基于阀侧电流时序特征的换流阀电流实时计算方法_李晓华.pdf

2023 年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.8 第 38 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220101 基于阀侧电流时序特征的换流阀电流 实时计算方法 李晓华1 殷珊珊2 李 昊1 蔡泽祥1（1.华南理工大学电力学院 广州 510640 2.河南科技大学信息工程学院 洛阳 471023）摘要 阀电流是晶闸管型换流器运行状态的直接体现形式。为提升换流器的能观性，该文提出一种利用阀侧电流时序特征实时计算阀电流的方法。首先，利用交直流电流的时序特性预估每个阀的导通/关断状态。其次，根据阀状态计算换流器的旁通组数，利用多相旁通组间的并联关系，构造旁通回路方程。最后，计算阀电流，利用阀的单向导电性，校正阀关断状态和阀电流。仿真和录波结果表明：在不同的阀状态和旁通组数下，所提方法均能准确计算换相失败暂态过程及其故障恢复期间的阀电流，验证了其有效性。关键词：阀电流 阀侧电流 时序特征 预估阀状态 旁通回路方程 阀关断状态校正 中图分类号：TM771 0 引言 换流器是高压直流输电（High Voltage Direct Current,HVDC）系统电力变换的核心设备，其性能直接决定电网的运行能力1-2。晶闸管型换流器是非线性元件，交流故障后换流器的运行工况和电流变化比较复杂3。当长时间、大容量电流流过换流阀时，易造成高温，从而导致阀设备的寿命降低或内部元件的损坏。为保证阀设备的安全、提升换流器的能观性4和可靠性，研究换流器运行状态的实时监测是实现阀内部特征反馈到控制系统进行调节的重要条件。目前，换流阀中各种信号和运行状态的测量、采样及控制主要依赖系统内部阀基电子设备的自 检5-6，缺乏外部实时检测手段。换流阀的运行状态只能通过换流器端口的外部信息间接反映7，而暂态过程中，换流器端口电气量与换流阀内部特征的差异较大，不能准确表征换流器复杂的运行状态。因此，从电流反映和观测角度看，检测换流器内部阀电流对提升换流器运行状态的感知能力、优化换流器的控保能力具有重要意义。现有研究关于传统高压直流输电换流器各阀电流的解析相对较少，主要从换流器建模方面研究阀电流的计算。文献8-9以三相交流电压瞬时值为输入量，利用换流阀运行状态与拓扑结构，建立节点电压方程，求出阀电流和阀电压等电气量信息。但文献8-9简化了换流阀的开关模型，该方法在交直流混联电网中不适用。换流阀的导通和关断状态可以确定换流器各阀电流的分布，研究者们采用开关函数10-12对换流器内部运行参数进行了一些研究。文献13-14将开关函数模型和动态相量模型相结合，对阀电流进行求解。然而，开关函数不仅受触发脉冲的影响，还受其两端电压和流通电流的影响。当换流器在稳态运行时，开关函数比较稳定，可以计算阀电流；在暂态过程中，特别是换相失败及其故障恢复过程，开关函数无法反映换流阀实际运行状态，导致阀电流的计算存在误差。阀电流与阀状态之间具有相互耦合的关系，如何利用两者的约束关系，实现阀电流的求解是本文的研究重点。因此，为了克服现有研究的不足，本文从换流器的拓扑结构出发，提出一种基于阀侧交直流电流时序特征的阀电流实时计算方案。通过仿 河南省重点研发与推广专项资助项目（232102241042）。收稿日期 2022-01-08 改稿日期 2022-08-03 第 38 卷第 8 期 李晓华等 基于阀侧电流时序特征的换流阀电流实时计算方法 2117 真对比和录波数据分析，验证所提方法的有效性。1 交流电流极性特征与阀电流的关系 1.1 换流器的拓扑结构 传统高压直流输电系统基本换流单元是由上、下两个结构相同的三相全桥 6 脉换流器组成的 12脉换流器。不失一般性，本文以 6 脉换流器为例进行分析，其拓扑结构如图 1 所示。图 1 中，M、N分别为换流器的共阴极点和共阳极点；n 为交流系统的中心点；a、b、c 点分别为阀对 V4与 V1、V6与 V3、V2与 V5的中心端点；Lc为换相电抗；Zeq为交流系统等值阻抗；ea、eb、ec为电源电压；ia、ib、ic为阀侧三相交流电流；idH为高压侧直流电流；idN为低压侧直流电流；uMN为换流器端电压；im为阀电流，=1,2,3,4,5,6m。图 1 换流器的拓扑结构 Fig.1 The topology structure of the converter 换流阀由多个晶闸管等器件串联组成，内部可等效为电阻。当晶闸管处于通态15时，等效的通态电阻很小，用Ron表示；当晶闸管处于断态16时，等效的断态电阻很大，用Roff表示。1.2 换流器端口电流与阀电流的拓扑结构 根据换流器电路拓扑结构约束，当换流器内部无故障时，阀侧的三相交流电流的矢量和等于0。建立一组换流器的端口电流与阀电流的非齐次线性方程=yAi，此方程称为拓扑方程17。具体为 1dH2dN3a4b5c60101011010101001000010010100100111111iiiiiiiiiii|-=|-|-|-|（1）式中，A为拓扑方程的系数矩阵；i为阀电流的向量；y为阀侧交直流电流的向量。拓扑方程的秩等于4，独立方程小于未知变量的数量。为确定电流分布，在拓扑方程的基础上需引入阀状态S，构造反映导通阀电流与换流器端口电流的关联方程=yBiASi。其中，B为关联方程的系数矩阵，1s、2s、3s、4s、5s、6s为V1V6的阀状态。对角阀状态矩阵S为 123456ssssss|=|S （2）关联方程=yBi具体为 2461dH1352dN143a364b255c12345660000000000000000000sssiisssiissiissiissiissssssi|=|-（3）正常运行时，6脉波换流器在60 的重复周期中，2个和3个换流阀轮流导通，此运行方式称为23工况，换流阀轮换导通的时序特征是确定的。由式（1）可知，阀电流与交流电流的极性值之间存在严格的对应关系，即根据交流电流的极性特征可以得到阀电流。在逆变侧换流母线处设置三相故障，阀侧交直流电流、根据交流电流极性特征得到的正负向电流幅值（简称为极性值）和阀电流的实际值如图2所示。图 2 交流电流极性特性与阀电流实际值的对比 Fig.2 A comparison between polarity current of AC current and actual current under AC fault 2118 电 工 技 术 学 报 2023 年 4 月 故障前，换流器同相的上、下两阀只有一个阀导通，交流电流的极性值等于阀电流实际值。表明正常运行时利用交流电流的极性特征可以计算阀电流。故障后，直流换相失败及其恢复过程中存在同相上、下两阀同时导通的情况。如图2中a相和b相形成旁通，此时交流电流的极性值与阀电流实际值不再相等。换流器换相失败后通过换流阀形成旁通回路，引发直流电流与交流电流间出现差异。这种差异是极性电流与阀电流实际值存在差异的本质原因。因此，在故障暂态过程换流器出现旁通及其恢复过程中，无法利用交流电流极性特征获取阀电流。故在换流器出现旁通及其后续退出旁通时，需要重新制定阀电流的求解方法。2 阀电流计算方案 计算准确的阀电流是解决换流器运行状态在线检测的核心关键技术。根据关联方程可知，为计算每个阀的电流，需判断阀的导通和关断状态；在计算暂态过程的阀电流时，因多阀导通而关联方程个数不够的问题，需要增补方程数。2.1 基于电流时序特征判别阀状态 2.1.1 基于电流时序特性判别阀状态的分析 单阀导通/关断的转换条件及电流特征如图3所示：当阀Vm有触发脉冲Pm且承受的阀电压um为正时，正在关断的阀Vm开始导通，阀电流增加。当阀电流超过擎住电流，阀Vm保持通态，直到导通阀Vm承受反向电压。此后阀电流im开始降低直至为0且满足最小熄弧时间，阀Vm彻底关断，进入断态。图 3 单阀的导通/关断的条件及电流特征 Fig.3 The requirement of valve on the on-state and off-state and the current feature 根据阀导通和关断条件可知，在判别阀的状态时应该引入阀端电压。但实际工程中阀端没有安装电压互感器，端电压不可直接获取。由图3可知，当阀电压为负时，阀电流才开始降低，并非为阀电流过零点时刻。因此，即使阀电压已知，也不能直接确定阀关断的时刻。故从工程实用性的角度，本文提出仅从电流的特性入手构造判别阀状态的判据。导通和关断两状态间的切换判别以及与其他阀的状态间的切换，需要当前时刻的电气量和前一时刻状态共同决定。这种电气量和状态量在时间序列上的变化规律简称为时序特征。根据电流的时序特征，确定正在导通的阀是否会被关断、正在关断的阀是否会被导通。2.1.2 基于电流时序特性的阀状态判别 由图3可知，根据三相交流电流的幅值特征和时序特征可判别阀状态。若前一时刻阀为关断状态，当阀脉冲触发时，利用交流电流的幅值特征和突变量的正负方向判断阳极阀和阴极阀的导通状态；若前一时刻阀为导通状态时，当交流电流小于维持电流且电流无突变量时，判别阀为关断状态。阳极阀和阴极阀导通状态的判据为 set1set1set1set1()()&()()&kkkkkkitittiIKtittitiIKt-|-|（4）式中，ik为阀侧交流电流，k=a,b,c；|ik|为阀侧交流电流的绝对值；t为一个采样间隔，实际工程一般取0.1 ms；Iset1为导通状态的门槛定值，取值大于擎住电流与漏电流的和15；Kset1为导通状态交流电流变化率的门槛值，取决于换相电流变化的陡 度18，与交流系统支撑强度和换相角有关19。阀关断状态的判据为 set2set2()()&kkkitittiIKt-（5）式中，Iset2为关断状态的门槛定值，由阀的维持电流决定；Kset2为关断状态下交流电流变化率的门槛值，和Kset1的取值一样。2.1.3 阀导通状态的修正 根据第1节的分析可知，换流器换相失败后容易形成旁通回路的运行状态，进而衍变为单相旁通对，等效电路如图4所示。图4中，直流电流沿着旁通相流动，三相交流电流均为零。旁通对的两阀均是导通状态，而采用式（5）会误判两阀为关断状 第 38 卷第 8 期 李晓华等 基于阀侧电流时序特征的换流阀电流实时计算方法 2119 态。为实现阀电流的正确计算，亟须对旁通对的阀导通状态进行修正。（a）a 相旁通对 （b）b 相旁通对 （c）c 相旁通对 图 4 单相旁通对的等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of single-phase bypass pair 单相旁通对的形成是由于最新触发的阀所在相的两个阀贯穿导通导致。因此，利用触发脉冲间的时序特性可以实现单相旁通对阀导通状态的修正。构造单相旁通对20判别的判据为()()()dHdNabcset3abcset4max,max,maxiiiiiIiiiI-|,（6）式 中，set3I为 换 相 失 败 门 槛 定 值21，set3=I()1 dmax0max,k iI，1k为比率制动系数，dmaxi为直流侧电流最大值，0I为启动电流；set4I为单相旁通对的门槛定值，由阀的维持电流决定。实时对换流阀的触发脉冲信号进行锁存、更新。当交直流电流特征首次满足式（6）时，提取被锁存的触发脉冲的编号，即可确定此阀所在的相为旁通相22。修正旁通相的阀为导通状态，其他相的阀为关断状态。2.2 增补旁通回路方程 2.2.1 换流器关联方程的分析 交流故障下，换流器中可能会出现4、5或6个换流阀同时导通的状态，称为运行工况4、5或6。则换流器中会出现13个旁通组数，但相同数量的导通阀对应的旁通组数可能不同。换流器的旁通组数、运行工况、关联方程的秩与可解性的关系见表1。受阀电流分布的影响，换流器在不同的运行工况下，关联方程的秩不同。表 1 换流器运行工况与关联方程秩的