柔性直流輸電系統結構與運行機理的特殊性使得其線路故障特征比傳統高壓交、直流系統故障更加復雜,因此,直流線路的故障處理與保護技術成為柔性直流輸電系統發展的關鍵要素之一。今天與大家分享來自上海交通大學有關研究團隊的有關論述。

　　1、柔性直流輸電線路故障處理技術

　　1.1借助輔助電路的故障電流分流與抑制技術

　　在換流器內部和交直流側增加輔助電路(如并聯晶閘管、限流電感等)可有效的抑制直流側故障電流,減少故障沖擊電流對換流單元的損害,在一定程度上提高了柔性直流輸電系統的安全性;但采用單一電路實現故障處理,往往導致故障隔離不徹底,同時增加輔助電路需對開關性能、成本以及損耗進行綜合權衡。隨著技術的發展,多種輔助電路裝置的組合使用將在柔性直流輸電線路故障處理方面具有一定的應用前景。

　　1.2基于新型換流器拓撲和直流輸電結構的故障電流抑制與自清除技術

　　新型換流器如HCMC(HybridCascadedMultilevelConverter)、C-MMC(Clampsub-modulebasedMultilevelConverter)等,以及混合直流輸電結構如LCC-二極管-MMC混合直流系統、LCC-C-MMC混合直流系統等,提高了柔性直流輸電系統處理直流側故障的能力,但增加了系統結構的復雜性,將問題轉移到了器件成本、開關損耗和系統控制等方面。損耗較低、經濟效益較高的新型換流器拓撲,如C-MMC,以及混合直流輸電結構在柔性直流輸電中將具有較大的發展潛力。

　　1.3基于直流斷路器的故障隔離技術

　　在多端柔性直流輸電系統中,相比于利用交流斷路器切除故障的方法,基于直流斷路器的故障線路隔離技術具有明顯的優勢,對于保證非故障線路正常運行,提高系統的可用率具有重要作用。就目前來看,不論是固態斷路器還是混合式短路都存在造價高、開斷容量有待提高的問題,距離實際應用還有一段時間。通過增加限流電抗和實體限流裝置(faultcurrentlimiter,FCL),同時結合直流斷路器切除直流線路故障的方法仍不失為中間過渡階段使用的經濟型保護方案。未來,隨著半導體器件的快速發展和成本的降低,固態直流斷路器和混合式直流斷路器在柔性直流輸電系統中將會得到廣泛應用。

　　2、柔性直流輸電的線路保護技術

　　目前柔性直流輸電工程中直流線路的保護借鑒了傳統高壓直流的保護策略,以行波保護和微分欠壓保護為主,電流差動保護作為后備保護。行波保護和微分欠壓保護動作速度快,不受電流互感器飽和及分布電容等因素影響,但是對高阻接地故障靈敏度不足;電流差動保護對高阻接地有效,但易受分布電容的影響,動作延時長,不適應柔性直流線路保護快速動作的要求。對于改進的行波保護,保護的動作速度和可靠性有了一定的提高,但仍存在行波波頭捕捉困難、抗過渡電阻能力低、易受干擾等固有缺陷。傳統高壓直流中基于線路邊界特性的單端速動保護并不適用于柔性直流線路,而針對電流差動保護的缺陷提出的縱聯保護依靠雙端通信或雙端數據同步,保護的快速性仍受到一定的限制。

　　3、未來進一步研究與展望

　　3.1直流線路故障特征的理論分析與直流線路保護新原理

　　為更好地實現直流線路的故障處理,柔性直流輸電系統的電力電子器件有所增加,同時相應的控制也更加復雜化。如何在考慮控制系統的影響下,合理處理電力電子器件的非線性特征、分析直流線路故障特征是柔性直線路保護研究亟需解決的問題。通過增加限流電抗和實體限流裝置可以有效地限制直流側故障電流上升的速度和峰值,在一定程度上降低了對保護快速性的要求。同時由于增加了限流電路,構成了柔性直流線路的新邊界,因此可以借鑒傳統高壓直流線路利用邊界特性構成的保護原理,研究適用于柔性直流系統的線路保護原理和整定方法。

　　3.2新增保護電路和新型拓撲結構及其組合使用的研究

　　輔助保護電路、新型換流器和混合直流輸電結構提高了柔性直流輸電系統處理直流故障的能力。然而,新的保護電路和結構增加了系統結構的復雜性,保護的難點轉移到了控制方面,并在一定程度上增加了器件成本和開關損耗,同時器件數量的增加以及結構的復雜化也在一定程度上增加了系統自身的故障概率。因此,均衡考慮保護電路和新型拓撲結構的線路保護效益、故障處理能力以及所帶的成本與損耗,是影響新型保護電路、新型換流器拓撲和直流輸電結構在未來應用的關鍵所在。利用單一保護電路對直流線路故障進行處理,障隔離不徹底,因此可結合直流線路故障特征,研究多種保護電路配合使用下直流故障處理的效果和性能。當然也需對電路參數、開關性能、成本及損耗進行分析。

　　3.3保護與控制協調策略研究

　　柔性直流輸電線路的故障處理與保護和控制密切相關,為實現故障線路的隔離和系統的穩定,需要針對線路保護、輔助電路以及系統控制的動作時間和投入方式,進行協調策略研究。尤其對于多端柔性直流系統,直流線路故障的處理,更加強調多站之間保護與控制的協調作用。采用保護、控制、通信集成一體化的多端柔性直流系統保護方案,研究保護與保護之間,保護與控制之間的配合策略,實現交直流側保護與控制相協調,整合并減少分散保護設備的數量,從而降低柔性直流線路故障處理與保護的復雜性、縮短故障處理的時間,提高系統的可用率。

　　3.4多端柔性直流輸電系統的發展

　　多端柔性直流輸電系統由于能夠實現多電源供電、多落點受電,更靈活快捷等優點在新能源并網、構筑直流電網等領域具有廣闊的應用前景。與兩端柔性直流輸電系統不同,多端直流輸電線路要求更快速地切除故障電流,隔離故障線路,保證非故障線路正常運行。兩端直流輸電系統中依靠閉鎖換流器,跳開交流側斷路器、停運多個換流站的故障處理方法將不適用于多端直流輸電系統。

　　未來多柔性直流輸電工程的廣泛建設與發展,更期待的是由已建成的兩端柔性直流系統拓展而成。因此對于可拓展成多端直流系統的兩端柔性直流輸電系統,需要考慮多端系統的特征,對線路保護原理和故障處理方案進行深入研究,以適應多端柔性直流線路故障處理和保護的需求。