浅谈混合直流输电系统控制保护技术

湖北能源集团股份有限公司 向 浩 邹 健

1 混合直流输电系统常见故障类型

1.1 阀组短路故障

混合直流输电系统在实际运行期间常见阀组短路故障，主要体现在阀体部分。本文以某公司检修为例，其换流阀出现逆变现象以及开关处出现异常跳动。通常遭受故障时整流侧和逆变侧会直接出现移相问题，即快速跳到164°，为解决本案例中系统遭受瞬时电流电压刺激而产生的输电稳定性下降等问题，应及时提出解决路径，一般判定该案例中故障类型时，实则可参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具体表示系统中D型变压器电流值、Y型变压器最大阀组侧电流、Y型接线阀组中直流电流、D型接线阀组中直流电流、相关系数和比例系数（0.5和0.2）、D型变压器最大阀组侧电流。满足相关条件可确定系统具备阀组短路故障隐患[1]。此外，针对本案例中提到的逆变侧电流故障问题，往往根据不同电压变化情况确定保护控制模块。即：

Ud1≥Udmax

Ud1≥Udmin

式中：Ud1、Udmax、Udmin表示逆变侧直流电压、保护控制阈值（常为1.1pu）、启动闭锁阈值（常为0.96pu）。前者表示启动保护控制策略，后者启动闭锁功能。待确定好本案例中故障具体类型与故障部位后，提出可行性解决对策，同时也要在本案例尚未出现严重故障前运用控制保护策略消除安全隐患。

1.2 直流线路故障

除上述故障外，本案例中还包含直流线路故障，即连接的直流线路因电流冲击诱发故障。关于故障启动控制保护策略，往往在整流侧与逆变侧线路直流电流差值比[启动定值，比例系数|整流侧线路直流电流+50%逆变侧线路直流电流|]区间数值大的前提下才能启动控制保护策略，此时案例中系统阀组不启动闭锁功能，并对电流值予以有效控制，促使电流范围恢复到标准值以内。为确保系统故障得到充分改善，应利用控制保护技术改善运行条件，以便系统实现稳态运行。

2 混合直流输电系统的控制保护技术要点

2.1 故障仿真分析

基于本案例时常遇到的上述几项故障问题，应全面运用混合直流输电系统控制保护技术消除故障，其中较为关键的是先行利用仿真分析法构建仿真模型，从中总结故障发生规律，掌握控制保护策略。通常在建模前需确定理想空载直流电压（Udior）。可参照下列公式分析各参数相关性，而后经过对换流变压器档位控制有效保护系统稳定运行。

其中：Udior表示理想空载直流电压；Udionr为理想空载直流电压最大值；ɑ为触发角；ddr、Ut、dxr、drr、Idn表示直流电压、标称电压、子模块直流电压、子模块电容电压、直流电流。在确定档位（TC）时，还可结合换流变压器分接头调节步长（Δη）以及现有档位数量（n）予以调节，以便在档位区间内维持良好输电状态：TC=n-1/Δη。

而后利用仿真模型对案例中系统故障予以分析，积攒实践经验。即通过仿真平台构建模型，假设仿真模型为3kA、500kV电流电压值为标准，为确保控制保护策略具备可行性，还需输入模型参数，即80°的阻抗角，1Ω的内阻抗，50Hz频率与500kV受端额定线电压，此时能在仿真设计中知晓故障发生时参数变化动态，以便及时排除基本故障。一般在仿真模型中关于系统故障，还可记录故障发生时仿真波形变化特征，而后调整到标准范围内。

比如，针对逆变侧交流系统电压变化情况，可在仿真模型中快速变化电压值，随即绘制波形图，从中确定电压波动条件下控制保护策略实施方法。假设在0.05s内出现0.05pu电压降幅，此时可结合无功功率输出值，将电压波动幅度设定在5%以内，此时可提升系统运行安全水平。而按照相同思路还可在仿真模型中绘制电压增加波形图，最终以0.02pu增幅绘制波形图，判定本案例中运行系统电压升高时，不宜出现2%以上增幅，否则极有可能形成异常运行状态。

2.2 改进拓扑结构

在以控制保护策略应对本案例中运行系统遇到的故障风险时，针对直流线路还可利用改进拓扑结构的形式强化保护效果。为解决本案例中出现的换流器会直接出现90°以上的触发角（ɑ）情况，理应从整流侧电流转换为逆变侧电流，同时启动闭锁功能，并切断电流转变路径，如图1所示，能及时控制换流器闭锁状态，实现换流器结构有效保护。

图1 整流器电路分析图

此外，还可结合案例中故障表现，对原有系统中子模块拓扑结构提出改进策略。按照半桥型子模块结构特征，在出现直流线路故障时难以利用自我保护方法消除故障。如若改进为电流转移型结构（如图2所示），即可强化系统换流器故障自我修复能力。改进后结构具体是在现有结构之上增设晶闸管，以并联分布形式予以安装，此时一旦出现故障，晶闸管将处于连通状态，此时能实现故障电流合理分散，也不会造成换流器二极管突然遭受电流冲击影响正常使用效果。经过对此结构的优化改进，可减小二极管损坏风险。

图2 系统子模块拓扑结构示意图（电流转移型）

此外，还可以借助反并联设计方法改造本案例系统的拓扑结构，即将传统结构中二极管反并联模式转变为绝缘栅极双极晶体管反并联，此时能确保系统运行时保持电压均匀分布，而后利用编码设计形式确定子模块开关状态（1：开；0：关），自此在新拓扑结构下通过对改进后晶闸管施加脉冲力，使之实现连通，帮助系统快速转移故障直流电流。当处于全闭锁状态时，系统中换流器等多器件均呈现断开状态，此时溃流回路将受到流通限制，直到故障电流降为“0A”，方能继续运行系统，有望在控制保护策略下规避系统故障隐患。

2.3 动态链接控制

要想避免本案例中运行系统因故障而出现器件损坏等重大问题，还需利用动态链接控制技术动态把控系统运行情况。以往无论是运用仿真分析法归纳故障形成路径，还是评估子模块运行特征时，都存在一定局限性，即无法在子模块拓扑结构有所变化时，无法快速更新相关参数，尤其是仿真平台参数范围，这样将难以进行仿真设计，并且静态链接控制技术还具有丰富公共代码，造成文件占用空间较大。

因此，若能采取动态链接技术，可及时剔除无效文件，随时根据系统结构特征更新参数。而且此项技术还有灵活性强、内存小优势。具体可使用动态链接器，在仿真平台上添加程序，并通过虚拟映射地址确定保护路径。关于动态库参数，可以利用偏移地址予以调用。同时，在系统保护功能下，还可利用动态链接技术获取换流器直流电流极限值反馈结果，如若超出既定标准，则需要实施电流补偿处理，并起到系统保护作用，不因直流线路故障等问题干扰正常运行动态。

需要注意的是：考虑到该案例中的系统启动保护功能时，多结合晶振信号确定是否进行保护，故而在以动态链接技术强化控制保护效果时，还应确保仿真平台同输电系统实现“时间同步变化”，以免因时间不等出现时延过长后果。为验证此技术适用性，理应通过传统详细逻辑控制与动态链接技术控制对比试验结果予以判定，即在1s、2s、10s、100s仿真时间下，依据50μs仿真步长统计故障诊断速度，显然后者仿真时间在0.96～98.6s以内，略比前者34.4～3600s快，验证此技术确有增加仿真分析数据可靠性效果。

2.4 控制性能参数

根据相关研究：控制参数往往与系统稳定性与动态性能具有相关性，在系统保护控制期间应从控制参数方面优化系统性能。具体可借助时域分析方式评估动态性能，可参照下列函数式确定系统时域动态性能指标变化特征。

式中：vj、wf分别表示传递函数极点和vj极点对应留数，gmk（s）为传递函数矩阵。利用此公式即可确定时域迭代最佳范围。随着系统达到稳态时间的综合分析可通过控制参数对系统所受影响予以定量分析。在以控制参数方法改善系统性能时，还可以结合行波比参数鉴别系统运行故障。通常在系统启动线路保护功能时，能快速映射保护动作，且解耦电压行波以下列公式予以计算：、，其中Up、Un代表测点1所测量的正负极电压，而0、1即为地模和线模。

在系统运行期间极点间无地模，常见单极接地故障。因此，可以利用内外故障电压行波数值鉴别故障影响范围，且不同频率条件下行波比对应时域电压比还需满足下列关系：

其中：R△U即为不同采样周期下时域电压比，R△Ut表示判定标准值。ΔUlmax（ts1）和ΔUlmax（ts2）即为ts1和ts2时间下电压值差值，此时通过不同频率行波比能产生抑制系统电阻衰减作用，促使在参数科学控制下保护系统，降低故障发生率。于本案例中以控制参数方法保护系统时，还可以通过电流变化值正负情况确定故障方向，由此为相关人员提供故障诊断依据。即：ΔImax≥k1Iref，其中：ΔImax代表系统直流线路电流变化量（故障电流-稳态电流极限值）；k1表示电流变化系数；Iref代表额定线电流。经过计算后若ΔImax为正值，证明在正向存在故障，反之则在负向方向。

确定好故障方向后能够提高故障诊断效率，以便在控制参数期间尽快将系统调节到良好状态。为促使系统故障快速被清除，还需按照保护动作测点信息整合、断开直流线路故障区间、隔离故障、系统再度启动的顺序，促使在保护控制策略辅助下清除故障，从根本上控制故障清除时间。一般控制性能参数技术在＜400Ω电阻条件下具备适用性，可快速鉴别直流线路故障方向，在清除故障中尽快恢复系统正常运行状态。在系统控制和系统保护两个方面，均能结合参数微调与参数控制形式促使系统保持易于恢复状态。

2.5 抑制换相失败

本文中针对案例中运行的系统，进行有效控制与合理保护，还可运用抑制换相失败技术，通常触发角与档位之间具有负相关关系，且在高档位下无功功率消耗量相对偏小，此时在零档位下更易实现换流器充分调节。在分接头档位达到最高档位时，如若触发角高于高档位下触发角，表示尽管当前期待以提高分接头档位方式减小触发角，也不具备可操作性，多源于在触发角高于最小触发角时，换流器正常运行。为促使系统持久性保持稳定运行状态，还应当借助双极混合直流输电接电模式连接线路，此时可降低换相失败风险，同时还能缩小换相母线电压波动值。

由于换相失败会直接引发直流线路故障，故而在系统控制保护操作中需要加强受端系统换相失败保护。即利用电压源型换流器，此时针对电压换相将不存在强制性规定。而且为了展现此技术经济性价值，还应当联合柔性直流输电模式进行融合设计，即在送受端系统分别以液晶显示器和模块化多电平换流器予以搭配。只有妥善处理换相失败问题，才能表现出系统持久性稳定运行优势。因直流电流本身需在数十ms内增长到一定极限值，故而可采用单纯形算法下的目标函数（J）予以优化：，函数中Ud、Id、t各指代直流电压及电流标幺值、三相故障触发时刻，最终可在优化后抑制换相失败。

综上所述，本案例中运行的混合直流输电系统，具体存在阀组短路和直流线路故障，为消除系统风险，妥善应对案例中对应的运行缺陷，应从仿真分析、拓扑结构、动态链接控制、性能参数以及抑制换相失败等方面着手，以便在控制保护技术策略辅助下，本案例中运行系统能持久发挥供电优势，实现系统故障高效清除。同时，在控制保护技术辅助下促进本案例中系统及早恢复。