傳統(tǒng)直流換流閥動態(tài)關(guān)斷模型及對換相失敗評估準(zhǔn)確性的影響
江帆1,，郭春義1，丁銀香1,，高沖2
(1.（略）全國重點實驗室(華北電力大學(xué)),；
2.（略）)
DOI：10.13334/（略）.230943
1（略）逆變側(cè)發(fā)生交流故障時,，換流閥晶閘管的關(guān)斷特性會隨正向電流,、電流過零點下降率和結(jié)溫等外部條件的改變而動態(tài)變化，而現(xiàn)有研究多將晶閘管視為理想器件或僅保留一定的關(guān)斷裕度,，很可能會導(dǎo)致?lián)Q相失敗判別結(jié)果不準(zhǔn)確等問題,，因此有必要分析晶閘管動態(tài)關(guān)斷特性，提出傳統(tǒng)直流換流閥動態(tài)關(guān)斷模型,，通過模擬換流閥關(guān)斷過程準(zhǔn)確地判斷換相失敗是否發(fā)生,，并確定換相失敗發(fā)生時刻，從而提高傳統(tǒng)直流換相失敗評估的準(zhǔn)確性,。
2論文解決問題及意義為提高LCC-HVDC換相失敗評估的準(zhǔn)確性,，該文從理論上分析了晶閘管關(guān)斷特性動態(tài)變化對換相過程的影響機理，提出了傳統(tǒng)直流換流閥動態(tài)關(guān)斷模型,。通過離線擬合得到晶閘管關(guān)斷模型（略）條件變化的響應(yīng)特性,，然后在線電磁暫態(tài)仿真時動態(tài)調(diào)用擬合響應(yīng)特性，根據(jù)橋臂晶閘管電流和晶閘管兩端反向電壓和所處時刻實現(xiàn)不同工作模式間的動態(tài)變換，進而實現(xiàn)換流閥關(guān)斷過程的準(zhǔn)確模擬,。與采用傳統(tǒng)模型仿真結(jié)果的對比表明,，采用本文所提換流閥動態(tài)關(guān)斷模型能夠較為準(zhǔn)確地判斷換相失敗是否發(fā)生，并確定換相失敗發(fā)生時刻,，提高了傳統(tǒng)直流換相失敗評估的準(zhǔn)確性,。
3論文重點內(nèi)容1）換流閥晶閘管關(guān)斷特性。
圖1為待關(guān)斷閥中考慮晶閘管一致性后流過單個晶閘管的電流及其承受電壓的波形,。由于晶閘管在正向電流到零后，內(nèi)部依然存在大量非平衡載流子,，不能立刻恢復(fù)阻斷能力,，因此需要外部維持一段時間反壓，保證其可靠關(guān)斷,。
圖1晶閘管關(guān)斷特性及承受的電壓如圖1所示,，當(dāng)系統(tǒng)正常換相時，系統(tǒng)提供的關(guān)斷時間(t1—t5)大于晶閘管阻斷能力恢復(fù)時間(t1—t4),，系統(tǒng)留有足夠的裕度,，晶閘管能夠可靠關(guān)斷；當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生交流故障時,，故障引起的直流電流增大會導(dǎo)致晶閘管阻斷能力恢復(fù)時間改變,，同時，不對稱故障還可能導(dǎo)致電壓發(fā)生畸變,，使得t5時刻提前到來,，（略）提供的關(guān)斷時間(t1—t5)小于晶閘管阻斷能力恢復(fù)時間(t1—t4)時，晶閘管在承受正壓后未恢復(fù)阻斷能力,，會重新導(dǎo)通,，繼而引發(fā)換相失敗。
2）考慮晶閘管關(guān)斷特性的換流閥動態(tài)關(guān)斷模型,。
圖2為考慮晶閘管關(guān)斷特性動態(tài)變化的換流閥動態(tài)關(guān)斷模型,。
圖2換流閥動態(tài)關(guān)斷模型如圖2所示，換流閥動態(tài)關(guān)斷模型包含離線擬合和在線模擬兩部分功能,。（略）級仿真開始前,，對晶閘管關(guān)斷模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行擬合，以便在線處理模塊調(diào)用,。（略）中流過晶閘管的電流ia和晶閘管承受的電壓uf判斷換流閥動態(tài)關(guān)斷模型的工作狀態(tài),。根據(jù)時刻和晶閘管承受電壓的不同確定此刻的工作模式，從而控制受控電流源輸出及閥臂晶閘管是否導(dǎo)通,。
模式1：當(dāng)晶閘管未處于阻斷能力恢復(fù)階段時,，受控電流源輸出為0；
模式2：當(dāng)晶閘管處于阻斷能力恢復(fù)階段且uf<0時，在線模擬部分控制受控電流源產(chǎn)生關(guān)斷電流iq(圖1中t1—t4期間晶閘管電流絕對值),；
模式3：當(dāng)晶閘管處于阻斷能力恢復(fù)階段但uf>0即承受正向電壓時,，晶閘管重新導(dǎo)通。
通過上述三種工作模式,，（略）運行狀態(tài)在線調(diào)整晶閘管關(guān)斷電流波形,，實現(xiàn)晶閘管關(guān)斷特性的動態(tài)變化。
3）換流閥動態(tài)關(guān)斷模型對換相失敗評估準(zhǔn)確性的影響,。
在PSCAD/EMTDC平臺中設(shè)置如下兩種案例和工況：
案例1：CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型,，逆變側(cè)換流閥采用本文所提的動態(tài)關(guān)斷模型(動態(tài)模型)；
案例2：CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試模型,，設(shè)置換流閥晶閘管的最小關(guān)斷時間為450μs(傳統(tǒng)模型),。
工況1：0.5050s時逆變側(cè)交流母線單相接地，接地電感為0.9H,，故障持續(xù)時間為0.05s,；
工況2：0.5004s時逆變側(cè)交流母線單相接地，接地電感為1.15H,，故障持續(xù)時間為0.05s,。
工況1和工況2下的案例1和案例2的對比結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖3工況1下動態(tài)模型和傳統(tǒng)模型的閥電流波形
圖4工況2下動態(tài)模型和傳統(tǒng)模型的閥電流波形由圖3可以看出,，在相同的工況下動態(tài)模型未發(fā)生換相失敗,，傳統(tǒng)模型發(fā)生了換相失敗。這是由于動態(tài)模型中VT1（略）提供的關(guān)斷時間內(nèi)可以恢復(fù)阻斷能力,，承受正壓后不會重新導(dǎo)通,，因此不發(fā)生換相失敗，如圖3(a)所示,。在此情況下,，（略）的關(guān)斷要求，采用動態(tài)模型會使結(jié)果更為準(zhǔn)確,。
如圖4所示,，工況2下動態(tài)模型和傳統(tǒng)模型均發(fā)生了換相失敗，但發(fā)生的時刻不同,。這是由于動態(tài)模型中閥側(cè)角接六脈動換流閥VT3（略）提供的關(guān)斷時間內(nèi)能夠恢復(fù)阻斷能力,，未重新導(dǎo)通，而傳統(tǒng)模型中VT3晶閘管未恢復(fù)阻斷能力,，會重新導(dǎo)通,。
進一步通過對案例1和案例2的換相失敗概率進行對比，結(jié)果如圖5所示,。
圖5動態(tài)模型和傳統(tǒng)模型換相失敗概率對比如圖5(a)所示,，逆變側(cè)單相交流故障情況下，當(dāng)故障較為嚴重(故障接地電感小于0.43H)或較輕時(故障接地電感大于1.13H)，動態(tài)模型和傳統(tǒng)模型對是否發(fā)生換相失敗的判別結(jié)果一致,。當(dāng)故障接地電感在0.43H和1.13H之間時,，是否采用換流閥動態(tài)關(guān)斷模型的結(jié)果差別較大。如圖5(b)所示,，三相交流故障情況下也有相似的結(jié)論,。
綜上所述，采用傳統(tǒng)模型可能會將未發(fā)生換相失敗判斷為已發(fā)生換相失敗,，對系統(tǒng)提出更高的關(guān)斷要求,，還可能導(dǎo)致對換相失敗發(fā)生時刻判斷的不準(zhǔn)確等問題；（略）運行條件變化對晶閘管關(guān)斷特性影響的換流閥動態(tài)關(guān)斷模型能夠提高換相失敗評估結(jié)果的準(zhǔn)確性,。
4結(jié)論本文考慮多維因素綜合作用的晶閘管關(guān)斷特性,，建立了換流閥動態(tài)關(guān)斷模型，通過與SABER中晶閘管詳細物理模型的對比驗證了其正確性,，最后研究了其對換相失敗評估準(zhǔn)確性的影響，所得結(jié)論如下：
1）提出并建立了考慮晶閘管關(guān)斷特性的換流閥動態(tài)關(guān)斷模型,，該模型通過離線擬合得到了關(guān)斷模型中關(guān)鍵參數(shù)的響應(yīng)特性,，然后在線模擬中調(diào)用該響應(yīng)特性，根據(jù)不同外部條件切換工作模式,，實現(xiàn)了不同運行工況下?lián)Q流閥關(guān)斷過程的準(zhǔn)確模擬,。
2）（略）未發(fā)生換相失敗時判斷為已發(fā)生換相失敗，在某些工況下還可能會導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生的時刻判斷不準(zhǔn)確,，而所提換流閥動態(tài)關(guān)斷模型能夠體現(xiàn)晶閘管最小關(guān)斷時間隨工況變化的動態(tài)特性,，提高換相失敗評估的準(zhǔn)確性。
引文信息
江帆,，郭春義,，丁銀香，等．傳統(tǒng)直流換流閥動態(tài)關(guān)斷模型及對換相失敗評估準(zhǔn)確性的影響[J]．中國電機工程學(xué)報,，2024,，44(21)：（略）．
JIANGFan，GUOChunyi,，DINGYinxiang,，etal．ThyristorvalvedynamicturnoffmodelforLCC-HVDCanditsimpactoncommutationfailureassessmentaccuracy[J]．ProceedingsoftheCSEE，2024,，44(21)：（略）(inChinese)．
團隊介紹
華北電力大學(xué)直流輸電團隊直流輸電團隊共有教授3人,，副教授2人，講師1人,，其中博士生導(dǎo)師4人,。團隊在讀碩士63人，博士13人。近5年畢業(yè)碩士50人,、博士10人(44%學(xué)生獲得國家獎學(xué)金),，（略）、科研院所,、高校和外資企業(yè)等單位：（略）
直流輸電團隊由趙成勇教授負責(zé),，長期專注直流輸電方面研究，主持承擔(dān)國家863計劃課題,、國家重點研發(fā)計劃課題,、國家自然基金項目等縱向項目12項，（略）科研項目40余項,。出版直流輸電專著5部,，發(fā)表論文460余篇，SCI檢索80余篇,、EI檢索260余篇,，其中4篇IEEETransaction論文入選SCOPUS前1%高被引，1篇論文入選2016年度“中國百篇最具影響國內(nèi)學(xué)術(shù)論文”,；授權(quán)發(fā)明專利45項,，申請發(fā)明專利82項。獲2011年度國家能源科技進步獎二等獎,、2016年度中國電力創(chuàng)新獎一等獎,、2020年教育部技術(shù)發(fā)明二等獎、2020年中國電工技術(shù)學(xué)會科技進步一等獎,、2020年度福建省科技進步二等獎,，2022年度貴州省技術(shù)發(fā)明一等獎等獎勵。
（略）國家重點實驗室(華北電力大學(xué)),，（略）,、（略）、（略）等,，（略）的故障清除,、混合直流輸電的控制保護、電力電子裝備的實時仿真技術(shù)等方面取得了多項原創(chuàng)性成果,。
作者介紹
江帆,，女，碩士畢業(yè)于華北電力大學(xué),，現(xiàn)于美國休斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位,，研究方向為高壓直流輸電，（略）優(yōu)化調(diào)度,。
郭春義,，男,，教授、博導(dǎo),，入選國家級青年人才計劃,。IEEESeniorMember。（略）及裝備專業(yè)委員會副主任委員,，第一屆CIGRESCB4(（略）和電力電子)中國專委會委員,、CIGREB4直流領(lǐng)域4個國際工作組委員、CSEEJournalofPowerandEnergySystems和《高電壓技術(shù)》等期刊青年編委,。（略）國家科技重大專項課題1項,、國家自然科學(xué)基金面上/青年項目3項(2項結(jié)題優(yōu)秀)、國家重點研發(fā)計劃子課題1項,、企事業(yè)項目30余項,，項目總經(jīng)費超2000萬元。在科學(xué)出版社出版專著3部,，1部獲國家科技學(xué)術(shù)著作出版基金資助,；發(fā)表SCI期刊論文50余篇，獲期刊會議論文獎5次,；以第一/通訊作者在《中國電機工程學(xué)報》發(fā)表論文60余篇,，EI期刊論文110篇，授權(quán)發(fā)明專利46項,，參與制定IEEE標(biāo)準(zhǔn),、CIGRE導(dǎo)則,、行標(biāo)等5項,。獲福建省科技進步二等獎1項(排名第2)、IEEEPES能源發(fā)展與發(fā)電技術(shù)委員會(中國)特殊貢獻獎,。
丁銀香,，女，碩士研究生,，研究方向為高壓直流輸電,。

高沖，男,，博士,，教授級高工，中國電力科學(xué)研究院直流輸電技術(shù)研究所所長,，研究方向為新型直流換流裝備,、新能源及節(jié)能技術(shù)等。
責(zé)編：呂鮮艷
審核：李澤榮
聲明
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