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MIDC输电系统后续换相失败的抑制措施研究

文档作者：文俊1 李佳琪1 王玲1 韩民晓1 李亚男2 闫涵1 李蓉1 文档来源： 1. 华北电力大学电气与电子工程学院 2. 国网经济技术研究院有限公司,		点击数：	更新时间： 2024年07月02日
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上一篇：串补输电系统次同步谐振分析及防止措施比较

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第38 卷 第4 期
2019 年4 月
电 工 电 能 新 技 术
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 38, No. 4
Apr. 2019
收稿日期: 2017-10-30
基金项目: 高等学校学科创新引智计划项目(“111”计划)
作者简介: 文　俊 (1963-), 女, 贵州籍, 教授, 研究方向为高压直流输电的控制、 运行分析和规划;
李佳琪 (1994-), 女, 湖北籍, 硕士研究生, 研究方向为高压直流输电的控制、 运行分析和规划。
MIDC 输电系统后续换相失败的抑制措施研究
文　俊1, 李佳琪1, 王　玲1, 韩民晓1, 李亚男2, 闫　涵1, 李　蓉1
(1. 华北电力大学电气与电子工程学院, 北京 102206;
2. 国网经济技术研究院有限公司, 北京 102209)
摘要: 随着直流输送容量不断增加,直流落点越来越密集,多馈入直流( MIDC) 输电系统的换相失
败问题日益凸显。为降低多馈入直流输电系统换相失败的概率,首先分析了多回直流同时或相继
换相失败的根本原因,然后结合常规低压限流(VDCOL)控制,提出了电压补偿式变斜率VDCOL 协
调控制策略。该控制策略充分利用直流故障电流的变化特点,综合考虑了MIDC 输电系统中各回
直流自身特性影响因素,选取合理的补偿系数K,使各回直流能在故障后有序且稳定地恢复,从而
大大减少后续换相失败的发生。同时根据故障的严重程度选择性地切入K 值以达到提高直流系
统恢复性能的目的。最后在PSCAD/ EMTDC 中搭建算例系统及实际系统模型进行仿真验证,结果
表明该控制策略能有效降低多馈入直流输电系统的后续换相失败的概率,使各回直流在故障后能
够有序地恢复,同时在保证良好的恢复性能的基础上大大提高了多馈入直流输电系统的可靠性。
关键词: 多馈入直流输电系统; 补偿电压; 低压限流; 换相失败; 补偿系数; 故障恢复
DOI: 10. 12067/ ATEEE1710055　　　文章编号: 1003-3076(2019)04-0079-10　　　中图分类号: TM712
1　引言
高压直流输电方式已被广泛应用在非同步电网
互联和远距离大功率输电场合[1-3] 。随着我国直流
工程的相继投运,出现了多回直流接入同一地区的
电网结构。这些直流与所馈入的交流电网共同形成
了多馈入直流(Multi-Infeed Direct Current,MIDC)输
电系统[4,5] 。目前,我国已形成多个含有超大规模
多馈入直流输电系统的电网。
MIDC 输电系统由于各直流逆变站电气距离较
近,当其中一回直流发生换相失败时,直流电流上
升,直流电压下降,换流器对其所连的交流系统产生
更多的无功需求,引发换相电压持续波动,进一步降
低交流电压,严重时可能导致其他各回直流相继甚
至同时发生换相失败。多回直流的同时功率恢复可
能诱发受端电网的电压不稳定,而如果直流功率长
时间得不到恢复,将导致多回直流闭锁,继而停运。
含有最大规模的MIDC 输电系统的华东电网曾由于
交流系统扰动而导致奉贤、林枫、宜华三回直流同时
发生换相失败;另一个MIDC 输电系统的广东电网
的增穂乙线C 相故障导致全部5 回直流发生同时
换相失败,上述事件均造成电网功率大幅度波动,对
电网产生了严重冲击[6,7] 。因此当电网扰动发生
时,如何使多馈入直流输电系统快速恢复至稳定状
态,抑制后续换相失败具有重要意义。
目前研究MIDC 输电系统换相失败的抑制措施
及换相失败后的协调恢复多从低压限流(Voltage
Dependent Current Order Limiter,VDCOL)控制的角
度出发,这是因为VDCOL 控制特性直接影响直流
系统恢复特性,并间接影响直流系统的后续换相失
败。常规VDCOL 控制采用电压电流线性关系的恢
复特性,因此不能灵活调整直流电压电流的变化,不
利于换相电压的快速恢复。为克服常规VDCOL 控
制弊端,文献[8]结合DC-VDCOL 和AC-VDCOL 两
种控制方式,对常规VDCOL 控制进行改进,仿真证
明改进后的控制能有效提高MIDC 输电系统暂态稳
定性;文献[9]将各回直流的VDCOL 控制延长时间
常数τ 值的选取进行协调优化;文献[10]提出一种
8　0 电 工 电 能 新 技 术第38 卷 第4 期
基于模糊控制的自适应VDCOL 控制,从而能动态
地适应交直流系统运行环境的变化;文献[11]提出
了以多馈入功率恢复因子为评价指标的多回直流协
调恢复措施,使多回直流顺序恢复直流功率,因此在
一定程度上减少了直流系统失稳事故的几率。
笔者提出了基于变斜率VDCOL 控制的电压补
偿协调控制策略,该控制方法能使故障后直流电流
指令快速下降,而故障切除后直流电流滞后于直流
电压的上升,从而有效抑制后续换相失败。随后提
出了由补偿因子选取补偿系数K 的方法,并加入K
值切换开关,使直流系统能根据故障的严重程度投
入补偿电压,在保证不发生换相失败的同时尽可能
快地提高直流系统的故障恢复性能。最后在
PSCAD/ EMTDC 中搭建了算例系统及实际上海
MIDC 输电系统模型,通过仿真验证了所提控制策
略的有效性。
2　MIDC 输电系统换相失败的机理分析
2. 1　多馈入直流输电系统换相失败的机理
换相失败分为一次换相失败及后续换相失败。
一次换相失败是指故障后直流系统只发生一次换相
失败即恢复稳定运行,主要包括单回直流系统发生
的一次换相失败以及多馈入直流输电系统中多回直
流同时发生的一次换相失败;对于单回直流系统而
言,后续换相失败是指直流系统在交流系统故障清
除后或未及时恢复而诱发的两次及以上次换相失
败。而在多馈入直流输电系统中,一回直流系统发
生的两次或多次换相失败,以及一回直流系统换相
失败导致其他直流系统发生的一次或多次换相失败
均称为后续换相失败。
多馈入直流输电系统换相失败的原因主要有两
个:①受端电网故障,一回或多回直流系统换流母线
电压发生严重畸变,导致电压幅值下降及相位偏移,
从而引起这些直流系统同时发生换相失败;②一回
直流系统发生换相失败后,由于逆变站间的电气耦
合作用较强,导致相邻直流相继换相失败[12,13] 。
在实际MIDC 输电系统中,受端电网故障点如
果离逆变站较近,则一次换相失败难以避免,防止直
流系统由一次换相失败发展成后续换相失败就具有
重要的工程应用价值。后续换相失败的发生与否与
直流系统控制相关。若控制措施不当,使直流系统
恢复过程中功率波动较大或恢复速度过慢,均可能
导致后续换相失败。
2. 2　多馈入直流输电系统后续换相失败的危害
MIDC 输电系统后续换相失败的发生使多回直
流系统处于长时间的换相失败中,各回直流短路持
续时间变长,直流电流过载严重;此外,逆变器会把
交流电引入直流回路中,可能引发直流回路谐振,导
致直流过电压;同时换流母线电压扰动加剧,可能导
致弱受端电网的电压不稳定。如果各回直流系统长
期得不到恢复,必然造成直流系统闭锁,多回直流系
统的同时闭锁可能诱发受端电网的频率不稳定。
3　变斜率VDCOL 控制的提出与设计
MIDC 输电系统的研究发现,多回直流系统间
存在如下不良相互影响:一回直流系统换流母线电
压波动将导致其他回换流母线的电压波动;某个换
流母线的电压严重畸变可能导致其他换流母线出现
谐波放大,从而使故障后直流功率很难快速恢复,进
而引发后续换相失败。VDCOL 控制在系统故障或
恢复过程中能缓解逆变站对交流系统的无功需求,
因此有助于缓解多回直流间的不良相互影响,在维
持交流电压的同时,有助于减小后续换相失败发生
的可能性。
3. 1　VDCOL 控制
低压限流控制特性是指当故障使直流电压低于
限值Ud1 时,自动降低定电流控制的电流整定值,待
直流电压恢复后,又自动恢复原有整定值的控制功
能[14,15] 。
VDCOL 控制特性的直流电流整定值对交流系
统的电压稳定性和直流系统的动态恢复特性均有很
大的影响。直流电流整定值增加过快或过慢均不利
于直流系统故障后的恢复。这是由于故障切除后,
直流电流的过快上升将使逆变器的无功消耗增大过
快,受端电网由于无功支撑乏力而可能发生电压失
稳,导致直流系统后续换相失败的发生;而直流电流
恢复太慢则将导致有功功率传输水平的下降,不利
于维持交流系统的功角稳定,也会导致后续换相失
败的发生。常规VDCOL 控制的伏安特性呈正比例
关系,不能根据故障严重程度及受端电网的强度灵
活调节直流系统的恢复特性。对于MIDC 输电系
统,更无法满足故障切除后各逆变器在同一时刻均
存在大量无功功率需求的特殊性,容易导致多回直
流发生后续换相失败。
3. 2　变斜率VDCOL 控制原理
常规的VDCOL 控制如图1 中曲线1 所示,该斜
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 输电系统后续换相失败的抑制措施研究[J]. 电工电能新技术, 2019,38(4):79-88. 8　1
率为固定斜率。由于该控制特性曲线在故障的任意
时刻均为同样的斜率,因而灵活性不高。因此在常
规VDCOL 控制的基础上,考虑采用变斜率VDCOL
控制策略,如图1 中曲线2 所示。UdL1、UdL2 分别为
常规和变斜率VDCOL 控制下对应的直流电压最低
动作值;IdH、IdL 分别为最大允许电流和最小允许电
流,UdH1、UdH2 为相应的直流电压最高动作值。在故
障切除初期,直流电流变化较大,直流电压由UdL1
滞后至UdL2,滞后程度较大;随着直流电流及受端电
压水平的缓慢恢复,直流电流的变化率逐渐减小,直
流电压滞后程度也减小,在接近额定值时,直流电压
由UdH1 滞后至UdH2,滞后程度很小,此时VDCOL 控
制特性的斜率最大,从而实现恢复初期减缓恢复速
度,较高直流电压水平提升恢复速度的目标,满足了
快速恢复直流功率的需求。因此变斜率VDCOL 控
制特性曲线对故障后的换相失败抑制以及故障后的
直流系统恢复均有利。
图1　变斜率VDCOL 控制特性曲线
Fig. 1　Characteristic curve of variable slope VDCOL
3. 3　电压补偿式变斜率VDCOL 控制的设计
为了实现变斜率VDCOL 控制,在VDCOL 控制
的输入端增加一个反映直流电流变化率的补偿电压
Udc。由于稳态时直流电流近似恒定,因此补偿电压
也近似为零。补偿电压Udc 为:
Udc = K dId
dt (1)
式中,K 为补偿系数(K≥0);Id 为直流电流;t 为时
间。
此时VDCOL 的控制斜率变为:
k = (Idi - IdL) / (Udi - ΔUdcHi - UdL1) (2)
式中,Idi 与Udi 分别为某一时刻实际的直流电流和
直流电压;ΔUdcHi 为某一时刻低压限流补偿电压。
补偿电压的存在使VDCOL 控制直流电压的动作滞
后,电压补偿式变斜率VDCOL 控制电路如图2 所
示,输入仍然为直流电压Ud,然而经过常规VDCOL
和变斜率VDCOL 的输出电流指令值不同,在改进
环节中考虑到故障瞬间直流电流突增,可瞬间达到
6~8pu,若直流电流的变化率不加限制,则无论是否
为严重故障,直流电流均可能在变斜率VDCOL 控
制的作用下直接跌至最低限制值,失去了VDCOL
控制依赖直流电压选择直流电流大小的功能,因而
对直流电流的变化率进行了限制。
图2　电压补偿式变斜率VDCOL 控制电路
Fig. 2　Control circuit of variable slope VDCOL with
voltage compensation
4　MIDC 输电系统的选择性电压补偿式变
斜率VDCOL 协调控制策略
　　在故障恢复期间,MIDC 输电系统最大的特点
是各逆变站对交流系统无功功率的需求较大,为了
避免因各换流母线电压同时快速恢复引发的后续换
相失败,需要合理协调各直流系统的VDCOL 控制,
使多馈入直流有序地恢复。
4. 1　补偿系数K 值选取的影响指标
MIDC 输电系统发生多回直流同时或相继换相
失败后,各直流系统的协调恢复与自身的特性紧密
相关。因此MIDC 各直流子系统恢复方案中K 值的
确定需结合以下几个因素综合考虑:
(1)交流系统强度SCR
交流系统的强度SCR(即短路比)决定了其对
换流母线电压的支撑能力。交流系统越强,在直流
系统恢复过程中,抵御电压变化的作用越强[16] 。
(2)多馈入相互作用因子MIIF
多馈入相互作用因子MIIF 是用电压的相对变
化率来衡量逆变站间相互影响的强度,MIIF 定义
为:当换流母线i 投入对称三相电抗器使得该母线
电压降低1%时,直流子系统j 的换流母线的电压变
化率如下[17] :
MIIFji = ΔUj
ΔUi (3)
式中,0≤MIIF≤1。MIIF 越大,表示换流母线i 的
电压波动对换流母线j 的电压影响越大,各直流子
8　2 电 工 电 能 新 技 术第38 卷 第4 期
系统间的相互作用越强。
(3)直流功率Pd
直流系统传输功率越大时,故障切除后直流系
统恢复过程中消耗的无功功率越大,对其他各回直
流换流母线的影响也越大。
同时还需要考虑受端交流系统的电压稳定和功
角稳定何者占主导地位。交流系统较强时,电压支
撑能力较强,功角稳定是首要考虑的问题,因此故障
恢复期间可以尽快恢复直流功率的传输,此时VDCOL
控制曲线应左移;交流系统较弱时,其电压支
撑能力较弱,电压稳定成为主要问题,应尽量减少故
障恢复期间换流站从交流系统吸收的无功功率,此
时VDCOL 控制曲线应右移,使直流系统缓慢恢
复[18] 。定义电压补偿系数K 如下:
Ki = m / MISCRi =
Pdi + Σn
j = 1,j≠i
MIIFji Pdj
mSaci (4)
式中,m 为补偿因子;MISCRi 为第i 回直流多馈入
短路比;Pdi 、Saci 为第i 回直流的直流功率、短路容
量;MIIFij 为第i、j 回直流间的多馈入相互作用因
子。由式(4)可知,MISCRi 越大,表明该回直流受端
系统越强,K 值越小,该回直流应尽快恢复,反之则
缓慢恢复。K 同时考虑了交流系统的强度、直流系
统间的耦合作用和直流传输的功率等因素。在其他
因素不变的情况下,该回直流功率、MIIF 越大,K 值
越大,该回直流系统应缓慢恢复,从而减少对其他各
回直流系统的冲击;反之直流系统应尽早恢复。因
此各回直流系统的恢复顺序通过K 错开来实现
MIDC 输电系统多回直流的有序恢复[19] 。
K 值选取过大或过小均不利于直流系统的稳定
恢复。通过大量仿真验证,确定了强、弱交流系统对
应的直流系统K 值可选范围分别宜为[0,0. 05]、
[0,0. 5]。其中m 的选取与各受端交流系统的MISCR
相关。当直流系统回数大于等于2 时,K 值的具
体选取分为如下三种情况(直流系统回路数为两回
且受端交流系统恰好为一强一弱时,选取原则为弱
系统取K =0. 5,强系统在[0,0. 05]的范围内选取,
其中MISCR 小于3 可认定为弱受端交流系统):
(1)各受端交流系统均为强系统,此时令最强
交流系统中相对最弱的交流系统i 为0. 05,其他各
回直流的K 值根据式(5)计算产生。
Kj = m / MISCRj , m = 0. 05MISCRi (5)
　　(2)各受端交流系统均为弱系统,此时令最弱
的交流系统i 对应的K 值为0. 5,其他各回直流的补
偿系数为:
Kj = m / MISCRj , m = 0. 5MISCRi (6)
　　(3)受端交流系统同时存在强系统和弱系统
时,考虑到强系统对应的直流系统的恢复过程会对
弱系统对应的直流系统恢复存在影响,因此强弱交
流系统的补偿系数应分别按式(5)和式(6)进行计
算。
4. 2　选择性电压补偿式变斜率VDCOL 控制策略
对于弱受端交流系统而言,故障程度较轻时,以
正常速度恢复即可;故障程度较严重,或者多回直流
换流母线的近区同时发生单相接地故障时,直流电
压电流应缓慢恢复。为实现该功能,加入K 值切换
开关,使直流系统能根据故障严重程度选择性加入
补偿系数K,K 值切换开关功能实现如图3 所示。
图3　选择性电压补偿式变斜率VDCOL 控制框图
Fig. 3　Control block diagram of selective variable slope
VDCOL with voltage compensation
图3 中补偿系数K0 =0,表示正常运行状态时该
模块不起作用。当换流母线电压持续低于某一阈值
时,表明发生了较严重故障,选择1 开关切换至K1,
该值由各补偿因子共同确定。与此同时,选择2 开
关切换至“1”,K1 值加入后,各回直流系统的恢复过
程根据K 值大小有序地进行;随着直流电压逐渐恢
复趋近额定电压,选择2 开关切换至“0”,经过与门
后补偿系数变为零,补偿系数不再起作用,各回直流
均以各自最大的速度恢复使MIDC 输电系统较快地
恢复至额定状态。
5　仿真验证
5. 1　算例系统
在PSCAD/ EMTDC 中搭建基于直流工程控制
系统的双馈入直流输电模型,其中,每回直流系统的
整流侧和逆变侧均分别采用定电流和定αmax 控制;
K =0 为常规VDCOL 控制方式;K>0 为电压补偿式
变斜率VDCOL 控制方式。两回直流系统通过站间
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 输电系统后续换相失败的抑制措施研究[J]. 电工电能新技术, 2019,38(4):79-88. 8　3
阻抗Zij =(60+j31. 4)Ω 相连,其他各参数见表1。
表1　双馈入直流输电系统参数
Tab. 1　System parameters of two-infeed HVDC
直流
系统
直流
电压
/ kV
输送
功率
/ MW
受端系统
电压
/ kV
系统等
值阻抗
/ Ω
短路比K
1 ±500 3000 521 1. 803+j17. 91 5 0. 05
2 ±500 3000 515 2. 509+j25. 07 3. 5 0. 5
(1)令直流系统2 的K =0。在t =3s 时刻,直流
系统1 逆变侧换流母线设置三相直接接地故障,故
障持续0. 1s 后切除,该回直流在K = 0 和K = 0. 05
时的仿真波形如图4 所示。其中,从上往下各波形
依次为直流电流Id、直流电压Udr、功率Pd、触发角
α、关断角γ(下同),当关断角小于最小关断角12o
即认为发生一次换相失败[20] 。
图4　直流系统1 的波形(直流系统1 三相直接接地故障)
Fig. 4　Waveform of DC system 1 while DC system 1
occurs three phase to earth
由图4 可见:①常规VDCOL 控制(即K = 0)下
的直流系统2 发生了2 次换相失败,而采用电压补
偿式变斜率VDCOL 控制的直流系统2 仅发生了1
次换相失败,说明变斜率VDCOL 控制策略能有效
地抑制直流系统后续的换相失败;②两种控制策略
下稳态时的波形完全一致,表明K 值在稳态时不起
作用。
( 2)在t =3s 时刻,在直流系统2 逆变侧换流母
线设置三相经电抗接地故障(L = 0. 1H,HVDC1 系
统K =0),假设此时故障线路所在变电站中开关单
相拒动,考虑失灵保护于故障后0. 2s 后切除。直流
系统2 对应于K = 0 及K = 0. 5 时的波形如图5 所
示。
图5　直流系统2 的波形(直流系统2 三相经电抗接地)
Fig. 5　Waveform of DC system 2 while DC system 2 occurs
three phase to earth through reactance
由图5 可知,K =0. 5 时,直流系统恢复平缓,换
相失败次数由K =0 时的2 次变为1 次,说明变斜率
VDCOL 控制策略能有效地抑制直流系统后续的换
相失败。
对比图6 中弱受端交流系统K =0. 55 与K =0. 5
时(t =3s 时刻,在HVDC2 逆变侧换流母线设置三相
经电抗接地故障,持续时间为0. 1s)的电流恢复波
形进行比较发现,K = 0. 55 对应的波形在接近额定
直流电流时直流电流波动较大,容易引起后续振荡,
从而诱发后续换相失败。因此K 取值不宜过大。
8　4 电 工 电 能 新 技 术第38 卷 第4 期
图6　直流系统2 不同K 值下的波形
(直流系统2 三相经电抗接地)
Fig. 6　Waveforms of DC system 2 under different
K values while DC system 2 occurs three phase
to earth through reactance
同样对比图7 中强交流系统K = 0. 05 和K =
0. 06 时(t = 3s 时刻,在HVDC1 逆变侧换流母线设
置三相直接接地故障,持续时间为0. 1s)的直流电
流恢复波形可知,K = 0. 06 时直流系统发生了2 次
换相失败,而K = 0. 05 时仅发生了一次换相失败。
由此可见,对于强受端交流系统K 值不宜过大,过
大会造成后续的换相失败。
图7　直流系统1 不同K 值下的波形
(直流系统1 三相直接接地)
Fig. 7　Waveforms of DC system 1 under different K
values while DC system 1 occurs three phase to earth
因此令强交流系统的K 值选取范围为[0,
0. 05],弱交流系统的K 值选取范围为[0,0. 5],能
有效抑制后续换相失败的发生。5. 2　常规与改进VDCOL 控制策略下的仿真分析
以上海电网直流输电工程为例,上海电网共接
入宜都-华新、葛洲坝-南桥南、枫泾-练塘、复龙-奉贤
共4 回直流输电线路,如图8 所示。其中,宜都-华
新、葛洲坝-南桥南、枫泾-练塘三回直流的额定电压
均为±500kV,额定功率分别为3000MW、3000MW 和
1200MW,两端换流器均为12 脉动的双极结构,复
龙-奉贤为特高压直流输电线路, 额定参数为
±800kV,6400MW,两端换流器均为双12 脉动串联
的双极结构,配置了交、直流滤波器组及无功补偿装
置。所有参数均采用实际参数。
图8　四馈入直流输电系统模型
Fig. 8　Four-infeed HVDC model
(1)案例1:模拟最严重故障情况,在华新、枫
泾、南桥、奉贤四个逆变站换流母线处设置3s 时刻
三相短路接地故障,故障持续时间0. 1s。观察该故
障情况下常规VDCOL 控制与电压补偿控制策略下
的各直流回回路的恢复特性。各站K 值按照表2
选取(下同)。
表2　四回直流稳态运行参数
Tab. 2　Steady-state operation parameters
of four-infeed HVDC
直流触发角/ (°) MISCR 关断角/ (°) K
宜华15 4. 9 18. 80 0. 050
林枫16. 16 4. 9 18. 72 0. 050
葛南15. 2 2. 8 16. 16 0. 500
复奉15. 5 5 18. 87 0. 049
由仿真图9 可知:①各直流系统在t =3s 时刻故
障瞬间发生了一次换相失败,由于各直流间的相互
影响,大约在t =3. 2s 又发生了一次换相失败,而南
桥站大约再过了0. 1s 左右发生了第二次换相失败,
后逐渐恢复至稳定状态,各直流的恢复时间均很长;
②加入电压补偿式变斜率VDCOL 控制策略后,各
直流恢复速度减缓,南桥站及其他各站均未发生第
二次的换相失败,说明该控制策略控制能有效够减
少MIDC 输电系统的后续换相失败。
(2)案例2:假设华新、南桥两个逆变站换流母
线处在3s 时刻发生单相接地故障,故障持续时间为
0. 1s。同时在4s 时设置四个逆变站均发生三相接
地故障,观察电压补偿式(控制策略A,下同)与选
择性电压补偿式变斜率VDCOL 控制策略下(控制
策略B,下同)的各回直流系统的恢复特性。其中图
10(a)、10(b)分别为控制策略A、B 下各回直流对
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 输电系统后续换相失败的抑制措施研究[J]. 电工电能新技术, 2019,38(4):79-88. 8　5
图9　四回直流逆变侧换流母线均发生三相接地
故障后直流系统波形
Fig. 9　Waveform of DC system while three phase to earth
fault occurs in the four inverter buses simultaneously
应的直流电压电流等的波形。
控制策略A 下,无论交流系统换流母线是否发
生严重故障,K 值一直存在;控制策略B 下正常及轻
微故障程度下K 值均为0,仅在系统发生较严重故
障时K 值才投入。
如图10 所示,t =3s 时刻发生单相接地故障,对
比两种控制下的系统响应,显然发现:①南桥站各参
数的变化最大,控制策略A 下的系统响应表现为单
相接地故障时直流系统的恢复时间非常长,达到额
定状态的时间为0. 4s,而控制策略B 下的直流系统
恢复时间为0. 2s,控制策略B 较A 有更优的直流系
统恢复性能;②华新、枫泾和奉贤三个逆变站受端交
流系统较强,其K 值均较小,因此在两种控制策略
下系统响应表现基本一致。
综合控制策略A、B 的特点及仿真结果可知:①
发生轻微故障(如单相接地故障) 时,K 值可不投
入,以保证直流系统的正常恢复速度;②发生严重故
图10　四回直流逆变侧换流母线先后发生单相、
三相接地故障后直流系统波形
Fig. 10　Waveform of DC system while four inverter commutation
buses occur single phase and three-phase
to earth successively
障(如三相接地故障)时,如果是弱受端交流系统,
应投入K 值,以减缓直流系统的恢复速度,防止发
生后续换相失败;③无论发生轻微或严重接地故障,
对于强受端交流系统,因根据其补偿系数K 值较
小,所以K 值的投入对直流系统的恢复影响不大。
(3)案例3:假设华新、枫泾、南桥、奉贤四个逆
变站换流母线处在3s 时刻设置三相接地故障,故障
持续0. 1s,直流系统恢复后,在4s 时刻,宜华、南桥
发生单相接地故障,故障同样持续0. 1s,观察控制
策略A、B 下的各回直流的恢复特性。其中图11
(a)、11(b)分别为控制策略A、B 下各直流对应的
直流电压电流等的波形。
由仿真图11 可知:①发生三相交流系统故障
后,控制策略B 使各直流系统的恢复速度变慢;②
华新、枫泾、奉贤三回直流在控制策略A、B 下波形
基本一致,主要是由于其受端交流系统较强,对应K
值较小;③对比南桥站在两种控制策略下的直流响
8　6 电 工 电 能 新 技 术第38 卷 第4 期
图11　四回直流逆变侧换流母线先后发生三相、
单相接地故障后直流系统波形
Fig. 11　Waveform of DC system while four inverter commutation
buses occur three-phase and single-phase
to earth successively
应图11(a3)、11(b3)可知,南桥站发生三相接地故
障后K 值均投入,然而在发生后续单相接地故障
时,控制策略A 下的直流系统两次故障恢复过程中
对应的K 值保持不变,导致图11(a3)中直流系统恢
复速度被强行延缓,使恢复性能变差;而在控制策略
B 下因三相接地故障后直流电压已恢复至0. 7Ud 及
以上,K 值已置0,第二次故障后恢复过程中直流系
统只需按照正常恢复速度恢复,从而减少了恢复过
慢引起的功角不平衡导致的后续换相失败的发生。
6　结论
笔者提出了选择性电压补偿式变斜率VDCOL
控制的协调控制策略,该控制策略充分依据故障时
直流电流的变化特点,考虑MIDC 输电系统中各回
直流恢复的影响因素,通过计算设置各回直流补偿
系数K 值来协调控制各回直流的恢复速度,并根据
故障严重程度选择性地投入K 值。结合仿真结果
可得出以下主要结论:
(1)提出的电压补偿式变斜率VDCOL 控制策
略克服了常规VDCOL 控制无法根据直流电流水平
控制恢复速度的缺陷,在故障瞬间及切除后均能灵
敏地调整直流电流整定值,有效地抑制直流系统的
后续换相失败。既不增加投资,且可操作性强。
(2)对于给定的MIDC 输电系统,根据K 值选
取标准,合理选择各回直流的补偿系数K,即可协调
控制各回直流的故障后恢复速度,使各回直流有序
恢复,从而有效抑制MIDC 输电系统后续换相失败
的发生。
(3)增加K 值切换的选择性电压补偿式变斜率
VDCOL 控制策略能根据故障严重程度选择性投入,
使各回直流在轻微交流故障时能保持良好的恢复特
性,而在发生严重交流系统故障时能使各回直流的
稳定恢复。
(4)降低MIDC 输电系统后续换相失败发生的
概率能够使MIDC 输电系统更加安全稳定地运行,
在发生较严重故障时,不至于造成大面积的停电事
故,有利于提高当今能源互联格局中交直流系统互
联的稳定性。本文仅针对实际上海电网进行了仿真
验证,然而该方法对采用同样直流输电控制保护系
统,且具有同样的多回直流系统馈入同一受端交流
系统特征的MIDC 输电系统(如南方电网)均适用。
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8　8 电 工 电 能 新 技 术第38 卷 第4 期
Study on suppression measures of subsequent commutation failure
in MIDC transmission systems
WEN Jun1, LI Jia-qi1, WANG Ling1, HAN Min-xiao1, LI Ya-nan2, YAN Han1, LI Rong1
(1. Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;
2. State Grid Economic and Technological Research Institute Co. , Ltd, Beijing 102209, China)
Abstract: With the increasing of DC transmission capacity, HVDC connecting points are becoming more and more
crowded, and commutation failure becomes increasingly prominent in MIDC transmission systems. To reduce the
probability of commutation failure in MIDC systems, this paper first analyzes the fundamental causes of simultaneous
or successive commutation failure, and then combing with the tradition VDCOL control puts forward the coordinated
control strategy of variable slope VDCOL with voltage compensation. The control strategy takes advantage of
the DC current characteristics while fault occurs, considers the influence factors of the DC systems characteristics in
MIDC transmission system, and selects the reasonable compensation coefficient K, so that the MIDC systems can be
recovered stably after faults, and the occurrence of subsequent commutation failure will be reduced. At the same
time, according to the severity of the fault, the K value is selectively introduced in order to improve the recovery
performance of the DC systems. Finally the example system and the actual system are built in PSCAD/ EMTDC.
Simulation results show that the control strategy can effectively reduce the probability of following commutation failure
in MIDC transmission systems, and makes all DC system recovery orderly after fault, meanwhile ensures the
good recovery performance which can greatly improve the safety and reliability in MIDC transmission systems.
Key words: MIDC transmission system; compensation voltage; VDCOL; commutation failure; compensation coefficient;
fault recovery

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