淺談混合直流輸電系統(tǒng)控制保護技術

湖北能源集團股份有限公司 向 浩 鄒 健

1 混合直流輸電系統(tǒng)常見故障類型

1.1 閥組短路故障

混合直流輸電系統(tǒng)在實際運行期間常見閥組短路故障，主要體現在閥體部分。本文以某公司檢修為例，其換流閥出現逆變現象以及開關處出現異常跳動。通常遭受故障時整流側和逆變側會直接出現移相問題，即快速跳到164°，為解決本案例中系統(tǒng)遭受瞬時電流電壓刺激而產生的輸電穩(wěn)定性下降等問題，應及時提出解決路徑，一般判定該案例中故障類型時，實則可參照下述公式予以分析：

ID=max(IDcxp,IDcxn)

IVY-ID>max(Isc-set,IDkset)

IVD-ID>max(Isc-set,IDkset)

其中：ID、IVY、IDcxp、IDcxn、Iscset、kset、IVD具體表示系統(tǒng)中D型變壓器電流值、Y型變壓器最大閥組側電流、Y型接線閥組中直流電流、D型接線閥組中直流電流、相關系數和比例系數（0.5和0.2）、D型變壓器最大閥組側電流。滿足相關條件可確定系統(tǒng)具備閥組短路故障隱患[1]。此外，針對本案例中提到的逆變側電流故障問題，往往根據不同電壓變化情況確定保護控制模塊。即：

Ud1≥Udmax

Ud1≥Udmin

式中：Ud1、Udmax、Udmin表示逆變側直流電壓、保護控制閾值（常為1.1pu）、啟動閉鎖閾值（常為0.96pu）。前者表示啟動保護控制策略，后者啟動閉鎖功能。待確定好本案例中故障具體類型與故障部位后，提出可行性解決對策，同時也要在本案例尚未出現嚴重故障前運用控制保護策略消除安全隱患。

1.2 直流線路故障

除上述故障外，本案例中還包含直流線路故障，即連接的直流線路因電流沖擊誘發(fā)故障。關于故障啟動控制保護策略，往往在整流側與逆變側線路直流電流差值比[啟動定值，比例系數|整流側線路直流電流+50%逆變側線路直流電流|]區(qū)間數值大的前提下才能啟動控制保護策略，此時案例中系統(tǒng)閥組不啟動閉鎖功能，并對電流值予以有效控制，促使電流范圍恢復到標準值以內。為確保系統(tǒng)故障得到充分改善，應利用控制保護技術改善運行條件，以便系統(tǒng)實現穩(wěn)態(tài)運行。

2 混合直流輸電系統(tǒng)的控制保護技術要點

2.1 故障仿真分析

基于本案例時常遇到的上述幾項故障問題，應全面運用混合直流輸電系統(tǒng)控制保護技術消除故障，其中較為關鍵的是先行利用仿真分析法構建仿真模型，從中總結故障發(fā)生規(guī)律，掌握控制保護策略。通常在建模前需確定理想空載直流電壓（Udior）?？蓞⒄障铝泄椒治龈鲄迪嚓P性，而后經過對換流變壓器檔位控制有效保護系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

其中：Udior表示理想空載直流電壓；Udionr為理想空載直流電壓最大值；ɑ為觸發(fā)角；ddr、Ut、dxr、drr、Idn表示直流電壓、標稱電壓、子模塊直流電壓、子模塊電容電壓、直流電流。在確定檔位（TC）時，還可結合換流變壓器分接頭調節(jié)步長（Δη）以及現有檔位數量（n）予以調節(jié)，以便在檔位區(qū)間內維持良好輸電狀態(tài)：TC=n-1/Δη。

而后利用仿真模型對案例中系統(tǒng)故障予以分析，積攢實踐經驗。即通過仿真平臺構建模型，假設仿真模型為3kA、500kV電流電壓值為標準，為確?？刂票Ｗo策略具備可行性，還需輸入模型參數，即80°的阻抗角，1Ω的內阻抗，50Hz頻率與500kV受端額定線電壓，此時能在仿真設計中知曉故障發(fā)生時參數變化動態(tài)，以便及時排除基本故障。一般在仿真模型中關于系統(tǒng)故障，還可記錄故障發(fā)生時仿真波形變化特征，而后調整到標準范圍內。

比如，針對逆變側交流系統(tǒng)電壓變化情況，可在仿真模型中快速變化電壓值，隨即繪制波形圖，從中確定電壓波動條件下控制保護策略實施方法。假設在0.05s內出現0.05pu電壓降幅，此時可結合無功功率輸出值，將電壓波動幅度設定在5%以內，此時可提升系統(tǒng)運行安全水平。而按照相同思路還可在仿真模型中繪制電壓增加波形圖，最終以0.02pu增幅繪制波形圖，判定本案例中運行系統(tǒng)電壓升高時，不宜出現2%以上增幅，否則極有可能形成異常運行狀態(tài)。

2.2 改進拓撲結構

在以控制保護策略應對本案例中運行系統(tǒng)遇到的故障風險時，針對直流線路還可利用改進拓撲結構的形式強化保護效果。為解決本案例中出現的換流器會直接出現90°以上的觸發(fā)角（ɑ）情況，理應從整流側電流轉換為逆變側電流，同時啟動閉鎖功能，并切斷電流轉變路徑，如圖1所示，能及時控制換流器閉鎖狀態(tài)，實現換流器結構有效保護。

圖1 整流器電路分析圖

此外，還可結合案例中故障表現，對原有系統(tǒng)中子模塊拓撲結構提出改進策略。按照半橋型子模塊結構特征，在出現直流線路故障時難以利用自我保護方法消除故障。如若改進為電流轉移型結構（如圖2所示），即可強化系統(tǒng)換流器故障自我修復能力。改進后結構具體是在現有結構之上增設晶閘管，以并聯分布形式予以安裝，此時一旦出現故障，晶閘管將處于連通狀態(tài)，此時能實現故障電流合理分散，也不會造成換流器二極管突然遭受電流沖擊影響正常使用效果。經過對此結構的優(yōu)化改進，可減小二極管損壞風險。

圖2 系統(tǒng)子模塊拓撲結構示意圖（電流轉移型）

此外，還可以借助反并聯設計方法改造本案例系統(tǒng)的拓撲結構，即將傳統(tǒng)結構中二極管反并聯模式轉變?yōu)榻^緣柵極雙極晶體管反并聯，此時能確保系統(tǒng)運行時保持電壓均勻分布，而后利用編碼設計形式確定子模塊開關狀態(tài)（1：開；0：關），自此在新拓撲結構下通過對改進后晶閘管施加脈沖力，使之實現連通，幫助系統(tǒng)快速轉移故障直流電流。當處于全閉鎖狀態(tài)時，系統(tǒng)中換流器等多器件均呈現斷開狀態(tài)，此時潰流回路將受到流通限制，直到故障電流降為“0A”，方能繼續(xù)運行系統(tǒng)，有望在控制保護策略下規(guī)避系統(tǒng)故障隱患。

2.3 動態(tài)鏈接控制

要想避免本案例中運行系統(tǒng)因故障而出現器件損壞等重大問題，還需利用動態(tài)鏈接控制技術動態(tài)把控系統(tǒng)運行情況。以往無論是運用仿真分析法歸納故障形成路徑，還是評估子模塊運行特征時，都存在一定局限性，即無法在子模塊拓撲結構有所變化時，無法快速更新相關參數，尤其是仿真平臺參數范圍，這樣將難以進行仿真設計，并且靜態(tài)鏈接控制技術還具有豐富公共代碼，造成文件占用空間較大。

因此，若能采取動態(tài)鏈接技術，可及時剔除無效文件，隨時根據系統(tǒng)結構特征更新參數。而且此項技術還有靈活性強、內存小優(yōu)勢。具體可使用動態(tài)鏈接器，在仿真平臺上添加程序，并通過虛擬映射地址確定保護路徑。關于動態(tài)庫參數，可以利用偏移地址予以調用。同時，在系統(tǒng)保護功能下，還可利用動態(tài)鏈接技術獲取換流器直流電流極限值反饋結果，如若超出既定標準，則需要實施電流補償處理，并起到系統(tǒng)保護作用，不因直流線路故障等問題干擾正常運行動態(tài)。

需要注意的是：考慮到該案例中的系統(tǒng)啟動保護功能時，多結合晶振信號確定是否進行保護，故而在以動態(tài)鏈接技術強化控制保護效果時，還應確保仿真平臺同輸電系統(tǒng)實現“時間同步變化”，以免因時間不等出現時延過長后果。為驗證此技術適用性，理應通過傳統(tǒng)詳細邏輯控制與動態(tài)鏈接技術控制對比試驗結果予以判定，即在1s、2s、10s、100s仿真時間下，依據50μs仿真步長統(tǒng)計故障診斷速度，顯然后者仿真時間在0.96～98.6s以內，略比前者34.4～3600s快，驗證此技術確有增加仿真分析數據可靠性效果。

2.4 控制性能參數

根據相關研究：控制參數往往與系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)性能具有相關性，在系統(tǒng)保護控制期間應從控制參數方面優(yōu)化系統(tǒng)性能。具體可借助時域分析方式評估動態(tài)性能，可參照下列函數式確定系統(tǒng)時域動態(tài)性能指標變化特征。

式中：vj、wf分別表示傳遞函數極點和vj極點對應留數，gmk（s）為傳遞函數矩陣。利用此公式即可確定時域迭代最佳范圍。隨著系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時間的綜合分析可通過控制參數對系統(tǒng)所受影響予以定量分析。在以控制參數方法改善系統(tǒng)性能時，還可以結合行波比參數鑒別系統(tǒng)運行故障。通常在系統(tǒng)啟動線路保護功能時，能快速映射保護動作，且解耦電壓行波以下列公式予以計算：、，其中Up、Un代表測點1所測量的正負極電壓，而0、1即為地模和線模。

在系統(tǒng)運行期間極點間無地模，常見單極接地故障。因此，可以利用內外故障電壓行波數值鑒別故障影響范圍，且不同頻率條件下行波比對應時域電壓比還需滿足下列關系：

其中：R△U即為不同采樣周期下時域電壓比，R△Ut表示判定標準值。ΔUlmax（ts1）和ΔUlmax（ts2）即為ts1和ts2時間下電壓值差值，此時通過不同頻率行波比能產生抑制系統(tǒng)電阻衰減作用，促使在參數科學控制下保護系統(tǒng)，降低故障發(fā)生率。于本案例中以控制參數方法保護系統(tǒng)時，還可以通過電流變化值正負情況確定故障方向，由此為相關人員提供故障診斷依據。即：ΔImax≥k1Iref，其中：ΔImax代表系統(tǒng)直流線路電流變化量（故障電流-穩(wěn)態(tài)電流極限值）；k1表示電流變化系數；Iref代表額定線電流。經過計算后若ΔImax為正值，證明在正向存在故障，反之則在負向方向。

確定好故障方向后能夠提高故障診斷效率，以便在控制參數期間盡快將系統(tǒng)調節(jié)到良好狀態(tài)。為促使系統(tǒng)故障快速被清除，還需按照保護動作測點信息整合、斷開直流線路故障區(qū)間、隔離故障、系統(tǒng)再度啟動的順序，促使在保護控制策略輔助下清除故障，從根本上控制故障清除時間。一般控制性能參數技術在＜400Ω電阻條件下具備適用性，可快速鑒別直流線路故障方向，在清除故障中盡快恢復系統(tǒng)正常運行狀態(tài)。在系統(tǒng)控制和系統(tǒng)保護兩個方面，均能結合參數微調與參數控制形式促使系統(tǒng)保持易于恢復狀態(tài)。

2.5 抑制換相失敗

本文中針對案例中運行的系統(tǒng)，進行有效控制與合理保護，還可運用抑制換相失敗技術，通常觸發(fā)角與檔位之間具有負相關關系，且在高檔位下無功功率消耗量相對偏小，此時在零檔位下更易實現換流器充分調節(jié)。在分接頭檔位達到最高檔位時，如若觸發(fā)角高于高檔位下觸發(fā)角，表示盡管當前期待以提高分接頭檔位方式減小觸發(fā)角，也不具備可操作性，多源于在觸發(fā)角高于最小觸發(fā)角時，換流器正常運行。為促使系統(tǒng)持久性保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，還應當借助雙極混合直流輸電接電模式連接線路，此時可降低換相失敗風險，同時還能縮小換相母線電壓波動值。

由于換相失敗會直接引發(fā)直流線路故障，故而在系統(tǒng)控制保護操作中需要加強受端系統(tǒng)換相失敗保護。即利用電壓源型換流器，此時針對電壓換相將不存在強制性規(guī)定。而且為了展現此技術經濟性價值，還應當聯合柔性直流輸電模式進行融合設計，即在送受端系統(tǒng)分別以液晶顯示器和模塊化多電平換流器予以搭配。只有妥善處理換相失敗問題，才能表現出系統(tǒng)持久性穩(wěn)定運行優(yōu)勢。因直流電流本身需在數十ms內增長到一定極限值，故而可采用單純形算法下的目標函數（J）予以優(yōu)化：，函數中Ud、Id、t各指代直流電壓及電流標幺值、三相故障觸發(fā)時刻，最終可在優(yōu)化后抑制換相失敗。

綜上所述，本案例中運行的混合直流輸電系統(tǒng)，具體存在閥組短路和直流線路故障，為消除系統(tǒng)風險，妥善應對案例中對應的運行缺陷，應從仿真分析、拓撲結構、動態(tài)鏈接控制、性能參數以及抑制換相失敗等方面著手，以便在控制保護技術策略輔助下，本案例中運行系統(tǒng)能持久發(fā)揮供電優(yōu)勢，實現系統(tǒng)故障高效清除。同時，在控制保護技術輔助下促進本案例中系統(tǒng)及早恢復。