柔性直流输电系统结构与运行机理的特殊性使得其线路故障特征比传统高压交、直流系统故障更加复杂,因此,直流线路的故障处理与保护技术成为柔性直流输电系统发展的关键要素之一。今天与大家分享来自上海交通大学有关研究团队的有关论述。

　　1、柔性直流输电线路故障处理技术

　　1.1借助辅助电路的故障电流分流与抑制技术

　　在换流器内部和交直流侧增加辅助电路(如并联晶闸管、限流电感等)可有效的抑制直流侧故障电流,减少故障冲击电流对换流单元的损害,在一定程度上提高了柔性直流输电系统的安全性;但采用单一电路实现故障处理,往往导致故障隔离不彻底,同时增加辅助电路需对开关性能、成本以及损耗进行综合权衡。随着技术的发展,多种辅助电路装置的组合使用将在柔性直流输电线路故障处理方面具有一定的应用前景。

　　1.2基于新型换流器拓扑和直流输电结构的故障电流抑制与自清除技术

　　新型换流器如HCMC(HybridCascadedMultilevelConverter)、C-MMC(Clampsub-modulebasedMultilevelConverter)等,以及混合直流输电结构如LCC-二极管-MMC混合直流系统、LCC-C-MMC混合直流系统等,提高了柔性直流输电系统处理直流侧故障的能力,但增加了系统结构的复杂性,将问题转移到了器件成本、开关损耗和系统控制等方面。损耗较低、经济效益较高的新型换流器拓扑,如C-MMC,以及混合直流输电结构在柔性直流输电中将具有较大的发展潜力。

　　1.3基于直流断路器的故障隔离技术

　　在多端柔性直流输电系统中,相比于利用交流断路器切除故障的方法,基于直流断路器的故障线路隔离技术具有明显的优势,对于保证非故障线路正常运行,提高系统的可用率具有重要作用。就目前来看,不论是固态断路器还是混合式短路都存在造价高、开断容量有待提高的问题,距离实际应用还有一段时间。通过增加限流电抗和实体限流装置(faultcurrentlimiter,FCL),同时结合直流断路器切除直流线路故障的方法仍不失为中间过渡阶段使用的经济型保护方案。未来,随着半导体器件的快速发展和成本的降低,固态直流断路器和混合式直流断路器在柔性直流输电系统中将会得到广泛应用。

　　2、柔性直流输电的线路保护技术

　　目前柔性直流输电工程中直流线路的保护借鉴了传统高压直流的保护策略,以行波保护和微分欠压保护为主,电流差动保护作为后备保护。行波保护和微分欠压保护动作速度快,不受电流互感器饱和及分布电容等因素影响,但是对高阻接地故障灵敏度不足;电流差动保护对高阻接地有效,但易受分布电容的影响,动作延时长,不适应柔性直流线路保护快速动作的要求。对于改进的行波保护,保护的动作速度和可靠性有了一定的提高,但仍存在行波波头捕捉困难、抗过渡电阻能力低、易受干扰等固有缺陷。传统高压直流中基于线路边界特性的单端速动保护并不适用于柔性直流线路,而针对电流差动保护的缺陷提出的纵联保护依靠双端通信或双端数据同步,保护的快速性仍受到一定的限制。

　　3、未来进一步研究与展望

　　3.1直流线路故障特征的理论分析与直流线路保护新原理

　　为更好地实现直流线路的故障处理,柔性直流输电系统的电力电子器件有所增加,同时相应的控制也更加复杂化。如何在考虑控制系统的影响下,合理处理电力电子器件的非线性特征、分析直流线路故障特征是柔性直线路保护研究亟需解决的问题。通过增加限流电抗和实体限流装置可以有效地限制直流侧故障电流上升的速度和峰值,在一定程度上降低了对保护快速性的要求。同时由于增加了限流电路,构成了柔性直流线路的新边界,因此可以借鉴传统高压直流线路利用边界特性构成的保护原理,研究适用于柔性直流系统的线路保护原理和整定方法。

　　3.2新增保护电路和新型拓扑结构及其组合使用的研究

　　辅助保护电路、新型换流器和混合直流输电结构提高了柔性直流输电系统处理直流故障的能力。然而,新的保护电路和结构增加了系统结构的复杂性,保护的难点转移到了控制方面,并在一定程度上增加了器件成本和开关损耗,同时器件数量的增加以及结构的复杂化也在一定程度上增加了系统自身的故障概率。因此,均衡考虑保护电路和新型拓扑结构的线路保护效益、故障处理能力以及所带的成本与损耗,是影响新型保护电路、新型换流器拓扑和直流输电结构在未来应用的关键所在。利用单一保护电路对直流线路故障进行处理,障隔离不彻底,因此可结合直流线路故障特征,研究多种保护电路配合使用下直流故障处理的效果和性能。当然也需对电路参数、开关性能、成本及损耗进行分析。

　　3.3保护与控制协调策略研究

　　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。

　　3.4多端柔性直流输电系统的发展

　　多端柔性直流输电系统由于能够实现多电源供电、多落点受电,更灵活快捷等优点在新能源并网、构筑直流电网等领域具有广阔的应用前景。与两端柔性直流输电系统不同,多端直流输电线路要求更快速地切除故障电流,隔离故障线路,保证非故障线路正常运行。两端直流输电系统中依靠闭锁换流器,跳开交流侧断路器、停运多个换流站的故障处理方法将不适用于多端直流输电系统。

　　未来多柔性直流输电工程的广泛建设与发展,更期待的是由已建成的两端柔性直流系统拓展而成。因此对于可拓展成多端直流系统的两端柔性直流输电系统,需要考虑多端系统的特征,对线路保护原理和故障处理方案进行深入研究,以适应多端柔性直流线路故障处理和保护的需求。