特高壓混合直流輸電系統(tǒng)線路故障清除策略研究

魯 江，董云龍，楊建明，俞 翔，田 杰

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

特高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，可以有效解決我國(guó)能源分布與消費(fèi)的不平衡狀況，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，常規(guī)特高壓直流輸電工程采用電網(wǎng)換相換流器（Line Commutated Converter，LCC）串聯(lián)技術(shù)［1-4］。隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的電壓及容量已逐步接近LCC 的水平，整流站由LCC串聯(lián)、逆變站由MMC串聯(lián)構(gòu)成特高壓混合直流輸電系統(tǒng)（hybrid UHVDC）已具備工程實(shí)施條件，采用該種方案可有效避免常規(guī)特高壓直流工程的受端站換相失敗問(wèn)題，提高交流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性［5-8］。

對(duì)于特高壓混合直流輸電系統(tǒng)，其直流架空線路距離長(zhǎng)、跨越地區(qū)情況復(fù)雜，屬于較易出現(xiàn)故障的設(shè)備，因此直流線路故障的清除對(duì)于直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用，而其中的關(guān)鍵是柔直站對(duì)直流線路故障的有效處理。在柔直站直流線路出口處未配置直流斷路器或大功率二極管的情況下，基于半橋子模塊（Half Bridge Sub-module，HBSM）的半橋MMC不能阻斷直流側(cè)故障，需采用具備直流側(cè)故障清除能力的MMC 拓?fù)洌缁谌珮蜃幽K（Full Bridge Sub-module，F(xiàn)BSM）的全橋MMC 或基于全橋、半橋子模塊混合的混合型MMC，其中混合型MMC 綜合了半橋與全橋MMC的優(yōu)點(diǎn)，可降低投資、減小損耗，更符合特高壓混合直流工程應(yīng)用需求［9-11］。

對(duì)于混合型MMC 的直流側(cè)故障清除，文獻(xiàn)［12～14］通過(guò)故障后快速閉鎖MMC實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)故障電流的清除，但是閉鎖后子模塊不可控，會(huì)造成故障期間子模塊電容電壓不均衡，影響故障消除后快速可靠地恢復(fù)，另外閉鎖也導(dǎo)致有功、無(wú)功傳輸全部中斷，會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)造成一定沖擊。文獻(xiàn)［15～17］通過(guò)故障后控制MMC 輸出零直流電壓或零直流電流實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障電流的清除，較好地解決了前述閉鎖方式的缺點(diǎn)，但控制的前提均需故障被明確識(shí)別。文獻(xiàn)［18］提出一種直流線路故障的限流控制，具有較好的故障電流抑制效果，但該方式在直流電流發(fā)生暫態(tài)變化時(shí)會(huì)引起直流電壓的變化，不利于直流電壓的穩(wěn)定。

實(shí)際工程中，長(zhǎng)距離直流架空線路可能發(fā)生的故障類(lèi)型復(fù)雜多樣，包含金屬性或高阻性，瞬時(shí)性、持續(xù)性或永久性等，針對(duì)特高壓混合直流系統(tǒng)，能適應(yīng)不同類(lèi)型直流線路故障清除的策略研究成果目前尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文首先結(jié)合特高壓混合直流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基本控制策略，闡述了直流線路故障清除所采用的方式及不同類(lèi)型故障下需解決的關(guān)鍵問(wèn)題；然后分析了特高壓混合直流系統(tǒng)的線路故障特性，結(jié)合特性分析結(jié)果提出了基于主動(dòng)限流的直流線路故障自適應(yīng)清除策略及實(shí)現(xiàn)方案，最后通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提策略的有效性。

1 特高壓混合直流系統(tǒng)線路故障關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文以圖1 所示±800 kV 特高壓混合直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象，整流站每極由兩個(gè)十二脈動(dòng)LCC 換流器串聯(lián)，逆變站每極由兩個(gè)混合型MMC 換流器串聯(lián)，高、低壓換流器通過(guò)獨(dú)立的換流變壓器連接至站內(nèi)同一交流母線。其中，Udc1、Udc2分別為整流、逆變站直流線路出口處對(duì)中性母線的直流電壓，Idc1、Idc2分別為整流、逆變站直流線路出口處直流電流，直流電流的正方向?yàn)檎髡玖飨蚰孀冋尽?/p>

圖1 特高壓混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology structure of hybrid UHVDC transmission system

逆變站混合型MMC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)橋臂由相同配置比例的HBSMs、FBSMs 及一個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成，HBSMs 可輸出正、零兩種電平，F(xiàn)BSMs 可輸出正、負(fù)、零3 種電平，兩種類(lèi)型子模塊的電容值C 及額定工作電壓UcN相同。其中，UdV為混合型MMC換流器直流電壓，IdV為直流電流；upj、unj分別為上、下橋臂電壓，ipj、inj分別為上、下橋臂電流，ujo為交流相電壓，ij為交流電流（j=a、b、c），o為假想電壓中性點(diǎn)；Lb為橋臂電抗器電感。

圖2 混合型MMC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of the hybrid MMC

1.2 基本控制策略

相關(guān)研究結(jié)果表明［19-21］，整流站LCC 控制直流電流、逆變站MMC控制直流電壓的模式更適合于混合直流輸電系統(tǒng)，本文研究的特高壓混合直流輸電系統(tǒng)采用該模式做為基本控制模式，與基本控制模式對(duì)應(yīng)，整流站和逆變站的高、低壓換流器分別配置如圖3和圖4所示控制器：

圖3 整流站LCC換流器控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of rectifier LCC converter controller

整流站LCC 各換流器均配置定直流電流控制、直流電壓裕度控制及最小觸發(fā)角限制。為滿(mǎn)足直流線路故障清除的需要，當(dāng)直流線路保護(hù)動(dòng)作后，LCC將執(zhí)行移相至164°以清除故障電流。

逆變站MMC各換流器均配置內(nèi)外環(huán)控制，其中有功外環(huán)為直流電壓控制、內(nèi)環(huán)為直接電流解耦控制，直流電壓外環(huán)控制可以保證整個(gè)系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)定并獲得良好的穩(wěn)態(tài)控制精度。

對(duì)于逆變站混合型MMC換流器，全橋子模塊的負(fù)電平輸出能力使其具有過(guò)調(diào)制能力，可以直流降壓運(yùn)行，定義直流調(diào)制度mdV為：式（1）中，UdVN為混合型MMC換流器額定直流電壓。

圖4 逆變站MCC換流器控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of inverter MMC converter controller

當(dāng)mdV=1 時(shí)，混合型MMC 換流器按額定直流電壓運(yùn)行；當(dāng)0＜mdV＜1 時(shí)，直流降壓運(yùn)行；當(dāng)mdV=0 時(shí)，零直流電壓運(yùn)行；當(dāng)mdV＜0時(shí)，直流負(fù)壓運(yùn)行。

設(shè)定混合型MMC 換流器的交流調(diào)制度為mac、每個(gè)橋臂中全橋子模塊占子模塊總個(gè)數(shù)的比例為KFB，考慮交流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，換流器的mdV運(yùn)行范圍可表示為［21］：

mac- 2KFB≤mdV≤2 - mac（2）

依據(jù)式（2），以mac取1.0、KFB取0.7 為例，混合型MMC 換流器的直流電壓運(yùn)行范圍即為［-0.4UdVN，1.0UdVN］，其具有較大的電壓運(yùn)行范圍及負(fù)壓輸出能力。

特高壓混合直流系統(tǒng)的直流電壓控制目標(biāo)為維持整流站直流電壓Udc1為800 kV，依據(jù)直流線路壓降可以計(jì)算得到逆變站的直流電壓參考值Udc2-ref。引入直流調(diào)制度后，可設(shè)定直流調(diào)制度mdV為控制目標(biāo)，逆變站MMC 換流器的直流電壓參考值即為mdVUdVN，直流調(diào)制度分配單元依據(jù)Udc2-ref和實(shí)際運(yùn)行的換流器數(shù)量NV計(jì)算得到本換流器mdV為Udc2-ref/NVUdVN，其被同時(shí)送入直流電壓外環(huán)控制及橋臂電壓計(jì)算單元；橋臂電壓計(jì)算單元采用內(nèi)環(huán)控制輸出的交流參考電壓Ujo-ref及直流調(diào)制度mdV計(jì)算產(chǎn)生各橋臂電壓參考值，之后通過(guò)閥控完成對(duì)本換流器的控制；當(dāng)橋臂電壓參考值為正值時(shí)，全橋及半橋子模塊均可參與正投入；當(dāng)橋臂電壓參考值為負(fù)值時(shí)，只有全橋子模塊允許參與負(fù)投入。

為滿(mǎn)足直流線路故障清除的需要，逆變站各換流器還配置直流線路電流控制器，該控制器以直流線路電流Idc2到0作為控制目標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)到直流線路保護(hù)動(dòng)作后，該控制器啟動(dòng)并將直流調(diào)制度由正常值Udc2-ref/NVUdVN切換為該控制器的輸出，阻斷MMC換流器向直流線路故障點(diǎn)注入電流；在線路故障清除過(guò)程結(jié)束后，將該控制器退出并使直流調(diào)制度斜率爬升恢復(fù)至正常值，實(shí)現(xiàn)直流電壓的重建，該方式對(duì)直流線路的瞬時(shí)金屬性接地故障具有良好的清除效果。

1.3 直流線路保護(hù)配置及故障清除方式

根據(jù)相關(guān)研究［22-23］，對(duì)具有長(zhǎng)距離直流架空線路的特高壓混合直流系統(tǒng)，直流線路保護(hù)功能的典型配置方式仍可參照成熟的常規(guī)特高壓直流工程，具體如表1所示。

表1 直流線路保護(hù)功能配置方案Table 1 Configuration scheme of DC line protection

其中，WFPDL、27du/dt為直流線路主保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間一般為幾毫秒；27DCL 和87DCLL 為直流線路后備保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間為百毫秒級(jí)，27DCL也用于識(shí)別重啟后的故障，87DCLL可反映線路高阻接地故障。

在直流線路保護(hù)動(dòng)作后，控制系統(tǒng)將啟動(dòng)線路故障清除及重啟過(guò)程，其基本流程如圖5。

對(duì)于線路故障清除過(guò)程，整流站LCC執(zhí)行移相、逆變站MMC控制直流線路電流到零，使故障點(diǎn)電流快速下降至零，等待去游離時(shí)間（一般為300～500 ms）結(jié)束后執(zhí)行重啟，逆變站MMC 恢復(fù)直流電壓、整流站LCC恢復(fù)角度建立電流，兩站協(xié)調(diào)完成重啟過(guò)程；對(duì)于單次未能清除的持續(xù)性故障，可通過(guò)增加重啟次數(shù)或降壓重啟等方式，提高故障清除的成功率。由于實(shí)際工程中直流線路故障的類(lèi)型多樣，采用上述方式后，仍存在以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需解決：

圖5 直流線路故障清除及重啟流程Fig.5 DC line fault clearing and restart flow

1）關(guān)鍵點(diǎn)1：直流線路金屬性接地故障由于電氣量變化劇烈、故障特征明顯，直流線路主保護(hù)可快速識(shí)別故障并動(dòng)作，但對(duì)于由絕緣閃絡(luò)、雷擊、樹(shù)枝碰線、山火等造成的高阻性接地故障，電氣量變化相對(duì)平緩，直流線路主保護(hù)往往不能快速動(dòng)作，需通過(guò)后備保護(hù)動(dòng)作清除故障。由于后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間偏長(zhǎng)，如在后備保護(hù)動(dòng)作前MMC 流向故障點(diǎn)的電流持續(xù)增大并引起MMC過(guò)流閉鎖，將導(dǎo)致故障清除失敗。

2）關(guān)鍵點(diǎn)2：在去游離過(guò)程結(jié)束后，逆變站MMC會(huì)嘗試重建直流電壓，對(duì)于故障尚未實(shí)際清除的持續(xù)性故障，隨著直流調(diào)制度的增大，MMC 將重新向故障點(diǎn)注入電流，在線路保護(hù)再次動(dòng)作前可能導(dǎo)致MMC過(guò)流閉鎖。

3）關(guān)鍵點(diǎn)3：在直流線路故障清除及重啟過(guò)程中，需保持逆變站高、低壓MMC換流器直流電壓均衡及子模塊電容電壓穩(wěn)定，避免出現(xiàn)子模塊過(guò)壓、欠壓等現(xiàn)象。

為保證各種類(lèi)型線路故障下，直流線路故障的清除過(guò)程都能按圖5 所示設(shè)計(jì)流程完成，需要結(jié)合特高壓混合直流系統(tǒng)特點(diǎn)研究相適應(yīng)的清除策略。

2 基于主動(dòng)限流的直流線路故障自適應(yīng)清除策略

2.1 特高壓混合直流系統(tǒng)線路故障特性分析

為便于對(duì)特高壓混合直流系統(tǒng)的線路故障特性進(jìn)行分析，需建立相應(yīng)的直流側(cè)等效回路。對(duì)于逆變站混合型MMC換流器，其橋臂電流方程如下［24-25］：

式（3）中，icom表征同時(shí)流經(jīng)上、下橋臂的電流，其包含直流電流分量及內(nèi)部相間環(huán)流分量icir。

忽略橋臂的等效電阻，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，逆變站混合型MMC換流器的橋臂電壓方程如下：

式（4）上、下兩式相加可得直流側(cè)電壓方程：

考慮在環(huán)流抑制措施起效條件下，icom中的icir分量可以忽略，并定義ucom=upj+unj用于表征換流器的理想直流電壓，式（5）可以表示為：

根據(jù)式（6）可以定義換流器等效電感Leq如下：

在高、低壓換流器均壓良好的情況下，逆變站MMC直流側(cè)等效回路可以采用圖6表示。

圖6 逆變站MMC直流側(cè)等效回路Fig.6 DC equivalent circuit of inverter MMC converters

根據(jù)混合型MMC換流器的子模塊連接特征，假設(shè)各橋臂的工作子模塊電容電壓平均值Uc相同，ucom也可以表示為［26］：

式（8）中，Npj、Nnj分別為各相上、下橋臂投入的子模塊數(shù)。

以直流調(diào)制度mdV作為控制量，混合型MMC 換流器的理想直流電壓可表示為：

在子模塊電容電壓Uc維持穩(wěn)定的情況下，混合型MMC換流器的理想直流電壓將由本換流器直流調(diào)制度確定，通過(guò)同步調(diào)整高、低換流器的直流調(diào)制度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器理想直流電壓及逆變站輸出直流電壓的控制。

對(duì)于直流側(cè)短路故障，混合型MMC換流器在未閉鎖狀態(tài)下各橋臂故障電流由子模塊電容放電電流和交流系統(tǒng)饋入短路電流疊加而成，由于交流系統(tǒng)三相電壓對(duì)直流側(cè)故障點(diǎn)的饋入電流相互抵消，交流系統(tǒng)饋入僅造成故障下橋臂電流的增大，對(duì)直流電流無(wú)影響［27］。因此，基于理想直流電壓控制，特高壓混合直流系統(tǒng)線路故障下的直流側(cè)等效回路可采用圖7表示。

圖7 直流線路故障等效回路Fig.7 Equivalent circuit of DC line fault

其中，Rline1、Lline1分別為整流站至故障點(diǎn)的直流線路等效電阻和電感值；Rline2、Lline2分別為逆變站至故障點(diǎn)的直流線路等效電阻和電感值，Ld1、Ld2分別為整流、逆變站平波電抗器電感值。

根據(jù)基爾霍夫定律，逆變站與直流線路故障點(diǎn)的電壓量之間滿(mǎn)足如下表達(dá)式：

式（10）、式（11）中，Uf為故障點(diǎn)直流電壓，Rf為故障點(diǎn)接地電阻。

由式（10）、式（11）可見(jiàn)，當(dāng)直流線路故障點(diǎn)電壓Uf低于逆變站高、低壓換流器理想直流總電壓2ucom時(shí)，直流線路電流Idc2將反向流入故障點(diǎn)并引起直流線路出口處直流電壓Udc2的跌落。由于直流線路、平波電抗器及橋臂電抗器等電感元件的作用，Idc2將由故障前初始值先下降至0、之后由0 反向增大，如電壓差引起電流持續(xù)反向增大至換流器過(guò)流水平將導(dǎo)致?lián)Q流器閉鎖；由于上述過(guò)程中直流電流的反向增大實(shí)際為逆變站MMC子模塊電容向線路故障點(diǎn)放電形成，會(huì)導(dǎo)致子模塊電容電壓下降。因此，對(duì)于圖1 所示特高壓混合直流輸電系統(tǒng)，在發(fā)生直流線路故障后，逆變站的典型特征是直流線路出口處直流電壓跌落、直流電流反向增大、子模塊電容電壓下降。

由式（10）可見(jiàn)，在直流線路發(fā)生故障但直流線路保護(hù)尚未動(dòng)作前，逆變站MMC如果主動(dòng)調(diào)整ucom，輸出與故障點(diǎn)電壓相匹配的直流電壓，將可以使換流器向故障點(diǎn)提供的電流被限制在安全水平，保證MMC不發(fā)生過(guò)流，為線路保護(hù)動(dòng)作并啟動(dòng)故障清除做好準(zhǔn)備；對(duì)于線路金屬性接地故障，式（10）也表明，逆變站MMC通過(guò)快速輸出負(fù)壓，可以抑制直流電流的反向增大并使直流電流向0變化。

2.2 直流線路故障自適應(yīng)清除的MMC控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合2.1 節(jié)對(duì)特高壓混合直流系統(tǒng)線路故障特性的分析，可進(jìn)行逆變站MMC控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于1.3節(jié)所述關(guān)鍵點(diǎn)1，基于直流線路故障后逆變站的故障特征，在圖4基礎(chǔ)上可配置如圖8中所示的直流故障限流控制器，該控制器不依賴(lài)于線路保護(hù)的動(dòng)作，在檢測(cè)到直流線路出口處直流電壓Udc2低于門(mén)檻值時(shí)啟動(dòng)并將控制目標(biāo)設(shè)定為-ΔI（ΔI為安全限流值，一般可設(shè)為0.1～0.5 p.u.），其輸出與直流調(diào)制度正常值Udc2-ref/NVUdVN取小后作為本換流器mdV。在直流線路電流Idc2高于-ΔI時(shí)，該控制器處于正飽和狀態(tài)，不實(shí)際起效；當(dāng)Idc2降至低于-ΔI時(shí)，該控制器將自動(dòng)起效并調(diào)整直流調(diào)制度，使流向故障點(diǎn)的直流電流鉗位在-ΔI的水平，從而保證線路保護(hù)動(dòng)作前MMC不發(fā)生過(guò)流。

對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)2，為避免持續(xù)性故障下去游離后的重啟建壓階段發(fā)生過(guò)流，需在檢測(cè)到故障未消除特征后停止直流調(diào)制度的爬升并進(jìn)行故障電流的限制，為此可在重啟建壓階段將圖4中已配置的直流線路電流控制器保持投入并將其控制目標(biāo)由0切換為-ΔI，同時(shí)將其輸出作為直流調(diào)制度爬升量的上限，一旦重啟建壓階段出現(xiàn)直流電流反向增大并低于-ΔI 時(shí)，該控制器將自動(dòng)起效并限制直流調(diào)制度的爬升，待直流線路保護(hù)再次動(dòng)作后啟動(dòng)下一次故障清除過(guò)程，該控制器在直流調(diào)制度恢復(fù)至正常值后退出。

對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)3，為保證直流線路故障清除的不同階段均能維持逆變站高、低壓換流器直流電壓的均衡，并考慮到不同換流器直流電流采樣及控制運(yùn)算會(huì)存在細(xì)微差異，配置了直流調(diào)制度同步單元，其選定一個(gè)換流器作為主控?fù)Q流器，另一非主控?fù)Q流器的直流調(diào)制度均自動(dòng)跟隨主控?fù)Q流器。對(duì)于子模塊電容電壓的穩(wěn)定，由式（9）可見(jiàn)，在直流調(diào)制度非零時(shí)，直流電壓外環(huán)控制可通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使換流器直流電壓跟蹤目標(biāo)值，從而保持子模塊電容電壓的穩(wěn)定；但對(duì)于直流調(diào)制度在零附近的故障清除階段，直流電壓外環(huán)控制對(duì)于子模塊電容電壓的穩(wěn)定作用將失效，為避免電容電壓出現(xiàn)發(fā)散可配置子模塊電容儲(chǔ)能控制器，該控制器以子模塊平均儲(chǔ)能恒定于1.0 p.u.為控制目標(biāo)。

從能量平衡角度來(lái)看，MMC換流器交流側(cè)與直流側(cè)的能量差等于所有工作子模塊電容儲(chǔ)能的變化量［28-29］。對(duì)于逆變站MMC 換流器，直流側(cè)輸入MMC的能量Wdc、MMC輸出至交流側(cè)的能量Wac及所有工作子模塊電容儲(chǔ)能變化量ΔWMMC之間滿(mǎn)足式（12）關(guān)系

如控制各工作子模塊電容平均儲(chǔ)能恒定，ΔWMMC可趨近于零，換流器交流側(cè)與直流側(cè)能量進(jìn)入平衡狀態(tài)。

各工作子模塊電容平均儲(chǔ)能Wc可表示為：

圖9 逆變站直流線路故障清除及重啟流程Fig.9 Inverter DC line fault clearing and restart flow

由式（13）可見(jiàn)，控制Wc恒定可同時(shí)維持子模塊電容電壓的穩(wěn)定。

在線路故障清除過(guò)程中，一旦檢測(cè)到直流調(diào)制度低于預(yù)設(shè)值，則將有功外環(huán)切換為子模塊電容儲(chǔ)能控制，待直流調(diào)制度恢復(fù)至預(yù)設(shè)值以上再切換回直流電壓外環(huán)控制。

綜合上述對(duì)應(yīng)的逆變站直流線路故障清除及重啟流程調(diào)整為圖8所示，優(yōu)化后的逆變站MMC換流器控 制器設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖8 直流線路故障自適應(yīng)清除的MMC換流器控制器結(jié)構(gòu)Fig.8 DC line fault adaptive clearing MMC converter controller

采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)后，特高壓混合直流輸電系統(tǒng)可對(duì)不同類(lèi)型的直流線路故障實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)清除。

另外，對(duì)于直流線路故障清除過(guò)程中混合型MMC換流器全橋、半橋子模塊的均壓控制，閥控采用文獻(xiàn)［26］中提出的基于全橋、半橋子模塊電容電壓統(tǒng)一排序策略，可取得良好的均壓效果。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的特高壓混合直流系統(tǒng)線路故障清除策略的有效性，在基于實(shí)際控制保護(hù)設(shè)備及實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上開(kāi)展直流線路故障試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，額定直流電壓為±800 kV、每極額定直流功率為2 500 MW，相關(guān)一次參數(shù)如表2所示。

表2 特高壓混合直流輸電系統(tǒng)一次參數(shù)Table 2 Hybrid UHVDC system primary parameters

圖10 直流線路持續(xù)金屬性接地故障逆變站波形Fig.10 Inverter waveforms for DC line continuous metal grounding fault

在極1雙換流器全壓額定運(yùn)行工況下進(jìn)行直流線路故障的特性測(cè)試，去游離時(shí)間設(shè)定為400 ms，ΔI 設(shè)定為0.2 p.u.。

1）模擬直流線路中點(diǎn)發(fā)生持續(xù)的金屬性接地故障，故障持續(xù)時(shí)間500 ms，仿真結(jié)果如圖10所示。

直流線路發(fā)生持續(xù)的金屬性接地故障后，控制系統(tǒng)檢測(cè)到直流線路主保護(hù)動(dòng)作（LINE_PR_ACT 第1 次由0變1）啟動(dòng)故障清除，第一次去游離結(jié)束后故障仍持續(xù)，在基本控制策略下，隨著直流調(diào)制度mdV的恢復(fù)，直流線路電流Idc2持續(xù)反向增大，在直流線路后備保護(hù)27DCL動(dòng)作前電流已增大至換流器過(guò)流的水平，導(dǎo)致直流極閉鎖及故障清除失敗；在自適應(yīng)清除策略下，隨著直流調(diào)制度的恢復(fù)，在直流電流反向增大至-ΔI后，直流線路電流控制器起效并主動(dòng)調(diào)整直流調(diào)制度，直流電流被限制在-ΔI的安全水平，待檢測(cè)到直流線路后備保護(hù)動(dòng)作（LINE_PR_ACT 第2 次由0 變1）后啟動(dòng)下一次故障清除過(guò)程，之后重啟恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，全過(guò)程中MMC保持于解鎖狀態(tài)（DEBLOCKED為1）。

2）模擬直流線路中點(diǎn)發(fā)生高阻性接地故障，故障持續(xù)時(shí)間1 000 ms，過(guò)渡電阻100 Ω，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 直流線路高阻性接地故障逆變站波形Fig.11 Inverter waveforms for DC line high resistance grounding fault

直流線路發(fā)生高阻性接地故障后，直流線路主保護(hù)未動(dòng)作，在基本控制策略下，直流線路電流Idc2反向增大至較高水平并持續(xù)，存在較大的過(guò)流風(fēng)險(xiǎn)；在自適應(yīng)清除策略下，直流故障限流控制器在檢測(cè)到電流反向增大至-ΔI 時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，通過(guò)降低直流調(diào)制度使反向電流維持在-ΔI 的安全水平，待檢測(cè)到直流線路后備保護(hù)87DCLL 動(dòng)作（LINE_PR_ACT 由0 變1）后啟動(dòng)故障清除過(guò)程，之后重啟恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。

上述試驗(yàn)結(jié)果也可見(jiàn)，采用自適應(yīng)清除策略，在線路故障清除的各階段逆變站高、低壓換流器直流電壓均壓良好，子模塊電容電壓特性正常，未出現(xiàn)發(fā)散。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)特高壓混合直流系統(tǒng)直流線路故障類(lèi)型復(fù)雜多樣的特點(diǎn)，本文提出了基于主動(dòng)限流的直流線路故障自適應(yīng)清除策略，可適應(yīng)不同類(lèi)型線路故障的處理，由仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1）在直流線路發(fā)生故障后，采用主動(dòng)限流策略可實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)動(dòng)作前及重啟建壓階段MMC 換流器均不發(fā)生過(guò)流；

2）采用直流調(diào)制度跟隨策略可實(shí)現(xiàn)直流線路故障清除不同階段高、低壓MMC 換流器直流電壓的均衡；

3）在直流調(diào)制度處于零附近的故障清除階段，采用子模塊電容儲(chǔ)能控制可以穩(wěn)定子模塊電容電壓，避免出現(xiàn)發(fā)散。

上述策略可做為特高壓混合直流輸電工程實(shí)施的有益參考。