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摘要：高压直流输电在电网中所占比重日趋显著，换流变压器、换流阀等直流主设备的可靠运行对电网安全意义重大。在高压直流输电工程的正常运行方式中，换流变压器有载分接开关作为高压直流输电系统重要的调节控制手段，在补偿交流系统电压波动、稳定直流电压、保证换流阀运行在经济安全的触发角（关断角）等方面发挥着重要作用。
关键词：交直流混联电网;换流站传递特性;换相失败;抑制措施
引言
电力电子化是电力系统的发展趋势。输电网络的电力电子化主要体现在基于高压直流输电的交直流混联输电网，我国已形成了从系统设计、设备制造到工程实践的一系列研究成果，并已进入引领国际标准化的阶段。供配电领域电力电子化的标志之一是交直流混合微电网，它的研究尚处于起步阶段，研究主要集中在优化调度与能量管理、协调控制、换流器控制策略，故障穿越与保护。在稳定性方面，目前多把交直流混合微电网划分成独立的交流与直流子网进行分析。
1交直流混合微电网群基本结构
交直流混合微电网群是在某个区域内对系统负荷、电源节点进行集群划分所得，且集群包含交流微电网、直流微电网，也包含交直流混合微电网。交直流混合微电网群网架结构灵活多变，不同电压等级、不同类型的微电网间通过变流器实现互连，进行能量流动，实现区域内最大分布式能源消纳。图1为交直流混合微电网群基本架构，该集群系统主要由4种微电网系统组成：交流微电网、直流微电网、交流为主的交直流混合微电网及直流为主的交直流混合微电网。4种微电网直接分别通过变压器、AC/DC变流器实现互连;各微电网系统中接入了大量的分布式电源（光伏、风力机、储能等），提高了供电可靠性。在构建交直流混合微电网集群时，系统主要分析了各个节点的地理位置、接入电源/负荷类型及容量、节点需求、电气结构等要素，综合考虑系统结构、母线类型、电压等级等因素，实现不同资源的整合优化。
2换流变压器有载分接开关控制原理
目前换流变压器配置有载分接开关的直流输电系统主要包括两类：基于电网换相型换流器（line commutated converter，LCC）的常规直流输电系统以及基于电压源型换流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流输电系统。后者是近年来兴起的基于IGBT全控器件的新型直流输电技术，采用模块化多电平换流器。柔性直流输电系统一般通过调整换流变压器分接开关档位来控制调制比范围。通常在交流系统电压波动不大，且调制比范围允许时，柔性直流输电工程换流变压器分接开关可以维持在固定档位。从实际运行情况看，柔性直流输电工程换流变压器分接开关动作次数很少。因此，本文研究主要针对常规直流输电系统，整流站和逆变站的换流变压器有载分接开关通常采用不同的控制方式，如整流站控制触发角、逆变站控制直流电压或空载直流电压。尽管控制目标与控制策略有所区别，但都是通过改变整流站、逆变站阀侧直流空载电压（Udi0R、Udi0I）以达到调节整流站、逆变站直流侧端口电压（UdR、UdI）的目的。
3交流滤波器/并联电容器的控制
实际工程中，交流滤波器和并联电容器构成了直流站控系统，其主要负责直流系统无功功率的控制。稳态工况下，影响其投切的主要因素为：①换流站的最小滤波容量限制（在任何情况下都必须要满足）;②直流系统就地无功平衡的死区控制要求，即交流电网扰动发生潮流变化时，通过交流滤波器/并联电容器的投切维持交直流系统交换无功在其死区控制范围内。事实上，为了保证交直流系统之间交换无功的合理性，每个直流输电工程都有独立的成套设计书，其中明确规定了交流电网注入直流系统无功功率理想值的定值曲线。不同的直流输电工程有不同的直流传输功率，其无功功率定值也可能不同。
4换流站传递特性对交流系统保护的影响
由于换流站的传递作用，交流系统的电气量可能因直流系统扰动发生变化。传统的交流保护设计时并未考虑到直流系统的接入问题，因此需要在考虑换流站传递特性的情况下对交流保护的适应性进行分析。换相失败是直流系统中一种常见的异常工况，指出换流器发生换相失败对交流系统保护性能影响较大。换相失败对交流保护的影响包括2方面：一方面，换相失敗现象一般由受端交流系统故障引起，该现象发生时间一般小于保护动作时间，即交流保护动作时间内需考虑换相失败问题。换相失败过程中，逆变侧输出的等效电源功率将大幅波动。这一“复故障”特性将给面向单一故障设计的传统保护原理带来巨大挑战。另一方面，换相失败过程中，直流系统向交流系统中注入大量的谐波和非周期分量，将给相量提取工作造成困难，相量提取的偏差可能导致基于工频量的传统交流系统保护不正确动作。下面详细介绍逆变器发生换相失败对交流系统方向纵联保护、差动保护、距离保护、选相元件及换流变压器保护的影响。
5直流控保系统的改进
5.1提前触发控制
由换相失败的机理可知，关断角过小是换相失败发生的根本原因。提前触发控制的核心思想是：若检测到受端电网发生交流故障，并可能导致换相失败发生时，根据故障的类型和严重程度，提前减小逆变侧换流器的触发延迟角，提高换相裕度。因此可知，提前触发控制的核心有两个点：第一是如何快速识别交流系统的故障;第二是如何建立故障严重程度与提前触发角度的物理关系。
5.2直流系统降压运行
在直流输电工程的成套设计阶段，为了保证在线路绝缘能力下降时能够继续稳定输送功率，一般会考虑采用直流降压运行方式，即：将直流电压降低至额定电压UdN的70%～80%运行。该模式下需要配合有载分接开关的调节，降低阀侧交流电压，从而达到降低直流端口电压的效果。降压运行方式下的直流电压越低，有载分接开关越容易调节至最低档位;当有载分接开关达到该档位后将不再调节，控制系统将通过改变触发角或关断角以适应交流电压和直流功率的变化。对于采用70%降压运行方式设计的直流工程（如天中直流输电工程、宾金直流输电工程），采用降压运行方式能够完全避免送受端换流站换流变压器有载分接开关动作。
5.2距离保护
距离保护是高压输电线路常用的保护原理之一。换相失败可能影响距离保护的性能。一方面换相失败期间由逆变器注入的谐波和非周期分量可能会影响工频相量的提取，造成距离保护不正确动作。针对这一问题提出了求解时域微分方程组的方法，计算出故障点到保护安装处的距离，提升了距离保护的性能。另一方面，换相失败引起的电源特性变化也可能导致距离保护不正确动作。
5.3采用直流动态电压控制策略
为了降低逆变站换流变压器有载分接开关的动作次数，本文提出一种新型直流动态电压控制策略。该策略通过放开直流电压控制死区下限，达到降低逆变站换流变压器有载分接开关动作次数的目的。同样以天中直流输电系统为例，首先通过主回路计算，遍历所有直流全压运行工况下逆变站的最低有载分接开关档位。
结束语
直流受端电网的电压稳定特性与直流系统的控制策略和运行状态密切相关，本文深入分析直流换流器控制模式在静态电压稳定分析过渡过程中的电压响应特性，研究了换流器切换策略和计算方法，基于连续潮流法提出一种计及直流系统过渡方式的静态电压稳定计算方法，引入直流功率参与因子，可灵活分配直流功率在平衡负荷增量功率中所占比例，更全面地评估直流受端电网的静态电压稳定特性。
参考文献：
[1]赵晋泉，张振伟，姚建国，等.基于广义主从分裂的输配电网一体化分布式无功优化方法[J].电力系统自动化，2019，43（3）：108-115.
[2]张艺镨，艾小猛，方家琨，等.基于极限场景的两阶段含分布式电源的配网无功优化[J].电工技术学报，2019，33（2）：380-389.
[3]李兴，杨智斌，颜远，等.考虑换流站损耗特性的交直流系统多目标无功优化控制[J].电力系统保护与控制，2019，45（9）：119-125.
[4]孙宏斌，张伯明，郭庆来，等.基于软分区的全局电压优化控制系统设计[J].电力系统自动化，2019，27（8）：16-20.
[5]郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.自动电压控制中连续变量与离散变量的协调方法：（一）变电站内协调电压控制[J].电力系统自动化，2018，32（8）：39-42.
关键词：交直流混联电网;换流站传递特性;换相失败;抑制措施
引言
电力电子化是电力系统的发展趋势。输电网络的电力电子化主要体现在基于高压直流输电的交直流混联输电网，我国已形成了从系统设计、设备制造到工程实践的一系列研究成果，并已进入引领国际标准化的阶段。供配电领域电力电子化的标志之一是交直流混合微电网，它的研究尚处于起步阶段，研究主要集中在优化调度与能量管理、协调控制、换流器控制策略，故障穿越与保护。在稳定性方面，目前多把交直流混合微电网划分成独立的交流与直流子网进行分析。
1交直流混合微电网群基本结构
交直流混合微电网群是在某个区域内对系统负荷、电源节点进行集群划分所得，且集群包含交流微电网、直流微电网，也包含交直流混合微电网。交直流混合微电网群网架结构灵活多变，不同电压等级、不同类型的微电网间通过变流器实现互连，进行能量流动，实现区域内最大分布式能源消纳。图1为交直流混合微电网群基本架构，该集群系统主要由4种微电网系统组成：交流微电网、直流微电网、交流为主的交直流混合微电网及直流为主的交直流混合微电网。4种微电网直接分别通过变压器、AC/DC变流器实现互连;各微电网系统中接入了大量的分布式电源（光伏、风力机、储能等），提高了供电可靠性。在构建交直流混合微电网集群时，系统主要分析了各个节点的地理位置、接入电源/负荷类型及容量、节点需求、电气结构等要素，综合考虑系统结构、母线类型、电压等级等因素，实现不同资源的整合优化。
2换流变压器有载分接开关控制原理
目前换流变压器配置有载分接开关的直流输电系统主要包括两类：基于电网换相型换流器（line commutated converter，LCC）的常规直流输电系统以及基于电压源型换流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流输电系统。后者是近年来兴起的基于IGBT全控器件的新型直流输电技术，采用模块化多电平换流器。柔性直流输电系统一般通过调整换流变压器分接开关档位来控制调制比范围。通常在交流系统电压波动不大，且调制比范围允许时，柔性直流输电工程换流变压器分接开关可以维持在固定档位。从实际运行情况看，柔性直流输电工程换流变压器分接开关动作次数很少。因此，本文研究主要针对常规直流输电系统，整流站和逆变站的换流变压器有载分接开关通常采用不同的控制方式，如整流站控制触发角、逆变站控制直流电压或空载直流电压。尽管控制目标与控制策略有所区别，但都是通过改变整流站、逆变站阀侧直流空载电压（Udi0R、Udi0I）以达到调节整流站、逆变站直流侧端口电压（UdR、UdI）的目的。
3交流滤波器/并联电容器的控制
实际工程中，交流滤波器和并联电容器构成了直流站控系统，其主要负责直流系统无功功率的控制。稳态工况下，影响其投切的主要因素为：①换流站的最小滤波容量限制（在任何情况下都必须要满足）;②直流系统就地无功平衡的死区控制要求，即交流电网扰动发生潮流变化时，通过交流滤波器/并联电容器的投切维持交直流系统交换无功在其死区控制范围内。事实上，为了保证交直流系统之间交换无功的合理性，每个直流输电工程都有独立的成套设计书，其中明确规定了交流电网注入直流系统无功功率理想值的定值曲线。不同的直流输电工程有不同的直流传输功率，其无功功率定值也可能不同。
4换流站传递特性对交流系统保护的影响
由于换流站的传递作用，交流系统的电气量可能因直流系统扰动发生变化。传统的交流保护设计时并未考虑到直流系统的接入问题，因此需要在考虑换流站传递特性的情况下对交流保护的适应性进行分析。换相失败是直流系统中一种常见的异常工况，指出换流器发生换相失败对交流系统保护性能影响较大。换相失败对交流保护的影响包括2方面：一方面，换相失敗现象一般由受端交流系统故障引起，该现象发生时间一般小于保护动作时间，即交流保护动作时间内需考虑换相失败问题。换相失败过程中，逆变侧输出的等效电源功率将大幅波动。这一“复故障”特性将给面向单一故障设计的传统保护原理带来巨大挑战。另一方面，换相失败过程中，直流系统向交流系统中注入大量的谐波和非周期分量，将给相量提取工作造成困难，相量提取的偏差可能导致基于工频量的传统交流系统保护不正确动作。下面详细介绍逆变器发生换相失败对交流系统方向纵联保护、差动保护、距离保护、选相元件及换流变压器保护的影响。
5直流控保系统的改进
5.1提前触发控制
由换相失败的机理可知，关断角过小是换相失败发生的根本原因。提前触发控制的核心思想是：若检测到受端电网发生交流故障，并可能导致换相失败发生时，根据故障的类型和严重程度，提前减小逆变侧换流器的触发延迟角，提高换相裕度。因此可知，提前触发控制的核心有两个点：第一是如何快速识别交流系统的故障;第二是如何建立故障严重程度与提前触发角度的物理关系。
5.2直流系统降压运行
在直流输电工程的成套设计阶段，为了保证在线路绝缘能力下降时能够继续稳定输送功率，一般会考虑采用直流降压运行方式，即：将直流电压降低至额定电压UdN的70%～80%运行。该模式下需要配合有载分接开关的调节，降低阀侧交流电压，从而达到降低直流端口电压的效果。降压运行方式下的直流电压越低，有载分接开关越容易调节至最低档位;当有载分接开关达到该档位后将不再调节，控制系统将通过改变触发角或关断角以适应交流电压和直流功率的变化。对于采用70%降压运行方式设计的直流工程（如天中直流输电工程、宾金直流输电工程），采用降压运行方式能够完全避免送受端换流站换流变压器有载分接开关动作。
5.2距离保护
距离保护是高压输电线路常用的保护原理之一。换相失败可能影响距离保护的性能。一方面换相失败期间由逆变器注入的谐波和非周期分量可能会影响工频相量的提取，造成距离保护不正确动作。针对这一问题提出了求解时域微分方程组的方法，计算出故障点到保护安装处的距离，提升了距离保护的性能。另一方面，换相失败引起的电源特性变化也可能导致距离保护不正确动作。
5.3采用直流动态电压控制策略
为了降低逆变站换流变压器有载分接开关的动作次数，本文提出一种新型直流动态电压控制策略。该策略通过放开直流电压控制死区下限，达到降低逆变站换流变压器有载分接开关动作次数的目的。同样以天中直流输电系统为例，首先通过主回路计算，遍历所有直流全压运行工况下逆变站的最低有载分接开关档位。
结束语
直流受端电网的电压稳定特性与直流系统的控制策略和运行状态密切相关，本文深入分析直流换流器控制模式在静态电压稳定分析过渡过程中的电压响应特性，研究了换流器切换策略和计算方法，基于连续潮流法提出一种计及直流系统过渡方式的静态电压稳定计算方法，引入直流功率参与因子，可灵活分配直流功率在平衡负荷增量功率中所占比例，更全面地评估直流受端电网的静态电压稳定特性。
参考文献：
[1]赵晋泉，张振伟，姚建国，等.基于广义主从分裂的输配电网一体化分布式无功优化方法[J].电力系统自动化，2019，43（3）：108-115.
[2]张艺镨，艾小猛，方家琨，等.基于极限场景的两阶段含分布式电源的配网无功优化[J].电工技术学报，2019，33（2）：380-389.
[3]李兴，杨智斌，颜远，等.考虑换流站损耗特性的交直流系统多目标无功优化控制[J].电力系统保护与控制，2019，45（9）：119-125.
[4]孙宏斌，张伯明，郭庆来，等.基于软分区的全局电压优化控制系统设计[J].电力系统自动化，2019，27（8）：16-20.
[5]郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.自动电压控制中连续变量与离散变量的协调方法：（一）变电站内协调电压控制[J].电力系统自动化，2018，32（8）：39-42.