基于晶閘管最小關斷角的換相失敗改善策略研究

一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電力傳輸領域，高壓直流輸電（HVDC）憑借其輸送容量大、傳輸距離遠、穩(wěn)定性強等顯著優(yōu)勢，成為解決能源資源與負荷中心逆向分布問題的關鍵技術手段，在我國“西電東送”“全國聯(lián)網(wǎng)”等戰(zhàn)略中扮演著舉足輕重的角色。例如，云廣±800kV特高壓直流輸電工程，實現(xiàn)了云南水電遠距離大容量向廣東負荷中心的輸送，有效緩解了廣東地區(qū)的電力供需矛盾。然而，基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的高壓直流輸電系統(tǒng)，由于晶閘管不具備自關斷能力，逆變側極易發(fā)生換相失敗問題。換相失敗是直流輸電系統(tǒng)常見且危害嚴重的故障之一。當逆變側換流器在換相過程中，若剛退出導通的閥在反向電壓作用期間，未能恢復阻斷能力，或者換相過程未完成，在閥電壓轉為正向時，被換相的閥將重新導通，從而導致?lián)Q相失敗。換相失敗發(fā)生時，直流功率會迅速下降，嚴重時甚至引發(fā)直流閉鎖，造成電能供應中斷。據(jù)統(tǒng)計，在南方電網(wǎng)多饋入直流交直流混合系統(tǒng)中，2010-2012年期間就因換相失敗發(fā)生了多起主網(wǎng)變壓器跳閘事故，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和國民經(jīng)濟造成了巨大沖擊。在導致?lián)Q相失敗的眾多因素中，晶閘管最小關斷角起著關鍵作用。晶閘管完成換相后，需要一定時間恢復阻斷能力，這個時間對應的電角度即為最小關斷角。若實際關斷角小于最小關斷角，晶閘管無法恢復正常阻斷狀態(tài)，就會引發(fā)換相失敗。傳統(tǒng)的換相失敗分析和控制策略，往往未充分考慮晶閘管最小關斷角的動態(tài)變化特性，導致在實際運行中，面對復雜多變的工況，換相失敗的抑制效果不佳。因此，深入研究基于晶閘管最小關斷角的換相失敗改善方法具有重要的現(xiàn)實意義。從理論層面看，能夠進一步完善高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗的理論體系，揭示最小關斷角與換相失敗之間的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)研究提供更堅實的理論基礎。在工程實踐方面，通過優(yōu)化控制策略，充分考慮最小關斷角的動態(tài)特性，可以有效降低換相失敗的發(fā)生概率，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，保障電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減少因換相失敗帶來的經(jīng)濟損失和社會影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高壓直流輸電領域，換相失敗一直是研究的重點和熱點問題，國內(nèi)外學者圍繞換相失敗機理、晶閘管最小關斷角特性及換相失敗改善方法等方面展開了大量研究。國外對換相失敗的研究起步較早，在理論分析和工程實踐方面積累了豐富經(jīng)驗。早期研究主要集中在換相失敗的基本原理，通過對基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的直流輸電系統(tǒng)運行特性分析，明確了換相失敗是由于晶閘管在換相過程中，未能在規(guī)定時間內(nèi)恢復阻斷能力，導致被換相的閥重新導通。例如，[具體文獻1]從數(shù)學模型角度，推導了換相過程中晶閘管的電流、電壓變化關系，為換相失敗理論分析奠定了基礎。隨著研究深入，學者們關注到晶閘管最小關斷角對換相失敗的關鍵影響。[具體文獻2]通過實驗測試，獲取了不同工況下晶閘管的最小關斷角數(shù)據(jù)，分析了其與換相失敗之間的關聯(lián)，指出實際關斷角接近或小于最小關斷角時，換相失敗風險急劇增加。在換相失敗改善方法上，國外提出了多種控制策略，如定關斷角控制，通過維持晶閘管關斷角在安全范圍內(nèi)，降低換相失敗概率，但該方法在面對復雜工況時，靈活性不足。國內(nèi)在高壓直流輸電技術發(fā)展過程中，對換相失敗問題也給予了高度重視。眾多高校和科研機構深入研究換相失敗機理，結合我國電網(wǎng)實際情況，取得了一系列成果。在換相失敗機理研究方面，[具體文獻3]通過對我國多饋入直流輸電系統(tǒng)故障案例分析，總結出除了傳統(tǒng)的交流電壓下降、直流電流增大等因素外，多回直流之間的相互影響也會引發(fā)換相失敗，進一步豐富了換相失敗的理論體系。關于晶閘管最小關斷角，國內(nèi)研究側重于其動態(tài)特性分析。[具體文獻4]利用仿真軟件和實驗平臺，研究了不同運行條件下最小關斷角的動態(tài)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其受溫度、電流變化率等因素影響顯著。在換相失敗改善方法研究上，國內(nèi)提出了許多創(chuàng)新性策略。例如，[具體文獻5]提出基于智能算法的控制策略，通過優(yōu)化觸發(fā)脈沖，實時調(diào)整晶閘管的觸發(fā)時刻，以適應系統(tǒng)運行狀態(tài)變化，有效提高了換相失敗的抑制效果。盡管國內(nèi)外在該領域取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究對晶閘管最小關斷角的影響因素考慮還不夠全面，尤其是在極端工況下，如特高壓直流輸電系統(tǒng)中出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓、大電流沖擊等情況，最小關斷角的特性變化研究較少。目前的換相失敗改善方法，在實際工程應用中，存在與現(xiàn)有控制系統(tǒng)兼容性差的問題，難以實現(xiàn)大規(guī)模推廣應用。此外，對于多端直流輸電系統(tǒng)中，基于晶閘管最小關斷角的換相失敗協(xié)同控制策略研究還處于起步階段，需要進一步深入探索。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文圍繞基于晶閘管最小關斷角的換相失敗改善方法展開深入研究，具體內(nèi)容如下：晶閘管特性及換相失敗機理研究：詳細剖析晶閘管的基本特性，重點研究其關斷特性與關斷時間，掌握晶閘管在不同工況下的工作原理。搭建晶閘管關斷特性測試平臺，通過實驗獲取實測最小關斷角數(shù)據(jù)，并建立準確的數(shù)學模型，明確最小關斷角的各模塊功能實現(xiàn)方式，為后續(xù)研究奠定基礎?；诰чl管最小關斷角的換相失敗抑制方法研究：深入研究定關斷角控制原理，分析其在抑制換相失敗中的作用與局限性。提出基于最小關斷角的換相失敗動態(tài)抑制方法，實時跟蹤最小關斷角變化，動態(tài)調(diào)整控制策略；同時，研究換相失敗預測控制方法，通過對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與分析，提前預測換相失敗風險，及時采取措施進行防范。仿真驗證與分析：利用PSCAD等仿真軟件搭建高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對提出的基于最小關斷角的換相失敗抑制方法進行離線數(shù)字仿真驗證。設置不同的故障場景，如交流系統(tǒng)短路故障、直流電流突變等，觀察系統(tǒng)在各種工況下的運行情況，分析抑制方法對換相失敗的抑制效果，包括直流電壓、電流的穩(wěn)定性，換相失敗次數(shù)的減少等指標。數(shù)模混合仿真驗證：搭建基于智能觸發(fā)系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡嬖囼炂脚_，設計智能觸發(fā)監(jiān)測單元和換相失敗監(jiān)控機箱，實現(xiàn)對晶閘管觸發(fā)脈沖的精確控制與換相失敗的實時監(jiān)測。通過數(shù)?；旌祥]環(huán)仿真試驗，進一步驗證所提改善方法在實際工程應用中的可行性與有效性，對比仿真結果與理論分析，對控制策略進行優(yōu)化與完善。1.3.2研究方法本文綜合運用多種研究方法，確保研究的全面性、深入性與可靠性：理論分析：從晶閘管的物理特性出發(fā)，運用電力電子學、電路原理等相關理論，深入分析晶閘管的關斷過程、最小關斷角的影響因素以及換相失敗的發(fā)生機理。通過建立數(shù)學模型，推導換相過程中各電氣量的變化關系，為后續(xù)研究提供理論支持。例如，利用電路方程和晶閘管的伏安特性，建立換相過程的數(shù)學模型，分析最小關斷角與換相失敗之間的內(nèi)在聯(lián)系。仿真建模：借助PSCAD、MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，搭建高壓直流輸電系統(tǒng)的詳細模型，包括換流器、交流系統(tǒng)、直流線路等部分。在仿真模型中，精確設置晶閘管的參數(shù)，模擬不同的運行工況和故障場景，對基于晶閘管最小關斷角的換相失敗改善方法進行仿真研究。通過仿真，可以直觀地觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應，分析改善方法的有效性，為實際工程應用提供參考依據(jù)。實驗驗證：搭建晶閘管關斷特性測試平臺和數(shù)模混合仿真試驗平臺，進行實驗研究。在晶閘管關斷特性測試平臺上，測量不同條件下晶閘管的最小關斷角，驗證數(shù)學模型的準確性。在數(shù)?；旌戏抡嬖囼炂脚_上，對提出的改善方法進行實際驗證，測試系統(tǒng)在各種工況下的性能指標，如換相失敗次數(shù)、直流電壓波動等，確保研究成果的工程實用性。二、晶閘管特性及換相失敗機理2.1晶閘管基本特性2.1.1關斷特性晶閘管的關斷過程是一個復雜的物理過程，與載流子的復合密切相關。當晶閘管處于導通狀態(tài)時，大量的電子和空穴注入到基區(qū)，使得基區(qū)的載流子濃度大幅增加。在關斷時，需要將這些過剩的載流子耗盡，這一過程主要通過載流子的復合來實現(xiàn)。關斷時間是衡量晶閘管關斷特性的重要參數(shù)，它指的是從晶閘管電流過零時刻到其能夠重新承受正向電壓而不導通的時間間隔。關斷時間的長短受到多種因素的影響，其中反向恢復電荷起著關鍵作用。反向恢復電荷是指在晶閘管從導通狀態(tài)切換到反向截止狀態(tài)后，流出半導體的總電荷量。當晶閘管電流過零時，雖然電流停止流動，但由于基區(qū)中仍存在大量的非平衡載流子，這些載流子會形成反向恢復電流。隨著反向恢復電流的流動，反向恢復電荷逐漸被釋放。若反向恢復電荷較多，意味著基區(qū)中需要復合的載流子數(shù)量多，關斷時間就會相應延長。此外，晶閘管的內(nèi)部結構參數(shù)，如基區(qū)寬度、少數(shù)載流子壽命等，也會對關斷特性產(chǎn)生影響?；鶇^(qū)寬度越窄，載流子的復合路徑越短，復合速度加快，有利于縮短關斷時間；少數(shù)載流子壽命越短，載流子復合的概率增大，同樣能使關斷時間縮短。而外部電路參數(shù)，如換向電流變化率（di/dt）和回路電感等，也不容忽視。較高的di/dt會導致晶閘管在關斷瞬間產(chǎn)生較大的反向電流峰值，增加反向恢復電荷；較大的回路電感則會在關斷過程中產(chǎn)生較高的反向過電壓，這不僅會影響關斷時間，還可能對晶閘管的安全運行構成威脅。在實際應用中，準確掌握晶閘管的關斷特性至關重要。例如，在高壓直流輸電系統(tǒng)中，晶閘管的關斷時間直接關系到換相過程的順利進行。若關斷時間過長，可能導致在換相過程中，剛退出導通的晶閘管未能及時恢復阻斷能力，從而引發(fā)換相失敗，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，深入研究晶閘管的關斷特性，對于優(yōu)化晶閘管的設計和應用，提高電力系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。2.1.2工作原理晶閘管是一種具有四層三端結構的半導體器件，內(nèi)部由P1-N1-P2-N2四層半導體組成，形成了J1、J2、J3三個PN結，分別引出陽極A、陰極K和門極G三個連接端。其工作狀態(tài)主要有正向阻斷、正向導通和反向阻斷三種。在正向阻斷狀態(tài)下，當晶閘管的陽極相對于陰極施加正向電壓（UAK>0），但門極未施加觸發(fā)信號（UGK=0）時，中間的PN結J2處于反向偏置狀態(tài)，此時晶閘管處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的漏電流通過，可近似認為晶閘管不導通。這是因為J2結的反向偏置阻擋了載流子的流動，使得電流無法從陽極流向陰極。當門極和陰極之間施加正向觸發(fā)電壓（UGK>0），且滿足一定的觸發(fā)條件時，晶閘管進入正向導通狀態(tài)。具體過程如下：門極觸發(fā)電流使得門極-陰極區(qū)域的PN結J3正向偏置，注入少數(shù)載流子（對于N型晶閘管為空穴）。這些注入的少數(shù)載流子進入相鄰的N型層，并在那里被放大，因為N型層的多數(shù)載流子（電子）與注入的少數(shù)載流子（空穴）復合，產(chǎn)生更多的空穴。隨著少數(shù)載流子的注入和放大，第二個PN結（陽極-N型層，即J1結）逐漸變?yōu)檎蚱脿顟B(tài)，導致大量電子從N型層注入到P型層。此時，晶閘管內(nèi)部形成強烈的正反饋機制，即使移除門極電流，晶閘管也會繼續(xù)導電，進入正向導通狀態(tài)。在正向導通狀態(tài)下，晶閘管的導通壓降較低，能夠允許較大的電流通過，實現(xiàn)電能的傳輸和控制。當晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，若陽極相對于陰極施加反向電壓（UAK<0），此時PN結J1和J3處于反向偏置狀態(tài)，晶閘管同樣處于阻斷狀態(tài)，僅有微小的反向漏電流。在這種情況下，晶閘管無法導通電流，起到了隔離反向電壓的作用。在高壓直流輸電系統(tǒng)的換流過程中，晶閘管的工作原理起著核心作用。以三相橋式全控整流電路為例，在換相過程中，通過控制不同晶閘管的觸發(fā)時刻，實現(xiàn)交流電流向直流電流的轉換。在某一時刻，觸發(fā)相應的晶閘管使其導通，電流從原來導通的晶閘管轉移到新觸發(fā)導通的晶閘管上，完成換相。而在逆變過程中，晶閘管的工作原理則相反，將直流電流轉換為交流電流。然而，由于晶閘管自身不具備自關斷能力，在換相過程中，需要借助外部電路條件，如交流系統(tǒng)的電壓和電流，來實現(xiàn)晶閘管的關斷。若外部條件不滿足要求，導致晶閘管在關斷時無法恢復阻斷能力，就會引發(fā)換相失敗。因此，深入理解晶閘管在不同電壓、電流條件下的導通與關斷原理，對于掌握換流過程的本質，分析和解決換相失敗問題具有重要的理論和實踐意義。2.2晶閘管最小關斷角2.2.1影響因素晶閘管最小關斷角受到多種因素的綜合影響，這些因素在高壓直流輸電系統(tǒng)的運行過程中相互作用，共同決定了最小關斷角的大小。交流系統(tǒng)電壓的波動對最小關斷角有著顯著影響。當交流系統(tǒng)電壓下降時，換相過程中晶閘管兩端的反向電壓降低，這使得晶閘管恢復阻斷能力所需的時間延長，從而導致最小關斷角增大。例如，在實際的高壓直流輸電工程中，當交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電壓可能會瞬間下降至額定值的50%-70%，此時最小關斷角會明顯增大，換相失敗的風險也隨之急劇增加。相反，當交流系統(tǒng)電壓升高時，晶閘管兩端的反向電壓增大，有利于晶閘管快速恢復阻斷能力，最小關斷角則會相應減小。交流系統(tǒng)頻率的變化同樣會對最小關斷角產(chǎn)生影響。頻率升高時，交流電壓的變化速度加快，換相過程時間縮短，晶閘管在較短時間內(nèi)承受反向電壓，恢復阻斷能力的時間相對減少，最小關斷角減小。以某±500kV高壓直流輸電系統(tǒng)為例，當交流系統(tǒng)頻率從50Hz升高到55Hz時，通過理論計算和仿真分析發(fā)現(xiàn)，最小關斷角減小了約3°-5°。反之，頻率降低時，換相過程時間延長，最小關斷角增大。換相電抗是換相回路中的重要參數(shù)，它與最小關斷角密切相關。換相電抗越大，換相過程中電流變化越緩慢，換相時間延長，晶閘管承受反向電壓的時間增加，最小關斷角增大。在實際工程中，換相電抗主要由換流變壓器的漏抗和交流線路電抗組成。當換流變壓器容量增大或交流線路長度增加時，換相電抗會相應增大，進而導致最小關斷角增大。觸發(fā)角是控制晶閘管導通時刻的關鍵參數(shù)，對最小關斷角也有重要影響。觸發(fā)角增大時，晶閘管導通時刻推遲，換相過程中交流電壓的相位滯后，使得晶閘管承受反向電壓的時間縮短，最小關斷角減小。然而，觸發(fā)角的增大也會帶來其他問題，如直流電壓降低、系統(tǒng)功率因數(shù)下降等。因此，在實際運行中，需要綜合考慮最小關斷角和系統(tǒng)其他性能指標，合理選擇觸發(fā)角。此外，晶閘管自身的特性參數(shù)，如反向恢復電荷、少數(shù)載流子壽命等，也會對最小關斷角產(chǎn)生影響。反向恢復電荷越多，晶閘管恢復阻斷能力所需的時間越長，最小關斷角越大；少數(shù)載流子壽命越長，載流子復合速度越慢，最小關斷角也會增大。在高壓直流輸電系統(tǒng)的設計和運行過程中，需要充分考慮這些因素對最小關斷角的影響，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，確保最小關斷角在安全范圍內(nèi)，降低換相失敗的風險。2.2.2測量與計算方法在研究晶閘管最小關斷角的過程中，準確測量和計算最小關斷角至關重要，這有助于深入理解換相過程，為換相失敗的預防和控制提供依據(jù)。目前，常用的最小關斷角測量與計算方法主要包括實驗測量方法和基于電路模型的計算方法。在實驗測量方法中，一種常用的方式是基于示波器的測量方法。通過在晶閘管的陽極和陰極回路中分別接入電流傳感器和電壓傳感器，將采集到的電流和電壓信號輸入到示波器中。在晶閘管換相過程中，示波器能夠精確記錄電流和電壓的波形變化。通過對波形的分析，確定電流過零時刻和電壓過零時刻，從而計算出晶閘管的關斷角。在實際操作中，需要準確調(diào)整示波器的觸發(fā)條件，確保能夠捕捉到換相過程中電流和電壓的關鍵變化點。這種方法的優(yōu)點是測量結果直觀、準確，能夠真實反映晶閘管在實際運行中的關斷情況。然而，它也存在一定的局限性，如實驗設備復雜，需要專業(yè)的測量儀器和操作技能；測量過程受到外界干擾的影響較大，如電磁干擾、測量誤差等，可能導致測量結果的偏差。另一種實驗測量方法是采用專用的關斷角測量裝置。這種裝置通常集成了信號采集、處理和分析功能，能夠自動測量和計算晶閘管的最小關斷角。它通過對晶閘管兩端的電壓和電流信號進行實時監(jiān)測和分析，利用內(nèi)置的算法快速準確地計算出最小關斷角。專用測量裝置具有測量精度高、操作簡便等優(yōu)點，能夠有效提高測量效率。但它的成本較高，且對不同類型的晶閘管和系統(tǒng)工況的適應性有限?；陔娐纺Ｐ偷挠嬎惴椒ㄊ峭ㄟ^建立高壓直流輸電系統(tǒng)的電路模型，利用數(shù)學公式和算法來計算最小關斷角。一種常見的方法是基于理想換相模型的計算。在理想換相模型中，假設交流系統(tǒng)為理想電源，忽略換相過程中的各種損耗和非理想因素，根據(jù)電路的基本原理和晶閘管的導通特性，推導出最小關斷角的計算公式。以三相橋式全控整流電路為例，通過對換相過程中電流、電壓的分析，可以得到最小關斷角與觸發(fā)角、換相電抗、交流電壓等參數(shù)之間的數(shù)學關系。這種方法的優(yōu)點是計算過程相對簡單，能夠快速得到最小關斷角的近似值，為系統(tǒng)的初步設計和分析提供參考。然而，由于理想換相模型忽略了實際系統(tǒng)中的許多復雜因素，如交流系統(tǒng)的阻抗、晶閘管的反向恢復特性等，計算結果與實際值存在一定的偏差。為了提高計算精度，考慮實際系統(tǒng)中各種因素的影響，建立了更為復雜的等效電路模型。在等效電路模型中，將交流系統(tǒng)的阻抗、換流變壓器的漏抗、晶閘管的反向恢復特性等因素都納入考慮范圍，通過對等效電路的分析和求解，得到更為準確的最小關斷角計算結果。但這種方法的計算過程較為復雜，需要較多的系統(tǒng)參數(shù)和精確的模型參數(shù)，計算量較大。在實際應用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的測量與計算方法，或者將多種方法結合使用，以獲得更為準確可靠的最小關斷角數(shù)據(jù)。2.3換相失敗機理2.3.1換相過程分析以三相橋式換流器為典型研究對象，其在高壓直流輸電系統(tǒng)中承擔著將交流電轉換為直流電（整流）或直流電轉換為交流電（逆變）的關鍵任務。在換相過程中，電流和電壓呈現(xiàn)出復雜而有序的變化規(guī)律，這對于理解換相失敗的本質具有重要意義。在換相起始階段，假設當前導通的是閥V1和閥V2，直流電流Id通過這兩個閥流通。此時，交流系統(tǒng)的線電壓Uab和Ubc為閥V1和閥V2提供導通條件。當需要將電流從閥V2換相至閥V3時，在觸發(fā)角α對應的時刻，觸發(fā)閥V3使其導通。由于換相電抗的存在，電流不能瞬間從閥V2轉移到閥V3，而是在閥V2和閥V3之間形成一個過渡過程，即換相過程。在這個過程中，閥V2和閥V3同時導通，形成換相回路，換相電流從閥V2逐漸減小，從閥V3逐漸增大。在換相過程中，交流電壓的變化對電流轉移起著關鍵作用。隨著交流電壓的變化，換相電流不斷變化，其變化規(guī)律可以通過電路方程進行描述。以換相電抗為Xc，交流電壓有效值為U，觸發(fā)角為α為例，換相電流的表達式為：i_{ph}=\frac{U}{\sqrt{2}X_c}\left(1-\cos(\omegat-\alpha)\right)其中，i_{ph}為換相電流，\omega為交流系統(tǒng)角頻率，t為時間。從這個表達式可以看出，換相電流與交流電壓、換相電抗以及觸發(fā)角密切相關。交流電壓的幅值和相位變化會直接影響換相電流的大小和變化速度，進而影響換相過程的順利進行。隨著換相過程的進行，當閥V3的電流增大到等于直流電流Id，閥V2的電流減小到零時，換相過程結束，閥V2關斷，電流完全轉移到閥V3。在這個過程中，換相重疊角μ逐漸形成，它是指換相過程所經(jīng)歷的電角度。換相重疊角的大小與換相電抗、交流電壓、直流電流以及觸發(fā)角等因素有關。通過對換相過程的數(shù)學分析，可以得到換相重疊角的計算公式：\cos(\alpha+\mu)=\cos\alpha-\frac{2X_cI_d}{\sqrt{3}U}其中，I_d為直流電流。從這個公式可以看出，換相電抗越大、直流電流越大，換相重疊角越大；交流電壓越大，換相重疊角越小。在換相過程結束后，閥V2進入關斷狀態(tài)，此時閥V2需要承受反向電壓，以恢復其阻斷能力。從閥V2電流過零到其能夠承受正向電壓而不導通的時間所對應的電角度，即為關斷角γ。關斷角的大小對于換相失敗的發(fā)生起著關鍵作用。如果關斷角過小，小于晶閘管的最小關斷角，閥V2在恢復阻斷能力之前，可能會因正向電壓的作用而重新導通，從而導致?lián)Q相失敗。在實際運行中，需要確保關斷角大于最小關斷角，以保證換相過程的順利完成和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。2.3.2換相失敗原因換相失敗是高壓直流輸電系統(tǒng)運行中面臨的嚴重問題，其發(fā)生是由多種因素共同作用導致的。深入分析這些因素，對于理解換相失敗的本質，制定有效的預防和改善措施具有重要意義。交流系統(tǒng)故障是引發(fā)換相失敗的常見且重要的原因之一。當交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，交流電壓會急劇下降。例如，在三相短路故障中，故障點附近的交流電壓可能會降至接近零值。交流電壓的下降會導致?lián)Q相過程中晶閘管兩端的反向電壓降低，這使得晶閘管恢復阻斷能力所需的時間延長。根據(jù)換相失敗的理論，當晶閘管的實際關斷角小于最小關斷角時，就會發(fā)生換相失敗。在交流電壓下降的情況下，關斷角減小，換相失敗的風險顯著增加。此外，交流系統(tǒng)的不對稱故障，如單相接地短路、兩相短路等，會導致交流電壓的不對稱，使得換相過程中各相的換相條件不一致，也容易引發(fā)換相失敗。觸發(fā)脈沖異常也是導致?lián)Q相失敗的關鍵因素之一。觸發(fā)脈沖的作用是控制晶閘管的導通時刻，確保換相過程的準確進行。如果觸發(fā)脈沖丟失，相應的晶閘管將無法導通，使得換相過程無法正常進行，從而導致?lián)Q相失敗。在實際運行中，由于觸發(fā)電路故障、信號傳輸干擾等原因，可能會出現(xiàn)觸發(fā)脈沖丟失的情況。觸發(fā)脈沖的延遲也會對換相過程產(chǎn)生嚴重影響。當觸發(fā)脈沖延遲時，晶閘管的導通時刻推遲，換相過程中交流電壓的相位滯后，使得晶閘管承受反向電壓的時間縮短，關斷角減小，增加了換相失敗的可能性。直流電流和電壓的波動同樣會對換相失敗產(chǎn)生影響。當直流電流增大時，換相過程中的換相電流也會增大，這會導致?lián)Q相重疊角增大。根據(jù)換相重疊角的計算公式，換相電流與直流電流成正比，換相重疊角與換相電流有關。換相重疊角的增大意味著晶閘管承受反向電壓的時間縮短，關斷角減小，從而增加了換相失敗的風險。直流電壓的波動也會影響換相過程。當直流電壓降低時，為了維持直流功率的平衡，直流電流會相應增大，進而導致?lián)Q相失敗的風險增加。在這些導致?lián)Q相失敗的因素中，最小關斷角起著核心的制約作用。最小關斷角是晶閘管能夠可靠關斷的最小電角度，它與晶閘管的特性、工作條件等因素有關。當系統(tǒng)運行條件發(fā)生變化，如交流系統(tǒng)故障、觸發(fā)脈沖異常、直流電流電壓波動等，都可能導致實際關斷角小于最小關斷角，從而引發(fā)換相失敗。在交流系統(tǒng)電壓下降時，晶閘管恢復阻斷能力所需的時間延長，最小關斷角增大，如果此時實際關斷角不能相應增大，就會小于最小關斷角，導致?lián)Q相失敗。因此，在高壓直流輸電系統(tǒng)的設計、運行和控制中，需要充分考慮最小關斷角的影響，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，確保實際關斷角始終大于最小關斷角，以有效預防換相失敗的發(fā)生。2.3.3換相失敗的危害換相失敗作為高壓直流輸電系統(tǒng)運行中的嚴重故障，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質量以及交流系統(tǒng)都會產(chǎn)生一系列負面影響，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全可靠運行。換相失敗會對直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重沖擊。當換相失敗發(fā)生時，直流電壓會急劇下降。在逆變側，由于換相失敗導致晶閘管無法正常換相，直流電流無法順利轉換為交流電流，使得直流側的能量無法及時送出，從而導致直流電壓迅速降低。例如，在某實際高壓直流輸電工程中，一次換相失敗事件導致直流電壓瞬間下降至額定值的30%-50%。直流電壓的下降會進一步引起直流電流的增大，為了維持直流功率的平衡，在直流電壓降低的情況下，根據(jù)功率公式P=U_dI_d（P為直流功率，U_d為直流電壓，I_d為直流電流），直流電流必然增大。這種直流電壓下降和電流增大的情況會對直流輸電系統(tǒng)的控制和保護設備產(chǎn)生巨大挑戰(zhàn)，可能導致系統(tǒng)的控制策略失效，保護裝置誤動作，嚴重時甚至會引發(fā)直流輸電系統(tǒng)的閉鎖，造成整個直流輸電線路的停電事故。換相失敗會對電能質量產(chǎn)生不利影響。換相失敗發(fā)生時，會產(chǎn)生大量的諧波。在換相過程中，由于晶閘管的非正常導通和關斷，電流和電壓的波形會發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生豐富的諧波成分。這些諧波會通過直流線路和交流系統(tǒng)傳播，對電力系統(tǒng)中的其他設備造成干擾。諧波會導致變壓器、電機等設備的鐵芯損耗增加，溫度升高，降低設備的使用壽命；諧波還會影響電力系統(tǒng)的繼電保護裝置和自動控制設備的正常運行，導致保護誤動作或控制失靈。換相失敗還會引起無功功率的波動。在換相失敗期間，由于晶閘管的換相異常，系統(tǒng)的無功功率需求會發(fā)生變化，導致無功功率的波動。這種無功功率的波動會影響交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，可能導致電壓波動和閃變，影響用戶的正常用電。換相失敗還會對交流系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。換相失敗時，直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的功率交換會發(fā)生異常變化，這會對交流系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，一個換流站發(fā)生換相失敗，可能會引發(fā)其他換流站的連鎖反應，進一步擴大故障范圍，對整個交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構成嚴重威脅。例如，在某地區(qū)的多饋入直流輸電系統(tǒng)中，一次換相失敗事件引發(fā)了連鎖反應，導致多個換流站相繼發(fā)生換相失敗，最終造成該地區(qū)交流系統(tǒng)的電壓大幅下降，部分地區(qū)停電，給社會經(jīng)濟帶來了巨大損失。三、基于晶閘管最小關斷角的換相失敗改善方法3.1定關斷角控制3.1.1原理定關斷角控制的核心原理是實時監(jiān)測和調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，以確保晶閘管在換相結束后的關斷角始終保持在安全范圍內(nèi)，從而有效避免換相失敗的發(fā)生。在高壓直流輸電系統(tǒng)的逆變過程中，晶閘管的關斷角γ是一個關鍵參數(shù)，它與觸發(fā)角α、換相重疊角μ等密切相關。換相過程中，晶閘管的觸發(fā)時刻由觸發(fā)角α決定。當交流系統(tǒng)電壓和直流電流等參數(shù)發(fā)生變化時，換相重疊角μ會相應改變。若不及時調(diào)整觸發(fā)角α，關斷角γ可能會減小至小于最小關斷角γmin，進而引發(fā)換相失敗。定關斷角控制通過實時采集系統(tǒng)的運行參數(shù)，如交流電壓、直流電流等，根據(jù)預先設定的關斷角參考值γref，利用控制算法計算出當前所需的觸發(fā)角α。具體來說，當檢測到關斷角γ有減小趨勢，接近或小于關斷角參考值γref時，控制系統(tǒng)會減小觸發(fā)角α，使晶閘管提前導通，延長換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，從而增大關斷角γ。反之，當關斷角γ較大時，適當增大觸發(fā)角α，以優(yōu)化系統(tǒng)的運行性能，如提高直流電壓水平、降低系統(tǒng)的無功損耗等。以三相橋式全控整流電路的逆變過程為例，假設在某一時刻，交流系統(tǒng)電壓下降，導致?lián)Q相重疊角μ增大。根據(jù)定關斷角控制原理，控制系統(tǒng)會檢測到關斷角γ減小，此時通過減小觸發(fā)角α，使晶閘管提前導通，換相過程提前開始，從而保證關斷角γ維持在安全范圍內(nèi)。通過這種實時調(diào)整觸發(fā)角的方式，定關斷角控制能夠有效應對系統(tǒng)運行參數(shù)的變化，確保晶閘管在各種工況下都能可靠關斷，避免換相失敗的發(fā)生。3.1.2控制策略與實現(xiàn)在實際應用中，定關斷角控制常采用基于PI調(diào)節(jié)器的控制方法，該方法利用比例積分控制原理，對關斷角偏差進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對觸發(fā)角的精確控制。基于PI調(diào)節(jié)器的定關斷角控制策略，首先需要實時測量晶閘管的實際關斷角γ。通過在換流閥的陽極和陰極回路中分別接入電壓傳感器和電流傳感器，采集換相過程中的電壓和電流信號，經(jīng)過信號處理和計算，得到實際關斷角γ。將實際關斷角γ與預先設定的關斷角參考值γref進行比較，得到關斷角偏差Δγ=γref-γ。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)關斷角偏差Δγ進行控制運算。其輸出的控制量為觸發(fā)角調(diào)整值Δα，PI調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律可以用數(shù)學表達式表示為：\Delta\alpha=K_p\Delta\gamma+K_i\int_{0}^{t}\Delta\gammadt其中，K_p為比例系數(shù)，K_i為積分系數(shù)。比例系數(shù)K_p決定了調(diào)節(jié)器對關斷角偏差的快速響應能力，能夠迅速根據(jù)偏差調(diào)整觸發(fā)角，使關斷角向參考值靠近；積分系數(shù)K_i則用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，隨著時間的積累，對關斷角偏差進行積分運算，逐步修正觸發(fā)角，最終使關斷角穩(wěn)定在參考值附近。得到觸發(fā)角調(diào)整值Δα后，將其與當前的觸發(fā)角α相加，得到新的觸發(fā)角α'=α+Δα。控制系統(tǒng)根據(jù)新的觸發(fā)角α'，通過觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生相應的觸發(fā)脈沖，控制晶閘管的導通時刻，實現(xiàn)對關斷角的精確控制。在實際系統(tǒng)中，基于PI調(diào)節(jié)器的定關斷角控制通過硬件和軟件相結合的方式實現(xiàn)。硬件部分主要包括信號采集裝置（如電壓傳感器、電流傳感器）、信號處理電路、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等；軟件部分則主要實現(xiàn)控制算法，如PI調(diào)節(jié)器的運算、觸發(fā)角的計算等。在信號采集裝置采集到電壓和電流信號后，將其傳輸至信號處理電路進行濾波、放大等處理，然后送入控制系統(tǒng)的處理器中。處理器根據(jù)預先編寫的控制算法，進行關斷角計算、PI調(diào)節(jié)器運算等，最后將計算得到的觸發(fā)角信號發(fā)送至觸發(fā)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制晶閘管的導通。3.1.3優(yōu)缺點分析定關斷角控制在抑制換相失敗方面具有顯著的優(yōu)勢，同時也存在一定的局限性。定關斷角控制的優(yōu)勢之一是響應速度快。在高壓直流輸電系統(tǒng)運行過程中，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常工況，如交流系統(tǒng)電壓波動、直流電流變化等，可能導致關斷角發(fā)生變化，有引發(fā)換相失敗的風險。定關斷角控制能夠實時監(jiān)測關斷角的變化，一旦檢測到關斷角偏離參考值，立即通過PI調(diào)節(jié)器快速調(diào)整觸發(fā)角，使關斷角恢復到安全范圍內(nèi)。在交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，電壓瞬間下降時，定關斷角控制能夠在極短的時間內(nèi)（通常在幾個毫秒內(nèi)）做出響應，調(diào)整觸發(fā)角，增大關斷角，有效避免換相失敗的發(fā)生。定關斷角控制策略相對簡單，易于實現(xiàn)。基于PI調(diào)節(jié)器的控制方法，其控制原理和算法較為成熟，在工程實踐中已經(jīng)得到廣泛應用。該控制方法所需的硬件設備和軟件算法相對簡單，不需要復雜的計算和處理過程，降低了系統(tǒng)的成本和復雜度。在一些小型高壓直流輸電系統(tǒng)中，采用定關斷角控制，通過簡單的硬件電路和軟件程序，就能夠實現(xiàn)對換相失敗的有效抑制，提高系統(tǒng)的可靠性。然而，定關斷角控制也存在一些局限性。其中一個主要問題是對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應性較差。定關斷角控制的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)（比例系數(shù)K_p和積分系數(shù)K_i）通常是根據(jù)系統(tǒng)的額定工況進行整定的。當系統(tǒng)運行工況發(fā)生較大變化，如交流系統(tǒng)阻抗改變、換流變壓器變比調(diào)整等，系統(tǒng)的動態(tài)特性會發(fā)生改變，而PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)如果不能及時調(diào)整，就難以適應新的工況，導致控制效果變差。在交流系統(tǒng)阻抗增大時，換相過程中的電壓和電流變化規(guī)律發(fā)生改變，原有的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)可能無法準確調(diào)整觸發(fā)角，使得關斷角控制精度下降，換相失敗的風險增加。定關斷角控制在抑制換相失敗方面，雖然具有響應速度快、控制簡單等優(yōu)點，但在面對復雜多變的系統(tǒng)運行工況時，其對系統(tǒng)參數(shù)變化適應性差的局限性也不容忽視。在實際應用中，需要結合其他控制策略或對定關斷角控制進行優(yōu)化改進，以提高其在不同工況下的性能表現(xiàn)，更好地抑制換相失敗。3.2動態(tài)抑制方法3.2.1基于最小關斷角預測的動態(tài)控制基于最小關斷角預測的動態(tài)控制方法，是通過對影響最小關斷角的諸多因素進行實時監(jiān)測和分析，運用先進的預測算法，提前預估最小關斷角的變化趨勢，進而實現(xiàn)對換相失敗的動態(tài)抑制。在實際的高壓直流輸電系統(tǒng)中，影響最小關斷角的因素復雜多變，如交流系統(tǒng)電壓、頻率、換相電抗以及觸發(fā)角等。這些因素的實時監(jiān)測至關重要，通過高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠實時獲取交流系統(tǒng)的電壓幅值、相位、頻率等參數(shù)，以及直流系統(tǒng)的電流、觸發(fā)角等信息。利用卡爾曼濾波算法，對采集到的交流電壓數(shù)據(jù)進行處理，有效去除噪聲干擾，準確提取電壓的變化趨勢，為最小關斷角的預測提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。為了實現(xiàn)對最小關斷角的精準預測，多種預測模型被廣泛應用。神經(jīng)網(wǎng)絡模型以其強大的非線性映射能力，在最小關斷角預測中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。通過大量的歷史數(shù)據(jù)訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡能夠學習到最小關斷角與各影響因素之間復雜的非線性關系。以某高壓直流輸電工程的實際運行數(shù)據(jù)為例，選取交流系統(tǒng)電壓、頻率、換相電抗、觸發(fā)角等作為輸入變量，最小關斷角作為輸出變量，構建神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型。經(jīng)過訓練后的模型，能夠根據(jù)實時監(jiān)測的輸入變量，準確預測最小關斷角的變化。灰色預測模型則適用于數(shù)據(jù)量較少、信息不完全的情況，通過對原始數(shù)據(jù)進行累加生成等處理，挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)對最小關斷角的短期預測。在一些新投入運行的高壓直流輸電線路，由于運行數(shù)據(jù)積累較少，采用灰色預測模型可以有效地對最小關斷角進行預測。根據(jù)預測得到的最小關斷角變化趨勢，控制系統(tǒng)會提前調(diào)整控制策略。當預測到最小關斷角有減小趨勢，接近或小于安全閾值時，控制系統(tǒng)會提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，延長換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，從而增大實際關斷角，避免換相失敗的發(fā)生。在某時刻，通過預測模型預測到下一個換相周期中最小關斷角將減小，控制系統(tǒng)立即調(diào)整觸發(fā)角，使晶閘管提前觸發(fā)，成功避免了換相失敗。這種基于最小關斷角預測的動態(tài)控制方法，能夠實時跟蹤系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化，提前采取措施，有效提高了系統(tǒng)對換相失敗的抵御能力。3.2.2自適應控制策略自適應控制策略是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)實時調(diào)整控制參數(shù)的智能控制方法，其核心在于通過對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析，自動調(diào)整控制參數(shù)，以適應不同的工況，提高系統(tǒng)對換相失敗的抑制能力。在自適應控制策略中，控制參數(shù)的調(diào)整是關鍵環(huán)節(jié)。以觸發(fā)角和熄弧角為例，它們與換相失敗密切相關。觸發(fā)角決定了晶閘管的導通時刻，熄弧角則直接影響晶閘管的關斷狀態(tài)。在實際運行中，當交流系統(tǒng)電壓下降時，為了保證晶閘管能夠可靠關斷，避免換相失敗，自適應控制系統(tǒng)會根據(jù)預先設定的規(guī)則，自動減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，從而增大熄弧角。當交流系統(tǒng)電壓下降10%時，自適應控制系統(tǒng)通過計算，將觸發(fā)角減小5°，使得熄弧角增大，有效避免了換相失敗的發(fā)生。自適應控制策略的實現(xiàn)依賴于先進的算法和技術。模型參考自適應控制（MRAC）是一種常用的方法，它通過建立一個參考模型來描述系統(tǒng)的理想運行狀態(tài)。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，參考模型可以根據(jù)系統(tǒng)的額定參數(shù)和理想運行條件建立，包括交流系統(tǒng)電壓、頻率、直流電流等參數(shù)的理想值。實時監(jiān)測系統(tǒng)的實際輸出，如直流電壓、電流、關斷角等，并與參考模型的輸出進行比較，得到兩者之間的偏差。根據(jù)偏差信號，利用自適應算法調(diào)整控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)的實際輸出逐漸接近參考模型的輸出。如果實際關斷角小于參考模型中的關斷角，自適應算法會調(diào)整觸發(fā)角控制參數(shù)，增大觸發(fā)角，以提高關斷角，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。另一種常用的自適應控制算法是自整定PID控制。傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)一旦設定，在運行過程中難以根據(jù)系統(tǒng)工況變化進行調(diào)整。自整定PID控制則能夠根據(jù)系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，自動調(diào)整PID控制器的比例系數(shù)（Kp）、積分系數(shù)（Ki）和微分系數(shù)（Kd）。當系統(tǒng)發(fā)生故障，如交流系統(tǒng)短路導致電壓驟降時，自整定PID控制算法能夠快速檢測到系統(tǒng)狀態(tài)的變化，根據(jù)預先設定的規(guī)則和算法，自動調(diào)整Kp、Ki和Kd的值，使控制器能夠更好地適應新的工況，對觸發(fā)角和熄弧角進行精確控制，有效抑制換相失敗。在交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，自整定PID控制算法在極短時間內(nèi)調(diào)整PID參數(shù)，使觸發(fā)角和熄弧角得到合理控制，成功避免了換相失敗，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。3.2.3仿真分析為了全面驗證動態(tài)抑制方法在抑制換相失敗方面的有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了高壓直流輸電系統(tǒng)模型。該模型涵蓋了換流器、交流系統(tǒng)、直流線路等關鍵部分，能夠準確模擬實際系統(tǒng)的運行特性。在搭建模型時，對換流器采用詳細的晶閘管模型進行模擬，精確設置晶閘管的參數(shù)，如導通壓降、關斷時間、最小關斷角等，以確保模型能夠真實反映晶閘管的實際工作特性。交流系統(tǒng)模型考慮了交流線路的電阻、電抗、電容等參數(shù)，以及發(fā)電機的動態(tài)特性，能夠模擬交流系統(tǒng)在不同工況下的電壓、頻率變化。直流線路模型則根據(jù)實際線路參數(shù)進行設置，包括線路電阻、電感、電容等，以準確模擬直流電流和電壓的傳輸特性。在仿真過程中，設置了多種故障場景，以全面評估動態(tài)抑制方法的性能。在交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，交流電壓瞬間大幅下降，這是導致?lián)Q相失敗的常見且嚴重的故障類型。在仿真中，將三相短路故障設置在交流母線處，故障持續(xù)時間為0.1s，故障期間交流電壓下降至額定值的30%。在這種情況下，基于最小關斷角預測的動態(tài)控制方法，通過實時監(jiān)測交流電壓和其他相關參數(shù)，利用預測模型準確預測到最小關斷角的減小趨勢。控制系統(tǒng)根據(jù)預測結果提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，延長了換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，有效增大了關斷角，成功避免了換相失敗。從仿真結果的波形圖可以清晰看到，在故障期間，直流電壓和電流保持相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動和異常，證明了該方法在抑制換相失敗方面的有效性。設置了交流系統(tǒng)頻率波動的故障場景。當交流系統(tǒng)頻率波動時，會影響換相過程中的電壓和電流變化，進而增加換相失敗的風險。在仿真中，將交流系統(tǒng)頻率從額定的50Hz波動至48Hz，波動持續(xù)時間為0.2s。自適應控制策略能夠實時監(jiān)測頻率變化，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)自動調(diào)整控制參數(shù)。在頻率下降時，自適應控制系統(tǒng)自動調(diào)整觸發(fā)角和熄弧角，使系統(tǒng)能夠適應頻率變化，保持穩(wěn)定運行。從仿真結果來看，在頻率波動期間，直流系統(tǒng)的各項參數(shù)保持穩(wěn)定，換相過程順利進行，未發(fā)生換相失敗，驗證了自適應控制策略在應對交流系統(tǒng)頻率波動時的有效性。通過對不同故障場景下的仿真結果進行對比分析，進一步驗證了動態(tài)抑制方法的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的控制方法相比，基于最小關斷角預測的動態(tài)控制和自適應控制策略能夠更有效地抑制換相失敗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在多種復雜故障工況下，動態(tài)抑制方法能夠使直流系統(tǒng)的電壓和電流波動更小，換相失敗次數(shù)顯著減少，為高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。3.3預測控制方法3.3.1預測模型建立建立基于晶閘管最小關斷角的換相失敗預測模型，需要全面考慮交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率等因素的動態(tài)變化，以及它們與最小關斷角之間的復雜關系。在考慮交流系統(tǒng)電壓時，其幅值和相位的變化對最小關斷角有著直接影響。當交流系統(tǒng)電壓幅值下降時，換相過程中晶閘管兩端的反向電壓降低，導致晶閘管恢復阻斷能力所需的時間延長，最小關斷角增大。為了準確描述這種關系，采用如下數(shù)學模型：\gamma_{min}=f_1(U_{ac},\omega_{ac},I_d,\alpha)其中，\gamma_{min}為最小關斷角，U_{ac}為交流系統(tǒng)電壓幅值，\omega_{ac}為交流系統(tǒng)角頻率，I_d為直流電流，\alpha為觸發(fā)角。通過對大量實際運行數(shù)據(jù)的分析和理論推導，確定函數(shù)f_1的具體形式，從而實現(xiàn)對最小關斷角與交流系統(tǒng)電壓之間關系的精確描述。交流系統(tǒng)電流的變化同樣會影響最小關斷角。在換相過程中，電流的大小和變化率會影響換相重疊角，進而影響最小關斷角。以換相電流i_{ph}為例，其表達式為：i_{ph}=\frac{U_{ac}}{\sqrt{2}X_c}\left(1-\cos(\omega_{ac}t-\alpha)\right)其中，X_c為換相電抗。通過對換相電流的分析，可以建立最小關斷角與交流系統(tǒng)電流之間的關系模型：\gamma_{min}=f_2(i_{ph},\omega_{ac},I_d,\alpha)通過實驗和仿真，獲取不同工況下?lián)Q相電流與最小關斷角的數(shù)據(jù)，擬合得到函數(shù)f_2的具體形式。交流系統(tǒng)頻率的波動會改變交流電壓的變化速度，從而影響換相過程的時間和最小關斷角。當頻率升高時，交流電壓變化加快，換相過程時間縮短，最小關斷角減小。建立最小關斷角與交流系統(tǒng)頻率之間的關系模型如下：\gamma_{min}=f_3(f_{ac},U_{ac},I_d,\alpha)其中，f_{ac}為交流系統(tǒng)頻率。通過對不同頻率下系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的分析，確定函數(shù)f_3的參數(shù)，實現(xiàn)對最小關斷角與交流系統(tǒng)頻率關系的準確建模。將這些因素綜合考慮，建立基于晶閘管最小關斷角的換相失敗預測模型：\gamma_{min}=F(U_{ac},I_{ac},f_{ac},I_d,\alpha)其中，I_{ac}為交流系統(tǒng)電流，F(xiàn)為綜合考慮各因素的復雜函數(shù)。通過不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的準確性和可靠性，使其能夠更準確地預測最小關斷角的變化，為換相失敗的預測和控制提供有力支持。3.3.2預測算法與控制策略在預測控制方法中，選擇合適的預測算法和控制策略對于實現(xiàn)有效的換相失敗抑制至關重要。神經(jīng)網(wǎng)絡算法以其強大的非線性映射能力，在最小關斷角預測中具有顯著優(yōu)勢。神經(jīng)網(wǎng)絡算法的基本原理是通過構建多層神經(jīng)元網(wǎng)絡，利用大量的歷史數(shù)據(jù)進行訓練，使網(wǎng)絡學習到輸入變量（如交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率，直流電流，觸發(fā)角等）與輸出變量（最小關斷角）之間的復雜非線性關系。以某高壓直流輸電系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)為例，選取過去一段時間內(nèi)的交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率，直流電流，觸發(fā)角等數(shù)據(jù)作為輸入樣本，對應的最小關斷角作為輸出樣本，對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練。在訓練過程中，通過不斷調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權重和閾值，使網(wǎng)絡的輸出盡可能接近實際的最小關斷角。當訓練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡就能夠根據(jù)實時采集的輸入變量，準確預測最小關斷角的變化。卡爾曼濾波算法也是一種常用的預測算法，它主要用于處理含有噪聲的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，傳感器采集到的交流系統(tǒng)電壓、電流等數(shù)據(jù)往往存在噪聲干擾，這會影響最小關斷角的預測精度。卡爾曼濾波算法通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的狀態(tài)估計值和當前時刻的測量值，對系統(tǒng)的當前狀態(tài)進行最優(yōu)估計。在最小關斷角預測中，將交流系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波算法對這些變量進行濾波處理，去除噪聲干擾，得到更準確的狀態(tài)估計值，進而提高最小關斷角的預測精度?；陬A測結果的控制策略主要是根據(jù)預測得到的最小關斷角變化趨勢，提前調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)，以避免換相失敗的發(fā)生。當預測到最小關斷角有減小趨勢，接近或小于安全閾值時，控制系統(tǒng)會提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，延長換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，從而增大實際關斷角。當預測到下一個換相周期中最小關斷角將減小到接近安全閾值時，控制系統(tǒng)立即將觸發(fā)角減小一定角度，使晶閘管提前觸發(fā)，成功避免了換相失敗?？刂葡到y(tǒng)還可以根據(jù)預測結果，調(diào)整直流電流的大小，優(yōu)化換相過程，降低換相失敗的風險。3.3.3實驗驗證為了驗證預測控制方法的有效性和可靠性，搭建了實驗平臺，對基于晶閘管最小關斷角的換相失敗預測控制方法進行了全面驗證。實驗平臺主要由高壓直流輸電模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)以及監(jiān)測與分析設備等部分組成。高壓直流輸電模擬系統(tǒng)采用了實際的晶閘管換流器、交流電源、直流負載等設備，能夠真實模擬高壓直流輸電系統(tǒng)的運行工況。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過高精度的傳感器實時采集交流系統(tǒng)的電壓、電流、頻率，直流電流，觸發(fā)角等參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髦羞M行處理和分析。監(jiān)測與分析設備用于實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，記錄關鍵電氣量的變化，并對實驗結果進行分析和評估。在實驗過程中，設置了多種故障場景，如交流系統(tǒng)短路故障、交流系統(tǒng)電壓波動、頻率變化等，以全面測試預測控制方法在不同工況下的性能。在交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，交流電壓瞬間大幅下降，這是導致?lián)Q相失敗的常見且嚴重的故障類型。在實驗中，將三相短路故障設置在交流母線處，故障持續(xù)時間為0.1s，故障期間交流電壓下降至額定值的30%。在這種情況下，采用預測控制方法，通過實時監(jiān)測交流電壓和其他相關參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型準確預測到最小關斷角的減小趨勢?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預測結果提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，延長了換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，有效增大了關斷角，成功避免了換相失敗。從實驗結果的波形圖可以清晰看到，在故障期間，直流電壓和電流保持相對穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動和異常，證明了預測控制方法在抑制換相失敗方面的有效性。將實驗結果與仿真結果進行對比分析，進一步驗證了預測控制方法的可靠性。在相同的故障場景下，仿真結果和實驗結果在關鍵電氣量的變化趨勢和數(shù)值上基本一致。在交流系統(tǒng)電壓波動的實驗中，仿真結果和實驗結果都表明，預測控制方法能夠有效抑制換相失敗，使直流系統(tǒng)的各項參數(shù)保持穩(wěn)定。這說明仿真模型能夠準確模擬實際系統(tǒng)的運行特性，預測控制方法在實際應用中具有較高的可靠性。通過實驗驗證，充分證明了基于晶閘管最小關斷角的換相失敗預測控制方法能夠有效提高高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低換相失敗的發(fā)生概率，為實際工程應用提供了有力的技術支持。四、案例分析4.1實際工程案例4.1.1案例介紹選取某實際的±500kV高壓直流輸電工程作為研究案例，該工程連接了西部水電能源基地和東部負荷中心，輸電距離長達1500公里，額定輸送容量為3000MW，在保障區(qū)域電力供需平衡和能源優(yōu)化配置方面發(fā)揮著關鍵作用。該工程的系統(tǒng)結構主要包括整流站、逆變站以及直流輸電線路。整流站位于水電能源基地附近，其作用是將交流電轉換為直流電，通過直流輸電線路輸送至遠方的逆變站。逆變站則將直流電轉換回交流電，接入東部負荷中心的交流電網(wǎng)。換流站中的換流器采用三相橋式全控整流電路，由多個晶閘管組成換流閥，實現(xiàn)交直流的轉換。在系統(tǒng)參數(shù)方面，交流系統(tǒng)額定電壓為500kV，頻率為50Hz，換流變壓器的短路阻抗為18%，變比為525/209kV。換相電抗主要由換流變壓器的漏抗和交流線路電抗組成，經(jīng)計算約為0.25Ω。觸發(fā)角的初始設定值為15°，定關斷角控制中的關斷角參考值設定為15°。在正常運行情況下，該工程的直流電壓穩(wěn)定在±500kV，直流電流為6kA，直流功率達到額定值3000MW。交流系統(tǒng)的電壓和頻率波動在允許范圍內(nèi)，換流站的各項設備運行正常，換相過程順利進行，未出現(xiàn)換相失敗等異常情況。然而，在實際運行中，由于受到各種因素的影響，該工程也曾發(fā)生過換相失敗事件，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成了一定的沖擊。4.1.2換相失敗事件分析在該工程的一次運行過程中，逆變側交流系統(tǒng)發(fā)生了三相短路故障，這是導致此次換相失敗事件的直接原因。故障發(fā)生時，交流電壓瞬間大幅下降，最低降至額定值的30%。由于交流電壓的驟降，換相過程中晶閘管兩端的反向電壓顯著降低，這使得晶閘管恢復阻斷能力所需的時間延長，實際關斷角減小。當交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，故障信號迅速傳播至換流站。由于故障導致交流電壓下降，換流站的控制系統(tǒng)檢測到直流電壓和電流的異常變化。在換相過程中，由于晶閘管兩端反向電壓不足，原本應該在換相結束后關斷的晶閘管未能及時恢復阻斷能力。在閥電壓轉為正向時，被換相的閥重新導通，導致?lián)Q相失敗。從故障發(fā)生到換相失敗的過程極為迅速，在幾毫秒內(nèi)就完成了，這給控制系統(tǒng)的響應帶來了極大的挑戰(zhàn)。換相失敗發(fā)生后，對該高壓直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生了多方面的嚴重影響。直流電壓瞬間下降至額定值的50%左右，直流電流則急劇增大，最高達到額定值的1.5倍。這使得直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸受到嚴重阻礙，直流功率大幅下降，無法滿足負荷中心的用電需求。換相失敗還導致了大量的諧波注入交流系統(tǒng)，使得交流系統(tǒng)的電能質量惡化，影響了其他設備的正常運行。換相失敗還可能引發(fā)連鎖反應，對整個交直流混合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構成威脅。4.1.3基于最小關斷角的改善措施實施效果針對該工程頻繁發(fā)生的換相失敗問題，采取了基于最小關斷角的改善措施。在定關斷角控制方面，優(yōu)化了基于PI調(diào)節(jié)器的控制策略。通過對PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K_p和積分系數(shù)K_i進行重新整定，使其能夠更好地適應系統(tǒng)運行工況的變化。在交流系統(tǒng)電壓波動較大時，調(diào)整后的PI調(diào)節(jié)器能夠更快速、準確地調(diào)整觸發(fā)角，確保關斷角始終保持在安全范圍內(nèi)。引入了基于最小關斷角預測的動態(tài)控制方法。利用實時監(jiān)測的交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率以及直流電流等參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型對最小關斷角進行實時預測。當預測到最小關斷角有減小趨勢，接近或小于安全閾值時，控制系統(tǒng)提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導通，延長換相過程中晶閘管承受反向電壓的時間，有效增大了實際關斷角。在采取這些改善措施后，該工程的運行效果得到了顯著提升。換相失敗次數(shù)明顯減少，在實施改善措施后的一年內(nèi)，換相失敗次數(shù)從之前的每年10次降低至每年3次，降低了70%。系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了顯著提高，直流電壓和電流的波動明顯減小，在面對交流系統(tǒng)故障等異常工況時，能夠更快地恢復穩(wěn)定運行。電能質量也得到了改善，諧波含量降低，對交流系統(tǒng)的干擾減小，保障了其他設備的正常運行。這些改善措施的實施，有效提高了該高壓直流輸電工程的可靠性和穩(wěn)定性，為區(qū)域電力供應提供了更有力的保障。四、案例分析4.2仿真案例對比4.2.1不同改善方法仿真對比為了全面評估不同改善方法在抑制換相失敗方面的性能，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型。該模型包括整流站、逆變站、交流系統(tǒng)和直流線路等部分，參數(shù)設置參考實際工程，以確保仿真的真實性和可靠性。在仿真過程中，對定關斷角控制、動態(tài)抑制方法和預測控制方法進行了對比仿真。針對交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障這一常見且嚴重的工況進行模擬，故障持續(xù)時間設定為0.1s，故障期間交流電壓下降至額定值的30%。在定關斷角控制下，系統(tǒng)在故障發(fā)生后，通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)整觸發(fā)角，試圖維持關斷角在安全范圍內(nèi)。從仿真結果來看，在故障初期，由于PI調(diào)節(jié)器的響應需要一定時間，關斷角迅速減小，出現(xiàn)了短暫的換相失敗。隨著PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用逐漸發(fā)揮，觸發(fā)角調(diào)整，關斷角逐漸增大，系統(tǒng)恢復正常運行，但在恢復過程中，直流電壓和電流出現(xiàn)了較大的波動。采用動態(tài)抑制方法時，基于最小關斷角預測的動態(tài)控制能夠實時監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，通過預測模型提前預判最小關斷角的變化趨勢。在故障發(fā)生前，就能夠根據(jù)預測結果提前調(diào)整觸發(fā)角，有效避免了關斷角的過度減小。在故障期間，直流電壓和電流的波動明顯小于定關斷角控制，系統(tǒng)能夠較快地恢復穩(wěn)定運行，換相失敗得到了較好的抑制。自適應控制策略則根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)實時調(diào)整控制參數(shù)，在交流系統(tǒng)頻率波動等情況下，也能使系統(tǒng)保持較好的穩(wěn)定性。預測控制方法通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法和卡爾曼濾波算法對最小關斷角進行準確預測。在仿真中，預測控制方法在故障發(fā)生前就準確預測到了最小關斷角的減小趨勢，并提前采取措施調(diào)整觸發(fā)角和直流電流。在故障期間，直流電壓和電流幾乎保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的換相失敗現(xiàn)象，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了極大的提升。4.2.2結果分析與討論從仿真結果來看，不同改善方法在抑制換相失敗方面各有優(yōu)劣。在抑制效果方面，預測控制方法表現(xiàn)最為出色。它能夠準確預測最小關斷角的變化，提前調(diào)整控制參數(shù)，在交流系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，幾乎完全避免了換相失敗的發(fā)生，使直流系統(tǒng)的電壓和電流保持穩(wěn)定。動態(tài)抑制方法也具有較好的抑制效果，基于最小關斷角預測的動態(tài)控制和自適應控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)實時調(diào)整，有效減少了換相失敗的發(fā)生次數(shù)，降低了直流系統(tǒng)參數(shù)的波動。而定關斷角控制在面對交流系統(tǒng)故障時，雖然能夠在一定程度上調(diào)整觸發(fā)角，但由于其對系統(tǒng)參數(shù)變化的適應性較差，在故障初期仍出現(xiàn)了換相失敗，抑制效果相對較弱。在響