高 飄，鄭曉冬，晁晨栩，邰能靈，楊增力，王 晶

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學(xué)），上海市 200240；2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北省武漢市 430077）

0 引言

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）具有模塊化程度高、無換相失敗、易于實現(xiàn)解耦控制等優(yōu)點，基于MMC 的柔性直流電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸電系統(tǒng)潮流的靈活控制，目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場并網(wǎng)、無源系統(tǒng)和弱電網(wǎng)供電以及城市供電等領(lǐng)域［1-4］。柔性直流輸電系統(tǒng)阻尼小，故障后的電流上升速度快，對保護的速動性和可靠性提出了更高的要求［5］。

柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器是提供故障電流的激勵電源，換流器的強可控性以及控制策略的多樣性導(dǎo)致了故障特征的復(fù)雜性。換流器的快速控制特性使得換流器不能像同步機電源一樣提供穩(wěn)定的短路電流，進而影響繼電保護動作性能［6］。柔性直流電網(wǎng)的保護和控制是緊密相連的，換流器的控制過程在繼電保護的適應(yīng)性分析中有著重要作用，可以考慮利用換流器的快速調(diào)節(jié)作用來進行故障識別和故障后的快速恢復(fù)，將直流保護和控制在同一平臺實現(xiàn)［7］。

隨著直流輸電的發(fā)展，直流系統(tǒng)控制和保護可以在同一時間尺度內(nèi)實現(xiàn)，控制和保護之間存在相互作用。柔性直流輸電系統(tǒng)可控性強，基于換流器控制的故障識別與恢復(fù)可能成為今后控制與保護研究的熱點。文獻［8］利用閉鎖電壓源換流器（VSC）內(nèi)部橋臂晶閘管和外加反并聯(lián)晶閘管實現(xiàn)限流，并通過快速隔離開關(guān)與外加晶閘管的控制策略進行時序邏輯上的相互配合，實現(xiàn)故障隔離。該方法對換流器的控制進行了改進，需要在逆變器內(nèi)額外添加晶閘管設(shè)備，且受線路長度和功率波動的影響較大，實用性有待驗證。文獻［9］提出通過換流器附加的控制策略，由斷路器向故障線路注入特征信號來識別故障，并提出了直流的快速重啟方案。該方案受采樣頻率以及斷路器全控器件特性的影響較大。文獻［10］通過切換控制方式來改變系統(tǒng)中換流器的調(diào)制頻率，將換流器變?yōu)樘卣餍盘柕淖⑷朐?，利用特征信號?gòu)建保護方案。此方法主要針對直流線路極間短路故障。文獻［11］提出向換流站端口注入相同頻率的正弦式探測信號來識別故障類型的保護方案。此方案需要在換流器處增加額外的信號發(fā)生裝置，并且由于選取特征信號的頻率較小，因此在保護速動性上表現(xiàn)較差。

由上述分析可知，現(xiàn)有的對于直流控制與保護相結(jié)合的研究主要集中在對換流器的控制策略或者結(jié)構(gòu)進行改變，向直流線路主動注入特征信號進行故障檢測或者測距。此類方法需要產(chǎn)生新的脈沖或者控制信號，對控制系統(tǒng)的安全正常運行可能會有一定的影響，并且需要進一步研究特征信號的產(chǎn)生方式、注入時間、持續(xù)時間、信號波形、頻率幅值以及與換流器的配合等，需要對注入信號進行精確控制，易受到外部因素的干擾，可行性有待進一步驗證［6，12］。在有些情況下，還需要額外增加設(shè)備或者改變換流器的結(jié)構(gòu)，使得成本提高。

本文在考慮換流器控制特性的基礎(chǔ)上，基于控制與保護相結(jié)合的思想，提出一種利用控制特征量來識別故障的保護方案。該方案無須主動注入特征信號或改變換流器結(jié)構(gòu)，不需要額外增加設(shè)備，便于控制和保護的集成設(shè)計。在換流器不同控制策略和不同的控制參數(shù)下，保護整定值能夠自適應(yīng)變化，獲得更好的保護性能。所提保護方案根據(jù)不同故障下的控制特征信號響應(yīng)，構(gòu)建暫態(tài)能量判據(jù)來識別直流區(qū)內(nèi)外故障，實現(xiàn)簡單，故障檢測時間快，抗干擾能力強，具備足夠的靈敏性與可靠性。

1 故障后換流器控制信號響應(yīng)特征

MMC 的控制結(jié)構(gòu)包括內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)功率控制器。內(nèi)環(huán)電流控制器主要使dq軸電流快速跟蹤參考值，將內(nèi)部環(huán)流抑制為零。外環(huán)功率控制器將產(chǎn)生一個直軸電流參考值Id，ref，控制邏輯如附錄A 圖A1 所示。系統(tǒng)正常運行時，外環(huán)功率控制器特征信號Id，ref維持穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)故障時，外部電壓、功率等參數(shù)的變化以及控制器自身參數(shù)調(diào)節(jié)導(dǎo)致控制器輸出的信號Id，ref在故障后瞬間變化，不同故障類型和故障程度下控制信號會產(chǎn)生不同的響應(yīng)特征。

1.1 定有功功率控制

1.1.1 基本控制關(guān)系如附錄A 圖A1 所示，在定有功功率控制的情況下，輸出的控制信號表達(dá)式為：

式中：kp，p、Ti，p、kVdc為控制參數(shù)；udc為直流電壓；udc，max和udc，min分別為直流電壓上限和下限的標(biāo)幺值，分別取1.05 和0.95；P和Pref分別為有功功率的實際值和參考值。

定交流有功功率的控制中，有功功率實際值取換流器交流側(cè)的三相電壓電流數(shù)據(jù)進行計算，將功率的實際值與參考值取差值后經(jīng)過比例-積分（PI）控制器輸出。在直流線路故障的短時間內(nèi)，換流器交流側(cè)的電壓和電流響應(yīng)速度慢，波動相對較小，故障初始有功功率標(biāo)幺值的波動很小?？紤]定有功功率控制的換流器直流側(cè)出口雙極短路故障下的有功功率的波動如附錄A 圖A2 所示，在直流出口故障情況下，交流側(cè)的功率標(biāo)幺值的變化可以忽略。

直流故障的瞬間電壓迅速跌落，根據(jù)上述分析，在定有功功率下直流側(cè)故障時，式（1）可表達(dá)為：

故障后的直軸電流控制信號的變化量ΔId，ref可表示為：

式中：Δu為電壓變化的標(biāo)幺值。

1.1.2 直流側(cè)區(qū)內(nèi)外故障控制響應(yīng)特性

在直流側(cè)故障的初始階段，交流側(cè)三相系統(tǒng)對稱，交流側(cè)系統(tǒng)對直流側(cè)故障電流沒有貢獻，交流側(cè)對直流側(cè)的影響可以忽略［13］。因此，可對故障后的電容放電回路單獨分析。

中國張北四端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A圖A3 所示，線路13 區(qū)內(nèi)雙極故障的等效回路如附錄A 圖A4 所示。張北柔性直流電網(wǎng)設(shè)置經(jīng)電抗器接入中性線，在單極接地故障的情況下，中性線上會流過故障電流。真雙極結(jié)構(gòu)下兩極拓?fù)鋮?shù)對稱，雙極短路時中性線無故障電流流通。直流中點故障的等效電路如圖1 所示。圖中：R0為換流器內(nèi)部橋臂電阻；L0和C0分別為橋臂電感和子模塊電容；N為投入的子模塊數(shù)目；iM1和iM2分別為故障正極和負(fù)極的MMC 的故障電流，ΔiM1和ΔiM2分別為對應(yīng)的故障后電流變化量；Ld為限流電抗器；Lg為中性點接地電感；R1和L1分別為直流側(cè)出口到故障點的線路的電阻和電感。MMC 內(nèi)部可等效為電感電容和電阻的串聯(lián)電路。

圖1 區(qū)內(nèi)故障等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of internal fault

故障后的電容電壓不能突變，換流器直流側(cè)出口電壓的變化主要由電感電壓的變化引起［14］。Δu可以表示為：

在故障后的短時間內(nèi)，式（6）的衰減項對故障電流的影響基本可以忽略，不同故障下的故障電流的差異主要由故障等效電感的不同引起［16］。直流側(cè)正向區(qū)外故障條件下，考慮控制信號能夠取得的最大值，以正向區(qū)外雙極故障為例進行分析，故障后的簡化等效電路如圖2 所示。圖中：iM3為對側(cè)MMC的故障電流。

圖2 正向區(qū)外故障等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of for ward external fault

由圖1 和圖2 可見，在同類型故障的情況下，區(qū)外故障時回路的等效電感均大于區(qū)內(nèi)故障下的等效電感，區(qū)外故障時ΔiM1小于區(qū)內(nèi)故障時的值。此時控制信號的積分值滿足：

式中：ΔId，ref，in和ΔId，ref，ex分別為區(qū)內(nèi)和區(qū)外發(fā)生同類型故障時的控制信號變化量。

由圖2（b）可知，區(qū)外雙極故障的情況下的等效電感Leq，ex滿足：

式中：ΔiM3為對側(cè)MMC 故障電流的變化量。

如圖1（a）所示，區(qū)內(nèi)正極接地故障條件下故障回路的等效電感Leq，in為：

在實際的張北柔性直流工程中，設(shè)置的接入中性線的電抗器Lg為300 mH，直流線路限流電抗器Ld為150 mH［17］，因此對比式（8）和式（9），直流區(qū)內(nèi)正極故障下的等效電感小于區(qū)外雙極故障的等效電感。將式（8）、式（9）代入式（6）得到：

式中：ΔId，ref，sig，in和ΔId，ref，bip，ex分別為區(qū)內(nèi)單極接地和區(qū)外雙極短路故障時的控制信號變化量。

由式（11）可知，區(qū)內(nèi)單極接地故障下的控制信號ΔId，ref的積分值大于區(qū)外雙極故障的積分值。對比圖1（b）和圖2（a）可知，區(qū)內(nèi)雙極短路故障的等效電感遠(yuǎn)小于區(qū)外單極接地故障的等效電感值，因此區(qū)內(nèi)雙極故障下ΔId，ref的積分值遠(yuǎn)大于區(qū)外單極接地故障下的積分值。

綜上所述，在定有功功率控制下，直流側(cè)發(fā)生故障的短時間內(nèi)，區(qū)內(nèi)故障時的控制信號的積分值大于正向區(qū)外故障的控制信號的積分值。

1.2 定直流電壓控制

如附錄A 圖A1 所示，在定直流電壓控制的情況下，輸出的控制信號的表達(dá)式為：

直流側(cè)故障時，定直流電壓與定有功功率控制分析類似，區(qū)內(nèi)故障的控制信號變化量的積分值大于正向區(qū)外故障下的控制信號變化量的積分值。

2 保護基本原理和方案

柔性直流線路發(fā)生故障時，故障點會產(chǎn)生明顯的電壓跌落，此時故障電壓變化率大，可參照常規(guī)的直流保護利用電壓變化率［3］的快速啟動方法。

2.1 區(qū)內(nèi)外故障識別原理

四端MMC 柔性直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A3所示，該系統(tǒng)是一個±500 kV 的真雙極直流電網(wǎng)，各換流站采用的控制模式如附錄A 表A1 所示。

本節(jié)分析以MMC1 和MMC3 為例，其他換流器的分析與之類似。由第1 章分析可知，對于MMC1 而言，在直流側(cè)發(fā)生故障的短時間內(nèi)，線路12 和線路13 上故障情況下的控制信號ΔId，ref的積分值均大于線路24 和線路34 上故障的控制信號積分值。因此，可以設(shè)置閾值使得MMC1 中控制信號能夠識別到線路12 和線路13 上的故障，即MMC1 的保護能識別區(qū)域1 上發(fā)生的故障。同理，在MMC3 中可通過設(shè)置控制信號暫態(tài)能量的閾值，識別到線路13 和線路34 上的故障，即附錄A 圖A3中區(qū)域2 的故障?；谝陨显?，可以利用雙端換流器的控制信號構(gòu)建識別區(qū)內(nèi)外故障的縱聯(lián)保護?？紤]到區(qū)外故障的控制信號的積分值遠(yuǎn)小于區(qū)內(nèi)故障的積分值，可定義控制信號的暫態(tài)能量ΔEcon為：

式中：ΔEcon1和ΔEcon3分別為MMC1 和MMC3 的控制信號暫態(tài)能量；Eset1和Eset3分別為MMC1 和MMC3 的暫態(tài)能量整定值。

整定值的大小需要考慮躲開區(qū)外發(fā)生雙極故障的最大值，并留一定的裕度。MMC1 采用定有功功率和無功功率的控制模式，根據(jù)式（5）和式（15），其控制信號暫態(tài)能量整定值應(yīng)該滿足：

式中：krel為可靠性系數(shù)；Id?為直軸電流基準(zhǔn)值。

MMC1 的基本控制參數(shù)如附錄A 表A2 所示，在區(qū)外近端雙極故障的最不利故障情況下，故障等效網(wǎng)絡(luò)如附錄A 圖A5 所示，此時可以得到故障后電流滿足：

對式（18）求解得到的故障電流與仿真分析對比的結(jié)果如附錄A 圖A6 所示，由計算結(jié)果可知，直流側(cè)區(qū)外雙極故障后的1 ms 時間窗內(nèi)，故障電流的變化量的最大值小于0.4 kA。為保障保護方案的正確動作，考慮區(qū)外近端雙極短路故障并取krel=1.3，式（17）可簡化為：

若存在多直流饋線的情況，故障后的等效電路如附錄A 圖A5 所示，可通過對回路方程的求解分析故障后的故障電流變化，用于保護整定值的計算，考慮直流區(qū)外發(fā)生最嚴(yán)重故障的情況，并選取可靠性系數(shù)，保障保護方案能夠可靠識別故障。

MMC3 采用定直流電壓和無功功率的控制模式，在對MMC3 進行整定時主要考慮直流側(cè)正向區(qū)外故障下ΔEcon的最大值，根據(jù)式（13），其整定值應(yīng)滿足：

同理，可根據(jù)故障后的電流變化大小簡化式（20），結(jié)果如下：

2.2 故障選極原理

真雙極結(jié)構(gòu)的柔性直流電網(wǎng)在一極發(fā)生故障時，健全極受到的影響較小，仍然能夠正常工作。因此，健全極的換流器的控制信號的波動相對于故障極要小很多，故障極的控制信號暫態(tài)能量遠(yuǎn)大于健全極。雙極故障時，兩極對應(yīng)的換流器的控制信號均會產(chǎn)生較大波動，由于真雙極結(jié)構(gòu)處于對稱運行狀態(tài)，此時兩極的換流器的控制信號的暫態(tài)能量基本相同。因此，可以根據(jù)上述原理構(gòu)建直流故障選型的判據(jù)，定義正負(fù)極控制信號的暫態(tài)能量比p為：

式中：ΔEcon，p和ΔEcon，n分別為正極和負(fù)極換流器控制信號的暫態(tài)能量。

根據(jù)上述分析，直流雙極故障時p基本為1，正極故障時p遠(yuǎn)大于1，負(fù)極故障時p遠(yuǎn)小于1。設(shè)閾值pset1=2、pset2=0.5，故障選極判據(jù)可表示為：p＞pset1時為正極故障；p＜pset2時為負(fù)極故障；pset1≥p≥pset2時為雙極故障。

2.3 保護方案

根據(jù)上述原理設(shè)計的故障識別邏輯和保護方案分別如圖3 和附錄A 圖A7 所示。該方案采用直流電壓變化率作為啟動判據(jù)，并獲取換流器直軸電流控制信號，利用該控制信號求取暫態(tài)能量。同時，采用換流器控制參數(shù)計算保護的整定值，將控制信號暫態(tài)能量與整定值進行比較來識別直流區(qū)內(nèi)外故障，并利用正極和負(fù)極暫態(tài)能量比進行故障類型的判別。

圖3 故障識別邏輯圖Fig.3 Logic diagram of fault identification

3 仿真驗證

為驗證本文所提保護的性能，在PSCAD/EMTDC 仿真軟件中搭建了如附錄A 圖A3 所示的四端柔性直流電網(wǎng)模型，采樣頻率為20 kHz。該系統(tǒng)為對稱雙極系統(tǒng)，其子模塊采用半橋型結(jié)構(gòu)，并在線路兩側(cè)裝有高壓直流斷路器以快速切除故障。根據(jù)式（19）和式（21）得到直流側(cè)區(qū)內(nèi)外故障識別的整定值為：Eset1=38.25 kA2?ms，Eset3=1 163.365 kA2?ms。

3.1 直流區(qū)內(nèi)故障

3.1.1 正極接地故障

故障發(fā)生在t=2 s 時，當(dāng)線路13 中點發(fā)生正極接地故障時，MMC1 和MMC3 故障后的仿真結(jié)果如圖4 所示。正極接地故障下的暫態(tài)能量值均越過閾值，選極判據(jù)也遠(yuǎn)大于1，保護判定為正極區(qū)內(nèi)故障。

圖4 區(qū)內(nèi)正極接地故障仿真圖Fig.4 Simulation diagrams of positive pole internal grounding fault

3.1.2 雙極短路故障

當(dāng)線路13 中點發(fā)生雙極短路故障時，控制信號的仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可見，在區(qū)內(nèi)雙極故障的情況下，線路兩側(cè)的換流器控制信號的暫態(tài)能量均越過了整定的閾值，此時保護判定為直流側(cè)的區(qū)內(nèi)的故障。選極判據(jù)p在故障后的值基本為1，保護識別故障類型為雙極故障。

圖5 區(qū)內(nèi)雙極短路故障仿真圖Fig.5 Simulation diagrams of bipolar internal short-circuit fault

3.2 直流區(qū)外故障

如附錄A 圖A8 所示，正向區(qū)外發(fā)生雙極故障時，MMC3 側(cè)的ΔEcon3越過整定值，MMC1 側(cè)的ΔEcon1未越過整定值，保護識別故障為區(qū)外故障。反向區(qū)外發(fā)生雙極短路故障時，MMC1 側(cè)的暫態(tài)能量值大于整定值，MMC3 側(cè)的暫態(tài)能量值小于整定值，保護識別為區(qū)外故障。由于區(qū)外雙極故障相較單極接地故障是更嚴(yán)重的故障，同條件下的單極接地故障下暫態(tài)能量值會更小，區(qū)外單極接地故障時保護不會誤動作。

3.3 過渡電阻和故障距離對保護影響分析

為驗證保護對不同過渡電阻和故障距離的適應(yīng)性，在直流線路上設(shè)置了不同位置的故障，并驗證保護在300 Ω 的過渡電阻情況下的動作正確性，仿真結(jié)果如附錄A 圖A9 所示。由圖可見，區(qū)內(nèi)單極接地和雙極短路故障時，在不同的故障位置和過渡電阻的情況下，線路兩側(cè)換流器控制信號的暫態(tài)能量均大于各自的閾值，保護均識別為直流區(qū)內(nèi)故障。暫態(tài)能量的值會隨著過渡電阻的增大而減小，當(dāng)過渡電阻為300 Ω 時，區(qū)內(nèi)故障下的最小值仍然大于區(qū)外故障下的最大值，保護能夠正確動作。因此，該保護具有較強的耐受過渡電阻能力。由于在整定值選取時考慮了區(qū)外故障的最大值，區(qū)內(nèi)不同位置故障下的暫態(tài)能量均大于閾值，保護均能正確動作，并且均具有較高的靈敏性。

3.4 通信延時對保護影響分析

柔性直流輸電系統(tǒng)換流站兩端可采用專用光纖通道進行信號傳輸，光纖中信號的傳輸?shù)乃俣却蠹s為4.9 μs/km［18］。張北柔性直流系統(tǒng)中，最長線路長度約為217 km，因此兩側(cè)換流站的通信延時約為1 ms。本文所提保護采用1 ms 的時間窗，因此在考慮延時的基礎(chǔ)上，保護動作時間也滿足柔性直流輸電故障檢測的要求。

3.5 功率波動對保護影響分析

柔性直流系統(tǒng)運行方式靈活，因此有必要分析功率或潮流的變化對保護的影響。功率波動與高阻故障的特征較相似，附錄A 圖A10 為施加功率擾動后和直流區(qū)內(nèi)正極經(jīng)300 Ω 高阻故障后的換流站有功功率波動以及直流電壓變化圖。由圖可見，施加1/3 額定功率大小的擾動后，MMC1 出口側(cè)功率波動幅值差為600 MW，MMC3 出口側(cè)的功率波動幅值差為1 000 MW。由于MMC3 換流站中采用了定直流電壓的控制模式，在功率擾動的情況下，系統(tǒng)會基本維持電壓的穩(wěn)定，直流側(cè)電壓基本維持不變，而在高阻故障情況下直流電壓變化較大。附錄A 圖A11 所示為加入功率擾動后的控制信號暫態(tài)能量值，由圖可見，此時線路兩側(cè)換流器控制信號暫態(tài)能量值均小于整定值，保護不會誤動作。主要原因是采用定有功功率策略的換流器MMC1 中存在著對功率偏差的PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，對功率波動信號有一定的抑制作用，此時得到的控制信號變化較??；采用定直流電壓控制策略的換流器MMC3 在功率波動的情況下能維持電壓基本穩(wěn)定。因此，根據(jù)式（2），此時換流器MMC3 內(nèi)的控制信號的變化較小，所得到的控制信號暫態(tài)能量值較小，不會使保護誤動。綜上，本文在1/3 額定功率擾動下能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定，電壓波動小，不會出現(xiàn)誤動作，而對于300 Ω 過渡電阻的故障，電壓波動較大，保護能夠正確動作。因此，功率波動對本保護方案的影響較小，保護能夠較可靠地區(qū)分功率波動和高阻故障。

3.6 交流側(cè)故障對保護影響分析

換流器的控制策略中包含了交流側(cè)的功率信息，因此，交流側(cè)故障換流器的控制信號也會隨之受到影響。交流側(cè)故障不能形成類似于直流側(cè)的放電回路，故障后短時間內(nèi)電流的變化緩慢，換流器端口的電壓基本不變［19］。因此，在定有功功率控制下，交流故障后短時間內(nèi)的控制信號不受直流電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的影響，此時式（1）可簡化為：

式中：Δp為有功功率的變化量。

在電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率供需不平衡時，電網(wǎng)缺乏慣性和阻尼會導(dǎo)致?lián)Q流器的控制無法像傳統(tǒng)的同步發(fā)電機那樣利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量來抑制電網(wǎng)頻率的波動［20］。因此，可利用虛擬同步發(fā)電機技術(shù)在動態(tài)情況下為電網(wǎng)提供相應(yīng)的慣性支撐，從而改善變流器響應(yīng)特性，實際的同步發(fā)電機一般為欠阻尼系統(tǒng)，因此在有功功率的測量環(huán)節(jié)加入一個二階的欠阻尼系統(tǒng)來使換流器從運行機制上與同步發(fā)電機相似［21］。換流器模型的有功測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如附錄A圖A12（a）所示，以交流側(cè)三相故障為例，有功功率經(jīng)過二階欠阻尼系統(tǒng)后的變化如圖A12（b）所示。由圖A12 可見，在交流側(cè)故障的初始階段，采用虛擬同步發(fā)電機控制參與電網(wǎng)的動態(tài)調(diào)節(jié)能夠大幅減小有功功率的跌落，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。根據(jù)式（24），有功功率測量值跌落小使得控制信號Id，ref的變化量小，此時線路兩側(cè)的暫態(tài)能量均小于整定值，保護不會誤動作。交流側(cè)三相短路故障時的仿真結(jié)果如附錄A 圖A13 所示，線路兩端的換流器的ΔEcon均小于閾值，保護不會誤動作。

3.7 噪聲對保護影響分析

考慮到噪聲可能會對保護產(chǎn)生一定的影響，為驗證該保護的抗噪聲能力，本文在換流器控制信號中加入不同信噪比的噪聲來進行分析。區(qū)內(nèi)正極接地故障情況下加入20 dB 噪聲的仿真波形如附錄A圖A14（a）所示。

附錄A 表A3 給出了不同信噪比下的故障仿真結(jié)果。由表A3 可知，在不同的信噪比的噪聲情況下保護均不會誤動作，具有較高的靈敏性。附錄A圖A14（b）顯示在有噪聲和無噪聲情況下的暫態(tài)能量值相差較小，這是因為噪聲為高頻的正負(fù)波動信號，其期望值為零［3］，暫態(tài)能量的計算采用的是積分的形式，可以在很大程度上消除噪聲對于保護的影響，因此本保護具有較強的抗噪聲能力。

3.8 換流器控制參數(shù)對保護影響分析

本文的保護方案利用了換流器的控制信號，并且整定值的計算與換流器的控制參數(shù)有關(guān)，因此需要研究不同的控制參數(shù)對于保護的影響。由于保護整定值需要考慮躲開最不利故障情況下的值，因此本節(jié)以區(qū)內(nèi)末端的經(jīng)300 Ω 的正極接地故障和區(qū)外的首端過渡電阻為0 的雙極故障為例進行分析，研究保護對不同的控制參數(shù)的適應(yīng)性，仿真結(jié)果如附錄A 圖A15 所示。

控制參數(shù)變化時，換流器的控制信號暫態(tài)能量也會變化，保護的整定值也隨之變化。由附錄A 圖A15 可見，在不同的控制參數(shù)下，區(qū)內(nèi)經(jīng)300 Ω 的故障的控制信號暫態(tài)能量最小值均大于整定值，同時整定值大于區(qū)外故障的最大值，保護的整定值能隨控制參數(shù)的變化而自適應(yīng)變化，均能夠正確、可靠動作。

4 不同方案對比分析

通過與不同保護方案的對比分析，可以驗證本文所提保護的優(yōu)勢。

文獻［22］介紹了基于極模波和地模波變化率來識別故障的ABB 行波保護原理，與本文所提保護方案的對比結(jié)果如附錄A 表A4 所示。由表A4 可見，行波保護在直流正極經(jīng)200 Ω 過渡電阻故障下會拒動，保護耐受過渡電阻能力差，并且由于采用極模波和地模波變化率識別故障，保護在20 dB 的噪聲下會不正確動作，保護的抗噪聲能力較差。由于極模波和地模波會受到功率波動的影響，因此ABB行波保護的方案受功率波動的影響較大。本文所提保護在抗噪聲能力、耐受過渡電阻能力、保護動作靈敏性以及受功率波動影響程度上均優(yōu)于ABB 行波保護方案。

文獻［11］提出了基于主動探測式的縱聯(lián)保護原理，利用MMC 的高可控性控制直流電壓參考值，在換流站端口注入相同頻率的正弦式故障探測信號檢測故障。附錄A 表A4 展示了文獻［11］所提保護與本文保護方案的對比，可知文獻［11］的保護方案在100 Ω 故障電阻和30 dB 的噪聲下能夠正確動作。本文所提保護方案在300 Ω 故障電阻和20 dB 的噪聲下能夠可靠識別故障并具有較好的靈敏性，耐受過渡電阻和抗噪聲能力強。文獻［11］中方案需要注入100 Hz 特征信號，因此保護速動性有待提升，保護動作時間在10 ms 以上。而本文所提保護方案無須注入特征信號，并且故障識別時間在3 ms 以內(nèi)，滿足柔性直流輸電保護動作時間的要求。

文獻［23］中提出了利用邊界限流電抗器電壓構(gòu)建保護方案，采用故障后的電抗器電壓大小識別故障類型，通過附錄A 表A4 可知，文獻［23］的保護方案在區(qū)內(nèi)正極經(jīng)200 Ω 過渡電阻故障下會拒動，保護耐受過渡電阻能力較差，本文所提保護方案的耐受過渡電阻能力強，并且在靈敏性上優(yōu)于文獻［23］提出的保護方案。

5 結(jié)語

柔性直流電網(wǎng)的控制和保護是密不可分的，本文分析了不同故障下的換流器控制信號的特征，提出一種基于換流器外環(huán)功率控制特性的柔性直流線路保護方案。該方案具有如下特點：

1）該方案考慮控制信號故障暫態(tài)特征，利用換流器的控制信號的快速響應(yīng)能力進行故障識別，結(jié)合換流器的控制信息，無須測量線路上的電氣量且無須額外增加設(shè)備，實現(xiàn)簡單，利于保護控制的集成設(shè)計；

2）該方案能實現(xiàn)在換流器控制策略切換和控制參數(shù)改變情況下的自適應(yīng)保護，可靠性較高；

3）該方案能在不同的故障條件下正確動作，受過渡電阻、故障距離、功率波動、交流故障以及噪聲的影響較小。

本文研究需要進一步分析控制對保護的影響，在后續(xù)的研究中，需要從多方面進一步深入研究故障與控制信號的對應(yīng)關(guān)系。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。