1. 研究背景

近年來隨著我國高壓直流輸電工程的大量建設，電能需求較大的負荷中心很可能有多個直流落點而形成“多直流饋入受端電網”。根據“十三五”規劃，2018年江蘇電網將形成一個多直流饋入受端電網。多直流饋入系統可以較好的解決電能的長距離傳輸和電力短缺問題，但多回直流與交流系統的混合大大增加了電網結構的復雜性，直流與直流、交流與直流之間的相互耦合作用很有可能造成連鎖故障，擴大故障范圍，加重故障后果。

在有多個直流落點的交直流混聯電網中，受端交流系統或直流系統發生故障可能導致多回直流連鎖換相失敗，使得直流電壓降低、電流增大、直流傳輸功率波動，對電網造成一定沖擊。連鎖換相失敗還可能引發更為嚴重的直流閉鎖故障，出現直流功率中斷、潮流大范圍轉移，危及受端電網的電壓穩定性、功角穩定性以及頻率穩定性。所以有必要對實際多饋入系統進行連鎖換相失敗分析，對系統采取預防和控制措施。

文中基于2018年江蘇規劃電網的豐大運行方式，采用中國電力科學研究院開發的PSD-BPA機電暫態程序，針對受端交流系統直流逆變站附近主要500kV交流線路的三相永久性短路故障，考慮交流和直流、多直流之間的相互作用，研究了江蘇多直流饋入電網發生連鎖換相失敗的原因，分析了MIIF和VIF在使用中需要注意的問題，為江蘇電網的實際運行提供了相關參考。

2. 江蘇電網多直流饋入直流輸電系統連鎖 換相失敗仿真

多直流饋入直流輸電系統發生換相失敗多為交流系統故障導致直流逆變站換流母線電壓降低引起的，目前判斷換相失敗主要有最小電壓降落法與最小熄弧角法2種方法，文中采用最小電壓降落法。根據實際工程運行經驗，當逆變側換流母線電壓跌落至0.8p.u.以下且變化率超過0.3p.u./s或電壓低于0.6p.u.時則判斷該直流系統發生換相失敗，當故障后電壓恢復至0.75p.u.時則判斷恢復正常換相。

為分析受端交流系統故障引發直流系統同時或連續連鎖換相失敗的可能性，對受端各直流逆變站附近的重要500kV交流線路模擬最為嚴重的母線出口處三相永久性短路故障，故障設置于10周波，并于15周波時切除故障線路。根據2018年江蘇規劃電網的結構圖，以泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特于泰州特側發生故障為例，仿真計算結果如圖1所示，其中泰州換1、泰州換2分別表示泰州換流站500kV和1000kV換流母線。

圖1 受端交流線路故障后換流母線電壓

從仿真結果可見，當泰州換流站附近交流線路泰州特—南京特在泰州特側發生三相永久性短路故障后政平換流站換流母線電壓仍維持在0.8p.u.以上，同里換流站和南京換流站換流母線電壓最低分別低至0.756p.u.和0.706p.u.，泰州換流站500kV和1000kV換流母線故障后電壓分別低至0.557p.u.和0。政平換流站不會發生連鎖換相失敗。同里換流站和南京換流站會發生連鎖的換相失敗，但交流故障切除后電壓水平可以快速恢復從而恢復正常換相，換相失敗持續時間小于100ms。泰州換流站會發生連鎖的連續換相失敗，故障持續時間100ms，在故障清除后可以快速恢復。

江蘇電網受端直流逆變站附近重要交流線路故障后的換流母線電壓仿真計算結果如表1-4所示，其中故障發生在線路首端的母線出口處。

表1 南京換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

表2 同里換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

根據表1-4的仿真結果，可得出如下結論：

（1）南京換流站附近交流線路南京換—三汊灣、南京換—安瀾、安瀾—南京、三汊灣—秋藤發生三相短路后均會導致南京換流站和鄰近的泰州換流站短暫的換相失敗。

（2）同里換流站附近交流線路同里換—木瀆、 同里換—吳江、同里換—車坊、木瀆—梅里、木瀆— 車坊、吳江—車坊發生三相短路故障后均會導致同里換流站和鄰近的政平換流站短暫的換相失敗。

（3）政平換流站附近交流線路政平換—宜興、 政平換—武南、武南—惠泉、宜興—岷珠發生三相短路故障后均會導致政平換流站和鄰近的同里換流站短暫的換相失敗。

（4）泰州換流站附近交流線路泰州換1—鳳城、泰州換1—雙草、泰州換1—旗杰、鳳城—仲洋、 雙草—大豐發生三相短路故障后會導致泰州換流站短暫的換相失敗，旗杰—沭陽發生三相短路故障后會導致泰州和南京換流站短暫的換相失敗，南京特—泰州特、蘇州特—泰州特、泰州換2—泰州特發生三相短路故障后會導致同里、南京和泰州換流站同時換相失敗。

表3 政平換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

表4 泰州換流站附近交流線路故障后換流母線電壓

此外，與泰州特—南京特三相短路后相同，上述由交流系統故障引起的直流系統連鎖換相失敗在交流故障清除后均可以快速恢復正常換相，換相失敗持續時間不超過故障持續時間100ms。根據目前實際運行中直流保護的配置，當檢測到由外部交流故障引起的換相失敗時，保護延遲300ms動作將直流閉鎖，防止持續的換相失敗對逆變器造成損傷，因此對于2018年江蘇規劃電網，受端交流線路故障只會引起直流系統短暫的換相失敗，不會導致更為嚴重的直流閉鎖。

3. 江蘇電網連鎖換相失敗原因分析

在含有直流落點的交直流混聯系統中，直流換相失敗是較為常見的故障之一，對于只含有1個直流落點的單饋入直流系統，受端系統發生交流故障導致換流母線電壓降低時，換流閥在退出換相時不能及時恢復正向阻斷能力從而導致直流換相失敗。誘發換相失敗的主要因素有受端交流系統的強度、故障位置、故障嚴重程度、換流母線處無功支撐強度等;而對于含有多個直流落點的多饋入直流系統，交流故障引發連鎖換相失敗的機理更為復雜，與單饋入系統相比多回直流落點之間的距離、相互之間的耦合關系都對是否會發生連鎖換相失敗有著不同程度的影響。

對于多饋入直流系統，目前主要采用MIIF指標來分析交直流系統的運行特性和相互影響關系，影響多直流連鎖換相失敗的主要因素在于多條直流之間的耦合關系，因此可用MIIF分析連鎖換相的原因。MIIF指在換流母線i投入對稱三相電抗器使該母線電壓下降1%時換流母線j的電壓降與其比值，該指標計算相對復雜。將換流母線電壓降落等效為節點注入電流的變化，利用節點阻抗矩陣可以實現指標的解析計算，并將MIIF推廣至任一交流節點，提出了VIF，計算公式如下：

利用上式對饋入江蘇電網的各直流的fMIIFji進行計算，以分析江蘇電網的連鎖換相失敗，計算結果如表5所示。

表5 江蘇電網各直流fMIIFji

結果顯示饋入江蘇電網的4回直流各換流母線間共20個fMIIF ，僅有8個超過0.1，6個超過0.15，可見江蘇電網的某一回直流在換流母線處的電壓波動對其余直流換流母線電壓的影響較小，四回直流間的相互聯系程度總體上較弱。

根據江蘇電網實際的故障仿真結果，對于fMIIFji》0.15的直流換流母線，當在換流母線處發生三相短路，電壓短時降為0后均會使相應的另一換流母線電壓大幅下降從而導致連鎖的換相失敗。南京換對泰州換1的fMIIFji為0.149，接近0.15，因此當南京換流站換流母線處發生三相短路，電壓降為0后也會使泰州換1換流母線電壓有較大跌落而導致連鎖換相失敗。泰州換2換流母線對同里換換流母線fMIIFji僅為0.077，但兩回直流的傳輸功率相差較大，該fMIIFji并不能很好辨別兩回直流間的聯系，實際當泰州換2換流母線電壓降為0后也會導致同里換流站短時的換相失敗。

綜合以上分析，2018年江蘇規劃電網在直流逆變站換流母線處發生三相短路導致連鎖換相失敗的主要原因是部分換流母線間的fMIIFji較大，不能將其當做單饋入直流處理，直流之間存在較大的相互作用，當某一換流母線處發生三相短路故障時電壓會瞬時下降為0，使得本直流發生換相失敗，又因電壓跌落幅度非常大，從而也會使相應的另一換流母線電壓有較大跌落，進而引發連鎖換相失敗。

4. 結論

文中基于2018年多直流饋入江蘇規劃電網的豐大運行方式，針對直流逆變站近區500kV交流線路故障，對江蘇電網連鎖換相失敗進行了仿真分析，研究結果表明：

（1）饋入江蘇電網的四回直流中，同里換流站與政平換流站、泰州換流站的500kV換流母線與1000kV換流母線、泰州換流站1000kV換流母線與南京換流站兩兩之間相互聯系較為緊密，換流母線電壓交互作用較強，當在其中一回直流逆變站換流母線處發生三相短路故障后會導致本回直流以及相應的另一回直流發生連鎖的換相失敗。

（2）泰州特—南京特、泰州特—蘇州特是2018年江蘇規劃電網非常重要的交流通道，當其發生三相短路故障時會導致三回直流同時連鎖換相失敗，對電網造較大沖擊，因此在實際運行調度中應給予足夠的重視。

（3）由于江蘇電網的無功支撐能力很強，在交流故障清除后直流即可恢復正常換相，換相失敗持續時間很短，對系統運行造成的影響很小，因此2018年江蘇規劃電網可以保持現有的架構。

（4）直流逆變站相鄰交流母線處發生三相短路故障后會導致本回直流以及與其聯系緊密的另一 回直流連鎖換相失敗，同時由于直流逆變站相鄰交流母線距離遠方直流電氣距離更近，交互作用更強，所以會導致比在換流母線處發生三相短路后更多的直流連鎖換相失敗。

（5）當采用由節點阻抗矩陣快速計算的fMIIFji值分析多回直流之間的相互聯系時，若fMIIFji》0.15則可認為兩回直流存在較強交互作用，存在連鎖換相失敗風險;若fMIIFji《0.15且兩回直流傳輸功率相差較小時可認為兩回直流之間沒有相互聯系，不會發生連鎖換相失敗。