高壓直流輸電中換流器保護(hù)電路的仿真分析

杜欣慧，胡殿霞

（太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原030024）

高壓直流輸電是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，換流站保護(hù)電路的設(shè)計(jì)關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行 .我國(guó)于50年代開(kāi)始對(duì)直流輸電技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)展曲折而緩慢，從制造水平及二次設(shè)備的維護(hù)來(lái)看，與世界先進(jìn)水平的差距還很大.因此，對(duì)換流器保護(hù)電路的方案設(shè)計(jì)和對(duì)其故障恢復(fù)性的研究刻不容緩［1］.換流器的故障分為主回路和控制系統(tǒng)故障，故障類(lèi)型包括換流器交流側(cè)或直流側(cè)各個(gè)接線端短路（如閥短路）、接線對(duì)地短路（如交流側(cè)單相接地短路）、觸發(fā)系統(tǒng)出發(fā)脈沖丟失等［2］.不同類(lèi)型的故障會(huì)導(dǎo)致不同程度上的過(guò)電壓和過(guò)電流.換流站作為高壓直流輸電中重要的整流、逆變電路，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)也是十分必要的［3］.本文根據(jù)換流器的故障類(lèi)型，分析了晶閘管過(guò)電壓、過(guò)電流產(chǎn)生的原因，在MATLAB仿真軟件上搭建12脈波高壓直流輸電模型，并設(shè)計(jì)阻容緩沖電路和基于模糊PI控制的電子保護(hù)電路.

1 晶閘管換流器的保護(hù)

晶閘管換流器有2種保護(hù)電路：一種是安裝阻容（RC）緩沖器、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等保護(hù)器件于合適的位置；另一種是使用電子保護(hù)電路，當(dāng)檢測(cè)到的輸出電壓或輸入電流超過(guò)控制值時(shí)，利用換流觸發(fā)控制系統(tǒng)使換流器短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)，以抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的數(shù)值.

1.1 過(guò)電流保護(hù)

換流器產(chǎn)生過(guò)電流的原因有兩類(lèi)［4-6］：一類(lèi)是換流電路內(nèi)部故障；另一類(lèi)是換流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路.對(duì)于第一類(lèi)過(guò)電流，最常用的是在需要的部位接上快速熔斷器；而對(duì)第二類(lèi)過(guò)電流，可采用電子電路進(jìn)行保護(hù)，其保護(hù)原理如圖1所示.

1.2 過(guò)電壓保護(hù)

晶閘管換流器在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入或退出的操作過(guò)電壓（分合閘時(shí)引起的過(guò)電壓）和雷擊過(guò)電壓，并且設(shè)備自身運(yùn)行及非正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生換相過(guò)電壓.產(chǎn)生過(guò)電壓的根源不能消除，必須采用過(guò)電壓保護(hù)抑制晶閘管上可能出現(xiàn)的過(guò)電壓.過(guò)電壓保護(hù)方法有并聯(lián)阻容緩沖器及電子電路保護(hù)兩種方法.

圖1 過(guò)電流電子電路保護(hù)原理圖Fig.1 Principle diagram of over-current electronic circuit protection

1.2.1 并聯(lián)阻容緩沖器 電容兩端電壓不能突變，可以使其吸收晶閘管關(guān)斷引起的尖峰過(guò)電壓［7-8］.串聯(lián)電阻能阻尼電感電容電路振蕩并抑制晶閘管開(kāi)通損耗及電流上升率；阻容緩沖器還具有對(duì)高次諧波干擾電壓濾波的作用.

1.2.2 電子電路保護(hù) 采用電子電路進(jìn)行保護(hù)的原理與過(guò)電流保護(hù)的電子保護(hù)電路相同，不同在于此過(guò)電壓保護(hù)電路是將測(cè)量電壓與整定值相比較.

2 換流器保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 阻容吸收回路的設(shè)計(jì)

增加電容值可降低振蕩頻率，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)取電容值為0.1μF時(shí)，可將振蕩頻率f限制在150 Hz以下.阻尼元件R會(huì)干擾系統(tǒng)的振蕩頻率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，R值應(yīng)取不小于100Ω.R值高有利于保護(hù)電容，防止其過(guò)載時(shí)燒毀，故高安全性的阻容吸收裝置都會(huì)適當(dāng)增大R值；但R值太大，會(huì)大大提高時(shí)間常數(shù)，延長(zhǎng)暫態(tài)時(shí)間，影響保護(hù)的高效性.因此，在整流器環(huán)節(jié)采用的2個(gè)6脈波的三相全控橋中的阻容緩沖器的最優(yōu)參數(shù)R＝400Ω，C＝0.2μF.

2.2 電子保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)換流站中晶閘管過(guò)電壓、過(guò)電流電子保護(hù)電路的原理，利用定電流控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器觸發(fā)脈沖的控制，其控制原理如圖2所示.定電流控制的工作原理是把輸出電流和指令電流進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，通過(guò)一個(gè)閉環(huán)控制器調(diào)節(jié)換流器觸發(fā)角，使其控制直流電流以使電流差值減小或消失，以保證輸出電流等于或接近于指令值.

在調(diào)節(jié)器部分采用了模糊PI控制，模糊自適應(yīng)PI控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示.Fuzzy-PI控制器主要由模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、逆模糊4部分組成［9-10］.模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器根據(jù)不同的輸入e，ec，運(yùn)用模糊推理規(guī)則計(jì)算出Δkp和Δki，可以得到

而Δkp，Δki和e，ec具有下列函數(shù)關(guān)系，即

圖2 定電流控制原理圖Fig.2 Principle diagram of constant current control

圖3 模糊自適應(yīng)PI控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of adaptive fuzzy PI controller

模糊化是把輸入輸出變量的值分為7個(gè)語(yǔ)言值，即｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，用三角形隸屬函數(shù)把電流偏差及其變化率的論域分為｛3，2，1，0，1，2，3｝；輸出控制的變化量 Δkp的論域?yàn)椋?.3，0.2，0.1，0，0.1，0.2，0.3｝，Δki的論域?yàn)椋?.06，0.04，0.02，0，0.02，0.04，0.06｝.

為求取最終精確量和計(jì)算輸出控制量，采用重心法清晰化，并結(jié)合式（1）～（4）可得

根據(jù)PI控制的規(guī)則，可得

式（7）中：Id（t）為直流側(cè)的電流；Ids為整定電流值.

由此，把式（4），（5）帶入式（6），結(jié)合直流輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，可得整流側(cè)模糊自適應(yīng)PI控制器的解析式.

3 仿真結(jié)果與分析

搭建的高壓直流輸電系統(tǒng)整體仿真模型（逆變側(cè)等效），如圖4所示.模糊自適應(yīng)PI控制器仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示 .當(dāng)系統(tǒng)中阻容緩沖器的器件保護(hù)和過(guò)電流電子電路的控制系統(tǒng)保護(hù)排列組合，且系統(tǒng)在0.6～0.7 s之間發(fā)生A相交流接地故障時(shí)，可得到6種運(yùn)行方式，如表1所示.

圖4 高壓直流輸電整體仿真模型圖Fig.4 Whole simulation model diagram of high voltage direct current

圖5 模糊自適應(yīng)PI控制器仿真結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 Simulation model diagram of fuzzy adaptive PI controller

表1 仿真情況分類(lèi)Tab.1 Simulation case classification

在運(yùn)行方式1，2下，不帶保護(hù)的晶閘管之間發(fā)生短路，換流站出現(xiàn)故障.晶閘管在失去阻容緩沖器的保護(hù)后，由于晶閘管靜態(tài)伏安特性的分散性，使得每個(gè)晶閘管承受的電壓不均.晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率的特性，是指晶閘管在額定結(jié)溫和門(mén)極斷開(kāi)條件下時(shí)，其從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的外加電壓最高電壓上升率；若電壓上升率超過(guò)了晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率的值，則會(huì)在無(wú)門(mén)極信號(hào)的情況下誤開(kāi)通.因此，系統(tǒng)在不加保護(hù)時(shí)，其運(yùn)行性能受到影響.

在運(yùn)行方式3～6下，經(jīng)MATLAB軟件仿真得到的波形圖，如圖6～9所示.圖6～9中：Ud反應(yīng)的是穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓；Id為直流輸出電流與2 000的比值；Idref為電流參考值；α為晶閘管的觸發(fā)角.

從圖6～9中可看出：穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓為500 k V，輸出電流顯示為指令值和測(cè)量值的跟蹤情況，觸發(fā)角范圍為（10°，25°），故定觸發(fā)角值設(shè)置為20°.根據(jù)系統(tǒng)在0.3～0.4 s之間發(fā)生擾動(dòng)和在0.6～0.7 s之間發(fā)生A相交流接地故障，其故障時(shí)采集數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 整流側(cè)電流波形典型數(shù)據(jù)Tab.2 Typical data of current of rectifier

從仿真結(jié)果可看出：在定觸發(fā)角控制時(shí)，即使器件全加上保護(hù)，系統(tǒng)的跟隨性和擾動(dòng)超調(diào)量也很大；運(yùn)行方式3比運(yùn)行方式5具有更好地故障后的系統(tǒng)恢復(fù)性，說(shuō)明阻容緩沖器對(duì)故障過(guò)電壓的抑制作用.定電流控制即過(guò)電流保護(hù)電路較之定觸發(fā)角控制具有更好的響應(yīng)特性，即跟隨性更好，受到擾動(dòng)后有更快的恢復(fù)性和更高的響應(yīng)準(zhǔn)確度，并且超調(diào)量也更小.

圖6 運(yùn)行方式3的直流輸出波形Fig.6 Direct current output waveform of operation mode three

圖7 運(yùn)行方式4的直流輸出波形Fig.7 Direct current output waveform of operation mode four

圖8 運(yùn)行方式5的直流輸出波形Fig.8 Direct current output waveform of operation mode five

圖9 運(yùn)行方式6的直流輸出波形Fig.9 Direct current output waveform of operation mode six

基于模糊PI控制的定電流控制動(dòng)態(tài)性能較好，不但可以改善直流輸電的運(yùn)行性能，而且也可以限制過(guò)電流，并使因故障引起的損害達(dá)到最小.同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它又能快速限制暫態(tài)的故障電流值，以保護(hù)晶閘管換流閥及換流站的其他設(shè)備.運(yùn)行方式4在電壓、電流的波動(dòng)范圍上比運(yùn)行方式6更小些，故障超調(diào)量有所降低，系統(tǒng)輸出更精確，響應(yīng)更好.

綜合各種運(yùn)行方式，可看出運(yùn)行方式4的控制效果最優(yōu).

4 結(jié)論

針對(duì)晶閘管在故障時(shí)產(chǎn)生不同程度的過(guò)電壓與過(guò)電流，設(shè)計(jì)了對(duì)晶閘管的保護(hù)電路 .無(wú)論是對(duì)器件本身的保護(hù)，還是電子保護(hù)電路，都能抑制系統(tǒng)在故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流的數(shù)值，降低換流器故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響.

阻容緩沖電路使系統(tǒng)跟隨性更好，系統(tǒng)超調(diào)量得到改善；基于模糊PI控制的電子保護(hù)電路使系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，其跟蹤性能和抗干擾能力增強(qiáng)，保證了高壓直流輸電系統(tǒng)的正常、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行.

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