混合换相换流器小熄弧角运行的无功控制策略研究

《Protection and Control of Modern Power Systems》：Research on Reactive Power Control Strategy for Small Extinction Angle Operation of Hybrid Commutation Converters

为解决传统LCC-HVDC系统易发生换相失败、无功控制依赖补偿设备切换的问题，本研究提出基于换流变压器分接头与熄弧角协同控制的HCC无功控制新策略。通过建立四端UHVDC仿真模型验证表明，该策略可在维持有功功率恒定前提下实现±160 Mvar/步的无功调节，并将额定熄弧角从17°降至8°，显著提升系统经济性与可靠性。

　　

随着"双碳"目标的持续推进，能源转型对远距离大容量输电技术提出更高要求。基于晶闸管的电网换相换流高压直流输电（LCC-HVDC）虽具备耐压高、容量大等优势，但其半控器件特性导致在交流电网故障时易发生换相失败（CF），成为制约可靠性的关键瓶颈。而全控器件IGBT构成的电压源换流器（VSC-HVDC）虽能避免换相失败，却受限于传输容量与距离。这一矛盾催生了兼具晶闸管耐压特性与IGBT可控性的新型半导体器件——反向阻断集成门极换流晶闸管（IGCT）的诞生。

IGCT器件特有的恢复增强特性使其在电流过零后恢复阻断能力的时间远短于传统晶闸管，为混合换相换流器（HCC）实现小熄弧角运行奠定基础。HCC通过自然换相与主动换相相结合的模式，既可利用IGCT的快速恢复特性降低无功需求，又能通过主动关断桥臂避免换相失败。然而当前HCC项目仍沿用LCC的无功控制方式，即通过投切交流滤波器、并联电容器等补偿设备进行调节，这种操作不仅会引发换相失败风险（如中国灵宝换流站2005-2022年间5%的换相失败由切电容器引起），还导致换流站占地面积大、成本高昂。

针对上述问题，本研究创新性地提出通过协调换流变压器分接头与熄弧角来实现HCC无功调节的策略。该策略通过建立分接头位置与无功交换量δQ_C的对应关系表，在监测到δQ_{C越限时自动调整分接头改变理想空载直流电压Udio，再通过恒定电流控制器调节熄弧角γ维持有功功率稳定。理论计算表明，当额定熄弧角γN为17°时，分接头每调整1档可改变约160 Mvar无功；当γN降至12°时，单档调节量提升至167 Mvar；而γN=7°时虽能实现正向调节，但反向调节会导致γ趋近于0而失去工程可行性。}

为验证策略有效性，研究团队在PSCAD/EMTDC平台构建了含两个送端MMC（模块化多电平换流器）站、一个受端HCC站和一个受端MMC站的四端特高压直流电网仿真模型。仿真结果显示：在γ_N=17°工况下，分接头从0档调至-6档时，δQ_C从167 Mvar增至1327 Mvar，熄弧角从17.2°升至24.9°，每档调节伴随交流母线电压0.4%的波动；反向调节至5档时，δQ_C降至-874 Mvar，γ降至6.6°，系统保持稳定。而当γ_N=12°时，反向调节仅能支持2档操作（δQ_C变化426 Mvar），γ_N=7°时则完全无法实现反向支撑，这与理论分析高度吻合。

通过对比不同γ_N下的总无功消耗曲线，研究发现γ_N=8°时系统总无功需求最低（3868.5 Mvar），且具备1538 Mvar的正向调节能力，故推荐8°作为理论最优额定熄弧角。与传统LCC方案（γ_N=17°时需4612.8 Mvar无功）相比，新策略可减少约800 Mvar无功需求，节省4组滤波器（单组造价500万-3000万元），使换流站占地面积从33%降至27%，同时避免因切换补偿设备引发的换相失败风险。

关键技术方法包括：建立HCC交流直流侧等效电路模型，采用牛顿法求解分接头与无功交换量的数学关系；通过PSCAD/EMTDC搭建四端UHVDC仿真平台，设置送端MMC站采用V/f控制、受端HCC站采用定电流控制、受端MMC站采用电压控制的协同策略；基于IGCT驱动电路实时检测电流过零点，利用恢复增强模式实现自然换相，通过主动关断信号触发强制换相。

研究结果方面：

HCC换相技术验证：通过拓扑对比证实IGCT串联桥臂并联RC阻尼电路和避雷器的结构优势，自然换相过程中IGCT阻断能力恢复时间比晶闸管缩短约2/3，主动换相模式可强制桥臂电流归零避免换相失败。

无功控制机制分析：推导出dQ_C/dγ>0的单调递增关系，明确γ作为控制变量的可行性。建立U_dio=1.35Ecosγ-3X_TI_dc/π的等效模型，揭示通过分接头调节U_dio、再配合γ校正的协同控制路径。

分接头调节能力量化：计算获得γ_N=17°时分接头-6档至+5档对应δQ_C为965.4 Mvar至-806.8 Mvar的调节范围；γ_N=12°时调节范围扩展至1333 Mvar至-336.7 Mvar；γ_N=7°时虽正向调节达1538 Mvar，但反向调节会导致γ=0而失效。

额定熄弧角优化：通过对比γ_N从6°至18°的无功消耗曲线，发现γ_N=8°时总无功需求最低，且具备最佳正向支撑能力，据此确定理论最优工作点。

仿真验证：四端系统测试表明γ_N=17°时可实现1041 Mvar反向支撑，γ_N=12°时为426 Mvar，γ_N=8°时系统保持稳定且波形正常，误差均低于5%的工程允许值。

本研究通过理论创新与工程验证的深度结合，首次系统阐述了HCC小熄弧角运行的无功控制机制。所提策略不仅解决了传统无功控制方式存在的可靠性隐患，更通过降低熄弧角显著提升了系统经济性。其分接头-熄弧角协同控制框架适用于两端/多端直流系统，为未来大规模新能源基地经UHVDC外送提供了关键技术支撑。后续研究将聚焦于暂态无功调节策略与控制保护硬件在环验证，进一步拓展该技术的应用边界。