基于直流控制系統的HVDC輸電線路后備保護新方案

張凌躍，陳睿

（昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500）

基于直流控制系統的HVDC輸電線路后備保護新方案

張凌躍，陳睿

（昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500）

在考慮直流控制系統影響的情況下，詳細分析了HVDC輸電線路區內、區外的故障特征以及直流控制系統的動作特性和控制狀態，并提出了一種基于故障期間換流器觸發角、逆變器關斷角和兩端閥側到直流出線區域的差流變化特征的直流線路后備保護新原理，通過仿真分析驗證了該原理的正確性和有效性。動作可靠性分析結果表明：本文所提保護較微分欠壓保護具有更高的耐受過渡電阻能力，達300Ω以上，其動作時間較直流縱差保護提高了約63%。

直流控制系統；HVDC輸電線路；后備保護新方案

與交流輸電系統比較而言，高壓直流(HVDC)輸電由于具有輸送距離遠、輸送容量大以及功率調控方便等諸多優點，而被廣泛應用于遠距離電能傳輸、異步聯網、海島供電等領域。目前，直流輸電線路主要保護方案包括行波保護、微分欠壓保護、直流差動保護等。

本文分析了考慮控制特性后的直流線路區內外故障特性，在此基礎上提出了一種直流線路后備保護新方案，并通過數值仿真方法，深入分析不同故障條件下直流后備保護判據的動作特性，以此為依據確定保護整定值并分析其動作可靠性相關影響因素；最后，仿真分析了過渡電阻、故障距離對所提保護動作可靠性的影響。

1 直流輸電系統故障分類

對于如圖1所示的雙極直流輸電系統，直流線路保護范圍為本極線路全長，對極線路故障、直流出線故障、交流系統故障、換流器故障等均屬于區外故障。本文以正極線路為例，進一步研究直流線路后備保護各判據的動作特性。

圖1 直流輸電系統結構圖

圖1 中f1表示本極線路不同位置接地故障；f2表示對極線路不同位置接地故障；f3、f4分別表示整流側、逆變側交流母線各種短路故障。除了f1為應該動作的區內故障，其余均為待識別的區外故障。

2 考慮控制特性的直流線路故障分析

2.1 直流輸電系統穩態數學模型及基本控制手段

由換流器的穩態數學模型可得直流系統各表達式。從整流側流向逆變側的直流電流：

整流側伏安特性：

逆變側伏安特性：

式中：Udor為整流側換流變壓器閥側空載電壓，與整流側交流系統相電勢成正比。

Udoi為逆變側換流變壓器閥側空載電壓，與逆變側交流系統相電勢成正比；α、β、γ為整流側觸發控制角、逆變側觸發控制角、關斷角；Xr、Xi為整流器換相電抗、逆變器換相電抗；Ri為直流輸電線路等值電阻。

由式(1)～(3)可知，直流電流及直流電壓取決于控制角α、β以及換流變壓器閥側空載電壓Udor、Udoi，即上述4個量是直流輸電系統的控制量，并且除此之外不存在其它控制量。因此，直流輸電控制系統的基本控制手段即通過對上述4個變量的調節以滿足不同的運行要求。

為了方便分析，首先給出逆變側關斷角γ的計算公式：

式中：Xc為逆變側等值換相電抗；Uv為逆變側閥電壓有效值；Id為直流電流；β為極控測量單元提供的逆變側觸發超前角采樣值；φ為逆變側交流系統不對稱故障造成的換相線電壓過零點前移角，逆變側交流系統對稱故障及其它故障時為0。

2.2 本極直流線路短路故障

本極直流線路短路故障發生在圖1中f1處。直流線路發生短路故障瞬間，整流側直流電流增大而逆變側直流電流減小。整流側在定電流控制的作用下迅速增加α角以抑制直流電流。直流電流整定值跟隨直流電壓而減小，整流側最終運行于定電流(最小電流限制)控制。逆變側由定γ角控制轉換為定電流控制，且在低壓限流環節的作用下減小電流整定值，并最終使逆變側運行于最小電流限制。此時，逆變側定電流控制器整定值有所減小，由式(3)中第一式可知其輸出的β角較正常運行時有所增大，繼而由式(4)可知，逆變側直流電流減小及β角增大都將導致關斷角γ較正常運行時有所增大。

綜上所述，直流線路短路故障穩態時的故障特性為：α＞αN，γ＞γN。其中，αN為正常運行時整流側觸發角，γN為正常運行時逆變側關斷角。

2.3 整流側交流系統短路故障

整流側交流系統短路故障發生在圖1中f3處。

整流側交流系統發生對稱故障時，整流側在定電流控制作用下迅速減小α角以抑制直流電流下降，整流側最終運行于定αmin控制；逆變側為定電流控制，若直流電壓大幅下降，則逆變側最終運行最小電流限制控制模式。此時，逆變側為定電流控制，但由于最小電流限制，逆變側電流較額定值有所降低，因而關斷角γ亦大于其額定值。

綜上所述，整流側交流系統發生對稱短路故障時的故障特性為：α=αmin=5°，γ＞γN。

整流側交流系統發生不對稱故障時，整流器出口直流電流將持續波動進而導致直流側控制方式在定電流控制和定αmin控制間不斷切換繼而導致α角不斷波動，其最小值為α=αmin=5°、最大值αmax由故障類型決定；逆變側最終運行于定電流控制并且逆變側γ角有所增大。綜上所述，整流側交流系統發生不對稱短路故障時的故障特性為：α角在α=αmin=5°至αmax間持續波動且αmax≥αN，γ＞γN。

2.4 逆變側交流系統短路故障

逆變側交流系統短路故障發生在圖1中f4處。

逆變側交流系統發生對稱故障時，整流側在定電流控制作用下迅速增大α角以抑制直流電流增大。不考慮過渡電阻影響，直流電壓迅速衰減至0附近繼而導致整流側最終運行于最小電流限制狀態；逆變側則始終為定γ角控制，并且在逆變側交流母線電壓降低的作用下導致γ角減小，但由于逆變側交流電壓跌落幅度過大，定關斷角控制器已無法消除γ角整定值與實際值之間的誤差，導致γ角小于其額定值。

綜上所述，逆變側交流系統發生對稱短路故障時的故障特性為：α＞αN，γ＜γN。

與整流側交流系統發生不對稱故障相似，逆變側α角在逆變側交流系統不對稱故障作用下將產生持續波動，但其最小值較正常運行時仍有大幅增大，故障期間整流側最終運行于最小電流限制狀態；逆變側控制方式及γ角實際值變化趨勢與逆變側對稱故障時相同。

綜上所述，逆變側交流母線發生不對稱短路故障時的故障特性為：α＞αN，γ＜γN。

3 直流線路后備保護方案

由前一節分析可以得到如下結論：利用α角的響應特性可以有效識別對極故障和整流側交流系統短路故障；對于逆變側交流系統故障，則可利用γ角的響應特性進行有效識別?；谏鲜鼋Y論，以正極線路為例，形成直流線路后備保護方案如式(5)所示。

式中：α為由極控測量單元提供的整流側觸發角α采樣值；γ為由極控測量單元提供的逆變側關斷角γ采樣值。

3.1 整定方法

綜合前文分析及仿真結果，形成本文所提直流線路后備保護各判據整定原則及計算方法如下：

（1）整流側觸發延遲角α判據。該判據應在直流線路故障后可靠動作，其整定值應按照躲過f2處故障及f5處故障時控制系統可能輸出的α角最大值αmax進行整定。此外，該判據也應在考慮故障初期保護閉鎖時間的基礎上進行整定?？傻迷撆袚ㄖ涤嬎愎綖椋?/p>

式中，Krel為可靠系數，為保證保護可靠動作，其值應大于1，本文取1.3。

（2）逆變側關斷角γ判據。該判據應在直流線路故障后可靠動作。其整定值應按照躲過f6處故障時可能出現的γ角最大值γmax進行整定。此外，該判據也應與故障初期保護閉鎖時間相互配合。綜上，可得該判據整定值計算公式為：

式中，Krel為可靠系數，為保證保護可靠動作，其值應大于于1，本文取1.5。

正常運行情況下直流電流較為平穩，其變化不大。無論在何處發生故障都會由于運行方式的突變引發直流電流的急劇變化，這時直流電流的導數必然大于正常運行時直流電流導數的最大值。將此判據作為本方案的啟動判據，其整定值如式（8）。

式中dId/dt為直流電流導數的實時值，ΔIset為正常情況下直流電流導數最大值，Krel為可靠系數。

由于所有故障都會導致系統電氣量突變，電磁暫態過程的自由分量使電氣量劇烈震蕩，震蕩過程持續大概300ms，此震蕩對此后備保護的整定帶來很大的干擾，故此后備保護方案應設置ts=300ms閉鎖信號回避自由分量，不考慮與直流線路行波保護及其它后備保護相配合時的本文后備保護動作邏輯如圖2。

圖2 直流線路后備保護動作邏輯

4 仿真驗證

4.1 直流輸電系統模型

本文根據云南楚雄—廣州惠州±800kV特高壓直流輸電工程實際參數，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立了云廣±800kV特高壓直流輸電系統仿真模型?？刂葡到y是根據國際大電網會議組織(CIGRE)直流輸電標準測試系統建立的。

4.2 基于模型的保護判據整定

由3.1節可知，α判據整定中αmax應取f2及f5區域內所有故障中控制系統可能輸出的α角最大值；γ判據其整定值應按照f6區域內所有故障中可能出現的γ角最大值γmax進行整定；差流判據整定值計算應在考慮故障初期閉鎖時間的基礎上，按照f1短路故障時可能出現的差流最大值進行整定。

在本模型中的f1～f6區域設置各種故障，仿真得到各故障后的差流信號、直流控制系統中觸發角α最大值、關斷角γ最大值和閉鎖結束后差流值Ire1,2、Iinv1,2，帶入式（6）～（8）可得αmax=47°，γmax=36°。

以正極線路中點0.1s分別發生經20Ω、100Ω及200Ω短路故障為例進行說明，仿真結果見圖3。

圖3 不同過渡電阻時后備保護動作仿真結構

由圖3可知，過渡電阻為20Ω、100Ω及200Ω時本保護均能正確動作。整流側觸發角α及關斷角γ的動作程度隨著過渡電阻的增大而呈下降趨勢，并且其達到整定的時間有所增加，但在閉鎖結束后，均大于整定值且保持穩定；過渡電阻在一定程度上限制了短路電流的自由分量，因而兩側差流振幅及衰減時間將隨著過渡電阻的增加而減小，且在閉鎖結束后，兩側差流判據均穩定與0附近。此外，本文通過大量仿真，得到直流線路故障時本后備保護各判據正確動作的“臨界”過渡電阻均大于300Ω。

5 結語

本文首先在分析直流系統控制特性的基礎上，得出了直流線路區內外故障時的故障特性?；趽Q流器觸發角、逆變器關斷角和兩端閥側到直流出線區域的差流變化特征的直流線路后備保護新原理，并且給出了保護定值計算方法。該保護能正確區分直流線路區內、區外故障，且耐過渡電阻能力強，動作可靠性高。與目前應用的直流線路縱聯差動保護相比，本保護的閉鎖時間僅為300ms，動作速度明顯優于直流電流差動保護；與微分欠壓保護相比，本保護具有很強的抗過渡電阻能力，明顯優于微分欠壓保護。

[1]LONG W, NILSSON S. HVDC transmission: yesterday and today[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2007,5(2): 22-31.

[2]王峰, 徐政, 黃瑩, 等. 高壓直流輸電主回路穩態參數計算[J]. 電工技術學報, 2009, 24(5): 135-140.

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