一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電力傳輸領(lǐng)域，高壓直流輸電（HVDC）憑借其輸送容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，成為解決能源資源與負(fù)荷中心逆向分布問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)手段，在我國(guó)“西電東送”“全國(guó)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(shí)現(xiàn)了云南水電遠(yuǎn)距離大容量向廣東負(fù)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(guān)斷能力，逆變側(cè)極易發(fā)生換相失敗問(wèn)題。換相失敗是直流輸電系統(tǒng)常見(jiàn)且危害嚴(yán)重的故障之一。當(dāng)逆變側(cè)換流器在換相過(guò)程中，若剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用期間，未能恢復(fù)阻斷能力，或者換相過(guò)程未完成，在閥電壓轉(zhuǎn)為正向時(shí)，被換相的閥將重新導(dǎo)通，從而導(dǎo)致?lián)Q相失敗。換相失敗發(fā)生時(shí)，直流功率會(huì)迅速下降，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)直流閉鎖，造成電能供應(yīng)中斷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大沖擊。在導(dǎo)致?lián)Q相失敗的眾多因素中，晶閘管最小關(guān)斷角起著關(guān)鍵作用。晶閘管完成換相后，需要一定時(shí)間恢復(fù)阻斷能力，這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度即為最小關(guān)斷角。若實(shí)際關(guān)斷角小于最小關(guān)斷角，晶閘管無(wú)法恢復(fù)正常阻斷狀態(tài)，就會(huì)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(guān)斷角的動(dòng)態(tài)變化特性，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中，面對(duì)復(fù)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(guān)斷角的換相失敗改善方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從理論層面看，能夠進(jìn)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(guān)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在工程實(shí)踐方面，通過(guò)優(yōu)化控制策略，充分考慮最小關(guān)斷角的動(dòng)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(jì)運(yùn)行，減少因換相失敗帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高壓直流輸電領(lǐng)域，換相失敗一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞換相失敗機(jī)理、晶閘管最小關(guān)斷角特性及換相失敗改善方法等方面展開(kāi)了大量研究。國(guó)外對(duì)換相失敗的研究起步較早，在理論分析和工程實(shí)踐方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。早期研究主要集中在換相失敗的基本原理，通過(guò)對(duì)基于電網(wǎng)換相換流器（LCC）的直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析，明確了換相失敗是由于晶閘管在換相過(guò)程中，未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)阻斷能力，導(dǎo)致被換相的閥重新導(dǎo)通。例如，[具體文獻(xiàn)1]從數(shù)學(xué)模型角度，推導(dǎo)了換相過(guò)程中晶閘管的電流、電壓變化關(guān)系，為換相失敗理論分析奠定了基礎(chǔ)。隨著研究深入，學(xué)者們關(guān)注到晶閘管最小關(guān)斷角對(duì)換相失敗的關(guān)鍵影響。[具體文獻(xiàn)2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取了不同工況下晶閘管的最小關(guān)斷角數(shù)據(jù)，分析了其與換相失敗之間的關(guān)聯(lián)，指出實(shí)際關(guān)斷角接近或小于最小關(guān)斷角時(shí)，換相失敗風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。在換相失敗改善方法上，國(guó)外提出了多種控制策略，如定關(guān)斷角控制，通過(guò)維持晶閘管關(guān)斷角在安全范圍內(nèi)，降低換相失敗概率，但該方法在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)，靈活性不足。國(guó)內(nèi)在高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)換相失敗問(wèn)題也給予了高度重視。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)深入研究換相失敗機(jī)理，結(jié)合我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際情況，取得了一系列成果。在換相失敗機(jī)理研究方面，[具體文獻(xiàn)3]通過(guò)對(duì)我國(guó)多饋入直流輸電系統(tǒng)故障案例分析，總結(jié)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(huì)引發(fā)換相失敗，進(jìn)一步豐富了換相失敗的理論體系。關(guān)于晶閘管最小關(guān)斷角，國(guó)內(nèi)研究側(cè)重于其動(dòng)態(tài)特性分析。[具體文獻(xiàn)4]利用仿真軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同運(yùn)行條件下最小關(guān)斷角的動(dòng)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(guó)內(nèi)提出了許多創(chuàng)新性策略。例如，[具體文獻(xiàn)5]提出基于智能算法的控制策略，通過(guò)優(yōu)化觸發(fā)脈沖，實(shí)時(shí)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，以適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化，有效提高了換相失敗的抑制效果。盡管國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究對(duì)晶閘管最小關(guān)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(guò)電壓、大電流沖擊等情況，最小關(guān)斷角的特性變化研究較少。目前的換相失敗改善方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中，存在與現(xiàn)有控制系統(tǒng)兼容性差的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。此外，對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)中，基于晶閘管最小關(guān)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(jìn)一步深入探索。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文圍繞基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗改善方法展開(kāi)深入研究，具體內(nèi)容如下：晶閘管特性及換相失敗機(jī)理研究：詳細(xì)剖析晶閘管的基本特性，重點(diǎn)研究其關(guān)斷特性與關(guān)斷時(shí)間，掌握晶閘管在不同工況下的工作原理。搭建晶閘管關(guān)斷特性測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)測(cè)最小關(guān)斷角數(shù)據(jù)，并建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，明確最小關(guān)斷角的各模塊功能實(shí)現(xiàn)方式，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)?；诰чl管最小關(guān)斷角的換相失敗抑制方法研究：深入研究定關(guān)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(guān)斷角的換相失敗動(dòng)態(tài)抑制方法，實(shí)時(shí)跟蹤最小關(guān)斷角變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略；同時(shí)，研究換相失敗預(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與分析，提前預(yù)測(cè)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取措施進(jìn)行防范。仿真驗(yàn)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(duì)提出的基于最小關(guān)斷角的換相失敗抑制方法進(jìn)行離線數(shù)字仿真驗(yàn)證。設(shè)置不同的故障場(chǎng)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(yùn)行情況，分析抑制方法對(duì)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(biāo)。數(shù)?；旌戏抡骝?yàn)證：搭建基于智能觸發(fā)系統(tǒng)的數(shù)?；旌戏抡嬖囼?yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)智能觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元和換相失敗監(jiān)控機(jī)箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管觸發(fā)脈沖的精確控制與換相失敗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)數(shù)?；旌祥]環(huán)仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證所提改善方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的可行性與有效性，對(duì)比仿真結(jié)果與理論分析，對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化與完善。1.3.2研究方法本文綜合運(yùn)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(yùn)用電力電子學(xué)、電路原理等相關(guān)理論，深入分析晶閘管的關(guān)斷過(guò)程、最小關(guān)斷角的影響因素以及換相失敗的發(fā)生機(jī)理。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)換相過(guò)程中各電氣量的變化關(guān)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型，分析最小關(guān)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(xì)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(shè)置晶閘管的參數(shù)，模擬不同的運(yùn)行工況和故障場(chǎng)景，對(duì)基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗改善方法進(jìn)行仿真研究。通過(guò)仿真，可以直觀地觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析改善方法的有效性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建晶閘管關(guān)斷特性測(cè)試平臺(tái)和數(shù)模混合仿真試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在晶閘管關(guān)斷特性測(cè)試平臺(tái)上，測(cè)量不同條件下晶閘管的最小關(guān)斷角，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在數(shù)?；旌戏抡嬖囼?yàn)平臺(tái)上，對(duì)提出的改善方法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，測(cè)試系統(tǒng)在各種工況下的性能指標(biāo)，如換相失敗次數(shù)、直流電壓波動(dòng)等，確保研究成果的工程實(shí)用性。二、晶閘管特性及換相失敗機(jī)理2.1晶閘管基本特性2.1.1關(guān)斷特性晶閘管的關(guān)斷過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，與載流子的復(fù)合密切相關(guān)。當(dāng)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，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(guān)斷時(shí)，需要將這些過(guò)剩的載流子耗盡，這一過(guò)程主要通過(guò)載流子的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)斷時(shí)間是衡量晶閘管關(guān)斷特性的重要參數(shù)，它指的是從晶閘管電流過(guò)零時(shí)刻到其能夠重新承受正向電壓而不導(dǎo)通的時(shí)間間隔。關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短受到多種因素的影響，其中反向恢復(fù)電荷起著關(guān)鍵作用。反向恢復(fù)電荷是指在晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到反向截止?fàn)顟B(tài)后，流出半導(dǎo)體的總電荷量。當(dāng)晶閘管電流過(guò)零時(shí)，雖然電流停止流動(dòng)，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(huì)形成反向恢復(fù)電流。隨著反向恢復(fù)電流的流動(dòng)，反向恢復(fù)電荷逐漸被釋放。若反向恢復(fù)電荷較多，意味著基區(qū)中需要復(fù)合的載流子數(shù)量多，關(guān)斷時(shí)間就會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。此外，晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如基區(qū)寬度、少數(shù)載流子壽命等，也會(huì)對(duì)關(guān)斷特性產(chǎn)生影響?；鶇^(qū)寬度越窄，載流子的復(fù)合路徑越短，復(fù)合速度加快，有利于縮短關(guān)斷時(shí)間；少數(shù)載流子壽命越短，載流子復(fù)合的概率增大，同樣能使關(guān)斷時(shí)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(huì)導(dǎo)致晶閘管在關(guān)斷瞬間產(chǎn)生較大的反向電流峰值，增加反向恢復(fù)電荷；較大的回路電感則會(huì)在關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生較高的反向過(guò)電壓，這不僅會(huì)影響關(guān)斷時(shí)間，還可能對(duì)晶閘管的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。在實(shí)際應(yīng)用中，準(zhǔn)確掌握晶閘管的關(guān)斷特性至關(guān)重要。例如，在高壓直流輸電系統(tǒng)中，晶閘管的關(guān)斷時(shí)間直接關(guān)系到換相過(guò)程的順利進(jìn)行。若關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致在換相過(guò)程中，剛退出導(dǎo)通的晶閘管未能及時(shí)恢復(fù)阻斷能力，從而引發(fā)換相失敗，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，深入研究晶閘管的關(guān)斷特性，對(duì)于優(yōu)化晶閘管的設(shè)計(jì)和應(yīng)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(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，內(nèi)部由P1-N1-P2-N2四層半導(dǎo)體組成，形成了J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，分別引出陽(yáng)極A、陰極K和門極G三個(gè)連接端。其工作狀態(tài)主要有正向阻斷、正向?qū)ê头聪蜃钄嗳N。在正向阻斷狀態(tài)下，當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極相對(duì)于陰極施加正向電壓（UAK>0），但門極未施加觸發(fā)信號(hào)（UGK=0）時(shí)，中間的PN結(jié)J2處于反向偏置狀態(tài)，此時(shí)晶閘管處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的漏電流通過(guò)，可近似認(rèn)為晶閘管不導(dǎo)通。這是因?yàn)镴2結(jié)的反向偏置阻擋了載流子的流動(dòng)，使得電流無(wú)法從陽(yáng)極流向陰極。當(dāng)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(shí)，晶閘管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。具體過(guò)程如下：門極觸發(fā)電流使得門極-陰極區(qū)域的PN結(jié)J3正向偏置，注入少數(shù)載流子（對(duì)于N型晶閘管為空穴）。這些注入的少數(shù)載流子進(jìn)入相鄰的N型層，并在那里被放大，因?yàn)镹型層的多數(shù)載流子（電子）與注入的少數(shù)載流子（空穴）復(fù)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(gè)PN結(jié)（陽(yáng)極-N型層，即J1結(jié)）逐漸變?yōu)檎蚱脿顟B(tài)，導(dǎo)致大量電子從N型層注入到P型層。此時(shí)，晶閘管內(nèi)部形成強(qiáng)烈的正反饋機(jī)制，即使移除門極電流，晶閘管也會(huì)繼續(xù)導(dǎo)電，進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。在正向?qū)顟B(tài)下，晶閘管的導(dǎo)通壓降較低，能夠允許較大的電流通過(guò)，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和控制。當(dāng)晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，若陽(yáng)極相對(duì)于陰極施加反向電壓（UAK<0），此時(shí)PN結(jié)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(wú)法導(dǎo)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(guò)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(guò)程中，通過(guò)控制不同晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)交流電流向直流電流的轉(zhuǎn)換。在某一時(shí)刻，觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管使其導(dǎo)通，電流從原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管轉(zhuǎn)移到新觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管上，完成換相。而在逆變過(guò)程中，晶閘管的工作原理則相反，將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流。然而，由于晶閘管自身不具備自關(guān)斷能力，在換相過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷。若外部條件不滿足要求，導(dǎo)致晶閘管在關(guān)斷時(shí)無(wú)法恢復(fù)阻斷能力，就會(huì)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(dǎo)通與關(guān)斷原理，對(duì)于掌握換流過(guò)程的本質(zhì)，分析和解決換相失敗問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)踐意義。2.2晶閘管最小關(guān)斷角2.2.1影響因素晶閘管最小關(guān)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(yùn)行過(guò)程中相互作用，共同決定了最小關(guān)斷角的大小。交流系統(tǒng)電壓的波動(dòng)對(duì)最小關(guān)斷角有著顯著影響。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，換相過(guò)程中晶閘管兩端的反向電壓降低，這使得晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致最小關(guān)斷角增大。例如，在實(shí)際的高壓直流輸電工程中，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電壓可能會(huì)瞬間下降至額定值的50%-70%，此時(shí)最小關(guān)斷角會(huì)明顯增大，換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)也隨之急劇增加。相反，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓升高時(shí)，晶閘管兩端的反向電壓增大，有利于晶閘管快速恢復(fù)阻斷能力，最小關(guān)斷角則會(huì)相應(yīng)減小。交流系統(tǒng)頻率的變化同樣會(huì)對(duì)最小關(guān)斷角產(chǎn)生影響。頻率升高時(shí)，交流電壓的變化速度加快，換相過(guò)程時(shí)間縮短，晶閘管在較短時(shí)間內(nèi)承受反向電壓，恢復(fù)阻斷能力的時(shí)間相對(duì)減少，最小關(guān)斷角減小。以某±500kV高壓直流輸電系統(tǒng)為例，當(dāng)交流系統(tǒng)頻率從50Hz升高到55Hz時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析發(fā)現(xiàn)，最小關(guān)斷角減小了約3°-5°。反之，頻率降低時(shí)，換相過(guò)程時(shí)間延長(zhǎng)，最小關(guān)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(guān)斷角密切相關(guān)。換相電抗越大，換相過(guò)程中電流變化越緩慢，換相時(shí)間延長(zhǎng)，晶閘管承受反向電壓的時(shí)間增加，最小關(guān)斷角增大。在實(shí)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(dāng)換流變壓器容量增大或交流線路長(zhǎng)度增加時(shí)，換相電抗會(huì)相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致最小關(guān)斷角增大。觸發(fā)角是控制晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)最小關(guān)斷角也有重要影響。觸發(fā)角增大時(shí)，晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻推遲，換相過(guò)程中交流電壓的相位滯后，使得晶閘管承受反向電壓的時(shí)間縮短，最小關(guān)斷角減小。然而，觸發(fā)角的增大也會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，如直流電壓降低、系統(tǒng)功率因數(shù)下降等。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要綜合考慮最小關(guān)斷角和系統(tǒng)其他性能指標(biāo)，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(fù)電荷、少數(shù)載流子壽命等，也會(huì)對(duì)最小關(guān)斷角產(chǎn)生影響。反向恢復(fù)電荷越多，晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間越長(zhǎng)，最小關(guān)斷角越大；少數(shù)載流子壽命越長(zhǎng)，載流子復(fù)合速度越慢，最小關(guān)斷角也會(huì)增大。在高壓直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，需要充分考慮這些因素對(duì)最小關(guān)斷角的影響，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，確保最小關(guān)斷角在安全范圍內(nèi)，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。2.2.2測(cè)量與計(jì)算方法在研究晶閘管最小關(guān)斷角的過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算最小關(guān)斷角至關(guān)重要，這有助于深入理解換相過(guò)程，為換相失敗的預(yù)防和控制提供依據(jù)。目前，常用的最小關(guān)斷角測(cè)量與計(jì)算方法主要包括實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和基于電路模型的計(jì)算方法。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法中，一種常用的方式是基于示波器的測(cè)量方法。通過(guò)在晶閘管的陽(yáng)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(hào)輸入到示波器中。在晶閘管換相過(guò)程中，示波器能夠精確記錄電流和電壓的波形變化。通過(guò)對(duì)波形的分析，確定電流過(guò)零時(shí)刻和電壓過(guò)零時(shí)刻，從而計(jì)算出晶閘管的關(guān)斷角。在實(shí)際操作中，需要準(zhǔn)確調(diào)整示波器的觸發(fā)條件，確保能夠捕捉到換相過(guò)程中電流和電壓的關(guān)鍵變化點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，能夠真實(shí)反映晶閘管在實(shí)際運(yùn)行中的關(guān)斷情況。然而，它也存在一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，需要專業(yè)的測(cè)量?jī)x器和操作技能；測(cè)量過(guò)程受到外界干擾的影響較大，如電磁干擾、測(cè)量誤差等，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差。另一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是采用專用的關(guān)斷角測(cè)量裝置。這種裝置通常集成了信號(hào)采集、處理和分析功能，能夠自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算晶閘管的最小關(guān)斷角。它通過(guò)對(duì)晶閘管兩端的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，利用內(nèi)置的算法快速準(zhǔn)確地計(jì)算出最小關(guān)斷角。專用測(cè)量裝置具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高測(cè)量效率。但它的成本較高，且對(duì)不同類型的晶閘管和系統(tǒng)工況的適應(yīng)性有限。基于電路模型的計(jì)算方法是通過(guò)建立高壓直流輸電系統(tǒng)的電路模型，利用數(shù)學(xué)公式和算法來(lái)計(jì)算最小關(guān)斷角。一種常見(jiàn)的方法是基于理想換相模型的計(jì)算。在理想換相模型中，假設(shè)交流系統(tǒng)為理想電源，忽略換相過(guò)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(dǎo)通特性，推導(dǎo)出最小關(guān)斷角的計(jì)算公式。以三相橋式全控整流電路為例，通過(guò)對(duì)換相過(guò)程中電流、電壓的分析，可以得到最小關(guān)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(xué)關(guān)系。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠快速得到最小關(guān)斷角的近似值，為系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和分析提供參考。然而，由于理想換相模型忽略了實(shí)際系統(tǒng)中的許多復(fù)雜因素，如交流系統(tǒng)的阻抗、晶閘管的反向恢復(fù)特性等，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的偏差。為了提高計(jì)算精度，考慮實(shí)際系統(tǒng)中各種因素的影響，建立了更為復(fù)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(fù)特性等因素都納入考慮范圍，通過(guò)對(duì)等效電路的分析和求解，得到更為準(zhǔn)確的最小關(guān)斷角計(jì)算結(jié)果。但這種方法的計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，需要較多的系統(tǒng)參數(shù)和精確的模型參數(shù)，計(jì)算量較大。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的測(cè)量與計(jì)算方法，或者將多種方法結(jié)合使用，以獲得更為準(zhǔn)確可靠的最小關(guān)斷角數(shù)據(jù)。2.3換相失敗機(jī)理2.3.1換相過(guò)程分析以三相橋式換流器為典型研究對(duì)象，其在高壓直流輸電系統(tǒng)中承擔(dān)著將交流電轉(zhuǎn)換為直流電（整流）或直流電轉(zhuǎn)換為交流電（逆變）的關(guān)鍵任務(wù)。在換相過(guò)程中，電流和電壓呈現(xiàn)出復(fù)雜而有序的變化規(guī)律，這對(duì)于理解換相失敗的本質(zhì)具有重要意義。在換相起始階段，假設(shè)當(dāng)前導(dǎo)通的是閥V1和閥V2，直流電流Id通過(guò)這兩個(gè)閥流通。此時(shí)，交流系統(tǒng)的線電壓Uab和Ubc為閥V1和閥V2提供導(dǎo)通條件。當(dāng)需要將電流從閥V2換相至閥V3時(shí)，在觸發(fā)角α對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，觸發(fā)閥V3使其導(dǎo)通。由于換相電抗的存在，電流不能瞬間從閥V2轉(zhuǎn)移到閥V3，而是在閥V2和閥V3之間形成一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，即換相過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，閥V2和閥V3同時(shí)導(dǎo)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(guò)程中，交流電壓的變化對(duì)電流轉(zhuǎn)移起著關(guān)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(guò)電路方程進(jìn)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(dá)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(shí)間。從這個(gè)表達(dá)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(guān)。交流電壓的幅值和相位變化會(huì)直接影響換相電流的大小和變化速度，進(jìn)而影響換相過(guò)程的順利進(jìn)行。隨著換相過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)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(shí)，換相過(guò)程結(jié)束，閥V2關(guān)斷，電流完全轉(zhuǎn)移到閥V3。在這個(gè)過(guò)程中，換相重疊角μ逐漸形成，它是指換相過(guò)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(guān)。通過(guò)對(duì)換相過(guò)程的數(shù)學(xué)分析，可以得到換相重疊角的計(jì)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(gè)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(guò)程結(jié)束后，閥V2進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)閥V2需要承受反向電壓，以恢復(fù)其阻斷能力。從閥V2電流過(guò)零到其能夠承受正向電壓而不導(dǎo)通的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電角度，即為關(guān)斷角γ。關(guān)斷角的大小對(duì)于換相失敗的發(fā)生起著關(guān)鍵作用。如果關(guān)斷角過(guò)小，小于晶閘管的最小關(guān)斷角，閥V2在恢復(fù)阻斷能力之前，可能會(huì)因正向電壓的作用而重新導(dǎo)通，從而導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在實(shí)際運(yùn)行中，需要確保關(guān)斷角大于最小關(guān)斷角，以保證換相過(guò)程的順利完成和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行中面臨的嚴(yán)重問(wèn)題，其發(fā)生是由多種因素共同作用導(dǎo)致的。深入分析這些因素，對(duì)于理解換相失敗的本質(zhì)，制定有效的預(yù)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(jiàn)且重要的原因之一。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，交流電壓會(huì)急劇下降。例如，在三相短路故障中，故障點(diǎn)附近的交流電壓可能會(huì)降至接近零值。交流電壓的下降會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相過(guò)程中晶閘管兩端的反向電壓降低，這使得晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間延長(zhǎng)。根據(jù)換相失敗的理論，當(dāng)晶閘管的實(shí)際關(guān)斷角小于最小關(guān)斷角時(shí)，就會(huì)發(fā)生換相失敗。在交流電壓下降的情況下，關(guān)斷角減小，換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。此外，交流系統(tǒng)的不對(duì)稱故障，如單相接地短路、兩相短路等，會(huì)導(dǎo)致交流電壓的不對(duì)稱，使得換相過(guò)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(dǎo)致?lián)Q相失敗的關(guān)鍵因素之一。觸發(fā)脈沖的作用是控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，確保換相過(guò)程的準(zhǔn)確進(jìn)行。如果觸發(fā)脈沖丟失，相應(yīng)的晶閘管將無(wú)法導(dǎo)通，使得換相過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行，從而導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在實(shí)際運(yùn)行中，由于觸發(fā)電路故障、信號(hào)傳輸干擾等原因，可能會(huì)出現(xiàn)觸發(fā)脈沖丟失的情況。觸發(fā)脈沖的延遲也會(huì)對(duì)換相過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)觸發(fā)脈沖延遲時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻推遲，換相過(guò)程中交流電壓的相位滯后，使得晶閘管承受反向電壓的時(shí)間縮短，關(guān)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(dòng)同樣會(huì)對(duì)換相失敗產(chǎn)生影響。當(dāng)直流電流增大時(shí)，換相過(guò)程中的換相電流也會(huì)增大，這會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相重疊角增大。根據(jù)換相重疊角的計(jì)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(guān)。換相重疊角的增大意味著晶閘管承受反向電壓的時(shí)間縮短，關(guān)斷角減小，從而增加了換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。直流電壓的波動(dòng)也會(huì)影響換相過(guò)程。當(dāng)直流電壓降低時(shí)，為了維持直流功率的平衡，直流電流會(huì)相應(yīng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)Q相失敗的風(fēng)險(xiǎn)增加。在這些導(dǎo)致?lián)Q相失敗的因素中，最小關(guān)斷角起著核心的制約作用。最小關(guān)斷角是晶閘管能夠可靠關(guān)斷的最小電角度，它與晶閘管的特性、工作條件等因素有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)等，都可能導(dǎo)致實(shí)際關(guān)斷角小于最小關(guān)斷角，從而引發(fā)換相失敗。在交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間延長(zhǎng)，最小關(guān)斷角增大，如果此時(shí)實(shí)際關(guān)斷角不能相應(yīng)增大，就會(huì)小于最小關(guān)斷角，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。因此，在高壓直流輸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和控制中，需要充分考慮最小關(guān)斷角的影響，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，確保實(shí)際關(guān)斷角始終大于最小關(guān)斷角，以有效預(yù)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(yùn)行中的嚴(yán)重故障，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及交流系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生一系列負(fù)面影響，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。換相失敗會(huì)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重沖擊。當(dāng)換相失敗發(fā)生時(shí)，直流電壓會(huì)急劇下降。在逆變側(cè)，由于換相失敗導(dǎo)致晶閘管無(wú)法正常換相，直流電流無(wú)法順利轉(zhuǎn)換為交流電流，使得直流側(cè)的能量無(wú)法及時(shí)送出，從而導(dǎo)致直流電壓迅速降低。例如，在某實(shí)際高壓直流輸電工程中，一次換相失敗事件導(dǎo)致直流電壓瞬間下降至額定值的30%-50%。直流電壓的下降會(huì)進(jìn)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(huì)對(duì)直流輸電系統(tǒng)的控制和保護(hù)設(shè)備產(chǎn)生巨大挑戰(zhàn)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的控制策略失效，保護(hù)裝置誤動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)直流輸電系統(tǒng)的閉鎖，造成整個(gè)直流輸電線路的停電事故。換相失敗會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。換相失敗發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。在換相過(guò)程中，由于晶閘管的非正常導(dǎo)通和關(guān)斷，電流和電壓的波形會(huì)發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生豐富的諧波成分。這些諧波會(huì)通過(guò)直流線路和交流系統(tǒng)傳播，對(duì)電力系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成干擾。諧波會(huì)導(dǎo)致變壓器、電機(jī)等設(shè)備的鐵芯損耗增加，溫度升高，降低設(shè)備的使用壽命；諧波還會(huì)影響電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)控制設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作或控制失靈。換相失敗還會(huì)引起無(wú)功功率的波動(dòng)。在換相失敗期間，由于晶閘管的換相異常，系統(tǒng)的無(wú)功功率需求會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致無(wú)功功率的波動(dòng)。這種無(wú)功功率的波動(dòng)會(huì)影響交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)和閃變，影響用戶的正常用電。換相失敗還會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。換相失敗時(shí)，直流輸電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間的功率交換會(huì)發(fā)生異常變化，這會(huì)對(duì)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(gè)換流站發(fā)生換相失敗，可能會(huì)引發(fā)其他換流站的連鎖反應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍，對(duì)整個(gè)交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)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(yīng)，導(dǎo)致多個(gè)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(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失。三、基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗改善方法3.1定關(guān)斷角控制3.1.1原理定關(guān)斷角控制的核心原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，以確保晶閘管在換相結(jié)束后的關(guān)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(guò)程中，晶閘管的關(guān)斷角γ是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它與觸發(fā)角α、換相重疊角μ等密切相關(guān)。換相過(guò)程中，晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻由觸發(fā)角α決定。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓和直流電流等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，換相重疊角μ會(huì)相應(yīng)改變。若不及時(shí)調(diào)整觸發(fā)角α，關(guān)斷角γ可能會(huì)減小至小于最小關(guān)斷角γmin，進(jìn)而引發(fā)換相失敗。定關(guān)斷角控制通過(guò)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如交流電壓、直流電流等，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的關(guān)斷角參考值γref，利用控制算法計(jì)算出當(dāng)前所需的觸發(fā)角α。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)檢測(cè)到關(guān)斷角γ有減小趨勢(shì)，接近或小于關(guān)斷角參考值γref時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)減小觸發(fā)角α，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，從而增大關(guān)斷角γ。反之，當(dāng)關(guān)斷角γ較大時(shí)，適當(dāng)增大觸發(fā)角α，以優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行性能，如提高直流電壓水平、降低系統(tǒng)的無(wú)功損耗等。以三相橋式全控整流電路的逆變過(guò)程為例，假設(shè)在某一時(shí)刻，交流系統(tǒng)電壓下降，導(dǎo)致?lián)Q相重疊角μ增大。根據(jù)定關(guān)斷角控制原理，控制系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到關(guān)斷角γ減小，此時(shí)通過(guò)減小觸發(fā)角α，使晶閘管提前導(dǎo)通，換相過(guò)程提前開(kāi)始，從而保證關(guān)斷角γ維持在安全范圍內(nèi)。通過(guò)這種實(shí)時(shí)調(diào)整觸發(fā)角的方式，定關(guān)斷角控制能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化，確保晶閘管在各種工況下都能可靠關(guān)斷，避免換相失敗的發(fā)生。3.1.2控制策略與實(shí)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，定關(guān)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(duì)關(guān)斷角偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)角的精確控制?；赑I調(diào)節(jié)器的定關(guān)斷角控制策略，首先需要實(shí)時(shí)測(cè)量晶閘管的實(shí)際關(guān)斷角γ。通過(guò)在換流閥的陽(yáng)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(guò)程中的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和計(jì)算，得到實(shí)際關(guān)斷角γ。將實(shí)際關(guān)斷角γ與預(yù)先設(shè)定的關(guān)斷角參考值γref進(jìn)行比較，得到關(guān)斷角偏差Δγ=γref-γ。PI調(diào)節(jié)器根據(jù)關(guān)斷角偏差Δγ進(jìn)行控制運(yùn)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(xué)表達(dá)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(duì)關(guān)斷角偏差的快速響應(yīng)能力，能夠迅速根據(jù)偏差調(diào)整觸發(fā)角，使關(guān)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(shí)間的積累，對(duì)關(guān)斷角偏差進(jìn)行積分運(yùn)算，逐步修正觸發(fā)角，最終使關(guān)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(dāng)前的觸發(fā)角α相加，得到新的觸發(fā)角α'=α+Δα?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)新的觸發(fā)角α'，通過(guò)觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)斷角的精確控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，基于PI調(diào)節(jié)器的定關(guān)斷角控制通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。硬件部分主要包括信號(hào)采集裝置（如電壓傳感器、電流傳感器）、信號(hào)處理電路、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等；軟件部分則主要實(shí)現(xiàn)控制算法，如PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算、觸發(fā)角的計(jì)算等。在信號(hào)采集裝置采集到電壓和電流信號(hào)后，將其傳輸至信號(hào)處理電路進(jìn)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(yù)先編寫的控制算法，進(jìn)行關(guān)斷角計(jì)算、PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算等，最后將計(jì)算得到的觸發(fā)角信號(hào)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(dǎo)通。3.1.3優(yōu)缺點(diǎn)分析定關(guān)斷角控制在抑制換相失敗方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在一定的局限性。定關(guān)斷角控制的優(yōu)勢(shì)之一是響應(yīng)速度快。在高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常工況，如交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)、直流電流變化等，可能導(dǎo)致關(guān)斷角發(fā)生變化，有引發(fā)換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。定關(guān)斷角控制能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)斷角的變化，一旦檢測(cè)到關(guān)斷角偏離參考值，立即通過(guò)PI調(diào)節(jié)器快速調(diào)整觸發(fā)角，使關(guān)斷角恢復(fù)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(shí)，定關(guān)斷角控制能夠在極短的時(shí)間內(nèi)（通常在幾個(gè)毫秒內(nèi)）做出響應(yīng)，調(diào)整觸發(fā)角，增大關(guān)斷角，有效避免換相失敗的發(fā)生。定關(guān)斷角控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)?；赑I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(shí)踐中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。該控制方法所需的硬件設(shè)備和軟件算法相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的計(jì)算和處理過(guò)程，降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。在一些小型高壓直流輸電系統(tǒng)中，采用定關(guān)斷角控制，通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件電路和軟件程序，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)換相失敗的有效抑制，提高系統(tǒng)的可靠性。然而，定關(guān)斷角控制也存在一些局限性。其中一個(gè)主要問(wèn)題是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)性較差。定關(guān)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(jìn)行整定的。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生改變，而PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)如果不能及時(shí)調(diào)整，就難以適應(yīng)新的工況，導(dǎo)致控制效果變差。在交流系統(tǒng)阻抗增大時(shí)，換相過(guò)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(wú)法準(zhǔn)確調(diào)整觸發(fā)角，使得關(guān)斷角控制精度下降，換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)增加。定關(guān)斷角控制在抑制換相失敗方面，雖然具有響應(yīng)速度快、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但在面對(duì)復(fù)雜多變的系統(tǒng)運(yùn)行工況時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化適應(yīng)性差的局限性也不容忽視。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合其他控制策略或?qū)ΧP(guān)斷角控制進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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(dòng)態(tài)抑制方法3.2.1基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制方法，是通過(guò)對(duì)影響最小關(guān)斷角的諸多因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，運(yùn)用先進(jìn)的預(yù)測(cè)算法，提前預(yù)估最小關(guān)斷角的變化趨勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)換相失敗的動(dòng)態(tài)抑制。在實(shí)際的高壓直流輸電系統(tǒng)中，影響最小關(guān)斷角的因素復(fù)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，通過(guò)高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)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(duì)采集到的交流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效去除噪聲干擾，準(zhǔn)確提取電壓的變化趨勢(shì)，為最小關(guān)斷角的預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)最小關(guān)斷角的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，多種預(yù)測(cè)模型被廣泛應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以其強(qiáng)大的非線性映射能力，在最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)大量的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)到最小關(guān)斷角與各影響因素之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。以某高壓直流輸電工程的實(shí)際運(yùn)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(guān)斷角作為輸出變量，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的模型，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的輸入變量，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最小關(guān)斷角的變化。灰色預(yù)測(cè)模型則適用于數(shù)據(jù)量較少、信息不完全的情況，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加生成等處理，挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)最小關(guān)斷角的短期預(yù)測(cè)。在一些新投入運(yùn)行的高壓直流輸電線路，由于運(yùn)行數(shù)據(jù)積累較少，采用灰色預(yù)測(cè)模型可以有效地對(duì)最小關(guān)斷角進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)得到的最小關(guān)斷角變化趨勢(shì)，控制系統(tǒng)會(huì)提前調(diào)整控制策略。當(dāng)預(yù)測(cè)到最小關(guān)斷角有減小趨勢(shì)，接近或小于安全閾值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，從而增大實(shí)際關(guān)斷角，避免換相失敗的發(fā)生。在某時(shí)刻，通過(guò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)到下一個(gè)換相周期中最小關(guān)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(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制方法，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化，提前采取措施，有效提高了系統(tǒng)對(duì)換相失敗的抵御能力。3.2.2自適應(yīng)控制策略自適應(yīng)控制策略是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)的智能控制方法，其核心在于通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的工況，提高系統(tǒng)對(duì)換相失敗的抑制能力。在自適應(yīng)控制策略中，控制參數(shù)的調(diào)整是關(guān)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(guān)。觸發(fā)角決定了晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，熄弧角則直接影響晶閘管的關(guān)斷狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降時(shí)，為了保證晶閘管能夠可靠關(guān)斷，避免換相失敗，自適應(yīng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，自動(dòng)減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，從而增大熄弧角。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓下降10%時(shí)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)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(yīng)控制策略的實(shí)現(xiàn)依賴于先進(jìn)的算法和技術(shù)。模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）是一種常用的方法，它通過(guò)建立一個(gè)參考模型來(lái)描述系統(tǒng)的理想運(yùn)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(yùn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出，如直流電壓、電流、關(guān)斷角等，并與參考模型的輸出進(jìn)行比較，得到兩者之間的偏差。根據(jù)偏差信號(hào)，利用自適應(yīng)算法調(diào)整控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)的實(shí)際輸出逐漸接近參考模型的輸出。如果實(shí)際關(guān)斷角小于參考模型中的關(guān)斷角，自適應(yīng)算法會(huì)調(diào)整觸發(fā)角控制參數(shù)，增大觸發(fā)角，以提高關(guān)斷角，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。另一種常用的自適應(yīng)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(shè)定，在運(yùn)行過(guò)程中難以根據(jù)系統(tǒng)工況變化進(jìn)行調(diào)整。自整定PID控制則能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，如交流系統(tǒng)短路導(dǎo)致電壓驟降時(shí)，自整定PID控制算法能夠快速檢測(cè)到系統(tǒng)狀態(tài)的變化，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和算法，自動(dòng)調(diào)整Kp、Ki和Kd的值，使控制器能夠更好地適應(yīng)新的工況，對(duì)觸發(fā)角和熄弧角進(jìn)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(shí)，自整定PID控制算法在極短時(shí)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(yùn)行。3.2.3仿真分析為了全面驗(yàn)證動(dòng)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(guān)鍵部分，能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性。在搭建模型時(shí)，對(duì)換流器采用詳細(xì)的晶閘管模型進(jìn)行模擬，精確設(shè)置晶閘管的參數(shù)，如導(dǎo)通壓降、關(guān)斷時(shí)間、最小關(guān)斷角等，以確保模型能夠真實(shí)反映晶閘管的實(shí)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(jī)的動(dòng)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(shí)際線路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括線路電阻、電感、電容等，以準(zhǔn)確模擬直流電流和電壓的傳輸特性。在仿真過(guò)程中，設(shè)置了多種故障場(chǎng)景，以全面評(píng)估動(dòng)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(shí)，交流電壓瞬間大幅下降，這是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的常見(jiàn)且嚴(yán)重的故障類型。在仿真中，將三相短路故障設(shè)置在交流母線處，故障持續(xù)時(shí)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(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電壓和其他相關(guān)參數(shù)，利用預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到最小關(guān)斷角的減小趨勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)了換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，有效增大了關(guān)斷角，成功避免了換相失敗。從仿真結(jié)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(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和異常，證明了該方法在抑制換相失敗方面的有效性。設(shè)置了交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)的故障場(chǎng)景。當(dāng)交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，會(huì)影響換相過(guò)程中的電壓和電流變化，進(jìn)而增加換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。在仿真中，將交流系統(tǒng)頻率從額定的50Hz波動(dòng)至48Hz，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間為0.2s。自適應(yīng)控制策略能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)頻率變化，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。在頻率下降時(shí)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)角和熄弧角，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)頻率變化，保持穩(wěn)定運(yùn)行。從仿真結(jié)果來(lái)看，在頻率波動(dòng)期間，直流系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)保持穩(wěn)定，換相過(guò)程順利進(jìn)行，未發(fā)生換相失敗，驗(yàn)證了自適應(yīng)控制策略在應(yīng)對(duì)交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)的有效性。通過(guò)對(duì)不同故障場(chǎng)景下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)抑制方法的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的控制方法相比，基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制和自適應(yīng)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(fù)雜故障工況下，動(dòng)態(tài)抑制方法能夠使直流系統(tǒng)的電壓和電流波動(dòng)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(yùn)行提供了有力保障。3.3預(yù)測(cè)控制方法3.3.1預(yù)測(cè)模型建立建立基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗預(yù)測(cè)模型，需要全面考慮交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率等因素的動(dòng)態(tài)變化，以及它們與最小關(guān)斷角之間的復(fù)雜關(guān)系。在考慮交流系統(tǒng)電壓時(shí)，其幅值和相位的變化對(duì)最小關(guān)斷角有著直接影響。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓幅值下降時(shí)，換相過(guò)程中晶閘管兩端的反向電壓降低，導(dǎo)致晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間延長(zhǎng)，最小關(guān)斷角增大。為了準(zhǔn)確描述這種關(guān)系，采用如下數(shù)學(xué)模型：\gamma_{min}=f_1(U_{ac},\omega_{ac},I_d,\alpha)其中，\gamma_{min}為最小關(guān)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(guò)對(duì)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析和理論推導(dǎo)，確定函數(shù)f_1的具體形式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最小關(guān)斷角與交流系統(tǒng)電壓之間關(guān)系的精確描述。交流系統(tǒng)電流的變化同樣會(huì)影響最小關(guān)斷角。在換相過(guò)程中，電流的大小和變化率會(huì)影響換相重疊角，進(jìn)而影響最小關(guān)斷角。以換相電流i_{ph}為例，其表達(dá)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(guò)對(duì)換相電流的分析，可以建立最小關(guān)斷角與交流系統(tǒng)電流之間的關(guān)系模型：\gamma_{min}=f_2(i_{ph},\omega_{ac},I_d,\alpha)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真，獲取不同工況下?lián)Q相電流與最小關(guān)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(dòng)會(huì)改變交流電壓的變化速度，從而影響換相過(guò)程的時(shí)間和最小關(guān)斷角。當(dāng)頻率升高時(shí)，交流電壓變化加快，換相過(guò)程時(shí)間縮短，最小關(guān)斷角減小。建立最小關(guān)斷角與交流系統(tǒng)頻率之間的關(guān)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(guò)對(duì)不同頻率下系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，確定函數(shù)f_3的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)最小關(guān)斷角與交流系統(tǒng)頻率關(guān)系的準(zhǔn)確建模。將這些因素綜合考慮，建立基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗預(yù)測(cè)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(fù)雜函數(shù)。通過(guò)不斷優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)最小關(guān)斷角的變化，為換相失敗的預(yù)測(cè)和控制提供有力支持。3.3.2預(yù)測(cè)算法與控制策略在預(yù)測(cè)控制方法中，選擇合適的預(yù)測(cè)算法和控制策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的換相失敗抑制至關(guān)重要。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以其強(qiáng)大的非線性映射能力，在最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基本原理是通過(guò)構(gòu)建多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，利用大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(guān)斷角）之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。以某高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，選取過(guò)去一段時(shí)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(duì)應(yīng)的最小關(guān)斷角作為輸出樣本，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的輸出盡可能接近實(shí)際的最小關(guān)斷角。當(dāng)訓(xùn)練完成后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集的輸入變量，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最小關(guān)斷角的變化?？柭鼮V波算法也是一種常用的預(yù)測(cè)算法，它主要用于處理含有噪聲的動(dòng)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(huì)影響最小關(guān)斷角的預(yù)測(cè)精度?？柭鼮V波算法通過(guò)建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量值，對(duì)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)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(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)這些變量進(jìn)行濾波處理，去除噪聲干擾，得到更準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)值，進(jìn)而提高最小關(guān)斷角的預(yù)測(cè)精度。基于預(yù)測(cè)結(jié)果的控制策略主要是根據(jù)預(yù)測(cè)得到的最小關(guān)斷角變化趨勢(shì)，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(dāng)預(yù)測(cè)到最小關(guān)斷角有減小趨勢(shì)，接近或小于安全閾值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，從而增大實(shí)際關(guān)斷角。當(dāng)預(yù)測(cè)到下一個(gè)換相周期中最小關(guān)斷角將減小到接近安全閾值時(shí)，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(yù)測(cè)結(jié)果，調(diào)整直流電流的大小，優(yōu)化換相過(guò)程，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)。3.3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)控制方法的有效性和可靠性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行了全面驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(cè)與分析設(shè)備等部分組成。高壓直流輸電模擬系統(tǒng)采用了實(shí)際的晶閘管換流器、交流電源、直流負(fù)載等設(shè)備，能夠真實(shí)模擬高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行工況。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過(guò)高精度的傳感器實(shí)時(shí)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(jìn)行處理和分析。監(jiān)測(cè)與分析設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，記錄關(guān)鍵電氣量的變化，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置了多種故障場(chǎng)景，如交流系統(tǒng)短路故障、交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)、頻率變化等，以全面測(cè)試預(yù)測(cè)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(shí)，交流電壓瞬間大幅下降，這是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的常見(jiàn)且嚴(yán)重的故障類型。在實(shí)驗(yàn)中，將三相短路故障設(shè)置在交流母線處，故障持續(xù)時(shí)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(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電壓和其他相關(guān)參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到最小關(guān)斷角的減小趨勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)了換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，有效增大了關(guān)斷角，成功避免了換相失敗。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)和異常，證明了預(yù)測(cè)控制方法在抑制換相失敗方面的有效性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了預(yù)測(cè)控制方法的可靠性。在相同的故障場(chǎng)景下，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在關(guān)鍵電氣量的變化趨勢(shì)和數(shù)值上基本一致。在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，預(yù)測(cè)控制方法能夠有效抑制換相失敗，使直流系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)保持穩(wěn)定。這說(shuō)明仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性，預(yù)測(cè)控制方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明了基于晶閘管最小關(guān)斷角的換相失敗預(yù)測(cè)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(shí)際工程應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。四、案例分析4.1實(shí)際工程案例4.1.1案例介紹選取某實(shí)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(fù)荷中心，輸電距離長(zhǎng)達(dá)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(guān)鍵作用。該工程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為直流電，通過(guò)直流輸電線路輸送至遠(yuǎn)方的逆變站。逆變站則將直流電轉(zhuǎn)換回交流電，接入東部負(fù)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(gè)晶閘管組成換流閥，實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)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(jì)算約為0.25Ω。觸發(fā)角的初始設(shè)定值為15°，定關(guān)斷角控制中的關(guān)斷角參考值設(shè)定為15°。在正常運(yùn)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(dá)到額定值3000MW。交流系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，換流站的各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行正常，換相過(guò)程順利進(jìn)行，未出現(xiàn)換相失敗等異常情況。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，由于受到各種因素的影響，該工程也曾發(fā)生過(guò)換相失敗事件，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生了三相短路故障，這是導(dǎo)致此次換相失敗事件的直接原因。故障發(fā)生時(shí)，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(guò)程中晶閘管兩端的反向電壓顯著降低，這使得晶閘管恢復(fù)阻斷能力所需的時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)際關(guān)斷角減小。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后，故障信號(hào)迅速傳播至換流站。由于故障導(dǎo)致交流電壓下降，換流站的控制系統(tǒng)檢測(cè)到直流電壓和電流的異常變化。在換相過(guò)程中，由于晶閘管兩端反向電壓不足，原本應(yīng)該在換相結(jié)束后關(guān)斷的晶閘管未能及時(shí)恢復(fù)阻斷能力。在閥電壓轉(zhuǎn)為正向時(shí)，被換相的閥重新導(dǎo)通，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。從故障發(fā)生到換相失敗的過(guò)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(yīng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。換相失敗發(fā)生后，對(duì)該高壓直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生了多方面的嚴(yán)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(dá)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(yán)重阻礙，直流功率大幅下降，無(wú)法滿足負(fù)荷中心的用電需求。換相失敗還導(dǎo)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(zhì)量惡化，影響了其他設(shè)備的正常運(yùn)行。換相失敗還可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，對(duì)整個(gè)交直流混合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。4.1.3基于最小關(guān)斷角的改善措施實(shí)施效果針對(duì)該工程頻繁發(fā)生的換相失敗問(wèn)題，采取了基于最小關(guān)斷角的改善措施。在定關(guān)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(guò)對(duì)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K_p和積分系數(shù)K_i進(jìn)行重新整定，使其能夠更好地適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化。在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，調(diào)整后的PI調(diào)節(jié)器能夠更快速、準(zhǔn)確地調(diào)整觸發(fā)角，確保關(guān)斷角始終保持在安全范圍內(nèi)。引入了基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制方法。利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的交流系統(tǒng)電壓、電流、頻率以及直流電流等參數(shù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型對(duì)最小關(guān)斷角進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。當(dāng)預(yù)測(cè)到最小關(guān)斷角有減小趨勢(shì)，接近或小于安全閾值時(shí)，控制系統(tǒng)提前減小觸發(fā)角，使晶閘管提前導(dǎo)通，延長(zhǎng)換相過(guò)程中晶閘管承受反向電壓的時(shí)間，有效增大了實(shí)際關(guān)斷角。在采取這些改善措施后，該工程的運(yùn)行效果得到了顯著提升。換相失敗次數(shù)明顯減少，在實(shí)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(dòng)明顯減小，在面對(duì)交流系統(tǒng)故障等異常工況時(shí)，能夠更快地恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。電能質(zhì)量也得到了改善，諧波含量降低，對(duì)交流系統(tǒng)的干擾減小，保障了其他設(shè)備的正常運(yùn)行。這些改善措施的實(shí)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(yīng)提供了更有力的保障。四、案例分析4.2仿真案例對(duì)比4.2.1不同改善方法仿真對(duì)比為了全面評(píng)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(shè)置參考實(shí)際工程，以確保仿真的真實(shí)性和可靠性。在仿真過(guò)程中，對(duì)定關(guān)斷角控制、動(dòng)態(tài)抑制方法和預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行了對(duì)比仿真。針對(duì)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障這一常見(jiàn)且嚴(yán)重的工況進(jìn)行模擬，故障持續(xù)時(shí)間設(shè)定為0.1s，故障期間交流電壓下降至額定值的30%。在定關(guān)斷角控制下，系統(tǒng)在故障發(fā)生后，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)整觸發(fā)角，試圖維持關(guān)斷角在安全范圍內(nèi)。從仿真結(jié)果來(lái)看，在故障初期，由于PI調(diào)節(jié)器的響應(yīng)需要一定時(shí)間，關(guān)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(guān)斷角逐漸增大，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，但在恢復(fù)過(guò)程中，直流電壓和電流出現(xiàn)了較大的波動(dòng)。采用動(dòng)態(tài)抑制方法時(shí)，基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)預(yù)測(cè)模型提前預(yù)判最小關(guān)斷角的變化趨勢(shì)。在故障發(fā)生前，就能夠根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提前調(diào)整觸發(fā)角，有效避免了關(guān)斷角的過(guò)度減小。在故障期間，直流電壓和電流的波動(dòng)明顯小于定關(guān)斷角控制，系統(tǒng)能夠較快地恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，換相失敗得到了較好的抑制。自適應(yīng)控制策略則根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，在交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)等情況下，也能使系統(tǒng)保持較好的穩(wěn)定性。預(yù)測(cè)控制方法通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和卡爾曼濾波算法對(duì)最小關(guān)斷角進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在仿真中，預(yù)測(cè)控制方法在故障發(fā)生前就準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到了最小關(guān)斷角的減小趨勢(shì)，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(jié)果分析與討論從仿真結(jié)果來(lái)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(yù)測(cè)控制方法表現(xiàn)最為出色。它能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最小關(guān)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(yán)重故障時(shí)，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(dòng)態(tài)抑制方法也具有較好的抑制效果，基于最小關(guān)斷角預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)控制和自適應(yīng)控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)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(dòng)。而定關(guān)斷角控制在面對(duì)交流系統(tǒng)故障時(shí)，雖然能夠在一定程度上調(diào)整觸發(fā)角，但由于其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)性較差，在故障初期仍出現(xiàn)了換相失敗，抑制效果相對(duì)較弱。在響