特高压直流输电系统中，当发生直流线路故障时，根据运行工况的不同，整流侧需要进行移相重启或移相闭锁。巴西美丽山双回直流送端同为欣古换流站，在美丽山二期直流移相重启或移相闭锁时欣古换流站交流电压迅速升高，可能引起美丽山一期直流受端及附近多回直流同时发生换相失败。
为解决美丽山二期直流线路故障时整流侧移相重启或移相闭锁导致的交流过电压问题，南京南瑞继保电气有限公司的吕彦北、卢东斌、李林、龚飞，在2023年第5期《电气技术》上撰文指出，提出直流线路故障延时移相策略，即在发生直流线路故障时延迟一段时间再进行移相重启或移相闭锁，移相前借助直流电流控制器来抑制直流故障电流。
试验结果表明，采用延时移相策略后，欣古换流站过电压问题可以得到抑制，有助于降低美丽山一期直流系统发生换相失败的概率。该策略在巴西美丽山二期直流工程中应用后，现场发生直流线路故障后的动作结果与仿真结果一致，可在其他有类似过电压抑制需求的直流工程中进行推广应用。
巴西北部为亚马逊河流域，水电资源丰富，为了将北部丰富的水电资源送往南部负荷中心，2018年和2019年相继建成并投运了巴西美丽山一期（以下简称美一）和巴西美丽山二期（以下简称美二）两回直流系统。美一北部起于欣古换流站，南部止于埃斯特雷多换流站；美二北部起于欣古换流站，南部止于里约换流站，正常运行时两回直流系统在欣古换流站共母线运行。
美二直流系统发生直流线路故障时，整流侧进行移相重启或移相闭锁，有可能导致美一发生换相失败，由于埃斯特雷多换流站附近有多回直流落点，有可能进一步引发多回直流同时发生换相失败，危及巴西电网安全。
美一发生换相失败的原因有二：一是欣古换流站交流系统弱，美二移相或闭锁后欣古换流站无功过剩，交流电压迅速升高，导致美一直流电流迅速增大；二是美一受端埃斯特雷多换流站未采取有效的换相失败抑制策略，直流电流增大后换相裕度减小，导致换相失败。后者不在本文研究范围内，本文从欣古换流站交流过电压抑制角度出发，解决美二移相重启或移相闭锁时美一的换相失败问题。
现有文献对直流系统发生线路故障时的过电压研究多集中在直流侧，对交流过电压问题的研究不多。基于直流线路故障时整流侧需要进行移相重启或移相闭锁的动作特性，本文提出一种延时移相策略，充分利用美二直流电流控制器的性能，在美二移相消除故障电流前延长触发角大角度运行时间，增加美二直流无功消耗，以降低欣古换流站交流过电压水平，从而减小美一发生换相失败的概率。
1 美二直流线路故障时美一换相失败问题
1.1 美二直流线路故障时的重启策略
美二直流工程配置有直流线路故障重启功能。当控制系统收到保护系统的直流线路行波保护动作、突变量保护动作、直流线路差动保护动作、直流线路低电压保护动作等信号时会触发移相重启逻辑，根据运行工况的不同，自动进行移相重启或移相闭锁，强制移相的时间和移相重启的次数可根据需要进行整定。
图1为美二发生直流线路接地故障的波形，当直流线路保护动作后，整流侧触发角先快速移相至120°，延迟一段时间后再移相至164°，以快速消除故障电流，后经一次原压重启后重启成功，直流功率恢复至故障前水平。
图1 美二发生直流线路接地故障的波形
1.2 美二移相时的交流过电压问题
直流换流器运行时需要消耗无功功率，所以一般需要投入相应数量的交流滤波器来进行无功平衡。一个12脉动换流器单元工作时所需的无功功率为
式（1）
美二发生直流线路故障后，触发角移相速度较快，有助于故障电流的快速消除。由此带来的副作用是：随着故障电流的迅速消除，换流器消耗的无功功率也快速减小至零，打破原有的无功平衡，已投入的交流滤波器向交流系统输送无功功率，导致交流电压快速升高。如图1所示，移相后直流电流迅速跌落至零，而交流电压则迅速升高。
对于有重启的工况，美二会在重启成功后重新恢复无功平衡；对于重启失败或不重启的工况，美二直流闭锁后会切除交流滤波器，也会重新恢复无功平衡。但在重新恢复无功平衡前，整流站无功功率过剩会导致交流电压升高，移相前直流运行功率越大，投入的交流滤波器组数越多，移相期间交流电压升高越明显。
1.3 美二移相时的美一换相失败问题
由于美一和美二两回直流系统在欣古换流站共交流母线运行，美二移相时欣古换流站交流电压迅速升高，美一送端控制系统来不及响应，导致美一欣古换流站直流电压和直流电流相应升高，直流电流的升高导致受端埃斯特雷多换流站换相叠弧角增大，换相裕度减小，当换相裕度小于最小换相裕度时即发生换相失败。
美一换相失败后，可能引发附近的伊泰普直流系统和马德拉直流系统也发生换相失败，危及巴西电网安全。
美二发生直流线路故障后移相期间美一发生换相失败的波形如图2所示。
图2 美二移相期间美一发生换相失败的
2 美二直流线路故障时的延时移相策略
2.1 移相消除故障电流的原理
式（2）—式（3）
整流侧移相即按照一定速率增大触发角，由式（2）、式（3）可知，随着触发角的增大，整流侧直流电压降低甚至反向增大，直流电流下降。由于需要快速降低故障电流，移相的速度一般较快，以便后续闭锁和隔离故障。
2.2 延时移相策略
延时移相策略即直流线路保护动作后不立即进行移相重启或移相闭锁，而是先等待一段时间，这段时间内靠整流侧直流电流控制器来抑制故障电流，直流电流闭环控制输出的角度变化速度和变化范围都不及直接移相，但也能在一段时间内将直流故障电流抑制在一定范围内。
而且直流线路故障期间，直流电压迅速降低，直流控制系统配置的低压限流环节会起作用，对直流电流指令值进行限制，从而进一步抑制故障电流。电流闭环控制的这段时间内整流侧换流阀持续吸收无功功率，有助于抑制整流侧交流过电压问题。
发生直流线路故障后，对于移相重启的工况，延时移相与直接移相的角度变化如图3所示；对于直接移相闭锁的工况，延时移相与直接移相的角度变化如图4所示。
图3
图4
相比于快切交流滤波器、配置调相机等其他抑制交流过电压的措施，延时移相策略有更快的响应速度，不需要增加额外的设备成本，用于已投运的美丽山两回直流工程中有一定的优势。
2.3 延时移相与稳控系统的配合
直流线路保护动作不重启或重启失败移相闭锁后，稳控系统需要根据相应策略进行动作，以保证系统有功功率平衡。一般地，稳控系统需要在150ms内完成直流功率调制、闭锁直流、切机等所有动作。
直流控制系统发给稳控系统的直流闭锁信号，是稳控系统动作的必要条件。采用延时移相闭锁策略后，直流控制系统发给稳控系统的直流闭锁信号也会相应延时，进而导致稳控系统动作延时。
为了解决该问题，需要对稳控系统动作策略进行优化。优化的方法是直流控制系统发送延时前的移相闭锁信号给稳控系统，稳控系统根据该信号进行动作，而不再依据实际的闭锁信号进行动作。为了避免稳控系统误动，直流控制系统只在不重启工况或重启失败时发送该信号给稳控系统。
2.4 延时时间的选择
延时移相期间直流故障电流一直存在，所以延时时间不能选得太长，而延时时间太短又起不到相应的作用，所以必须要对延时时间进行合理选择。
首先，美二发生直流线路故障约20ms后美一会发生换相失败问题，所以延时时间应该大于20ms。其次，稳控系统需要在150ms内完成动作，考虑到系统有功平衡，延时时间限制在100ms以内为宜。所以，延时时间应该在[20ms, 100ms]这一范围内进行选择，而且在满足交流电压抑制效果的情况下延时时间应该越短越好，以实现尽快移相或闭锁，从而彻底消除故障电流。
3 美二直流线路故障时延时移相策略试验验证
3.1 仿真系统简介
巴西国家电力调度中心（ONS）实验室位于巴西里约，是巴西国调的实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）实验室，有巴西全国主要直流工程的仿真系统，可以对美一、美二、两回直流系统的协调控制、稳控系统进行仿真试验，ONS实验室里的RTDS模型对巴西全国骨干网架进行了建模，可以较好地模拟实际工况、获取接近实际的试验结果。ONS实验室美二直流RTDS系统如图5所示。
图5 ONS实验室美二直流RTDS系统
3.2 延时移相闭锁策略仿真试验
采用与图1中相同的系统条件，应用延时移相闭锁策略后进行美二直流线路故障仿真，试验波形如图6所示。
图6
当发生直流线路故障后，直流控制系统不立即进行移相，而是延时移相。在延时的这段时间内，依靠直流电流控制器使故障电流下降，相对于立即移相，采用延时移相策略后故障电流的下降速度明显放缓。
发生直流线路故障时直流电压跌落，低压限流起作用限制直流电流指令，控制系统按照低压限流后的电流指令进行控制。故障初期故障电流较大时，换流器消耗的无功功率大于故障前稳态无功功率，交流电压降低。
随后在直流电流控制器的作用下，直流电流进一步减小，换流器消耗的无功功率逐步减小，交流电压逐步升高，但直流电流断流前交流电压一直低于故障前稳态电压。延时结束进行移相时，直流电流迅速下降到零，交流电压进一步升高，最后高于故障前稳态电压，达到1.038p.u.，但低于采用延时移相策略前的过电压水平1.054p.u.。
延时移相过程的存在，加长了故障初期交流电压低于故障前稳态电压的时间，延缓了交流电压的升高过程，降低了过电压水平，使在美二发生直流线路故障时，美一控制系统有足够的时间进行响应，从而避免美一换相失败的发生。
3.3 延时移相策略现场试验
2022年5月23日在巴西美二现场实施了延时移相策略，2022年10月3日美二极1发生短时直流线路故障，一次原压重启成功，现场动作波形如图7和图8所示。由图可见，延时移相策略正确动作，延时移相期间整流站交流电压低于故障前稳态电压，美二直流线路故障期间，受整流站共交流母线影响美一有功率波动，但未发生换相失败。
图7
图8
4 结论
特高压直流输电系统中，当发生直流线路故障时，根据运行工况的不同整流侧需要进行移相重启或移相闭锁。巴西美丽山双回直流工程送端同为欣古换流站，在美丽山二期直流工程移相重启或移相闭锁时美丽山一期直流工程受端及附近多回直流系统可能发生换相失败。
本文分析了美二移相导致美一发生换相失败的原因，指出美二整流站短时无功过剩和美一逆变站缺乏有效的换相失败预防措施是两个主要因素。针对美二整流站移相期间无功过剩引起交流电压升高这一因素，提出了直流线路故障延时移相策略，给出了延时时间选择原则和与稳控系统的配合方案。
在巴西国调ONS实验室对该策略进行了验证，试验结果表明，采用延时移相策略延缓了整流站交流电压升高的过程，降低了过电压水平，使在美二发生直流线路故障时美一控制系统有足够的时间进行响应，从而避免了美一换相失败的发生。
该策略已在巴西美丽山二期直流工程中应用，现场实际发生直流线路故障后的动作结果与仿真结果一致，进一步验证了所提延时移相策略的有效性。该策略可在其他有类似过电压抑制需求的直流工程中进行推广应用。
本工作成果发表在2023年第5期《电气技术》，论文标题为“直流线路故障时抑制交流过电压的延时移相策略研究”，作者为吕彦北、卢东斌 等。本课题得到国家电网公司总部科技项目的支持。