新保护方法，可有效抑制光伏电站直流汇集电缆的故障电流

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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

重庆大学电气工程学院、云南电网有限责任公司电力科学研究院、上海交通大学电子信息与电气工程学院的研究人员奚鑫泽、黄文焘、张林、孙磊、邰能灵，在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文（论文标题为“基于串联电抗的光伏电站直流汇集接入系统低压电缆综合保护方法”），针对光伏电站直流汇集接入系统，提出一种基于串联电抗的低压直流电缆综合保护方法。

通过在低压直流电缆与电力电子装置连接处串入限流电抗，抑制故障电流，以延长保护动作时间。本文改进了电流微分量的获取方法，利用电缆两侧电压和电流数据计算出电缆故障位置，实现直流低压电缆保护。该保护方法不受故障类型、位置和过渡电阻的影响，采用故障动作判据简单可靠，在保护动作的过程中，可以获取故障位置，同时在数据不同步的情况下，该方法仍可实现正确动作。通过PSCAD/EMTDC仿真分析其有效性，仿真结果表明该方法能实现直流电缆保护和故障定位，适用于直流输配电网。

随着能源需求增加，光伏发电等可再生清洁能源发电技术得到迅速发展。与交流汇集方式相比，光伏电站因其直流输出特性更易于实现直流汇集。光伏电站直流汇集方式具有以下优点：①直流升压汇集线路损耗小、输送容量大、效率高；②利于实现多端直流汇集直流升压汇集（MTDC）及高压直流输电（HVDC）。

光伏电站直流汇集系统中DC-DC变换器和逆变器等含有大量电容元件，当直流电缆发生故障，直流侧电容快速放电，放电电流将在几毫秒内上升至峰值，故障放电过程对直流电网具有很强的冲击，易造成电力设备的损坏。因此，限制故障电流和快速隔离故障成为直流电缆保护的关键问题。

一方面，在直流电缆增设必要的故障限流装置，抑制故障过程对系统的冲击和影响；另一方面，直流电缆保护方法应具备快速响应与判断的能力，一旦发生故障，保护必须快速识别并隔离故障，确保电网和电力设备的安全。

由于直流电网的故障特征不同于交流电网故障特征，已有交流电网故障保护技术难以直接应用于直流电网。文献[5,6]研究了基于直流电流变化量的地铁直流系统保护，可以为光伏电站直流电缆保护提供参考；文献[7,8]研究分析了直流配网的故障特性，其故障分析方法具有参考意义。

文献[9]研究了光伏电站交流汇集系统的故障特性，并提出了线路距离保护方法；文献[10]提出了适用于直流配电网的测距式保护方案，但所提保护算法需要增加电压互感器；文献[11,12]针对多端直流配电系统，通过电流或功率的突变量判断是否发生直流故障，在故障发生后，采用握手方法实现直流故障的定位和隔离。

文献[13]提出了基于混合型模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的主动限流控制方法，对研究两电平换流器直流电网故障具有借鉴意义；文献[14]提出了基于直流电压变化率的直流电网直流故障保护方法；文献[15]提出了一种具有直流故障限流能力的改进型子模块MMC拓扑结构，能够在故障时实现电流阻断；文献[16,17]研究了超导故障限流器在直流电网中的应用，探索了新技术在直流电网保护的应用前景。

本文针对大型光伏电站直流汇集电缆故障电流峰值高，上升速度快，具有很强的冲击性的特点，提出了一种基于限流电抗的直流电缆综合保护方法，并进行相应的仿真分析。

图1 光伏电站直流升压汇集系统拓扑

图2 直流升压汇集接入系统低压拓扑结构

图4 直流汇集低压电缆综合保护方案

结论

光伏电站直流升压汇集系统直流线路故障电流峰值高，上升速度快，具有很强的冲击性，为了抑制故障电流，保护系统脆弱元件，同时延长保护的动作时限，本文改进电流微分量的获取手段，提出了直流电缆综合保护方法。仿真结果表明，基于串联电抗的光伏电站直流汇集接入系统低压电缆综合保护方法有以下优点：

1）能够不受故障类型、位置和过渡电阻的影响，在5ms内快速识别和隔离极间故障及单级接地故障。

2）故障动作判据简单可靠，并且可以得到故障位置信息，便于故障检修。