换相失败的风险。3逆变侧控制策略及优化设计3.1现有的逆变侧控制策略在高压直流输电工程里,逆变侧配置了定电流

211李林等:特高压直流输电工程逆变侧控制策略优化设计控制器、定电压控制器、修正的定熄弧角控制器，采 用限幅的方式在3个控制器之间进行协调配合。定

熄弧角控制器的输出作为定电压控制器的最大值

限幅，定电压控制器的输出在逆变运行时作为电流

调节器的最大值限幅，在整流运行时作为最小值限 幅。在两端电流调节器同时工作时,为了避免引起 调节不稳定,逆变侧电流调节器的定值一般比整流

侧小0.1 p.u.,这就是电流裕度囚-勿。在正常运行 工况下，逆变侧修正的定熄弧角控制器起作用。采用定熄弧角控制时，逆变侧的换流器具有负

阻抗特性，直流电压随直流电流升高而减小，随直

流电流降低而增大。当逆变侧的交流电网为弱系 统时，将会带来稳定性问题。修正的定熄弧角控制

器根据式（2）和式（3）计算其输出的a指令，在 暂态情况下，修正的定熄弧角控制器具有正斜率特

性，有利于提高直流输电系统的稳定性。BC

- , A \"diON

* = arccos cosy。_ 2心-------- °di0K（I0 - Zd”）、'dN（2）

= 180° -13

（3）式中:几为熄弧角参考值;心为换相电抗;人为直流

电流指令值;厶为直流电流实测值;为额定直流电 流;心。n为额定空载宜流母线电压;心。为实际空载

直流母线电压;K为正斜率系数。根据逆变侧修正的定熄弧角控制原理以及式

（2）和式（3）,可以看出，当直流电流指令厶变化时, 0的计算值变化，进而a指令a喚发生变化。当宜

流电流指令厶不变时，如厶增大，卩将减小,输出 增大，将导致换相裕度减小,从而增加发生换相失

败的风险。3.2逆变侧控制策略优化设计现有的逆变侧定熄弧角控制策略采用的是开

环定熄弧角控制，在稳态和暂态扰动小的情况下, 可保证直流输电系统的稳定运行。当逆变侧出现大的扰动导致交流系统电压降 低时，交流电压减小，直流电流上升，换相过程变

长，宜流电流指令不变，根据定熄弧角控制器的控 制原理,其输出基本不变,进而导致熄弧角减小，直 至出现换相失败。此时，如果能将熄弧角测量值引

入定熄弧角控制，当熄弧角测量值减小时,调整定 熄弧角控制器的输出，增加换相裕度，即可避免换 相失败。基于此，文中在现有修正的定熄弧角控制器的

基础上，提出一种预防换相失败的控制器，引入熄

弧角测量值3\"），控制器输出叠加到现有修改中的 定关断角控制器中采用的关断角参考值上，实现定 熄弧角闭环控制功能。预防换相失败的控制器逻辑示意如图7所示, 其输入为逆变侧熄弧角设定值（汗J与经过滤波环 节的熄弧角测量值的差值;之后经过比例环节

和积分环节后，求和，再经过限幅环节,得到熄弧角 调节量。一滤修波环正节的一

定熄弧角控制

图7预防换相失败控制器逻辑示意Fig.7 Controller logic schematic diagram for

preventing commutation failure当经过滤波环节的熄弧角测量值小于设定值1

Q嗣）时，将熄弧角调节量叠加到逆变侧熄弧角参

考值（％）上，作为定熄弧角控制器的输入。当经过 滤波环节的熄弧角测量值大于设定值2（ y沁）时，熄

弧角调节量不再叠加到逆变侧熄弧角参考值（7o ）

上，同时将积分环节的输出清零。3.3控制器参数选择预防换相失败控制器参数整定,首先根据以往 工程的经验，确定一套初始参数，在美丽山直流n

期工程的RTDS仿真系统中模拟功率大幅提升的试

验，根据控制器的响应情况进行控制器参数调整, 最终确定一套最优的参数。经过仿真试验研究，最 终选择相关参数如表］所示。表4预防换相失败控制器参数

Table 1 Parameters of controller to

prevent commutation failure参数数值熄弧角滤波时间常数/ms20设定值1（畑）/（。）17设定值2（%辺）/（° ）20比例系数1积分时间常数/ms6熄弧角调节量限幅/（ ° ）104 RTDS试验验证4.1针对紧急提升的验证增加预防换相失败控制器后,采用欣古侧短路

电力工程就术212容量为42 166 MV-A,里约侧短路容量为17 834

MV・A,功率由2 600 MW紧急提升至6 000 MW,无

换相失败，波形如图8所示。功率在紧急提升过程 中,功率上升平稳，预防换相失败控制器输出平滑, 补偿后的熄弧角不再随电流增大逐渐下降，只在参

考值17。附近小幅变化。5 0oo4 5o 4 o 0 o o3 5 oo 3 0 o o

vw

-tf=

导

(

0

11 811 611 4.26028

O.30a3 20.3436

O.3伽

O. 8

O..40

.42图8控制策略优化后美丽山II期直流功率

由2 600 MW提升至6 000 MW

Fig.8 Belo Monte || HVDC runup from 2 600 MW to 6 000 MW after the control strategy is optimized4.2对交直流暂态故障的影响验证为了验证采用文中方法对暂态故障下直流控

制响应的影响，开展了以下交直流暂态故障试验, 试验工况及结果分析如下。(1) 直流双极全压运行，功率4 000 MW,模拟

整流侧单相接地故障，故障持续100 ms,试验波形

如图9(a)所示。可以看出，在整流侧接地故障过程 中，逆变侧的熄弧角测量值一直大于17。,不满足预

防换相失败控制器的启动条件，预防换相失败控制 器输出为0,因此，在整流侧单相接地故障时，文中

设计的预防换相失败控制器对控制系统的响应没 有影响。(2) 直流双极全压运行，功率4 000 MW,模拟

逆变侧单相接地故障，故障持续100 ms,试验波形

如图9(b)所示。可以看出，在逆变侧接地故障过程 中，逆变侧的熄弧角测量值波动较大，由于预防换

相失败控制器的输入采用经过滤波环节的熄弧角 测量值，因此，其输出在5。左右平稳变化。逆变侧 接地故障时，根据交流电压原理预防换相失败的功

能也会动作，其输出在24°左右，大于预防换相失败 控制器的输出。由于控制系统是将二者的输出取

大后作为最终的熄弧角增加量，因此，在此过程中,

仍是根据交流电压原理预防换相失败的功能起作 用，在逆变侧单相接地故障时，文中设计的预防换 相失败控制器对控制系统的响应没有影响。(3)直流双极全压运行，功率4 000 MW,模拟

极2直流线路接地故障，故障持续100 ms,试验波形

如图9(c)所示。可以看出，在直流线路接地故障过 程中，逆变侧的熄弧角测量值一直大于17。,不满足

预防换相失败控制器的启动条件，预防换相失败控

制器输出为0。因此，在直流线路接地故障时，文中 设计的预防换相失败控制器对控制系统的响应没 有影响。llas-(ii。生)蠶 lst/3整流侧单相接地故障时预防换相失败控制器输出波形A富5

49—A相—B相—C相曲O垢

S49W奮S

(5 O

( 4。 o

茅2 o

o霹

-2 O

2025

0.3035

加

0-40A(b)逆变侧单相接地故障时预防换相失败控制器输出波形Kw-tf垢

100.15 0.20 0.25

0.30 0.35

0.40 0.45t/s(c)直流线路接地故障时预防换相失败控制器输出波形图9控制策略优化后暂态故障验证试验

Fig.9 Transient fault verification test after

the control strategy is optimized5结语文中对弱受端的高压直流输电工程在大幅提

升直流功率时，逆变侧会出现换相失败的问题展开 了研究，解决该问题的措施主要有:增加无功补偿

设备、提升量和优化控制策略。通过对现有逆

变侧控制策略的分析，提出一种改进策略，通过详 细的RTDS仿真试验表明，采用文中所提策略，无需 增加电网投资和对提升量，即可解决大幅提升

直流功率时的逆变侧换相失败问题，具有工程应用

的价值。213李林等:特高压直流输电工程逆变侧控制策略优化设计此外，导致逆变侧出现换相失败的原因有多

种,比如阀误触发、两极线路间的互感等。关于该 策略对于其他原因导致的逆变侧换相失败的抑制 效果，有待进一步研究。参考文献：[1] 刘振亚.特高压交直流电网[M].北京：中国电力出版社，

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[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48 ( 13 )： 63-72.[20] 张国辉，景柳铭，王宾，等.谐波引起的高压直流输电连续

换相失败抑制方法研究[J].电力系统保护与控制,2020,

ure [J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and

Energy,2015,34(7) ：53-57・作者简介：李林(1980),男，硕士，高级工程师，从事

48(5) ：33-41.ZHANG Guohui, JING Liuming, WANG Bin, et al. Study on

特高压宜流输电控制保护系统研发工作(E-

HVDC consecutive commutation failures mitigation method mail: lilin2@ nrec.com);吕彦北(1993),男，硕士，工程师,从事特

caused by hannonics[ J]. Power System Protection and Con­

trol, 2020,48 (5) ：33-41.[21] 李林，赵,王永平，等.无站间通信下的高压直流输电

系统逆变侧频率控制研究[J].电力系统自动化,2015,39李林高压直流输电控制保护系统研发工作;王永平(1978),男，硕士，研究员级高级工 程师，从事特高压直流输电控制保护系统研 发工作。(22) ： 131-135.Optimal design of inverter side control strategy for UHVDCLI Lin, LYU Yanbei, WANG Yongping, FU Guangxu, LU Dongbin(NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102,China)Abstract: UHVDC is more and more widely used in power grid, and multi-HVDC is adopted to connect the sending and

receiving power grids. When one HVDC fault occurs, emergency power support is realized by runup other HVDC. In the case of

weak receiving power grid,when one HVDC needs runup greatly,commutation failure will occur if the traditional extinguishing

angle control strategy is adopted on the inverting side. Therefore, the causes of commutation failure and the influence of AC

system strength and runup amount are analyzed. Then, an improved extinguishing angle control strategy on the inverter side is proposed,which introduce extinction angle measure value into the controller and realize closed-loop control, so as to ensure

commutation margin and avoid commutation failure. Then experimental verification is carried out on RTDS simulation system,

and test results show that the proposed strategy can solve the commutation failure problem when runup HVDC with weak receiving end greatly.Keywords: ultra high-voltage direct current ( UHVDC ) ；weak AC system ； emergency runup ； commutation failure ； constant gam­

ma control(编辑钱悦)