摘 要：随着技术的发展，柔性直流输电网将成为智能电网和能源互联网的关键组成部分，但保护技术的不成熟一定程度上限制了其应用。结合国内外对其保护技术相关方面的研究做了以下工作:首先，简述了柔性直流配电系统关键设备VSC换流器和直流变压器的控制策略，分析了适用于柔性直流配电系统的多端协调控制策略。然后，介绍了系统交流侧不对称故障和直流侧单极接地与极间短路情况下的故障特征，并分析了系统接地方式对故障特性的影响。随后，对其故障隔离手段和故障检测、识别原理进行了综述，简要分析了各种原理的优缺点。最后，列举了柔性直流配电系统保护技术所要重点关注和研究的问题。
关键词:柔性直流输电网；故障检测；故障隔离
引言
柔性直流输电技术已经广泛应用于远距离大容量输电，广泛应用于城市供电系统。柔性直流输电网(FlexibleDCpowerdistributionnetworks，FDCPDN)的中压直流系统通过电压源换流器(VoltageSourceConverter，VSC)和交流侧主电网连接，负荷和分布式电源则可以通过相应的逆变器或直流变压器(DCTransformer，DCT)与中压直流系统相连接。相对于柔性直流输电，柔性直流输电网:1)电压等级更低，且在一个系统中可能有多个直流电压等级，需要功率可以双向流动的直流变压器；2)涉及分布式电源、储能设备、直流负荷、直流变压器、充电站等源－网－储－荷设备和系统；3)柔性直流配电系统有多种运行方式，控制和保护策略均应随之改变。
1直流断路器基本结构及动作原理
1.1直流断路器基本结构
本文用于隔离故障的直流断路器模型采用ABB公司提出的混合型结构，如图1所示。该断路器由正常通流部件和故障断流部件并联构成。其中，正常通流部件由超高速隔离开关（ultra-fastdisconnector，UFD）和负载转移开关（loadcommutationswitch，LCS）串联构成；故障断流部件由多个主断路器（mainbreaker，MB）分段串联构成。各部分的基本结构如下。1）主断路器：为断路器的核心部件，决定了断路器的承压及断流能力。主断路器由多个分段串联而成。每个分段由一系列串联的半导体器件加一个并联的避雷器构成。为提升断路器的开断能力，分段中的单个半导体器件可采用多个IGBT并联构成。主断路器需具备双向断流能力，并承受极对地电压。2）负载转移开关：具体结构与主断路器分段类似，由多个开关单元串联而成，其中每个开关单元均包括若干正、反向串联的IGBT及其反并联二极管。由于其不需要承受较高的电压，因此其所需的电力电子器件较少。负载转移开关需具备双向断流能力。3）超高速隔离开关：需具有零电流状态下快速断开电路的能力，在当前技术水平下，其开断时间为2ms左右。
1.2混合型高压直流断路器隔离故障线路的原理如下：
（1）稳态运行时，超高速隔离开关以及负载转移开关处于闭合状态，主断路器处于关断状态。直流电流通过正常通流部件流通。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（2）当直流线路发生故障，要求混合型直流断路器开断故障线路时，首先对负载转移开关施加关断信号，经过250μs左右的延时，电流被转移到故障断流部件中。（3）当负载转移开关完成开断动作后，对超高速隔离开关施加开断信号。经过约2ms的时间延时，超高速隔离开关完成开断动作。
2直流电网故障保护的2种基本策略
（1）对于半桥子模块MMC加直流断路器的直流电网构网方式，如何快速检测直流故障并隔离故障线路是一个极富挑战性的问题。常规策略是沿用交流电网的做法，先由继电保护系统判断出故障地点，然后由断路器隔离故障线路。但这种做法对继电保护系统的快速性和选择性提出了极高的要求，一般条件下要求故障定位速度比普通交流线路保护快1个数量级。如果直流电网的故障定位速度停留在点对点传统直流输电的故障定位速度上，即故障定位时间在10ms左右，那么要求直流断路器切断的故障电流水平就会上升到非常高的水平，使直流断路器的造价大幅度上升。其后果是严重限制了半桥子模块MMC加直流断路器这种构网方式的应用。
（2）就地检测故障就地保护的思路，包含2层意思。第1层意思是指换流器，若半桥子模块桥臂电流大于子模块额定电流2倍则换流站自动闭锁。第2层意思是指直流断路器，当流经直流断路器负载转移开关的电流大于正常最大电流的2倍时，该负载转移开关就立刻动作，并起动该直流断路器动作的整个过程。即线路两侧的断路器独立完成故障检测和跳闸动作，2者之间不需要协调。实践表明此种故障处理策略非常适合于直流电网，具有极高的快速性和选择性，可以大大降低要求直流断路器切断的故障电流水平，从而降低直流断路器的造价。下面分别考察上述2种故障处理策略，策略1沿用交流电网做法，由继电保护系统主导故障处理过程；策略2基于就地检测就地保护的故障处理思路。
结语
作为极具潜力的柔性直流输电网，在世界范围内受到越来越多关注。但现阶段，包括继电保护技术在内的一些因素还限制着柔性直流配电技术的广泛推广和应用。本文介绍了柔性直流配电系统的故障特征，及故障检测、识别和隔离策略。最后讨论了直流配电系统保护技术面临的一些问题。
参考文献:
［1］毕大强，张芳，曾祥君，等．船舶直流区域输电网的故障恢复研究［J］．电力系统保护与控制，2015，43(19):60－65．
［2］曾嘉思，徐习东，赵宇明．交直流输电网可靠性对比［J］．电网技术，2014，38(9):2582－2589．
［3］郑欢，江道灼，杜翼．交流输电网与直流输电网的经济性比较［J］．电网技术，2013，37(12):3368－3374．
［4］赵彪，赵宇明，王一振，等．基于柔性中压直流配电的能源互联网系统［J］．中国电机工程学报，2015，35(19):4843－4851．
［5］季一润，袁志昌，赵剑锋，等．一种适用于柔性直流输电网的电压控制策略［J］．中国电机工程学报，2016，36(2):335－341．
［6］杨杰，郑健超，汤广福，等．电压源换相高压直流输电系统接地方式设计［J］．中国电机工程学报，2010，30(19):14－19．
论文作者:吴方,王冬伟,董臣,付玉婷
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/27
标签：断路器论文; 故障论文; 输电网论文; 柔性论文; 系统论文; 电网论文; 负载论文; 《电力设备》2017年第23期论文;