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摘要：随着国内特高压交直流输电的大规模建设以及地区网架补强，电网网架结构日趋紧密，电网存在的稳定问题也由传统的暂态稳定问题、动态稳定问题向短路电流超标、电力电子化带来的新能源脱网、谐波振荡等方面转变，但由于新疆、西藏、内蒙古等地区地理环境的影响，仍然存在因弱联络、长距离输电而存在的电压稳定、动态稳定问题。
关键词：交直流混联电网;换流站传递特性;继电保护
引言
随着分布式发电技术的不断发展，越来越多的分布式电源以集成互联的形式组成微电网。其中，直流微電网拥有电能转化率高、控制简单、可靠性高的优点，成为未来微电网发展的趋势。但是，传统的交流微电网发展已经比较健全，直流微电网与交流微电网在未来一段时间内长期共存。这时，交直流混合微电网应运而生，它通过互联变流器（Inter linking Converter，ILC）将交流微电网和直流微电网联系起来，融合了交流微电网和直流微电网各自的优点，减少了电力电子变换器的使用，提高了新能源的利用效率，因此成为近年来研究的热点。
1传递特性分析方法
由于换流器的非线性时变特性，换流站传递特性较为复杂，两侧电气量之间的关系难以定量分析。针对换流器两侧电气量的计算问题，直接利用准稳态模型进行分析。但当交流系统出现不对称或控制器处于动态调节过程时，准稳态模型所基于的假设条件不再满足，该模型将不适用。除利用准稳态模型分析以外，目前对传递特性的分析多基于电磁暂态仿真。该方法依托仿真软件、计算过程复杂、故障分析缺乏理论依据，因此迫切需要提出便于理论研究的故障特征传递特性分析方法。针对以上问题，目前研究一般采用开关函数和动态相量模型的方法表征换流站的传递特性。其中开关函数模型用于分析换流器两侧的静态传递关系，动态相量模型用来描述换流器的动态过程。
1.1换流变压器分接开关的控制
实际工程中，换流变压器和换流器共同构成了直流极控系统，其主要负责直流传输功率Pd（送端）或直流电压Ud（受端）的控制。当Pd或Ud发生扰动或者需要调节时，通过调节控制角使其快速变化到设定值并保持不变，而分接头则是维持控制角在其限制范围内。
1.2换流器控制模式切换
直流系统的正常运行需满足以下边界条件。1）整流侧触发角α和逆变侧熄弧角γ分别不小于最小触发角αmin和最小熄弧角γmin;2）换流变压器的变比kT不超过其上下限kTmax，kTmin;3）直流电流Id不大于直流线路最大电流Idmax。在直流受端电网静态电压稳定分析场景中，随着过渡方式的恶化，换流站交流母线的电压将发生变化，直流系统必须改变其运行参数才能满足所传输的功率和运行电压的要求。考虑到换流变压器分接头调节的作用是优先维持直流电压和控制角稳定，因此对直流参数的调整策略是：首先调整两侧换流变压器变比直至限值，再调整整流侧触发角和逆变侧熄弧角直至限值。随着直流系统运行点的改变，一旦上述任一边界条件不能满足，便立即将其限定在相应的边界上，转换成另一种控制模式。
2换流站传递特性对交流系统保护的影响
本文站在电力系统层面，对换相失败所造成的功率波动进行更准确的定义，与传统阀级层面的换相失败进行区分，可避免二者之间的相互混淆。将阀级换相失败所造成的一次功率波动称为“系统级换相失败”，该功率波动一般持续160～200ms，与直流系统的恢复特性有关。针对单馈入直流输电系统，许多学者研究表明在换相失败故障恢复过程中很可能出现第二次换相失败，导致直流功率连续2次波动，故将其称为“连续换相失败”或者“后续换相失败”，并未统一，且易与阀级层面的“2次连续换相失败”及“2次不连续换相失败”带来称呼和概念上的混淆。因此站在电力系统层面，将其称为“系统级连续换相失败”更为恰当。针对多馈入直流输电系统，受端电网单一故障所造成的电压降落，不单会引发故障近端的换流站发生换相失败，甚至可能引发多个换流站同时或相继发生换相失败。如果该故障所产生的电压降落会直接导致2个及以上换流站同时发生换相失败，应将这种现象称为“同时换相失败”。如果该故障所产生的电压降落仅会引起故障近端的换流站发生换相失败，但在该换流站换相失败故障恢复过程中会引起电压的二次降落，继而使故障远端的换流站也发生换相失败，应称这种具有传递性质的换相失败为“相继换相失败”。
3直流线路保护
3.1提前电流控制
通过提前触发控制的研究，学者发现提前触发控制所能提升的换相裕度是非常有限的，通过仿真分析可知，其提前触发角度的最大限度为0.476rad，即当提前触发量大于这个数值时，提前触发基本无法抑制换相失败。因此从换相机理的角度出发，认为如果能在故障发生后提前减小逆变侧的直流电流，可以在触发角不变的情况下，增大换相裕度。然而直流系统控制策略中，直流电流主要由整流侧控制，逆变侧主要控制直流电压，因此在原有换相失败预测控制的基础上，提出了改进的直流电流预测控制，通过换相母线电压计算出直流电流的指令值，并传递到整流侧，从而降低换流站的换相压力。也是通过附加电流控制，增大换相裕度，从而能减少换相失败的持续时间。在换相失败故障恢复过程中增大整流站的提前触发角，降低整流侧直流电压，从而有效限制逆变侧的直流电流，其核心思想与提前电流控制一致。
3.2边界元件电气量保护
利用直流线路边界电抗器两端电压斜率构造了高灵敏度的保护方法。与之类似，利用直流线路边界电抗器两端电压构造了主后备保护方法，同样具有高可靠性和灵敏度。这些方法在推导中考虑了发生直流线路区内故障和直流区外故障2种情况，由此得出区内外故障的差异。然而，这些方法在理论分析中并未考虑换流器对交流系统扰动的传递特性，仅通过交流系统故障仿真对保护性能进行了验证。因此这类方法在实际发生交流系统故障时存在保护误动的可能。综上，现有的直流线路单端量保护在故障特征分析时都没有考虑换流站传递特性的影响，因此无法从理论上证明直流保护在交流扰动传递至直流侧后不会发生误动，仅能通过仿真“最严重的交流系统故障”即交流侧三相短路故障来验证保护的选择性。事实上，对于传统的直流线路主保护而言，发生交流侧三相短路故障时电气量斜率最大，是“最严重的交流系统故障”。而不同的保护原理利用了不同的电气量特征，整定时要躲过的“最严重的交流系统故障”也不同，没有理论指导而仅通过仿真验证无法保证保护没有误动的可能性。因此，亟需对暂态过程下换流站传递特性进行研究，为直流保护的整定提供理论指导。
3.3附加额外的无功补偿设备
通过附加无功补偿装置可以提高换流母线的电压支撑能力，这是目前抵御换相失败非常重要的手段之一。主流的无功补偿装置包括电容器、交流滤波器和同步调相机。目前，电容器与交流滤波器相组合的无功补偿配置是特高压换流站的常规选择。但其缺点是当交流系统发生故障时，换流母线电压的降低会使其无功补偿能力也大大削弱。然而随着电力电子技术的快速发展，使得静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）得到广泛应用。STATCOM具有无功功率调节速度快、能力强等特点，即使在交流故障情况下仍能有一定的无功支撑能力，可以有效提高受端电网的强度，增强系统的稳定性与抗干扰能力。
结束语
换流站传递特性使得换流站两侧的交流、直流系统电气量存在强耦合关系，存在交流系统扰动导致直流保护不正确动作、直流系统扰动造成交流保护不正确动作的可能。深入研究换流站传递特性，有利于继电保护理论的完善和保护配置的优化，对保障交直流混联电网安全运行具有重要的理论和实践意义。
参考文献：
[1]易杨，龙霏，林建熙，等.多馈入直流系统的VSC-HVDC落点优选方法[J].智慧电力，2019，45（12）：39-45.
[2]陆地，李玉，武文广，等.大功率电力电子技术在我国直流输配电领域的应用[J].智慧电力，2019，45（8）：1-8.
[3]张天，龚雁峰.特高压交直流电网输电技术及运行特性综述[J].智慧电力，2018，46（2）：87-92.
关键词：交直流混联电网;换流站传递特性;继电保护
引言
随着分布式发电技术的不断发展，越来越多的分布式电源以集成互联的形式组成微电网。其中，直流微電网拥有电能转化率高、控制简单、可靠性高的优点，成为未来微电网发展的趋势。但是，传统的交流微电网发展已经比较健全，直流微电网与交流微电网在未来一段时间内长期共存。这时，交直流混合微电网应运而生，它通过互联变流器（Inter linking Converter，ILC）将交流微电网和直流微电网联系起来，融合了交流微电网和直流微电网各自的优点，减少了电力电子变换器的使用，提高了新能源的利用效率，因此成为近年来研究的热点。
1传递特性分析方法
由于换流器的非线性时变特性，换流站传递特性较为复杂，两侧电气量之间的关系难以定量分析。针对换流器两侧电气量的计算问题，直接利用准稳态模型进行分析。但当交流系统出现不对称或控制器处于动态调节过程时，准稳态模型所基于的假设条件不再满足，该模型将不适用。除利用准稳态模型分析以外，目前对传递特性的分析多基于电磁暂态仿真。该方法依托仿真软件、计算过程复杂、故障分析缺乏理论依据，因此迫切需要提出便于理论研究的故障特征传递特性分析方法。针对以上问题，目前研究一般采用开关函数和动态相量模型的方法表征换流站的传递特性。其中开关函数模型用于分析换流器两侧的静态传递关系，动态相量模型用来描述换流器的动态过程。
1.1换流变压器分接开关的控制
实际工程中，换流变压器和换流器共同构成了直流极控系统，其主要负责直流传输功率Pd（送端）或直流电压Ud（受端）的控制。当Pd或Ud发生扰动或者需要调节时，通过调节控制角使其快速变化到设定值并保持不变，而分接头则是维持控制角在其限制范围内。
1.2换流器控制模式切换
直流系统的正常运行需满足以下边界条件。1）整流侧触发角α和逆变侧熄弧角γ分别不小于最小触发角αmin和最小熄弧角γmin;2）换流变压器的变比kT不超过其上下限kTmax，kTmin;3）直流电流Id不大于直流线路最大电流Idmax。在直流受端电网静态电压稳定分析场景中，随着过渡方式的恶化，换流站交流母线的电压将发生变化，直流系统必须改变其运行参数才能满足所传输的功率和运行电压的要求。考虑到换流变压器分接头调节的作用是优先维持直流电压和控制角稳定，因此对直流参数的调整策略是：首先调整两侧换流变压器变比直至限值，再调整整流侧触发角和逆变侧熄弧角直至限值。随着直流系统运行点的改变，一旦上述任一边界条件不能满足，便立即将其限定在相应的边界上，转换成另一种控制模式。
2换流站传递特性对交流系统保护的影响
本文站在电力系统层面，对换相失败所造成的功率波动进行更准确的定义，与传统阀级层面的换相失败进行区分，可避免二者之间的相互混淆。将阀级换相失败所造成的一次功率波动称为“系统级换相失败”，该功率波动一般持续160～200ms，与直流系统的恢复特性有关。针对单馈入直流输电系统，许多学者研究表明在换相失败故障恢复过程中很可能出现第二次换相失败，导致直流功率连续2次波动，故将其称为“连续换相失败”或者“后续换相失败”，并未统一，且易与阀级层面的“2次连续换相失败”及“2次不连续换相失败”带来称呼和概念上的混淆。因此站在电力系统层面，将其称为“系统级连续换相失败”更为恰当。针对多馈入直流输电系统，受端电网单一故障所造成的电压降落，不单会引发故障近端的换流站发生换相失败，甚至可能引发多个换流站同时或相继发生换相失败。如果该故障所产生的电压降落会直接导致2个及以上换流站同时发生换相失败，应将这种现象称为“同时换相失败”。如果该故障所产生的电压降落仅会引起故障近端的换流站发生换相失败，但在该换流站换相失败故障恢复过程中会引起电压的二次降落，继而使故障远端的换流站也发生换相失败，应称这种具有传递性质的换相失败为“相继换相失败”。
3直流线路保护
3.1提前电流控制
通过提前触发控制的研究，学者发现提前触发控制所能提升的换相裕度是非常有限的，通过仿真分析可知，其提前触发角度的最大限度为0.476rad，即当提前触发量大于这个数值时，提前触发基本无法抑制换相失败。因此从换相机理的角度出发，认为如果能在故障发生后提前减小逆变侧的直流电流，可以在触发角不变的情况下，增大换相裕度。然而直流系统控制策略中，直流电流主要由整流侧控制，逆变侧主要控制直流电压，因此在原有换相失败预测控制的基础上，提出了改进的直流电流预测控制，通过换相母线电压计算出直流电流的指令值，并传递到整流侧，从而降低换流站的换相压力。也是通过附加电流控制，增大换相裕度，从而能减少换相失败的持续时间。在换相失败故障恢复过程中增大整流站的提前触发角，降低整流侧直流电压，从而有效限制逆变侧的直流电流，其核心思想与提前电流控制一致。
3.2边界元件电气量保护
利用直流线路边界电抗器两端电压斜率构造了高灵敏度的保护方法。与之类似，利用直流线路边界电抗器两端电压构造了主后备保护方法，同样具有高可靠性和灵敏度。这些方法在推导中考虑了发生直流线路区内故障和直流区外故障2种情况，由此得出区内外故障的差异。然而，这些方法在理论分析中并未考虑换流器对交流系统扰动的传递特性，仅通过交流系统故障仿真对保护性能进行了验证。因此这类方法在实际发生交流系统故障时存在保护误动的可能。综上，现有的直流线路单端量保护在故障特征分析时都没有考虑换流站传递特性的影响，因此无法从理论上证明直流保护在交流扰动传递至直流侧后不会发生误动，仅能通过仿真“最严重的交流系统故障”即交流侧三相短路故障来验证保护的选择性。事实上，对于传统的直流线路主保护而言，发生交流侧三相短路故障时电气量斜率最大，是“最严重的交流系统故障”。而不同的保护原理利用了不同的电气量特征，整定时要躲过的“最严重的交流系统故障”也不同，没有理论指导而仅通过仿真验证无法保证保护没有误动的可能性。因此，亟需对暂态过程下换流站传递特性进行研究，为直流保护的整定提供理论指导。
3.3附加额外的无功补偿设备
通过附加无功补偿装置可以提高换流母线的电压支撑能力，这是目前抵御换相失败非常重要的手段之一。主流的无功补偿装置包括电容器、交流滤波器和同步调相机。目前，电容器与交流滤波器相组合的无功补偿配置是特高压换流站的常规选择。但其缺点是当交流系统发生故障时，换流母线电压的降低会使其无功补偿能力也大大削弱。然而随着电力电子技术的快速发展，使得静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）得到广泛应用。STATCOM具有无功功率调节速度快、能力强等特点，即使在交流故障情况下仍能有一定的无功支撑能力，可以有效提高受端电网的强度，增强系统的稳定性与抗干扰能力。
结束语
换流站传递特性使得换流站两侧的交流、直流系统电气量存在强耦合关系，存在交流系统扰动导致直流保护不正确动作、直流系统扰动造成交流保护不正确动作的可能。深入研究换流站传递特性，有利于继电保护理论的完善和保护配置的优化，对保障交直流混联电网安全运行具有重要的理论和实践意义。
参考文献：
[1]易杨，龙霏，林建熙，等.多馈入直流系统的VSC-HVDC落点优选方法[J].智慧电力，2019，45（12）：39-45.
[2]陆地，李玉，武文广，等.大功率电力电子技术在我国直流输配电领域的应用[J].智慧电力，2019，45（8）：1-8.
[3]张天，龚雁峰.特高压交直流电网输电技术及运行特性综述[J].智慧电力，2018，46（2）：87-92.