随着越来越多的直流接入交流电网,我国已形成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网。基于电网电压换相的高压直流输电中由于换流器件容易受交流电压波动影响,单个交流故障可能会诱发直流换相失败、后续换相失败、直流闭锁等连锁故障。这充分暴露出当前交直流混联电网中直流故障演化的复杂性,对交直流混联电网的安全稳定分析与控制保护都提出了新的挑战。因此亟需厘清直流系统故障演化与直流控制保护的关联特性,以提高直流换相失败、直流闭锁对交流故障的抵御能力。交流故障后直流系统故障演化过程可以概括为:交流故障后直流首次换相失败难以避免;直流控制参与调节后若控制不当可能导致发生后续换相失败;经过多次换相失败的故障演化后可能触发直流保护误动致使直流被闭锁。因此研究交流故障下直流系统故障演化与直流控制保护的关联特性,应具体展开为研究直流换相失败与交流故障的关联性、后续换相失败与直流控制的关联性、直流闭锁与直流控制保护的关联性。针对研究换相失败与交流故障的关联性。从机理上分析交流故障对交直流系统状态变化及换相过程的影响,并结合某典型交直流混联电网发生交流故障后逆变站的故障录波挖掘换相失败与交流故障间的关联。分析表明,交流故障是引起直流换相失败的根源,其通过影响换相电压、直流电流以及控制系统行为进而干扰换相过程。换相失败呈现离散特性来源于交流故障时刻的随机性、控制系统调节效果跟直流电流上升的博弈关系两方面,这导致换相存在大范围模糊区。建议控制系统的输入变量增设直流电流指标并优化交流故障检测判据以加快响应速度。最后基于交直流关联特性给出了换相失败评估的改进型策略。针对研究后续换相失败与直流控制的关联性。结合直流基本控制结构,对交流故障下直流发生后续换相失败的过程进行电气与时序分析,进而揭示后续换相失败与直流控制的关联性。分析表明,直流首次换相失败后剧烈的电气量波动决定了后续换相失败与检测电气量变动的直流控制存在密切关联。直流在交流故障期间存在发生后续换相失败的风险来源于两个方面:一是整流侧VDCOL无视逆变侧交流故障情况便升高直流电流参考值;二是定关断角控制器比较环节中直流电流偏差量的引入可能会掩盖关断角变化的真实趋势。据此建议整流侧与逆变侧的VDCOL建立交互机制,在逆变侧交流故障未切除、逆变侧直流电压未恢复的情况下,限制整流侧VDCOL升高直流电流参考值。针对研究直流闭锁与直流控制保护的关联性。结合换相失败与直流控制保护动作情况,对控制与保护配合不当引发直流闭锁的过程进行电气时序分析,从而揭示直流闭锁与直流控制保护的关联性。分析表明,单桥换相失败会产生桥差保护所用的差流,双桥换相失败会产生阀组差动保护所用的差流。后续换相时Y桥比D桥更容易发生换相失败。明确了控制与保护配合不当引发直流闭锁的原因:桥差保护I段在阻止后续换相失败后会返回,减弱了其对直流电流参考值的限制作用,导致直流电流参考值转为定功率控制输出的大数值,而后引发双桥同时发生换相失败并触发阀组差动保护II段误动。从避免交流故障引起直流闭锁的角度出发,建议在桥差保护I段返回后限制定功率控制输出的直流电流参考值。本文工作得到了国家电网智能电网联合基金项目（U1766213）、国家自然科学基金项目（51677073）的资助,部分研究成果的正确性和有效性已经在带有详细控制保护模块的实际直流工程PSCAD/EMTDC仿真模型上进行了验证。

为节约输电走廊并提高输送容量,地区电网中开始推广架设同塔四回输电线路,这也对继电保护提出了新的要求。不同于传统架空输电线路,同塔四回线的电磁耦合关系极为复杂,故障期间存在电气联系与磁耦合的竞争关系,随故障条件的改变,电磁竞争状态也会发生变化,这给继电保护工作的开展带来了极大的困难。从统计到的事故来看,零序互感和跨线故障是影响保护装置不正确动作的两大因素。一方面,由于地区电网中现有的同塔四回线大多为改造线路,零序互感参数实测存在困难,整定计算中只能对互感作忽略处理或根据经验粗略估算,从而降低了整定计算的精度,这是当前继电保护工作中的薄弱环节之一。另一方面,同塔四回线中跨线故障种类繁多,而现有的继电保护装置大多参照单回线单端电气量构造判据,无法准确应对跨线故障带来的挑战,这是当前继电保护工作中的另一个薄弱环节。工程现场中,距离保护（相间距离、接地距离）在架空输电网络中重要性非常高且应用广泛,但保护侧感受到的测量阻抗在零序互感和跨线故障的影响下,容易偏离线路阻抗的实际值造成不正确动作。此外,目前并未有专门的评价体系对保护系统的安全性进行多维度立体地评估,难以集中全面地发现保护系统中存在的各种问题。因此,亟需针对地区电网同塔四回输电系统中继电保护的薄弱环节展开研究,以响应经济高速发展和电网安全稳定运行的共同要求。针对同塔线路中零序参数的规律研究,本文首先研究了土壤电阻率、杆塔结构、呼高及弧垂等因素变化对同塔线路中零序参数的影响规律。研究表明,除公认的土壤电阻率外,杆塔结构亦对同塔线路的零序参数有显著影响。对于同塔四回线路中靠近大地的回线,其零序自电抗值要明显大于靠近架空地线的回线。在此基础上,探讨了同塔输电线路零序互感/自感比值随土壤电阻率的变化规律,进而提出了一种根据电压等级和杆塔结构的零序互感预估方法。PSCAD仿真验证了利用细分比值估算同塔多回线路零序互感的良好鲁棒性,其计算精度满足工程要求。针对相间距离保护的研究,本文着眼于同塔线路中相间距离保护的安全性,首先对共端线路发生跨线故障的特殊性进行了分析,进而结合故障下的零序附加网络,推导了不同跨线情形下相间测量阻抗的表达式,并以此为基础对相间距离保护的动作特性进行了分析。研究发现,故障线路中的健全相在邻线同名故障相的影响下,会与本线故障相共同表现出“相间短路”的故障特征,其相间测量阻抗与故障位置之间表现为过原点的一次函数关系,极易引起相间距离保护误动作于健全相,造成“一相故障,一回线被切除”的严重后果。基于实际220/110kV同塔四回线参数,在PSCAD中建立了对应的线路模型,对理论分析结果进行了验证。最后,给出了相应的保护应对措施。针对接地距离保护的研究,本文首先对同塔四回线中测量阻抗的表达式进行了推导,指出测量阻抗随故障位置的变化存在非线性变化的可能,并对非线性现象进行了初探。在此基础上,探讨了故障相测量阻抗非线性变化的产生机理、测量阻抗非线性变化时接地距离保护动作的情况,以及特殊跨线故障下测量阻抗的激增行为。最后,从工程实用化的角度出发,分析了现场中影响非线性变化规律的主要因素,研究了电源强弱组合、线路潮流以及同塔架设比例对测量阻抗非线性变化现象的影响规律。针对保护系统安全性评估平台的研究,本文设计了一种同塔四回输电线路保护性能评估系统,其主体结构涵盖当前同塔四回输电线路的所有架设形式,并能灵活可调以适应实际线路结构。输入线路结构参数、接入电网信息等数据后,系统自动进行故障扫描,根据各种故障情形下保护的动作情况加权计算出对应的保护性能评估值,给出最恶劣情况下保护系统的安全性评估结果,实现对保护整定的合理性、新型保护原理或对策的实用性、系统运行及线路检修方式的安全性等进行合理评估。

含模块化多电平柔性直流输电线路（modular multilevel converter high voltage direct current,MMC-HVDC）的多馈入直流输电系统（multi-infeed direct current,MIDC）可以实现柔性直流与常规直流输电技术（line commutated converter high voltage direct current LCC-HVDC）的优势互补,随着这种并联混合型直流输电技术在实际工程中的广泛应用,出现了一些新的问题,对MMC-HVDC与LCC-HVDC的协调控制提出了新的要求。本文首先介绍了LCC-HVDC和MMC-HVDC的数学模型与控制策略,对LCC-HVDC着重介绍了其定直流电压控制与定直流电流控制的方式,对MMC-HVDC着重介绍了其数学模型和有功、无功解耦控制及电流内环控制逻辑,接着以鲁西背靠背直流输电系统为例,介绍了其包括监控层、站控层、单元控制层以及阀控层的控制系统分层结构。然后结合鲁西背靠背直流安稳控制策略的验证,开展RTDS仿真试验,针对并联直流站控系统与柔性直流与常规直流自身调制功能之间的配合不当,以及其所带来的系统安全稳定问题,深入分析了柔性直流与常规直流并联系统在故障情况下的控制策略,提出了优化的调制方法,并验证了该方法的有效性。接着对受端交流系统强度对LCC-HVDC的换相失败与恢复的影响进行了分析,基于换相失败免疫系数和故障恢复时间验证了受端交流系统强度的提高或者MMC-HVDC馈入受端交流系统无功功率的提高可以在一定程度上减少LCC-HVDC换相失败的发生、缩短故障恢复的时间。最后对含MMC-HVDC的多馈入直流后续换相失败进行了分析,通过对LCC-HVDC恢复期间逆变侧换流母线谐波电压的检测,在MMC-HVDC逆变侧的无功功率控制环节附加上谐波电压补偿分量,可提高恢复期间MMC-HVDC对交流系统的无功功率支撑,提高交流系统强度,进而减少谐波的影响,从而抑制后续换相失败的发生,增强了含MMC-HVDC的多馈入直流输电系统运行的可靠性与稳定性,最后在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真验证了该协调控制策略的有效性。

换相失败问题是制约基于电网换相换流器的高压直流（LCC-HVDC）输电系统安全运行的重要约束。工程中抑制换相失败的手段主要包括:改进器件、改善控制两方面。前者受限于器件特性与工艺水平。后者经济性优势显著,因而成为学术工程的热点。从事前预防的角度出发,实际工程采用了换相失败预测控制（CFPREV）技术。预测控制具体由交流故障检测和控制指令值的输出两部分组成。交流故障检测是预测控制的基础,实际运行和仿真分析中发现,现有检测算法灵敏度存在时间离散性问题。此外,预测控制的指令值是否合理决定了控制抑制换相失败的能力和对交直流系统稳定运行的影响程度,而指令值与控制参数息息相关。控制参数设置不合理可能调控过度反致换相失败。设置较为激进的控制参数可以提升换相失败抑制能力,但可能影响交流系统的电压恢复特性,造成电压稳定性问题。因此,有必要对预测控制展开全面评估,提升控制性能,在尽可能降低换相失败几率的前提下,减少对交直流系统安稳运行的影响。针对不同故障合闸角下,现有预测控制中零序分量和αβ分量检测算法灵敏度的时间离散性问题,本文采用基于三相同时刻采样值的电压有效值算法改进现有算法。结果表明,在单相接地或两相短路接地等部分故障情况下,改进型预测控制比现有控制的检测灵敏度更高,在一定程度上降低了换相失败的风险。针对预测控提前触发过度导致换相失败的问题,本文首先分析了提前触发过度引发换相失败的机理及过程。分析表明,预测控制启动会造成两桥之间相互影响。相邻的两次换相过程中,下一次换相过程提前触发,会造成本次换相电压幅值下降、过零点前移。若下一次换相过程提前触发过度,可能导致本次换相面积不足而引发换相失败。基于此提出了相应优化方案,仿真结果表明,适当降低门槛值、减小增益系数、增大上升滤波时间常数可以减少此类问题发生。针对预测控制影响交直流系统稳定运行的问题,本文首先分析了考虑预测控制启动情况下交直流系统的暂态特性,研究了预测控制对交直流系统的影响机理。分析表明,预测控制启动有可能造成直流有功功率大幅下降,无功损耗大幅增加,使换流母线电压大幅降低,严重影响受端交流系统的稳定运行。基于此提出了相应优化措施,结果表明,适当减小增益系数和上限值、增大上升滤波时间常数,均可以减少预测控制对交直流系统的影响。此外,增加辅助控制策略,配合上述优化措施可以进一步减少预测控制对交直流系统的影响。

基于电网换相的高压直流输电（line-commutated converter-based high voltage direct current,LCC-HVDC）对电压波动十分敏感,容易引起换相失败,换相失败后直流电流激增造成换流阀过热,不利于阀设备的安全运行;换相失败恢复阶段功率波动甚至阀区保护误动导致的直流闭锁,都会对系统产生巨大冲击,危害电网的稳定运行。直流阀区配置了一套相对完备的保护,但交流故障导致直流闭锁的事故时有发生,主要原因是响应换相失败的阀区保护存在失配问题。针对此问题,本文从阀状态入手构建了全新的换相失败检测方案,具体内容如下:针对阀区保护中响应换相失败的保护存在的问题,本文从保护原理和检测性能入手,结合阀状态明确了保护存在失配问题的根本原因。分析表明保护采用平衡电流原理、选取阀区差流为故障特征量,阀区差流的幅值特性与阀状态不匹配是保护存在失配问题的根本原因,因而保护检测性能受交直流运行工况、故障条件等因素的影响具有差异性。针对单纯利用阀区差流的幅值特性无法判别阀状态的问题,本文提出了可以追踪换相过程的最小电流时序特征量。验证表明,特征量在换相时期非零、非换相时期恒为零的特性,实现了对换相过程的追踪;特征量在正常运行时为周期性非连续尖顶波、故障后为非周期性形状各异的尖顶波,利用幅值特性和时序特性的差异可提取阀状态。针对异常阀状态最极端情况换相失败,提出了基于最小电流时序特征量的单阈值换相失败检测方法。利用最小电流时序特征量在换相失败前后幅值特性和时序特性的显著差异,构建了单阈值换相失败检测判据,并分析了合理的阈值选取。通过PSCAD/EMTDC实际直流工程模型验证了检测方法的有效性和正确性,且该检测方法受交直流运行工况、故障因素和控制系统影响小,有良好的鲁棒性。针对单阈值换相失败检测方法存在幅值特性和时序特性阈值设定复杂的问题,同时为后续搭建换相失败保护新原理、设定投旁通对策略定位故障相,提出了分相最小电流时序特征量、用高门槛检测幅值特性和低门槛检测时序特性的优化策略。进而提出了基于分相最小电流时序特征量的双阈值换相失败检测方法,并在PSCAD/EMTDC实际直流工程模型验证了改进检测方法的有效性和灵敏性。本文首先提出了利用阀侧交流电流构造的最小电流时序特征量,实现了对换相过程的追踪和阀状态的提取,解决了阀区差流幅值特性与阀状态不匹配的问题。在此基础上,提出了基于最小电流时序特征量的单阈值换相失败检测方法,对其进一步完善,提出了基于分相最小电流时序特征量的双阈值换相失败检测方法,该方法检测性能受交直流运行工况、故障因素和控制系统影响小,对换相失败能灵敏、快速、可靠检测。部分研究成果的正确性和有效性已经在实际直流工程PSCAD/EMTDC控制保护模型上进行了验证。本文工作得到国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目（U1766213）、国家自然科学基金（51677073）项目的资助。

交直流系统之间的相互影响给电网安全稳定运行带来了巨大的挑战,换相失败是其中最主要的问题。实际工程中,高压直流输电系统通常采用换相失败预测控制技术（CFPREV）来提升抵御换相失败的能力。然而,从现场录波和仿真的结果来看,现有换相失败预测控制技术存在控制失配的现象。控制失配不仅限制直流系统抵御换相失败的能力,还将引发新的换相失败,与设计CFPREV时的初衷相悖,因此亟需厘清预测控制效果与其影响因素之间的关联机理,深入挖掘预测控制失配的原因。采取行之有效的手段避免预测控制失配,进一步提升CFPREV性能对保障电网安全运行具有重要意义。基于此背景,本文对高压直流输电系统中换相失败预测控制失配问题进行了深入研究,从机理分析、算例分析和改进策略三个层面开展了相关工作,主要取得如下进展:针对预测控制失配影响因素和机理尚不明确的问题。梳理了预测控制效果的影响因素,从机理上分析了单一因素对控制效果的影响以及与预测控制失配的关系,发现了现有换相失败预测控制在设计上的不足,为后续CFPREV的改进指明了方向。针对多因素耦合易导致换相失败预测控制失配的问题。基于大量的仿真算例,梳理分类了不同故障类型下预测控制失配时对应的故障工况,解析了预测控制失配的不同耦合类型,总结了其中的规律和特点,证明了理论分析的正确性。针对临界换相失败边界附近易出现触发角超调的预测控制失配现象。分析了交流故障后谐波对换相电压的影响,利用Levenberg-Marquardt算法拟合了计及低次谐波分量的换相电压曲线。根据拟合得到的结果,提出了基于输出值限幅的预测控制失配抑制方法,通过仿真验证了有效性。针对CFPREV输出响应时刻不合理将导致预测控制失配的问题。分别研究了系统参数、CFPREV控制参数与预测控制失配的关联性,推导了计及故障合闸角的临界换相电压表达式,基于计算所得的临界换相电压,提出了考虑预测控制失配影响的CFPREV控制参数优化策略,仿真验证了所提方法的可行性。

基于电网换相换流器的高压直流输电系统由于其独特的优势,目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。然而,随着实际工程的运行,直流输电系统的谐波问题也逐渐凸显,已成为交直流系统安全稳定运行面临的巨大挑战之一。本文围绕直流输电系统的谐波问题,建立了涵盖直流一二次系统的谐波分析模型,从谐波的传递与耦合两个维度,针对直流线路的传递特性、换流变的饱和效应、控制系统的响应特性以及谐波对换相失败评估的影响问题进行了全方位的研究。主要内容如下:（1）建立了计及直流线路分布式参数特征的直流系统完整二端口模型。在分析换流器开关特性以及线路特征的基础上,构建了能够反映交直流系统间谐波交互影响的模型。将该模型用于谐波计算,并与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真中的结果相比较,结果表明该模型计算简单,精度可靠。由于考虑了线路的分布参数,该模型可以较便利地分析谐波在直流线路中的传递机理与放大特性,可以应用于工程规划初期的谐波评估为制定谐波保护策略提供理论基础。（2）构建了计及换流变饱和效应的交直流系统谐波不稳定性判据。针对由互补谐振与换流变饱和特性共同作用导致的交直流系统谐波不稳定现象,建立了考虑直流完整系统的谐波不稳定性判据。该判据理论清晰,表达简单,参数基于二端口模型容易求取,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果验证了判据的准确性与有效性。采用该判据分析不同参数对谐波稳定性的影响,可以为直流输电系统的设计以及运行阶段避免谐波不稳定性现象提供依据。（3）提出了抗谐波扰动的双二阶广义积分锁相方法。针对直流输电系统锁相环易受电压不对称及谐波影响导致不能准确追踪同步信号的问题,提出基于相序解耦控制器与正交谐波消除模块来改进锁相环的方法,以提升其抗干扰能力。通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真表明:改进的锁相环在电网电压不对称、谐波含量较高时仍具有较强的鲁棒性。将改进的锁相环应用于直流输电系统中对比发现,该锁相环不但能够减少换相失败的发生次数,而且还可以降低系统的谐波含量。（4）提出了直流输电系统控制策略的改进方案。针对极控系统输出的触发角易受谐波影响的问题,提出基于陷波器、改进低压限流环节与故障产生的动作时序相结合的方法来提升极控系统的性能。将改进的控制策略应用于直流输电系统中,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真对比分析发现,该策略可以削弱故障时谐波对直流系统响应的影响,在提升直流输电系统暂态特性与恢复特性的同时也减少了系统的谐波含量,可为实际工程中提升直流输电系统的性能提供参考。（5）提出了同时计及换流母线谐波电压、相位偏移和直流电流变化影响的熄弧角计算方法。鉴于谐波对直流输电系统换相的影响,在分析了其影响规律的基础上,对直流电流、谐波电压进行拟合处理;并构建相位偏移的计算方法。基于上述的处理,提出对传统熄弧角计算公式进行改进,利用改进公式可以对换相失败进行评估。通过与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果对比验证了所提评估方法的准确性和有效性。该方法完善了逆变侧交流系统故障后谐波对直流输电系统换相失败影响的定量分析。本文研究工作得到了国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金项目《多馈入直流系统换相失败评估理论与柔性控制技术基础研究》（项目编号:U1766213）、国家自然科学基金项目《基于模态切换的交直流混联电网故障的系统属性解析与直流保护策略优化》（项目编号:51677073）的资助。部分研究成果已经在电网运行部门的实际工作中得到应用,取得了良好的技术和经济效益,验证了本文工作的正确性和有效性。

作为我国东西部资源配置的重要手段,高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission,HVDC）如今发展迅速,我国逐步形成了“强直弱交”的交直流混联大电网格局,交直流系统之间的联系也日趋紧密。在交直流混联电网中交流故障可能诱发多次甚至多回直流换相失败,导致直流功率严重丢失,从而威胁受端交流系统的安全稳定运行。鉴于此,本文针对交流故障下直流功率缺额影响系统安全稳定运行的问题,从实现快速与精确模拟直流功率响应的角度出发,研究了换相失败离散性及其对直流响应影响,在此基础上提出了计及换相失败离散性的直流功率机电暂态模拟方法。针对机电暂态下直流动态响应模拟精度不足的问题,首先,建立了机电暂态仿真BPA下基于实际工程参数的直流准稳态模型,通过与PSCAD/EMTDC的仿真结果对比,验证了引起机电暂态下直流动态响应模拟精度不足的根本原因在于换流器模型精度不够的结论。并得出机电暂态在不同故障时刻时对换相失败的判别具有单一性导致直流响应的模拟也存在单一性,故在用于系统稳定计算时误差较大,亟需改进计算精度。针对换相失败离散性及其对直流响应的影响问题,首先从理论上详细分析了换相失败的时间离散特性机理,然后进行了不同过渡电阻下换相失败故障时刻边界值的研究,最后揭示了不同故障时刻下直流响应差异性的产生机理。得出了模糊区内换相失败的故障时刻边界值,可用于判断不同故障时刻下是否发生换相失败;并发现了换相失败离散性影响下直流响应的差异性是故障时刻与控制系统之间相互博弈的结果。针对改进机电暂态对直流功率响应模拟精度的问题,首先提出了基于直流电压电流响应特征的直流功率极值计算方法。再得出了根据换相失败类型将直流功率层次性划分后的直流功率分段拟合方法。在此基础上提出了计及换相失败离散性的直流功率层次化模拟的改进方法。最后在BPA加入本文方法后与原始BPA、文献方法和PSCAD/EMTDC的结果对比,验证了本文方法的准确性和有效性。该方法具有快速和精确模拟层次化直流功率响应的效果,提高了机电暂态在系统稳定性分析中的计算精度。本文研究了计及换相失败离散性的直流功率层次化模拟方法,该方法可为机电暂态在系统稳定性分析中提高计算精度,研究成果的正确性和有效性已经在带有详细控制保护模块的实际直流工程PSCAD/EMTDC仿真模型上进行了验证。本文工作得到了国家电网智能电网联合基金项目（U1766213）、国家自然科学基金项目（51677073）的资助。