摘要：直流配电网能友好兼容各类分布式电源和直流负载，与现有的交流配电网构成交直流混合配电网是应对能源危机、环境污染的有效手段，但缺少可靠、稳定的继电保护技术是制约交直流混合配电网发展的重要因素。本文主要对交直流混合配电网的故障特性以及交直流相互作用对保护配置的影响进行分析，并研究了交直流混合配电网继电保护技术的研究方向，以供参考。
关键词：交直流混合配电网；直流配电；继电保护；故障特征
引言
随着电力电子技术的飞速发展，直流配电网在接纳分布式电源、兼容直流负载上的优势也愈发明显。但现阶段直流配电网的推广还受到新型直流断路器、DC/DC变换器、最优电压等级等问题的制约，一段时间内无法大规模应用到实际电网中。同时在之前的电网建设中，交流配电方式技术成熟，市场广泛，不可能完全被直流配电网所取代。因此，以交直流混合作为新型的配电方式，能在保留现有交流配电方式优势的基础上，充分发挥直流配电网的优势。
1直流配电网故障特征
(1)与交流线路相比，直流线路中只有电阻没有电抗，因此直流线路的阻抗远小于交流线路的阻抗，特别是在城市配电网中，由于供电半径小，相邻两个直流断路器保护范围内的短路电流差别小。导致传统的基于动作时间和整定值相互配合的三段式保护的选择性难以得到保证，故障定位困难。
(2)由于直流配电网接纳分布式电源的能力更强，未来将有更多的分布式电源接入到直流配网中。当故障发生时，这些分布式电源都会向故障点注入功率，导致故障电流的峰值升高，使短路电流上升率增大。对直流配电网的继电保护装置的快速性有更高的要求。
(3)直流配电网按接地方式可分为不接地系统、高阻接地系统和低阻接地系统。不同的接地方式对于保护配置的要求不同，接地系统在发生接地故障时会产生幅值很高的接地电压，可能超过允许值，导致设备受损；不接地系统中，当交流系统故障时，换流器交流侧产生高电压，可能损坏换流器。
(4)直流线路中，电流没有自然过零点，造成灭弧困难。由于这一特征，交流系统中成熟的灭弧技术无法直接运用到直流配电网中。直流短路保护装置，能有效灭弧。
2交直流混合配电网继电保护
2.1直流侧故障对交流侧的影响
在交直流混合配电系统中，直流侧故障分为：单极接地故障、极间短路故障、换相失败，如图所示。单极接地故障对系统的稳定性影响较小；极间短路故障将严重影响系统的稳定性，需要切除电源保持系统稳定。
图一
交直流输电系统和交直流配电系统在电压等级上有明显的不同，但两者在直流暂态侵入时，交流侧保护原理受到的影响是相似的。对于目前在交流配电网中广泛采用的三段式保护，由于直流换相失败时，大量低次谐波侵入到交流侧中，会导致电流互感器饱和，引起三段式保护的不正确动作。针对这一问题，应该对交流侧保护重新设计整定值，确保相互配合的正确性。
2.2交流侧故障对直流侧的影响
在交直流混合系统中，由于交直流相互作用，当交流侧故障时，交流暂态侵入到直流侧中，会导致直流继电保护的不正确动作。由于交流暂态侵入的影响，导致换流器区保护和换流变压器区保护权责不清，影响直流保护配置的性能。交流暂态侵入对直流电压突变量保护的影响，直流系统中出现大量的谐波，会导致直流线路的谐波电压放大，导致电压突变量保护动作。国内多起交直流混合系统的事故，指出交流故障将引起直流换相失败，同时交直流两侧保护配合不足，导致直流系统未避开区外故障。
3换流器保护
换流器作为交直流混合系统的心脏，其稳定、可靠的运行是保证系统可靠性的关键，研究换流器的故障特性及其保护技术有重大意义。由于其特有的结构，MMC换流器同样适用于交直流混合配电网中，与在输电系统中的应用相比，在配电网中使用的MMC换流器所需要的子模块数量更少，结构更为简单，经济性高。分析MMC换流器的结构以及故障特征对于分析交直流混合配电网的继电保护具有代表意义。
3.1模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构
图3所示为典型的MMC拓扑结构，其中每一相由上下两个桥臂构成，每一个桥臂由n个结构相同的子模块(SM)与一个桥臂电抗器组成。电抗器的作用是抑制环流、降低桥臂电流的谐波畸变率。
子模块采用半桥结构，由两个IGBT和两个反向并联的二极管构成。正常运行时，T1、T2交替导通；当T1导通、T2关断时，输出电压等于电容电压；当T1关断、T2导通时，输出电压为0。在不断的研究中，也有学者提出全桥子模块和双钳位子模块的结构，使换流器本身具备了一定的故障切除能力。
图2
3.2模块化多电平换流器(MMC)故障检测
MMC内部故障主要是子模块故障，可分为电力电子器件开路与短路故障、触发系统故障、储能电容器故障以及子模块过电压或欠电压故障。在内部故障检测方面，通过分析当前故障检测技术在快速性方面的问题，提出一种改进预测模型的方法，通过比较桥臂电流预测值和测量值的差值是否大于阈值来判断故障。另外利用半桥子模块的电容电压、桥臂电流和即时的触发信号，实现子模块的故障诊断，能实现就地快速诊断。另一方面当MMC的直流侧发生故障时，子模块中并联的二极管可能因为流过过电流而被击穿，可利用一种新的自阻型子模块，将一个电阻与二极管并联，起到限制过电流的作用，防止二极管被击穿。
上述的故障检测方法尚处于仿真实验阶段，未在实际运行中证明其可靠性。换流站交流侧的换流变配置的主保护为变压器差动保护和交流短引线差动保护，后备保护为变压器过流保护、交流短引线过流保护和异常交流电压保护。在换流区以桥臂电流差动保护为主保护，过流保护为后备保护。在换流器直流侧以差动保护为主保护，直流过压和欠压保护、直流过流保护以及直流电压不平衡保护为后备保护。
图3
3.3模块化多电平换流器(MMC)故障恢复
检测出子模块的故障后，需要将故障子模块闭锁，而子模块的退出会造成桥臂不对称，影响系统的稳定性。为维持系统的稳定运行，实际工程中常采用子模块冗余设计。冗余设计分为冷备用和热备用两种。交直流混合输电网中，换流器故障的检测原理在交直流混合配电网的换流器中同样适用。且配电网电压等级低，MMC桥臂上的子模块也相对较少，所以备用子模块数量也相应地减少，采用全热备用子模块冗余设计，在保证可靠性的同时也不失济性。
结束语：
综上所述，交直流混合配电网在消纳分布式电源、提高能源利用率方面有巨大优势。交直流混合配电网继电保护是制约其发展的重要因素之一，国内外对于这一方面的研究还处于起步阶段。在未来一段时间内，交直流混合配电网及其相应继电保护研究方向和热点将持续推进。
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论文作者:王智科
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/4/22
标签：故障论文; 交直流论文; 配电网论文; 电压论文; 模块论文; 系统论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第31期论文;