湖北能源集團(tuán)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(shí)際運(yùn)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(guān)處出現(xiàn)異常跳動(dòng)。通常遭受故障時(shí)整流側(cè)和逆變側(cè)會(huì)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(shí)電流電壓刺激而產(chǎn)生的輸電穩(wěn)定性下降等問題，應(yīng)及時(shí)提出解決路徑，一般判定該案例中故障類型時(shí)，實(shí)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(guān)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(guān)條件可確定系統(tǒng)具備閥組短路故障隱患[1]。此外，針對(duì)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(hù)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(hù)控制閾值（常為1.1pu）、啟動(dòng)閉鎖閾值（常為0.96pu）。前者表示啟動(dòng)保護(hù)控制策略，后者啟動(dòng)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(duì)策，同時(shí)也要在本案例尚未出現(xiàn)嚴(yán)重故障前運(yùn)用控制保護(hù)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(guān)于故障啟動(dòng)控制保護(hù)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(dòng)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(dòng)控制保護(hù)策略，此時(shí)案例中系統(tǒng)閥組不啟動(dòng)閉鎖功能，并對(duì)電流值予以有效控制，促使電流范圍恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。為確保系統(tǒng)故障得到充分改善，應(yīng)利用控制保護(hù)技術(shù)改善運(yùn)行條件，以便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

2 混合直流輸電系統(tǒng)的控制保護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

2.1 故障仿真分析

基于本案例時(shí)常遇到的上述幾項(xiàng)故障問題，應(yīng)全面運(yùn)用混合直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)技術(shù)消除故障，其中較為關(guān)鍵的是先行利用仿真分析法構(gòu)建仿真模型，從中總結(jié)故障發(fā)生規(guī)律，掌握控制保護(hù)策略。通常在建模前需確定理想空載直流電壓（Udior）?？蓞⒄障铝泄椒治龈鲄?shù)相關(guān)性，而后經(jīng)過對(duì)換流變壓器檔位控制有效保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)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(shí)，還可結(jié)合換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)步長(zhǎng)（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(duì)案例中系統(tǒng)故障予以分析，積攢實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。即通過仿真平臺(tái)構(gòu)建模型，假設(shè)仿真模型為3kA、500kV電流電壓值為標(biāo)準(zhǔn)，為確保控制保護(hù)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(shí)能在仿真設(shè)計(jì)中知曉故障發(fā)生時(shí)參數(shù)變化動(dòng)態(tài)，以便及時(shí)排除基本故障。一般在仿真模型中關(guān)于系統(tǒng)故障，還可記錄故障發(fā)生時(shí)仿真波形變化特征，而后調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

比如，針對(duì)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(dòng)條件下控制保護(hù)策略實(shí)施方法。假設(shè)在0.05s內(nèi)出現(xiàn)0.05pu電壓降幅，此時(shí)可結(jié)合無功功率輸出值，將電壓波動(dòng)幅度設(shè)定在5%以內(nèi)，此時(shí)可提升系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行系統(tǒng)電壓升高時(shí)，不宜出現(xiàn)2%以上增幅，否則極有可能形成異常運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在以控制保護(hù)策略應(yīng)對(duì)本案例中運(yùn)行系統(tǒng)遇到的故障風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，針對(duì)直流線路還可利用改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式強(qiáng)化保護(hù)效果。為解決本案例中出現(xiàn)的換流器會(huì)直接出現(xiàn)90°以上的觸發(fā)角（ɑ）情況，理應(yīng)從整流側(cè)電流轉(zhuǎn)換為逆變側(cè)電流，同時(shí)啟動(dòng)閉鎖功能，并切斷電流轉(zhuǎn)變路徑，如圖1所示，能及時(shí)控制換流器閉鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)換流器結(jié)構(gòu)有效保護(hù)。

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(duì)原有系統(tǒng)中子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出改進(jìn)策略。按照半橋型子模塊結(jié)構(gòu)特征，在出現(xiàn)直流線路故障時(shí)難以利用自我保護(hù)方法消除故障。如若改進(jìn)為電流轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)（如圖2所示），即可強(qiáng)化系統(tǒng)換流器故障自我修復(fù)能力。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)具體是在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)之上增設(shè)晶閘管，以并聯(lián)分布形式予以安裝，此時(shí)一旦出現(xiàn)故障，晶閘管將處于連通狀態(tài)，此時(shí)能實(shí)現(xiàn)故障電流合理分散，也不會(huì)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(duì)此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，可減小二極管損壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 系統(tǒng)子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（電流轉(zhuǎn)移型）

此外，還可以借助反并聯(lián)設(shè)計(jì)方法改造本案例系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)能確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)保持電壓均勻分布，而后利用編碼設(shè)計(jì)形式確定子模塊開關(guān)狀態(tài)（1：開；0：關(guān)），自此在新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下通過對(duì)改進(jìn)后晶閘管施加脈沖力，使之實(shí)現(xiàn)連通，幫助系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)移故障直流電流。當(dāng)處于全閉鎖狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)中換流器等多器件均呈現(xiàn)斷開狀態(tài)，此時(shí)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(yùn)行系統(tǒng)，有望在控制保護(hù)策略下規(guī)避系統(tǒng)故障隱患。

2.3 動(dòng)態(tài)鏈接控制

要想避免本案例中運(yùn)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(dòng)態(tài)鏈接控制技術(shù)動(dòng)態(tài)把控系統(tǒng)運(yùn)行情況。以往無論是運(yùn)用仿真分析法歸納故障形成路徑，還是評(píng)估子模塊運(yùn)行特征時(shí)，都存在一定局限性，即無法在子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所變化時(shí)，無法快速更新相關(guān)參數(shù)，尤其是仿真平臺(tái)參數(shù)范圍，這樣將難以進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并且靜態(tài)鏈接控制技術(shù)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(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)，可及時(shí)剔除無效文件，隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征更新參數(shù)。而且此項(xiàng)技術(shù)還有靈活性強(qiáng)、內(nèi)存小優(yōu)勢(shì)。具體可使用動(dòng)態(tài)鏈接器，在仿真平臺(tái)上添加程序，并通過虛擬映射地址確定保護(hù)路徑。關(guān)于動(dòng)態(tài)庫(kù)參數(shù)，可以利用偏移地址予以調(diào)用。同時(shí)，在系統(tǒng)保護(hù)功能下，還可利用動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)獲取換流器直流電流極限值反饋結(jié)果，如若超出既定標(biāo)準(zhǔn)，則需要實(shí)施電流補(bǔ)償處理，并起到系統(tǒng)保護(hù)作用，不因直流線路故障等問題干擾正常運(yùn)行動(dòng)態(tài)。

需要注意的是：考慮到該案例中的系統(tǒng)啟動(dòng)保護(hù)功能時(shí)，多結(jié)合晶振信號(hào)確定是否進(jìn)行保護(hù)，故而在以動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)強(qiáng)化控制保護(hù)效果時(shí)，還應(yīng)確保仿真平臺(tái)同輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“時(shí)間同步變化”，以免因時(shí)間不等出現(xiàn)時(shí)延過長(zhǎng)后果。為驗(yàn)證此技術(shù)適用性，理應(yīng)通過傳統(tǒng)詳細(xì)邏輯控制與動(dòng)態(tài)鏈接技術(shù)控制對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果予以判定，即在1s、2s、10s、100s仿真時(shí)間下，依據(jù)50μs仿真步長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)故障診斷速度，顯然后者仿真時(shí)間在0.96～98.6s以內(nèi)，略比前者34.4～3600s快，驗(yàn)證此技術(shù)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(guān)研究：控制參數(shù)往往與系統(tǒng)穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能具有相關(guān)性，在系統(tǒng)保護(hù)控制期間應(yīng)從控制參數(shù)方面優(yōu)化系統(tǒng)性能。具體可借助時(shí)域分析方式評(píng)估動(dòng)態(tài)性能，可參照下列函數(shù)式確定系統(tǒng)時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)變化特征。

式中：vj、wf分別表示傳遞函數(shù)極點(diǎn)和vj極點(diǎn)對(duì)應(yīng)留數(shù)，gmk（s）為傳遞函數(shù)矩陣。利用此公式即可確定時(shí)域迭代最佳范圍。隨著系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間的綜合分析可通過控制參數(shù)對(duì)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(shí)，還可以結(jié)合行波比參數(shù)鑒別系統(tǒng)運(yùn)行故障。通常在系統(tǒng)啟動(dòng)線路保護(hù)功能時(shí)，能快速映射保護(hù)動(dòng)作，且解耦電壓行波以下列公式予以計(jì)算：、，其中Up、Un代表測(cè)點(diǎn)1所測(cè)量的正負(fù)極電壓，而0、1即為地模和線模。

在系統(tǒng)運(yùn)行期間極點(diǎn)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(duì)應(yīng)時(shí)域電壓比還需滿足下列關(guān)系：

其中：R△U即為不同采樣周期下時(shí)域電壓比，R△Ut表示判定標(biāo)準(zhǔn)值。ΔUlmax（ts1）和ΔUlmax（ts2）即為ts1和ts2時(shí)間下電壓值差值，此時(shí)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(xué)控制下保護(hù)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(hù)系統(tǒng)時(shí)，還可以通過電流變化值正負(fù)情況確定故障方向，由此為相關(guān)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(jì)算后若ΔImax為正值，證明在正向存在故障，反之則在負(fù)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(hù)動(dòng)作測(cè)點(diǎn)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(dòng)的順序，促使在保護(hù)控制策略輔助下清除故障，從根本上控制故障清除時(shí)間。一般控制性能參數(shù)技術(shù)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(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)控制和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)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(fù)狀態(tài)。

2.5 抑制換相失敗

本文中針對(duì)案例中運(yùn)行的系統(tǒng)，進(jìn)行有效控制與合理保護(hù)，還可運(yùn)用抑制換相失敗技術(shù)，通常觸發(fā)角與檔位之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在高檔位下無功功率消耗量相對(duì)偏小，此時(shí)在零檔位下更易實(shí)現(xiàn)換流器充分調(diào)節(jié)。在分接頭檔位達(dá)到最高檔位時(shí)，如若觸發(fā)角高于高檔位下觸發(fā)角，表示盡管當(dāng)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(shí)，換流器正常運(yùn)行。為促使系統(tǒng)持久性保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，還應(yīng)當(dāng)借助雙極混合直流輸電接電模式連接線路，此時(shí)可降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能縮小換相母線電壓波動(dòng)值。

由于換相失敗會(huì)直接引發(fā)直流線路故障，故而在系統(tǒng)控制保護(hù)操作中需要加強(qiáng)受端系統(tǒng)換相失敗保護(hù)。即利用電壓源型換流器，此時(shí)針對(duì)電壓換相將不存在強(qiáng)制性規(guī)定。而且為了展現(xiàn)此技術(shù)經(jīng)濟(jì)性價(jià)值，還應(yīng)當(dāng)聯(lián)合柔性直流輸電模式進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，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(yùn)行優(yōu)勢(shì)。因直流電流本身需在數(shù)十ms內(nèi)增長(zhǎng)到一定極限值，故而可采用單純形算法下的目標(biāo)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(biāo)幺值、三相故障觸發(fā)時(shí)刻，最終可在優(yōu)化后抑制換相失敗。

綜上所述，本案例中運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)，妥善應(yīng)對(duì)案例中對(duì)應(yīng)的運(yùn)行缺陷，應(yīng)從仿真分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、動(dòng)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(hù)技術(shù)策略輔助下，本案例中運(yùn)行系統(tǒng)能持久發(fā)揮供電優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障高效清除。同時(shí)，在控制保護(hù)技術(shù)輔助下促進(jìn)本案例中系統(tǒng)及早恢復(fù)。