換流站傳遞特性及其對交直流電網保護影響

祁凡 王軍軍

摘要：隨著國內特高壓交直流輸電的大規模建設以及地區網架補強，電網網架結構日趨緊密，電網存在的穩定問題也由傳統的暫態穩定問題、動態穩定問題向短路電流超標、電力電子化帶來的新能源脫網、諧波振蕩等方面轉變，但由于新疆、西藏、內蒙古等地區地理環境的影響，仍然存在因弱聯絡、長距離輸電而存在的電壓穩定、動態穩定問題。

關鍵詞：交直流混聯電網;換流站傳遞特性;繼電保護

引言

隨著分布式發電技術的不斷發展，越來越多的分布式電源以集成互聯的形式組成微電網。其中，直流微電網擁有電能轉化率高、控制簡單、可靠性高的優點，成為未來微電網發展的趨勢。但是，傳統的交流微電網發展已經比較健全，直流微電網與交流微電網在未來一段時間內長期共存。這時，交直流混合微電網應運而生，它通過互聯變流器（Inter linking Converter，ILC）將交流微電網和直流微電網聯系起來，融合了交流微電網和直流微電網各自的優點，減少了電力電子變換器的使用，提高了新能源的利用效率，因此成為近年來研究的熱點。

1傳遞特性分析方法

由于換流器的非線性時變特性，換流站傳遞特性較為復雜，兩側電氣量之間的關系難以定量分析。針對換流器兩側電氣量的計算問題，直接利用準穩態模型進行分析。但當交流系統出現不對稱或控制器處于動態調節過程時，準穩態模型所基于的假設條件不再滿足，該模型將不適用。除利用準穩態模型分析以外，目前對傳遞特性的分析多基于電磁暫態仿真。該方法依托仿真軟件、計算過程復雜、故障分析缺乏理論依據，因此迫切需要提出便于理論研究的故障特征傳遞特性分析方法。針對以上問題，目前研究一般采用開關函數和動態相量模型的方法表征換流站的傳遞特性。其中開關函數模型用于分析換流器兩側的靜態傳遞關系，動態相量模型用來描述換流器的動態過程。

1.1換流變壓器分接開關的控制

實際工程中，換流變壓器和換流器共同構成了直流極控系統，其主要負責直流傳輸功率Pd（送端）或直流電壓Ud（受端）的控制。當Pd或Ud發生擾動或者需要調節時，通過調節控制角使其快速變化到設定值并保持不變，而分接頭則是維持控制角在其限制范圍內。

1.2換流器控制模式切換

直流系統的正常運行需滿足以下邊界條件。1）整流側觸發角α和逆變側熄弧角γ分別不小于最小觸發角αmin和最小熄弧角γmin;2）換流變壓器的變比kT不超過其上下限kTmax，kTmin;3）直流電流Id不大于直流線路最大電流Idmax。在直流受端電網靜態電壓穩定分析場景中，隨著過渡方式的惡化，換流站交流母線的電壓將發生變化，直流系統必須改變其運行參數才能滿足所傳輸的功率和運行電壓的要求?？紤]到換流變壓器分接頭調節的作用是優先維持直流電壓和控制角穩定，因此對直流參數的調整策略是：首先調整兩側換流變壓器變比直至限值，再調整整流側觸發角和逆變側熄弧角直至限值。隨著直流系統運行點的改變，一旦上述任一邊界條件不能滿足，便立即將其限定在相應的邊界上，轉換成另一種控制模式。

2換流站傳遞特性對交流系統保護的影響

本文站在電力系統層面，對換相失敗所造成的功率波動進行更準確的定義，與傳統閥級層面的換相失敗進行區分，可避免二者之間的相互混淆。將閥級換相失敗所造成的一次功率波動稱為“系統級換相失敗”，該功率波動一般持續160～200ms，與直流系統的恢復特性有關。針對單饋入直流輸電系統，許多學者研究表明在換相失敗故障恢復過程中很可能出現第二次換相失敗，導致直流功率連續2次波動，故將其稱為“連續換相失敗”或者“后續換相失敗”，并未統一，且易與閥級層面的“2次連續換相失敗”及“2次不連續換相失敗”帶來稱呼和概念上的混淆。因此站在電力系統層面，將其稱為“系統級連續換相失敗”更為恰當。針對多饋入直流輸電系統，受端電網單一故障所造成的電壓降落，不單會引發故障近端的換流站發生換相失敗，甚至可能引發多個換流站同時或相繼發生換相失敗。如果該故障所產生的電壓降落會直接導致2個及以上換流站同時發生換相失敗，應將這種現象稱為“同時換相失敗”。如果該故障所產生的電壓降落僅會引起故障近端的換流站發生換相失敗，但在該換流站換相失敗故障恢復過程中會引起電壓的二次降落，繼而使故障遠端的換流站也發生換相失敗，應稱這種具有傳遞性質的換相失敗為“相繼換相失敗”。

3直流線路保護

3.1提前電流控制

通過提前觸發控制的研究，學者發現提前觸發控制所能提升的換相裕度是非常有限的，通過仿真分析可知，其提前觸發角度的最大限度為0.476rad，即當提前觸發量大于這個數值時，提前觸發基本無法抑制換相失敗。因此從換相機理的角度出發，認為如果能在故障發生后提前減小逆變側的直流電流，可以在觸發角不變的情況下，增大換相裕度。然而直流系統控制策略中，直流電流主要由整流側控制，逆變側主要控制直流電壓，因此在原有換相失敗預測控制的基礎上，提出了改進的直流電流預測控制，通過換相母線電壓計算出直流電流的指令值，并傳遞到整流側，從而降低換流站的換相壓力。也是通過附加電流控制，增大換相裕度，從而能減少換相失敗的持續時間。在換相失敗故障恢復過程中增大整流站的提前觸發角，降低整流側直流電壓，從而有效限制逆變側的直流電流，其核心思想與提前電流控制一致。

3.2邊界元件電氣量保護

利用直流線路邊界電抗器兩端電壓斜率構造了高靈敏度的保護方法。與之類似，利用直流線路邊界電抗器兩端電壓構造了主后備保護方法，同樣具有高可靠性和靈敏度。這些方法在推導中考慮了發生直流線路區內故障和直流區外故障2種情況，由此得出區內外故障的差異。然而，這些方法在理論分析中并未考慮換流器對交流系統擾動的傳遞特性，僅通過交流系統故障仿真對保護性能進行了驗證。因此這類方法在實際發生交流系統故障時存在保護誤動的可能。綜上，現有的直流線路單端量保護在故障特征分析時都沒有考慮換流站傳遞特性的影響，因此無法從理論上證明直流保護在交流擾動傳遞至直流側后不會發生誤動，僅能通過仿真“最嚴重的交流系統故障”即交流側三相短路故障來驗證保護的選擇性。事實上，對于傳統的直流線路主保護而言，發生交流側三相短路故障時電氣量斜率最大，是“最嚴重的交流系統故障”。而不同的保護原理利用了不同的電氣量特征，整定時要躲過的“最嚴重的交流系統故障”也不同，沒有理論指導而僅通過仿真驗證無法保證保護沒有誤動的可能性。因此，亟需對暫態過程下換流站傳遞特性進行研究，為直流保護的整定提供理論指導。

3.3附加額外的無功補償設備

通過附加無功補償裝置可以提高換流母線的電壓支撐能力，這是目前抵御換相失敗非常重要的手段之一。主流的無功補償裝置包括電容器、交流濾波器和同步調相機。目前，電容器與交流濾波器相組合的無功補償配置是特高壓換流站的常規選擇。但其缺點是當交流系統發生故障時，換流母線電壓的降低會使其無功補償能力也大大削弱。然而隨著電力電子技術的快速發展，使得靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）得到廣泛應用。STATCOM具有無功功率調節速度快、能力強等特點，即使在交流故障情況下仍能有一定的無功支撐能力，可以有效提高受端電網的強度，增強系統的穩定性與抗干擾能力。

結束語

換流站傳遞特性使得換流站兩側的交流、直流系統電氣量存在強耦合關系，存在交流系統擾動導致直流保護不正確動作、直流系統擾動造成交流保護不正確動作的可能。深入研究換流站傳遞特性，有利于繼電保護理論的完善和保護配置的優化，對保障交直流混聯電網安全運行具有重要的理論和實踐意義。

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