摘要：伴随着城市化建设的不断推动，城市负荷的不断增长对传统交流电网的供电可靠性以及电能质量要求越来越高。与此同时，新一代电力电子变流器的不断创新以及分布式能源并网的需求也在大力推动着柔性直流技术的发展。柔性直流电网具有供电容量大、供电可靠性高、线路损耗小、电能质量高、控制灵活，更加适合分布式电源的多点接入等优点。目前柔性直流电网从拓扑上可以分为单端辐射型、双端型以及多端互联型，相较于单端辐射型和双端型而言，多端柔性直流电网具有供电可靠性高，便于实现区域电网互联等优点。
关键词：柔性直流输电网；故障保护；直流断路器
引言
为了进行柔性直流输电网的故障保护原理的研究，首先描述了实现柔性直流输电网故障保护的主要困难，然后提出了就地检测故障就地保护的柔性直流输电网故障保护策略，采用混合型直流断路器作为直流断路器的一般性模型，构建了一个四端直流输电网测试系统。基于该测试系统，详细比较了由继电保护系统主导的常规故障处理策略与就地检测故障就地保护策略的性能差别；同时，全范围扫描分析了就地检测故障就地保护策略的选择性。测试结果表明，所提出的就地检测故障就地保护策略在选择性、快速性和经济性上具有很大的优势。
1柔性直流输电系统
一个完整的输电系统由交流系统、变压器、接地阻抗、换流站和直流线路组成。换流站内的设备主要有换流变压器、交流滤波器、连接电抗器、换流器。由于柔性直流输电系统的功率能够实现双向流动，其中任意一个换流站既可以工作在整流状态也可以工作在逆变状态，其中处在送电端的换流站以整流方式投入运行，处在受电端的换流站以逆变方式投入运行。柔性直流输电系统的控制系统由内环电流控制器和外环功率控制器组成。
2柔直系统基本结构
MMC的桥臂采用子模块级联的方式，每个桥臂由N个子模块和1个串联电抗器组成，上下2个桥臂共同构成1个相单元，3个相单元分别与交流输电系统中的三相交流电压相对应。通过控制上下桥臂子模块的不同导通个数，可以实现阶梯波的方式逼近正弦波。MMC通过换流变压器与交流系统进行连接，换流变压器采用YND接线方式。而直流侧可以采用单极、双极大地、双极金属回线等多种接线方式，实现灵活的系统运行。针对柔直系统不同的区域配置了完备的保护系统，主要分为站内交流连接母线区、换流器区、直流极保护区和中性母线区等多个无死区的保护区域。
3柔性直流系统故障特征分析
3.1单极短路故障
直流电网发生单极短路故障时，故障暂态特征如下:故障极电压迅速下降，极间电压不变，故障电流迅速增大，变流器因过流迅速闭锁。本节以直流线路正极接地短路为例进行分析。故障暂态初期，直流线路故障电流快速上升。故障极电压大于交流侧相电压，此时，故障线路电流由直流侧电容放电和交流侧的电感续流共同提供。与直流侧电容放电电流相比，交流电感的续电流很小，在计算故障电流的过程中，可忽略不计。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆故障回路可等效为由一个大电容(变流器电容)、线路电阻和线路电抗组成的二阶回路。线路电压变化的暂态过程满足二阶零输入响应的暂态特性。
3.2双极短路故障
当直流电网发生两极短路故障时，可类比交流侧发生三相短路时的特征:故障电流迅速增大，电压衰减震荡过0，变流器内部续流二极管迅速过流，整个直流系统受到严重危害。变流器的闭锁保护通常是微秒级别，而故障录波的采样间隔通常是几十或者几百μs。因此，与录波较低的采样频率相比，开关设备闭锁对故障电流的影响基本不会被录波装置采集到。为简化仿真分析，仿真过程中设置故障瞬间变流器闭锁。仿真条件如下:直流双极电压20kV，交流网侧相电压10kV，故障发生时刻为1s。
3原理分析
在柔性直流输电系统中，变压器二次侧与换流器阀之间的母线故障被看做是站内交流故障，直流电压会产生轻微的振荡，但是由于接地阻抗很大，而且故障发生时只是改变了直流系统的电位参考点，对直流电压平均值没有影响，相对于正常运行状态，交流侧发生单相接地故障，影响换流站内功率传输，直流电压中直流分量大幅度下降，除基波外其它次谐波也相对下降，对于直流电流而言，相对于正常运行状态，换流站内功率传输受交流侧影响，当交流侧发生单相接地故障时，此时电流中直流分量将会大幅度下降，除基波外的其它次谐波也会发生相对下降。直流母线故障指连接阀与直流线路之间的连接母线故障，发生故障后，对零序分量影响较大，正负序分量发生轻微震荡，对于交流电流而言，正序分量受影响较大。故障情况下交直流侧的相互影响分为以下两个方面:(1)交流侧发生单相接地故障时，直流侧电压和电流的变化;(2)直流侧发生故障时，交流侧电压和电流的变化。对各电压电流做傅里叶分解分析和正负零序分解分析，观测故障前后电压和电流中正序、负序、零序的变化以及基波分量、直流分量和高频分量的变化
。
结语
随着柔性直流输电技术的不断发展以及日趋成熟，在不同电压等级、新能源并网等各种应用场合，该项技术均得到了推广应用。对于交流系统中现存的保护设备而言，电力电子设备的引入改变了常规交流保护装置运行的理论基础，对于大规模电力电子设备接入后交流保护特性有必要进行重点研究分析。从交流线路保护各元件基本原理出发，结合柔直的基本结构以及典型仿真分析结果，明确了不同元件所受的具体影响。通过本文的研究工作，为后续此类系统中交流线路保护的配置、整定等提供了一定的借鉴，提升了含柔性直流输电系统运行可靠性。
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论文作者:段施奇1, 杨娇2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/15
标签：故障论文; 柔性论文; 电流论文; 系统论文; 电压论文; 输电网论文; 变流器论文; 《电力设备》2017年第24期论文;