柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

汪永阁

国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司

内蒙古赤峰市024000

摘要：与传统输电方式相比，柔性直流输电技术具有技术和经济上的优势，未来将广泛应用于大规模新能源发电并网、城市高负荷地区供电和远方孤立负荷供电等。

关键词：柔性直流输电线路；故障；保护技术

随着大功率全控电力电子器件制造和控制技术的发展，柔性直流输电系统应运而生，其具有传输容量大、线损低、可靠性高、无换相故障、有功无功功率独立控制等特点，受到了广泛关注和研究。

一、柔性直流系统故障类型

以某柔性直流电网为例，该工程采用架空输电线路，相比直流电缆，其故障概率更高。按故障区域划分，柔性直流电网故障大致可分为交流系统故障、换流器内部故障、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、最常见的子模块故障等。柔性直流输电具有输送容量大、电压等级高特点，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率。在柔性直流系统建设中，为确保系统具有足够的容错性和充足的安全裕度， 通常会在每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、换流器闭锁故障。 在单个 MMC 中， 因直流侧采用单级输电，所以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。

二、柔性直流输电线路保护技术

在处理柔性直流线路常见故障时，主要依赖保护技术对故障具有的科学、高效判别。当前，应用在柔性直流输电工程中对直流线路进行保护的策略基础，是对高压直流进行保护的策略，即以微分欠压与行波保护作为主要策略，辅以必要电流差动保护，此外，还对直流电压不平衡及直流过电压所对应的保护措施进行相应配置。通过实验可发现，微分欠压与行波保护优势主要为速度快，不易受长线分布电容、电流互感器饱和等因素影响，但该项技术同样存在明显的不足，具体体现在对设备采样率具有较高要求，以及针对高阻接地故障所开展的检测工作不具备应有灵敏度。作为对高阻接地具有良好保护作用的技术，电流差动保护的不足包括较易由于分布电容而受到相应的影响，以及无法满足柔性直流线路对保护动作具有的“快速”要求。需明确的是，虽然当前针对柔性直流线路所开展的保护工作存在一定的不足，但所应用的保护逻辑和技术已能对工程实用需求加以满足。

由于微分欠压与行波保护存在明显不足，因此，国内外专家和学者结合柔性直流线路常见故障，提出以下保护技术：① 行波边界保护、 高速行波保护； ②行波纵联保护。前者是以小波变换分析为基础，后者是对正向行波幅及反向行波在幅值方面具有的特点进行了科学利用。通过对高压直流线路所应用的保护策略进行研究发现，通过对直流滤波器和侧平波电抗器加以利用，达到对暂态量边界构成这一目的策略，是近年来研究的重点之一。还有部分专家和学者以直流滤波环节所具有的阻抗特征为依据，结合频带电流与特定频率电流，提出了对直流电路进行单端保护的概念，并通过实验对该技术在保护方面具有的作用进行验证； 关于电流差动保护延时这一问题， 专家和学者提出 “用以频变参数模型为基础、对直流电缆线路进行差动保护的技术对上述问题加以解决”的建议，实践表明，该保护技术能避免电容电流产生的影响，但需注意的是，为在最大程度上对不误动情况加以保证，该技术通过对延时低定值加以利用方式，躲过了暂态过程，由此带来的问题是计算量增加及速度减慢。

总的来说，改进行波保护原理后，虽然保护可靠性和速度具有一定提升，但该保护技术仍面临着采样率要求高、交易受干扰等问题。高压直流系统和柔性直流输电系统所对应的直流侧结构存在明显的不同，将适用于高压直流系统的保护技术应用在对柔性直流线路保护中，无法发挥其全部作用，因此，涉及柔性直流线路保护的内容在未来一段时间内仍是专家学者们研究重点。

三、柔性直流输电线路故障处理与保护问题与展望

1、直流线路故障特征理论与直流线路保护新原理。为更好地实现直流线路故障处理, 柔性直流输电系统电路器件有所增加, 同时相应的控制也更加复杂化, 增加了直流线路故障分析难度。不同于高压交流系统及传统高压直流输电系统, 线路故障特征与系统控制关系更加密切, 同时新增电力电子器件的非线性特征也给故障电流计算带来了极大困难。而直流线路故障特征分析与计算, 是研究快速且可靠的线路保护原理基础, 因此, 如何在考虑控制系统影响下, 合理处理电力电子器件非线性特征, 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 FCL, 能有效限制直流侧故障电流上升速度和峰值, 为保护识别故障争取时间, 在一定程度上降低了对快速性的要求, 同时也降低了对直流断路器容量和开断速度要求, 是一种经济型的保护方案。此外由于增加了限流电路, 构成了柔性直流线路边界, 因此可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。

2、新增保护电路和新型拓扑结构及其组合使用。由于目前直流断路器技术不成熟, 对直流线路故障更多依靠相应控制措施和保护电路处理, 以减少线路故障带来的损害。增加辅助保护电路是一种有效的手段, 同时新型换流器和混合直流输电结构也提高了柔性直流系统处理直流故障的能力。目前, 新保护电路和结构增加了系统结构复杂性, 保护难点转移到控制方面； 新增保护电路和新型拓扑结构在一定程度上增加了器件成本及开关损耗, 器件数量增加及结构复杂化也在一定程度上增加了系统自身故障概率。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、所带成本与损耗, 是影响新型保护电路、新型换流器拓扑、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, 可能导致故障隔离不彻底。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及性能，也需分析电路参数、开关性能、成本及损耗。

3、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控制密切相关, 为实现故障线路隔离和系统稳定, 需针对线路保护、辅助电路、系统控制动作时及投入方式, 进行协调策略研究。尤其对多端柔性直流系统, 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、缩短故障处理时间, 提高系统可用率。

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。未来多端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。因此对可拓展成多端直流系统的两端柔性直流系统, 要考虑多端系统特征,深入研究线路保护原理和故障处理方案, 以适应多端柔性直流线路故障处理及保护需求。

参考文献：

[1]刘剑.柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述[J].电力系统自动化,2015,39(20):158-167.