柔性直流系统故障分析与保护「限流保护和过流保护」

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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网江苏省电力公司经济技术研究院、国网江苏电力设计咨询有限公司的研究人员周光阳、李妍、何大瑞、韩民晓、黄闻而达，在2020年第7期《电工技术学报》上撰文，针对采用模块化多电平换流器的多端直流系统故障电流大、上升速度快，现有混合式直流断路器无法快速有效隔离故障区域的问题，提出一种新型故障处理策略。仿真结果表明该配合策略能够快速地隔离故障，实现非故障站的故障穿越，提高了MTDC系统的稳定运行能力。

随着大容量远距离输电、大规模可再生能源并网、孤岛供电等电力传输需求的提出，基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流输电技术，因其谐波畸变小、拓展性好等优点得到广泛关注。与两端系统相比，多端直流输电（Multi-Terminal HVDC, MTDC）可实现多电源供电和多落点受电，具有较好的灵活性、经济性和稳定性，应用前景广阔；如舟山五端柔性直流输电工程、张北多端直流工程等均为多端直流系统。

现阶段已投运的MMC-HVDC工程，子模块大多采用半桥（Half Bridge, HB）MMC结构[8]。但该结构无故障清除能力，且直流系统无自然过零点；因此缺少损耗低、分断速度快的可靠直流系统保护设备，成为制约其快速发展的重要原因。传统的点对点直流系统可以通过跳开交流侧断路器的方法实现直流侧故障清除；但对于多端系统，上述方法将可能导致整个系统停运。因而MTDC系统的故障保护成为当下研究热点。

现有保护方法的研究主要可以分为三类。

第一类为跳开交流断路器（AC Circuit Breaker, ACCB）清除直流故障。有学者通过故障发生后跳开所有ACCB隔离故障，但会造成整个MTDC系统停运；有学者采用ACCB与快速直流隔离开关配合实现了故障清除的选择性，但故障清除时间过长，降低了系统运行可靠性。第二类为采用具有故障阻断能力的子模块结构。有学者提出了由半桥子模块和改进的半桥子模块构成的新型混合MMC结构，有学者提出一种电流转移型MMC拓扑，有学者设计了反向阻断型半桥子模块及其构成的混合子模块拓扑，上述研究均证明了改进拓扑对直流侧故障抑制的有效性，但要改变子模块结构，不适用于已建成的MMC-HVDC工程。第三类为采用直流断路器（DC Circuit Breaker, DCCB）清除故障。有学者仅利用混合式DCCB清除故障，但故障电流上升速度快的特点对DCCB的开断速度提出极高的要求；有学者通过改变电网连接方式来降低故障开断过程对DCCB的要求，但改造电网成本较大，经济性较差。

当桥臂电流达到额定值的两倍时，将闭锁MMC换流站，对故障快速恢复不利；而现有断路器无法在换流站闭锁前开断故障电流。随着第二代高温超导材料的提出，超导在电力系统中的应用日益增加。针对超导限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）与DCCB配合的故障清除策略也有许多研究。

有学者研究了SFCL与ACCB配合的故障清除，所用的测试系统较简单，且故障清除时间长，无法推广到多端系统。有学者研究了混合式限流器与DCCB配合的多端系统故障穿越策略，但所提限流结构在故障发生时将超导短路，无法体现SFCL的限流优势。有学者研究了SFCL与DCCB的协调配合方法，但仅研究了故障清除阶段，故障后的恢复过程没有涉及，没有提出完整的配合策略。

针对MTDC系统直流侧短路故障清除问题，新能源电力系统国家重点实验室、国网江苏省电力公司经济技术研究院、国网江苏电力设计咨询有限公司的研究人员提出SFCL与DCCB配合的新型故障处理策略。通过对比电感型超导限流器（Inductive-SFCL, ISFCL）和电阻型限流器（Resistive-SFCL, R-SFCL）对短路电流的影响，选取更具限流优势的R-SFCL，结合实验结果建立其失超和恢复超导态的等效模型。进一步分析R-SFCL和DCCB的配合原理，并提出R-SFCL和DCCB配合的时序图和故障处理流程。在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提保护策略的合理性。

图1 多次故障下SFCL与DCCB的配合流程

研究人员最后得出以下结论：

1）SFCL具有正常运行时对系统无影响、故障后自动失超限制短路电流的优势。对比I-SFCL与R-SFCL，得出两类限流器都能够限制故障电流的上升率。但R-SFCL能改变系统的放电状态，减缓电压下降速度，同时降低故障电流的幅值，对限制故障电流的发展和故障清除更有利。

2）所提保护策略，能在换流站端口发生瞬时双极短路时保持所有换流站不闭锁，实现整个MTDC系统的故障穿越。R-SFCL的加入限制了故障电流的上升率，使DCCB能够在换流站闭锁前开断故障电流，从而使HBMMC-MTDC系统在故障清除后能够快速恢复正常运行，提高MTDC系统的可靠性，减小了直流侧故障对交流系统的影响。

3）对于发生永久性故障的MTDC系统，R-SFCL与DCCB配合能够仅切除故障区域，其余换流站在受到短暂扰动后能按预设策略快速恢复正常运行，不致于造成整个MTDC系统的崩溃；重合闸过程中R-SFCL再次失超，能够再次限制故障电流上升，避免因重合闸造成换流站闭锁，而导致无法恢复剩余系统的正常运行。

以上研究成果发表在2020年第7期《电工技术学报》，论文标题为“含限流器的多端柔直系统故障保护策略”，作者为周光阳、李妍、何大瑞、韩民晓、黄闻而达。