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(xiàn)在閥體部分。本文以某公司檢修為例，其換流閥出現(xiàn)逆變現(xiàn)象以及開關處出現(xiàn)異常跳動。通常遭受故障時整流側(cè)和逆變側(cè)會直接出現(xiàn)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(chǎn)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(cè)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(shù)和比例系數(shù)（0.5和0.2）、D型變壓器最大閥組側(cè)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(cè)電流故障問題，往往根據(jù)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(cè)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(xiàn)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(cè)與逆變側(cè)線路直流電流差值比[啟動定值，比例系數(shù)|整流側(cè)線路直流電流+50%逆變側(cè)線路直流電流|]區(qū)間數(shù)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(nèi)。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(xiàn)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(jié)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）。可參照下列公式分析各參數(shù)相關性，而后經(jīng)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(jié)合換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)步長（Δη）以及現(xiàn)有檔位數(shù)量（n）予以調(diào)節(jié)，以便在檔位區(qū)間內(nèi)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(jīng)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，為確保控制保護策略具備可行性，還需輸入模型參數(shù)，即80°的阻抗角，1Ω的內(nèi)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(shù)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(diào)整到標準范圍內(nèi)。

比如，針對逆變側(cè)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(nèi)出現(xiàn)0.05pu電壓降幅，此時可結(jié)合無功功率輸出值，將電壓波動幅度設定在5%以內(nèi)，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(xiàn)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(jié)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(jié)構的形式強化保護效果。為解決本案例中出現(xiàn)的換流器會直接出現(xiàn)90°以上的觸發(fā)角（ɑ）情況，理應從整流側(cè)電流轉(zhuǎn)換為逆變側(cè)電流，同時啟動閉鎖功能，并切斷電流轉(zhuǎn)變路徑，如圖1所示，能及時控制換流器閉鎖狀態(tài)，實現(xiàn)換流器結(jié)構有效保護。

圖1 整流器電路分析圖

此外，還可結(jié)合案例中故障表現(xiàn)，對原有系統(tǒng)中子模塊拓撲結(jié)構提出改進策略。按照半橋型子模塊結(jié)構特征，在出現(xiàn)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(zhuǎn)移型結(jié)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(jié)構具體是在現(xiàn)有結(jié)構之上增設晶閘管，以并聯(lián)分布形式予以安裝，此時一旦出現(xiàn)故障，晶閘管將處于連通狀態(tài)，此時能實現(xiàn)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(jīng)過對此結(jié)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(jié)構示意圖（電流轉(zhuǎn)移型）

此外，還可以借助反并聯(lián)設計方法改造本案例系統(tǒng)的拓撲結(jié)構，即將傳統(tǒng)結(jié)構中二極管反并聯(lián)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣柵極雙極晶體管反并聯(lián)，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(jié)構下通過對改進后晶閘管施加脈沖力，使之實現(xiàn)連通，幫助系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)構有所變化時，無法快速更新相關參數(shù)，尤其是仿真平臺參數(shù)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(jù)系統(tǒng)結(jié)構特征更新參數(shù)。而且此項技術還有靈活性強、內(nèi)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(shù)，可以利用偏移地址予以調(diào)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(jié)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(jié)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(xiàn)“時間同步變化”，以免因時間不等出現(xiàn)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(jié)果予以判定，即在1s、2s、10s、100s仿真時間下，依據(jù)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(nèi)，略比前者34.4～3600s快，驗證此技術確有增加仿真分析數(shù)據(jù)可靠性效果。

2.4 控制性能參數(shù)

根據(jù)相關研究：控制參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)極點和vj極點對應留數(shù)，gmk（s）為傳遞函數(shù)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(shù)對系統(tǒng)所受影響予以定量分析。在以控制參數(shù)方法改善系統(tǒng)性能時，還可以結(jié)合行波比參數(shù)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(nèi)外故障電壓行波數(shù)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(chǎn)生抑制系統(tǒng)電阻衰減作用，促使在參數(shù)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(shù)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(jù)。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(shù)；Iref代表額定線電流。經(jīng)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(shù)期間盡快將系統(tǒng)調(diào)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(shù)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(jié)合參數(shù)微調(diào)與參數(shù)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(xiàn)換流器充分調(diào)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(xiàn)此技術經(jīng)濟性價值，還應當聯(lián)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(xiàn)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(shù)十ms內(nèi)增長到一定極限值，故而可采用單純形算法下的目標函數(shù)（J）予以優(yōu)化：，函數(shù)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(jié)構、動態(tài)鏈接控制、性能參數(shù)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(xiàn)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。