柔性直流输电网的故障保护原理研究刘虎

柔性直流输电网的故障保护原理研究刘虎

刘虎

(国网湖北省电力有限公司检修公司湖北宜昌443001)

摘要：区别于采用晶闸管的常规直流输电技术，柔性直流输电技术利用全控型器件的开通和关断均可以灵活控制的特点，能够实现更为优异的性能控制，更为灵活地调节输送的有功以及无功功率。基于柔性直流输电技术的优点，该技术在包括孤岛和弱电网供电、大型城市供电、可再生能源并网、直流网络构建等领域得到了实际的工程应用，并开始逐渐推广。在PSCAD/EMTDC平台上对双端柔性直流输电系统进行仿真分析，仿真结果验证了该新型行波保护具有良好的灵敏性，并且具有较强的抗干扰能力。

关键词：柔性直流输电；直流线路；行波保护

引言

相比传统的基于电流源变换器的直流输电，基于电压源变换器的直流输电（VSC-HVDC）是一种更经济有效的电力传输技术，可以有效克服一些传统直流输电的缺陷，特别适合于可再生能源并网、城市电网供电和异步交流电网互联等场合。由于其特殊的拓扑结构和控制策略，线路发生故障后故障电流上升快、极易损坏换流元件，因此直流线路保护在直流系统中起着至关重要的作用。

1柔直结构及调控特性

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。

2改进行波保护

通过上文的分析，提高采样率后极波判据具有良好的灵敏性，由于行波属于高频信号，其主频在10~100kHz，过低的采样率无法得到精确的数据，而过高的采样率又会影响计算速度，经综合考虑，本文所提出的改进行波保护采样率为100kHz。结合行波保护快速性的特点，改进后的行波保护兼具速动性和高灵敏性的优点。但是采样率的提高也带来更强的噪声，为了不使保护误动，需要增加判据识别出故障和干扰。雷电干扰和电磁耦合是两种常见的噪声干扰，且雷电波通常具有较大的幅值，电磁耦合具有较长的持续时间，都对线路保护产生较大的影响。因此，下面对雷电波和电磁耦合对行波保护的影响进行讨论。

2.1零序元件适应性分析

零序保护作为高阻接地等故障下的辅助判据，对于线路保护的动作有着至关重要的作用。对于MN所示的交流输电线路而言，换流变压器的接线方式决定了交直流网络之间的零序电流分量不存在直接影响。基于换流变压器的有效隔离作用，对于交流线路零序元件而言：1）交流电网不接地故障时，交流电网中不存在零序电源，换流站也不会输出零序分量，因此交流电网中零序分量接近零，零序过流元件、零序方向元件都不会动作。2）交流电网有不对称接地故障时，只在交流系统中存在零序电源，直流换流站不会向交流电网注入零序分量，因此交流保护中零序方向元件的方向性不受换流站影响。3）交流电网有不对称接地故障时，换流站可看作一动态变化的负序电源和变化量电源，由于正序网络、负序网络与零序网络在故障点处有耦合关系，换流站的调节过程会通过此耦合影响交流电网中零序分量的大小，即影响交流保护中零序过流元件和零序方向元件的灵敏度。

2.2故障选极

由电磁耦合而感应出来的电压波在非故障极沿线路传播产生感应极波。此感应极波可能会使保护装置误动作，因此有必要对感应极波进行分析。单极短路时，故障点处相当于叠加电流源，在故障的初始阶段控制系统还来不及进行调整，故障极极波迅速升高形成波头并向线路两端传播，非故障极由于电磁耦合也会感应出波头，但幅值小，随着故障极极波趋于平稳，电磁耦合的作用随之减弱。因此，非故障极的极波变化率与幅值相比于故障极要小得多。双极短路时，由于双端柔性直流输电系统的两侧换流站结构对称，两极线路参数也一致，因此两极极波的变化也是对称的。据此，提出采用极波差值作为增加的保护判据以区分双极故障与单极故障。由此就构成了现实的极性比较式保护原理，根据保护装置检测到的极波变化极性以及极波差就可以分辨出故障极与非故障极。

2.3负序元件适应性分析

继电保护一个前提是不考虑2个相互无关的故障源的同时发生，亦即不考虑2个小概率事件的叠加。但是对于含柔直输电系统，由于电力电子器件快速控制输出功率特性的变化，改变了先前传统交流系统中等值电源的惯量特征，交流系统故障易于引发柔直系统的特殊运行工况，从而造成2个故障特征的叠加。交流线路近区单相故障时，为了在一定程度上保证系统的功率输送，柔直系统在控制调节期间，会叠加一个负序电压源用以抵消由于交流系统故障形成的负序源，从而能够一定程度上保证柔直侧三相交流电流基本平衡，无零序和负序分量。

结束语

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。为抑制采样率提高带来的干扰，提出以极波斜率比值作为判据用以区分雷电干扰和短路故障，防止雷击直流线路引起保护误动，根据极波变化极性以及极波差值分辨故障极与非故障极。

参考文献：

[1]宋国兵，李德坤，靳东晖，等.利用行波电压分布特征的柔性直流输电线路单端故障定位[J].电力系统自动化，2013，37（15）：83-88.

[2]王宾，陆元园.利用多时刻信息的Ｔ接线路单相接地故障单端测距方法[J].中国电机工程学报，2016，36（10）：2611-2618.

[3]王海军，周全，梁远升，等.基于电压突变量的同塔双回直流输电线路故障选线方法[J].电力系统保护与控制，2015，43（7）：23-29.

[4]杨煜，孙大卫，谢小荣，等.模块化多电平换流器型柔性直流系统的等效仿真方法比较[J].电力系统保护与控制，2015（12）：43-48.