随着我国经济的快速发展，我国的电力发展脚步不断加快，电力系统的运行电压等级不断提高，电网络结构规模也正不断的扩大。预计到2020年，我国建设的直流输电工程将达50项左右，其中包含多项特高压工程，于是发展远距离、大容量的特高压交直流混合输电系统成为了发展的必然趋势。如此庞大的工程投运，当交直流系统运行过程中有异常状况发生时，造成的损失是巨大的。所以从特高压直流系统为出发点，对换相失败时刻特高压直流受端电网的无功变化特性问题进行探讨。

传统的电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)具有输送容量大、传输距离远、技术相对成熟的优点，在“西电东送”和“全球能源互联网”战略中扮演着重要角色。然而 LCC-HVDC 采用不具备自关断能力的晶闸管作为换流元件，容易发生换相失败。换相失败会造成直流电流、电压、功率的剧烈变化，在我国“强直弱交”的电网架构下，是制约电网安全稳定运行的关键因素之一。因此，有必要深入研究换相失败的预防措施。针对换相失败的预防措施，国内外文献主要从两方面开展了广泛研究：其一是从拓扑结构入手预防换相失败；其二是从控制策略方面入手预防换相失败。通过改变 LCC-HVDC 拓扑结构来预防换相失败的措施普遍存在成本高昂的缺点。因此，部分文献从控制策略角度提出了换相失败的预防策略。

目前，国内关于特高压交直流耦合电网的研究主要集中在特高压交直流电网交互影响研究和多馈入直流受端电网换相失败风险研究，对特高压直流换相失败后提升送端电网频率电压稳定措施研究较少。

特高压直流输电系统电压等级高、输送容量大，一旦发生故障或较大的扰动，将会对交流系统造成较大冲击。比如换相失败可导致直流电压降低、直流电流增大、输送功率大大减小、影响换流器的寿命时限、变压器直流偏磁以及逆变侧弱交流系统过电压等不利影响。严重情况下，还可导致直流连锁停运，使得送端频率升高，受端频率降低，交流系统失稳。因此，对不同故障情况造成的换相失败及直流闭锁的无功功率进行分析尤其重要。

“十三五”期间，随着特高压交直流输电技术的发展与完善， 我国电网将逐步形成长距离大容量交直流并列运行、多直流在受端电网集中馈入的基本特征， 电网规模日益扩大， 交直流系统电气联系更为紧密，交互影响特性更为复杂多变。当特高压直流受电比例不断提高，区外直流功率取代了大量常规机组，将导致交流电网动态无功支撑能力减弱， 存在一定的安全隐患。在交流系统发生故障或直流系统恢复过程中，交直流系统间将产生较大的无功交换，若电网无功支撑不足可能导致直流系统连续换相失败。近年来，我国电网曾经发生数起因交流系统故障引发多回直流同时换相失败的案例，严重情况下甚至导致直流闭锁， 对电网造成较大冲击。此外，直流系统故障也可能引发交流系统电压稳定问题。因此，为进一步保障交直流混联电网的安全稳定运行，必须采取有效的无功补偿手段。调相机作为电力系统重要的动态无功补偿设备，能快速向电网提供无极连续调节的容性或感性无功，可用于改善功率因数、降低网络损耗、调节地区电压、提高电压稳定水平。相比于电容器等常规静态无功补偿装置，动态无功补偿设备不受电压约束，响应速率快，可进一步提高暂态电压稳定性。因此，在交直流系统故障中可以快速提供无功支撑，加快电压恢复速率并降低换相失败风险。根据“十三五”规划，华东电网将在特高压直流换流站引入调相机，提高交直流电网风险抵御能力。对此，以宾金、灵绍两大特高压直流接入后的浙江交直流混联电网为例， 根据浙江电网的基本运行特征，分析调相机接入后对电网安全稳定水平的影响，研究成果将为今后调相机的实际运行提供参考。

2. 研究的基本内容与方案

直流换流器发生换相失败，将造成换流器桥臂中同一相上的两个阀同时短时导通，形成直流换流器短时短路，此时送端与受端的无功功率大幅变化，表现为对系统不利的无功功率冲击。需对直流换相失败过程中的送受端暂态无功功率特性开展研究，主要研究内容包括：1）掌握PSCAD软件的使用方法；2）建立特高压直流受端电网的PSCAD暂态仿真模型模型；3)换相失败时刻特高压直流受端电网无功功率特性分析。

PSCAD是DWoodford博士于1976年开发的一种电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态计算程序。PSCAD是EMTDC的前处理程序，EMTDC是目前电气工程领域应用最广泛的电力系统仿真分析软件之一。采用PSCAD仿真软件可以解决系统规模和复杂性限制、场地条件限制、绝对安全性和接触电力系统中的前沿技术等优点。

PSCAD主要用于电力系统频域及时域仿真分析，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电气参数随时间的变化；也可用HVDC、FACTS等控制器的设计、电力电子领域等仿真计算，如对交流同步电机的运行状态进行研究。用户通过在控制界面中构造电气连接图，并可设置各元件的参数值，仿真时利用FORTRAN编译器进行编译、连接， 其结果可在PLOT窗口中实时生成曲线，以验证仿真结果的正确性，且能与MATLAB软件实行对接。

PSCAD是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，广泛应用于世界各国的电力系统仿真，可对包含复杂非线性元件的大型电力系统进行全三相的精确模拟。其核心是 内置的元件模型库， 该元件模型库几乎涵盖了电力系统输配变电的所有元件，并包含有大量测量、控制用模型元件。PSCAD包括绘图功能、仪表和控制功能,允许用户以图形化的方式建立电力系统电路,进行仿真后对结果进行分析,还可以使用户在仿真运行中改变参数,对仿真过程进行观测等。PSCAD具备电力系统中从简单无源元件和控制功能到更加复杂的电动机、柔性交流输电设备和输电线路等设备的模型,这些模型都是经过已经编程和测试的仿真模型。如果搭建的电力系统仿真模型中,没有所需的特殊模型,PSCAD可以提供给用户自建模型。 PSCAD设有主元件库,提供常用的模型有：(1)无源元件 (Passive)，包括电阻、电感、电容、固定/可变负载、电抗器和避雷器等；(2)电源(Source)，包括电压源、电流源和光伏电源等；(3)仪表 (Meters)，包括频率/相位/有效值测量表、电压表和电流表等；(4) I/O设备(I/O_Devices)，包括数据的导入和导出、其他软件接口和多重运行等(5)变压器(Transformers)，包括单相双/三绕组、三相双/三/四绕组和自耦变压器等；(6)断路器故障(Breakers_Faults)，包括单/三相断路器及其定时控制逻辑、模拟单相和三相故障及其定时控制逻辑等；(7)输电线路电缆 (Tlines_Cables)，包括导纳/阻抗数据或导体/绝缘属性、地阻抗数据以及所有塔和导体的几何位置、电气接口元件等；(8)电动机 (Machines)，包括笼型感应电动机、绕线感应电动机、同步电动机以及励磁机、调速器、水轮机、汽轮机、风力机和内燃机等；(9)控制元件(ControlSystems Modeling Functions),包括线性和非线性控制元件；(10)保护(Protection)，包括保护信号的采集、 监测和继电保护模型等；(11)其他元件(Miscellaneous)，包括文件引用/读取、输入输出和节点等。PSCAD仿真软件可以用来仿真模拟进行电力系统中元件参数及其物理含义、电力系统对称和不对称故障仿真、电力系统简单和复杂潮流计算以及有功和无功功率控制等,还可以将电力系统与电力电子结合起来，比如新能源发电技术的应用和电能质量(SVC、STATCOM)的应用等。

用 PSCAD进行继电保护实验的流程图如图 1所示。