摘要：随着电力电子技术的发展，柔性直流电网成为未来能源互联网发展的重要方向。区别于常规直流输电、两端及多端柔性直流输电系统，柔性直流电网故障特性更加复杂、故障隔离设备多样化，对保护技术提出了更高要求。基于柔性直流电网自身特性和直流故障特性，具体指出了相应的保护需求。从故障检测识别方法、故障隔离设备及对应的保护方案等方面，系统地介绍了国内外对于柔性直流电网直流线路保护技术的研究现状。重点对不同的故障检测识别方法和保护方案进行了总结和评析。最后对柔性直流电网故障保护技术后续研究提出了建议。
关键词：柔性直流电网；故障保护；故障检测与识别
中图分类号：TM721 文献标识码：A
1 引言
在我国，电力能源承担着实现国民经济大发展的重任，其重要地位不言而喻。然而，对电力能源需求不断扩大以及我国东西部不平衡的发展状况，导致我国电力能源分布不均必须依赖跨区域的输电系统实现全国电力能源的均衡。传统的交流输电系统和两端直流输电系统正在发挥着不可替代的作用。然而，随着新能源分布式发电接入、孤岛供电、城市供电、配电网设置等应用领域的扩大，传统的两端直流输电系统已经难以适应时代的发展，多端直流输电系统逐渐成为研究和应用的热点。
2 多端柔性直流输电系统介绍
目前多端柔性直流输电系统常用的网络拓扑结构包括串联拓扑结构、并联拓扑结构及混联拓扑结构。串联拓扑结构是将所有的变换器以串联的形式级联在一起，串联拓扑结构的多端柔性直流输电系统，变换器承受的电流是相同的，通过调节直流侧电压实现负载端功率分配。串联拓扑结构的多端柔性直流输电系统容易受到线路故障、变换器故障等问题造成全系统供电故障，可靠性较低。并联拓扑结构多端柔性直流输电系统采取的是并联端口直流母线电压相同，通过调节输送直流电流实现功率匹配。并联拓扑结构的多端柔性直流输电系统具有方便清除故障、系统动态稳定性高等优势。混联拓扑结构的多端柔性直流输电系统是既有串联结构也有并联结构的输电系统结构，这种输电系统拓扑结构有效结合了串联拓扑结构和并联拓扑结构的优势，既能极大地提高系统灵活性，也能减少直流输电系统的能耗损失。
3 柔性直流电网在故障保护方面面临的挑战
3.1 柔性直流电网故障特性复杂
柔性直流电网中包含的关键设备元件众多，不同元件在发生故障时的暂态特性并不一致，且针对同一元件上的故障，其故障特性也会受到故障位置、故障类型、网架拓扑等多方面因素的影响，具有多特征态的特点。另一方面，两端直流系统和多端直流系统的连接方式较为简单，相比而言，柔性直流电网的连接方式复杂度大大增加，故障电流的传播路径增多，波及范围更广。
3.2 故障快速检测与准确识别要求高
为避免因直流故障对柔性直流电网内关键设备造成损坏，一般来说，要求在5ms内实现故障切除。实现故障切除首先需要对故障进行检测与识别，才能进一步确定需要动作的故障隔离设备。考虑到故障隔离设备需要一定的动作时间，柔性直流电网的故障检测和识别技术需要在传统检测和识别技术的基础上，缩短检测时间，提高响应灵敏度。同时，对于柔性直流电网内故障元件的准确识别也是一个重要方面，如果故障元件识别错误，可能会引起故障切除范围增大甚至造成更多的故障。因此如何满足故障的快速检测和准确识别要求是柔性直流电网保护技术的一大难点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.3 故障隔离设备的多样化与保护方案的系统化
柔性直流电网中可能存在的故障隔离设备包括直流断路器、具有故障自清除能力换流器、超快速机械开关(UFD)等，在进行故障隔离时，可能需要不同故障隔离设备的共同参与，动作时序需要协调配合。柔性直流电网内保护方案不仅需要考虑故障隔离设备的多样性，还需考虑系统对于供电可靠性和经济性的需求，当换流器进行故障隔离时，也切断了与之相连线路上的功率交换，供电可靠性较差，而动作直流断路器可以完成故障线路的切除，对系统总体传输功率影响小，供电可靠性较好，但现阶段高压大容量直流断路器造价高。因此需要立足于系统的整体需求合理制定相应的保护方案。
4 柔性直流电网故障保护方案
4.1 电压型下垂控制
传统的电压型下垂控制策略，通过调整下垂系数实现多端柔性直流输电系统中直流电压和有功功率的分配。而下垂系数的取值，则是影响多端柔性直流输电系统直流电压质量的重要影响因素。下垂系数取值过大，会导致多端柔性直流输电系统输出直流电压低于实际电压；下垂系数取值过小，则会导致多端柔性直流输电系统功率分配性能差。因此，如何选取下垂系数是传统电压型下垂控制策略的关键之一。电压型下垂控制的优势在于，在多个变换站之间形成协同控制时，无须过度依赖多端柔性直流输电系统的上层控制，而且对各个变换站之间的信号传输速度和精度要求不高，比较适应于结构简单的多端柔性直流输电系统。但是，采用电压型下垂控制的多端柔性直流输电系统，一旦发生大范围、长时间的功率波动，则多端柔性直流输电系统无法保证自身稳定性。因此，基于电压型的下垂控制策略只是能用于功率稳定、波动较小的多端柔性直流输电系统。
4.2 电压裕度控制
电压裕度控制就是在主从控制的基础上，主变换站不仅要控制恒定的输出电压，而且还应具有功率控制余量，因此当多端柔性直流输电系统受到输电电流干扰时，可通过主变换站的电压裕度控制实现功率控制与调节。与之对应，从变换站也在原有功率或交流电压控制基础上，增加了输电系统电压裕度控制余量。当多端柔性直流输电系统存在干扰并造成功率超限时，从变换站可通过电压裕度控制实现功率和电压的交替控制调节，确保多端柔性直流输电系统的稳定运行。电压裕度控制策略常采用模拟控制法，将多端柔性直流输电系统直流电压控制和有功功率控制切换过程进行模拟控制。在电压裕度控制下进行直流电压和有功功率切换时，如果电压值超过控制策略中设定的电压裕度，可采用PI控制器对直流电压控制和有功功率控制进行切换。此外，在切换过程中，单独的直流电压控制与有功功率控制相互排斥。目前，通过改进电压裕度控制算法，已经可以实现直流电压控制与有功功率控制之间的快速切换，在切换过程中能更好地调整和控制多端柔性直流输电系统直流母线电压。
5 结束语
在我国“西电东送”、节能减排、分布式能源发展等电力能源应用的背景下，多端柔性直流输电系统这种新颖的输电技术逐渐成为研究和应用的热点。随着多端柔性直流输电系统的网络结构越来越复杂，对控制策略的要求也越来越高。该文通过对多端柔性直流输电系统的结构形式和控制方式的分析，在多端柔性直流输电系统研究和构建过程中，必须结合多端柔性直流输电系统的结构特点，有针对性地设计控制方式和控制策略，从而确保多端柔性直流输电系统能够稳定、可靠地运行。
参考文献：
[1] 刘云.我国特高压直流输电通信技术的巴西工程本地化通道设计方案[J].电网技术,2018,42(03):973-980.
[2] 李海峰. 基于MMC的柔性直流电网协调控制策略研究[D].华北电力大学(北京),2017.
[3] 程浩忠,李隽,吴耀武,陈皓勇,张宁,柳璐.考虑高比例可再生能源的交直流输电网规划挑战与展望[J].电力系统自动化,2017,41(09):19-27.
[4] 刘自伟. 含柔性直流的交直流混合输电网运行特性研究[D].重庆大学,2017.
[5] 舒雅丽. 基于交直流混合潮流计算的特高压输电定价研究[D].华北电力大学(北京),2017.
论文作者:李 强,王晋强,吕海霞,左玲娜,陈 敏,王海波
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/29
标签：柔性论文; 故障论文; 电压论文; 系统论文; 多端论文; 拓扑论文; 功率论文; 《中国电业》2019年第12期论文;