架空线应用直流电网故障保护的相关技术研究-北极星输配电网

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随着化石能源的日益枯竭和环境承载能力的日益减弱，我国亟待调整以传统化石能源为主导的能源战略结构，并逐步提升可再生能源所占比例。直流电网为高比例可再生能源并网和消纳问题的解决提供了一种有效方案。考虑到我国风电、光伏等可再生能源的分布特点，架空线组网仍然是未来直流电网的主流方式，而采用架空线输电方式必然会导致系统故障概率的增加，因此迫切需要突破架空线应用直流电网故障保护相关技术。

1、论文所解决的问题及意义

由于直流电网的低阻尼特点，其直流故障具有发展速度快、影响范围广等特点，极易造成“局部故障，全网停运”。为了解决架空线直流电网保护的问题，提高直流电网的运行可靠性，论文从直流电网系统配置的角度，结合当前直流电网主设备与保护技术的发展现状，以典型四端环形电网为例（如图1所示），对比分析了基于直流断路器和故障自清除换流器的两种典型架空线直流电网保护方案的技术特点，为后续保护策略的研究、直流电网的系统设计等提供借鉴。

直流电网

图1四端并联式环型直流电网示意图

“半桥MMC换流器+直流断路器”方案系统故障清除流程与交流系统较为类似，故障的清除和重启并不影响系统其它部件的稳定持续运行，系统的电压和功率扰动最小。“自清除换流器+直流快速开关”方案需要换流站全局闭锁，功率传输中断时间非常较长。对于高比例可再生能源的接入来说，可能会引起风场等弱系统的频率和电压大幅度波动，造成风场停运，无法实现故障穿越。两种方案下受端换流站（S4）功率仿真结果如图2所示。

换流器功率

图2两种方案下受端换流器功率仿真对比

2、论文重点内容

论文分析和探讨了如下几个方面的问题：（1）架空线直流电网继电保护对测量、定位、故障电流抑制/切断以及保护配合的需求；（2）设备级、直流系统和交流电网三个层次对直流电网保护的要求；（3）基于直流断路器和故障自清除换流器的直流电网保护方案的基本流程与性能特点。

3、结论

基于“半桥MMC换流器+直流断路器”的架空线直流电网线路保护方案能够实现快速的故障线路清除与系统重启，在一站闭锁期间仍能实现最小约23%的功率传输，对交流系统的影响较小，但需要解决超高速继电保护技术等技术难题。

基于“自清除换流器+直流快速开关”的直流电网保护方案无法保证故障与重合闸期间功率的持续传输，且故重启时间较长，该方案仅适用于小规模或强交流系统接入的应用场合。

作者简介

吴亚楠（1982），女，工学博士，高级工程师，主要从事柔性直流输电技术、直流电网运行特性与系统设计方面的研究工作。

贺之渊（1977），男，工学博士，教授级高级工程师，全球能源互联网研究院直流输电技术研究所所长，先进输电技术国家重点实验室副主任，国家创新团队核心成员，北京市青年拔尖团队负责人，获中国专利金奖、优秀奖各1项；获省部级科技进步一等奖3项，三等奖1项，发明二等奖1项；获国家电网公司科技进步特等奖2项，一等奖3项。发表学术论文80余篇，参与出版学术专著3部，主要从事特高压直流输电、柔性直流输电、大功率电力电子技术及其在电力系统中的应用研究。

吕铮（1977），男，工学学士，工程师，主要FACTS及HVDC设备的控制保护研究工作。

孔明（1986），男，工学博士，工程师，主要从事柔性直流输电与直流电网控制保护研究工作。

周啸（1986），男，工学博士，工程师，主要从事直流电网系统分析、仿真与控制研究工作。

范征（1983），男，工学硕士，工程师，主要从事直流电网技术研究工作。

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