柔性直流输电线路故障分析与保护综述 周森亮

柔性直流输电线路故障分析与保护综述周森亮

发表时间：2019-10-23T10:40:13.657Z 来源：《电力设备》2019年第10期作者：周森亮

[导读] 摘要：为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，推动了柔性直流输电工程的建设。

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摘要：为应对不可再生能源不断减少的形势，世界各国制订了相应的政策，随着大功率全控型电力电子器件制造及控制技术的发展，推动了柔性直流输电工程的建设。基于柔性直流输电系统控制方式和拓扑结构的特殊性，在直流侧发生故障时，其故障电流上升速度极快且破坏性极强。针对柔性直流输电系统的故障类型和保护分区进行讨论，结合现阶段的故障隔离技术，介绍了直流断路器、换流器和交流断路器的应用状况。为快速隔离故障，详细介绍了柔性直流线路保护，并对柔性直流输电技术的发展趋势进行了展望。

关键词：柔性直流输电；故障类型；直流线路保护

引言

和传统基础电流源变换系统的直流输电系统相比，电压源变换系统的直流输电系统（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）属于一类低廉的输电方式。其能够切实弥补直流电力传输存在的问题，尤其在可再生能源发电并网、城市供电以及异步交流互联中适用。但因为拓扑结构与控制模式的特殊性，出现故障之后电流快速上升，非常容易对换流组件产生破坏，所以，直流线路故障保护的作用非常关键。

1柔性直流输电的系统

两端的换流站都是利用柔性直流输电，由换流电和换流变压设备，换流电抗设备等进行组成。其中最为关键的核心部位是VSC，而它则是由流桥和直流电容器共同组成的。系统中，综合考虑它的主电路的拓扑结构及开关器件的类型，能够采用正弦脉宽调制技术，将此类技术在调制参考波与三角载波进行数据的对比，在后者数据相对较小的情况下，就会发生触发下桥臂开关导通并关断下桥臂。这主要是由于浮动数值和相位都可以利用脉宽调制技术来进行智能化调解。因此，VSC的交流输出电压基频分量的幅值及相位也可通过脉宽进行调节。

2柔性直流系统的故障类型

以目前正在建设的张北柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，与直流电缆相比，其故障概率更高。按照故障区域划分，柔性直流电网故障大致可以分为交流系统故障、换流器内部故障和系统直流侧故障。换流器内部故障又可细分为站内母线故障、阀短路故障、桥臂电抗器故障以及最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高的特点，故MMC（模块化多电平换流器）每个桥臂串联的子模块数量较多，从而增加了子模块故障的概率。在柔性直流系统的建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度，通常都会在每一个桥臂上串联适量的冗余子模块。直流侧故障可细分为直流线路断线故障、直流线路短路故障和换流器闭锁故障。在单个MMC中，因为直流侧采用单级输电，故直流侧线路故障以单极接地故障为主。而在真双极系统中，单级接地故障则相当于伪双极系统中的级间短路故障，通常由树枝接触或雷电引发，多属于暂时性故障，但是因其故障传播速度快、影响范围广、解决难度大，成为阻碍柔性直流电网发展的技术难题。真双极系统的双极短路故障则更为严重，相当于交流系统的三相短路故障。

3柔性直流输电网故障保护的难点

（１）系统故障电流升高速度极快，通常在故障出现之后１０ｍｓ以内电流已经提高至稳态电流水平。（２）稳态短路存在很高电流值，系统短路电流通常比额定值高出几十倍。（３）系统故障发生时短路电流无极性改变，无过零点，断路系统很难灭弧。（４）对迅速切断故障设定的标准很高，交流输电系统的故障切断时限通常大于５０ｍｓ，但直流系统故障切断时限要求不到５ｍｓ，否则就会对系统组件安全产生很大影响。所以，针对柔性直流线路故障问题，一方面需迅速准确识别故障，另一方面需采取合理处置方案限制故障电流，进而降低对换流器、线路和系统产生的威胁。

4柔性直流输电线路故障保护存在的问题与研究展望

4.1存在的关键问题

虽然国内外学者围绕柔性直流输电线路保护原理开展了大量研究，能够在一定程度上提高现有柔性直流输电工程的线路保护性能，但仍存在一些问题：（1）柔性直流输电系统故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系统中的电力电子设备耐受故障冲击电流能力差，因此对保护系统的响应时间要求很高，即对速动性要求高。（2）虽然行波保护是目前柔性直流输电系统较为适宜的主保护，但其易受雷击、噪声等因素干扰而发生误动，可靠性降低，并且对采样频率的要求高。（3）正负极线路行波之间存在电磁耦合，并且暂态行波在传播过程中会发生畸变、色散、频散等现象，对保护会产生一定的干扰。

4.2保护与控制协调策略

柔性直流输电线路的故障处理与保护和控制密切相关，为实现故障线路的隔离和系统的稳定，需要针对线路保护、辅助电路以及系统控制的动作时间和投入方式，进行协调策略研究。尤其对于多端柔性直流系统，直流线路故障的处理，更加强调多站之间保护与控制的协调作用。采用保护、控制、通信集成一体化的多端柔性直流系统保护方案，研究保护与保护之间，保护与控制之间的配合策略，实现交直流侧保护与控制相协调，整合并减少分散保护设备的数量，从而降低柔性直流线路故障处理与保护的复杂性、缩短故障处理的时间，提高系统的可用率。

4.3柔性直流输电技术的应用前景展望

（1）在城市电网塔容及直流供电中的应用。近几年来，我国经济的高速发展以及城市化建设的不断推进，促进了城市电网的进一步发展，与此同时大部分的城市电网负荷也一直呈现出不断增长的趋势，人们对于电能的供应及质量要求不断提高。（2）替代交直流联网。结合我国目前的总体趋势西部地区的资源相对较多，同时负荷较少，我国90%的水电几乎都集中在西部，而东部地区的能源与负荷量特点则恰好相反。导致了我国地区能源和负荷的失调，因此，特高压直流输电工程在不断增多，实现电能的大容量和远距离运输。目前关于柔性直流输电技术方面仍然存在着一定的障碍，在进行长距离和大容量的发展过程中，要克服以下几个难点：第一就是用碳化归来替代二氧化硅，从而改变VSC的材料，同时还要增强封装材料的绝缘性和耐热性，达到大容量的电流运输。第二就是要加强电流直流断路器的优化与改良，突破上述所提到的故障。如果能在技术上实现故障的突破，那么柔性直流输电技术在未来可能会完全取代传统输电技术，承担起长距离大容量的输电任务。（3）借鉴传统交流输电和常规高压直流输电的继电保护技术，结合柔性直流输电系统的结构特点，研究先进的