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摘要：混合直流输电技术集合了传统直流与柔性直流输电系统的优势，本文提出了合直流几种典型故障的控制保护策略，并展开了仿真分析，仅供参考。
关键词：混合直流输电；换流站；控制保护；模型
常规直流传输容量大，设备运维经验丰富，但受端换流站换相失败与无功消耗的特点对整个电网地安全稳定运行具有重要影响。新兴的柔性直流输电系统可在无源逆变状态下运行，且采用绝缘栅双极晶体管IGBT/GTO 换流阀以实现阀组的强迫换相。结合两种不同直流输电系统的特点，整流站采用常规直流模式、逆变站采用柔性直流模式，这种混合直流输电方式是解决目前常规直流输电缺点的较好方案。
本文首先对常规直流和柔性直流控制策略进行分析；其次，针对混合直流输电系统的典型故障，参照ABB 常规直流保护方法，提出相应的保护策略；最后，通过仿真实验对受端换流站的无功控制特性进行校验，并以直流输电系统当中可能出现的典型交直流故障进行实验，验证了控制保护方法的正确性。
1 混合直流输电系统的控制策略
混合直流输电系统的控制策略由常规直流和柔性直流的控制特性决定；常规直流送端通常以直流电流控制和最小触发角控制组成，柔性直流作为受端，采用外环和内环两个控制层级，其中外环控制直流电压，内环控制交流系统母线电压或无功交换。若参考常规直流的控制模式，混合直流在正常状态的控制方式为整流侧采取定电流控制（通常采用定功率模式）。
2 混合直流输电系统的保护策略
混合直流输电系统的保护主要包括交流母线保护、阀保护、直流线路保护、换流变保护等，本文通过参考ABB 的保护策略，选取几种典型的系统故障进行研究，其中有整流侧阀组短路故障、逆变侧交流母线故障、直流线路故障。由于受到逆变侧采用I G B T 阀组元件，整流侧的动作策略与常规直流大体相同，但逆变侧的动作需要配合整流侧，其动作策略与常规直流、柔性直流均不尽相同。
2.1 整流侧阀组短路故障
在常规直流输电系统中，阀组短路是直流保护设计中必须考虑到的阀体最严重故障类型。假如逆变侧为可控硅的换流阀，其整流侧发生阀短路故障的控制方案是，整流侧：移相至164°，然后闭锁，跳交流开关；逆变侧：移相至164°，然后触发阀组旁通回路释放能量，跳交流开关。由于逆变侧换流阀组为I G BT，其阀块上反并联有续流二极管，且直流充电电容较大，不能承受冲击电压，所以一般带直流过电压保护，故逆变侧能量释放通道不能依赖IGBT 阀组。本文所提出的方案如下：
在故障阶段，整流侧：移相至164°一定时间；逆变侧：启动旁路卸荷电阻，闭锁，然后跳交流开关。在重新恢复阶段，整流侧：移相至90°一定时间，但阀组并不闭锁，然后启动定电流控制；逆变侧：先合带限流电阻交流开关，然后断开带限流电阻交流开关，并合上无限流电阻开关，点火启动VSC 控制。
2.2 逆变侧交流母线故障
以交流母线三相短路作为研究对象，本文所给出的方案如下，在故障阶段，整流侧：移相至164°一定时间；逆变侧：启动旁路卸荷电阻，闭锁，然后跳交流开关。在重新恢复阶段，整流侧：移相至90°一定时间，但阀组并不闭锁，然后启动定电流控制；逆变侧：先合带限流电阻交流开关，然后断开带限流电阻交流开关，并合上无限流电阻开关，点火启动VSC 控制。
其中，为了应对逆变侧三相短路故障，提出直流充电电容的过电压保护控制策略。
2.3 直流线路故障
对于直流线路故障，本文所给出的方案如下，在故障阶段，整流侧：移相至164°一定时间；逆变侧：启动旁路卸荷电阻，闭锁，然后跳交流开关。在重新恢复阶段，整流侧：移相至90°一定时间，但阀组并不闭锁，然后启动定电流控制；逆变侧：先合带限流电阻交流开关，然后断开带限流电阻交流开关，并合上无限流电阻开关，点火启动VSC 控制。
3 仿真实验
本文参考三常直流参数和典型双极混合直流输电接线形式，在R T D S 仿真平台上建立混合直流
输电系统模型，如图1 所示，系统额定直流电压为500 k V，额定直流电流为3 k A。两端交流系统：送端额定线电压为525 k V，频率为50 H z，电源内阻抗设置为1 Ω，阻抗角为80°；受端额定线电压为500 k V，频率为50 H z，连接电抗加上变压器漏抗为0.27 p.u.，模拟强系统时，电源内阻抗设置为1 Ω，阻抗角为80°，模拟弱系统时电源内阻抗设置为8 Ω，阻抗角为80°。
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图1 双端混合直流输电系统拓扑结构
3.1 受端换流站无功控制验证
与常规直流输电系统相比，受端换流站采用V S C 形式，不仅解决了换相失败的问题，而且I G B T 的控制特性能够实现对换相母线电压波动的调节。本文将从两个方面进行仿真研究，一种是换相母线电压发生较大波动，但经过一定时间恢复正常；另一种是换相母线电压波动较小，但并不恢复。
1）逆变侧交流系统电压较大波动
设逆变侧换相母线电压降低0.05 p.u.，且持续时间为0.05 s，仿真波形如图4 所示。
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图2 换相母线电压跌落0.05 p.u.
由图2 所示，V S D2 为换相母线电压标幺值，IGQ2 为VSC 无功电流分量实际值，IQR2 为VSC 无功电流分量指令值。随着换相母线电压的降低，IQR2 增大，相对应的三相电流Q 轴分量IGQ2 增大（在这里，I G Q2 为正，代表输出无功功率），保证换相母线电压波动范围控制在5% 以内。
2）逆变侧交流系统电压较小波动
设置逆变侧换相母线电压升高0.02 p.u.，一直持续，仿真波形如图5 所示。
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图3 换相母线电压升高0.02 p.u.
由图3 可知，随着换相母线电压的升高，IQR2从0 减小到-0.45 p.u.，相对应的三相电流Q 轴分量IGQ2 也减小（在这里，IGQ2 为负，代表吸收无功功率），保证VSD2 波动范围控制在2% 以内。
3.2 交直流系统故障仿真实验
对比常规直流输电系统，由于逆变侧采用I G B T 阀组设备，混合直流输电的故障特性将会有所不同。本文选取几种典型的交直流故障进行仿真分析，包括整流侧换流阀短路，逆变侧VSC 换相母线三相短路，直流线路接地故障。
1）整流侧阀组短路故障
设置故障类型为阀组短路，持续时间0.1 s，采用本文所提出的保护策略，如图6 所示。
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图4 整流侧阀组短路故障
由图4 可知，B R K1 为不带限流电阻断路器控制信号，B R K133 为带限流电阻断路器控制信号，G A D D1 为逆变侧卸荷电阻控制信号，XB L V S C P R 为阀短路保护出口信号，I S e c A P12R、I S e c B P12R、ISecCP12R 为整流侧换流变阀侧三相电流。当整流侧发生阀短路故障时，阀侧交流电流迅速从3 k A上升到21 kA，保护系统判断发生了桥臂短路故障，XBLVSCPR 信号置为1，保护动作输出；整流侧触发角AOR 变为164°，逆变侧GADD1 信号置为1，BRK1信号置为0，逆变侧交流断路器断开，IGBT 触发脉冲闭锁，其中保护动作持续时间为0.2 s；待故障恢复后，整流侧AOR 移相至90°，为VSC 重启做准备，BRK133 信号置为1，合上带限流电阻断路器，为直流电容充电；待直流电压上升至0.467 p.u.后，启动VSC 控制，整流侧直流电流缓慢上升。
4 结语
综上所述，本文依据常规直流输电和柔性直流输电的控制方法，在仿真平台上建立典型双极混合直流输电系统模型。通过仿真实验，验证了受端换流站具有良好的无功控制能力，有利于抑制交流系统的电压波动；针对交直流系统的典型故障，提出相应的控制保护策略，能够快速响应故障清除和系统恢复。
参考文献：
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