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傳統的高壓直流輸電（High Voltage Direct Current，HVDC）憑借輸送容量大、功率調節能力強、造價相對較低等特點，在我國“南北互供”、“西電東送”以及“全國聯網”等國家電網發展戰略中扮演了重要的角色。我國目前已有30多條高壓直流輸電工程建成并投入運行，已成為擁有直流輸電工程最多、輸送容量最大、輸送線路最長的國家。

然而該輸電技術的核心元件晶閘管卻沒有自關斷能力，這導致其在逆變側交流系統電壓支撐不足的情況下極易發生換相失敗。換相失敗不僅會引發直流電流激增、導致換流閥受到沖擊，還會造成直流功率的大幅度波動，嚴重情況甚至導致直流系統閉鎖，該功率波動將給直流系統的送、受端電網安全穩定運行帶來更為嚴峻的考驗。

雖然傳統高壓直流輸電技術有與生俱來的換相失敗缺陷，但其在輸送能力、輸送距離、造價等方面的顯著優點使其工程應用依舊廣泛。因此，國內外學者針對換相失敗的預防研究已經開展了大量的工作，其預防措施主要分為拓撲結構改進和控制策略優化兩個方面。然而拓撲結構的改進雖然能從換相機理上消除換相失敗，但改進成本過高，同時工程實施難度較大。

在控制策略優化方面，為實現換相失敗的快速預防，其研究思路主要分為兩個步驟：首先是換相失敗的快速檢測，其次是換相失敗的快速抑制。目前應用于直流輸電系統的換相失敗檢測分為實測型和預測型兩大類。

1）實測型，是通過量測各換流閥換相結束時刻與對應的換相電壓過零時刻的間隔，并將其轉換為角度量從而獲得熄弧角，通過與最小熄弧角的比較判斷是否發生換相失敗。首先實測型是對已經發生的換相失敗進行檢測，所以其后續采取的控制措施都在換相失敗發生后，會導致控制系統的響應速度降低，其次因為直流工程中一個換流橋臂的晶閘管數量太多，故晶閘管的熄弧角不易測量。

2）預測型，是在逆變側交流母線對三相電壓提取零序分量或◆◆變換，從而預測單相故障和三相對稱故障所引發的換相失敗。在此基礎上，有學者針對電壓過零點啟動慢的缺點，提出了增加正弦-余弦分量的檢測方法。雖然預測法在檢測速度上大大提高，為抑制換相失敗發生爭取了更多的時間，但現有預測法針對換相失敗是否發生的判據主要依賴仿真計算，無法建立換相失敗與預測判據之間的物理關系，缺乏理論依據，需針對各個工況進行仿真，普適性有待提高。

目前針對換相失敗的抑制措施主要為提前觸發，增大換相裕度。有學者采用了模糊控制器，設計了綜合各有關電氣量的模糊控制方案來計算提前觸發角度，以實現換相失敗的抑制。有學者在現有的換相失敗預測控制的基礎上提出了將零序電壓分量和旋轉矢量所檢測的最大值轉換為提前觸發的角度。有學者認為提前觸發過大會導致無功需求增大，直流電流增大，這將更不利于換相過程。提前觸發角度過大的主要原因是現有方法并未將提前觸發角度與換相失敗的邊界條件建立物理關系，這也恰恰導致提前觸發控制存在超調的可能性。

綜合上述研究成果，新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網北京市電力公司的研究人員從換相失敗的物理判據出發，以換相需求面積和可供應最小換相面積之間的關系作為換相失敗判斷標準，利用三點法對故障前后的換相線電壓波形進行擬合，從而實現對換相失敗的快速預測；并在此基礎上，通過換相失敗的邊界條件，借助換相面積理論求解出控制器的最大觸發延遲角，增大換相裕度以實現對換相失敗的快速抑制。

圖1 換相失敗預測示意圖

圖2 控制結構框圖

圖3 基于換相面積的觸發角控制框圖

基于CIGRE直流輸電標準模型，對所提換相失敗快速預測及抑制措施進行仿真驗證，仿真結果表明本方法可以實現對換相失敗的準確、快速預測，并在一定程度上抑制HVDC系統發生換相失敗，并得到以下結論。

1）換相失敗機理層面的原因是可供應最小換相面積小于換相需求面積，兩者之間的關系可用來作為換相失敗的檢測判據，且物理意義清晰。

2）利用三點法快速擬合故障后的電壓波形，可以完成換相失敗的快速預測，且該預測不受故障類型、故障時間以及故障位置等因素的影響，且啟動判據不依賴仿真，具有明晰的物理意義，保證預測的可靠性。

3）基于臨界換相面積的量化觸發角控制策略，可以實現更為精準的提前觸發，不但能降低換相失敗的發生風險，還能避免過度超前觸發所引起的連續換相失敗，從而有利于系統的故障恢復。

以上研究成果發表在2020年第7期《電工技術學報》，論文標題為“基于電壓波形擬合的換相失敗快速預測與抑制措施”，作者為王增平、劉席洋、鄭博文、李永光。