学术简报｜柔性直流电网中直流故障特性分析及线路故障重启策略

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摘要

福州大学电气工程与自动化学院、国家电网福建省电力有限公司电力科学研究院的研究人员苏见燊、郭敬东、金涛，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，直流侧故障是基于模块化多电平换流器（MMC）的高压直流输电（HVDC）的关键问题，特别是柔性直流输电推广应用到架空线场合。

本文针对柔性直流电网系统，研究其直流极间短路故障特性，建立半桥型MMC故障等效电路并推导对应的过电流解析方程。接着探究混合式直流断路器开断故障电流的工作方式，基于混合式直流断路器提出一种线路故障重启策略。最后在PSCAD/EMTDC平台上，搭建直流电网系统仿真模型，证明所提出方案的有效性和可行性。

结果表明，在混合式断路器重合闸之后0.1s内，各换流站的功率恢复并维持稳定运行，能够使直流电网稳健快速地穿越线路极间短路故障。

模块化多电平换流器由德国学者R. Marquardt和A. Lesnicar在2001年提出，迅速推广到高压直流输电领域。换流站拓扑采用半桥型子模块、全桥型子模块等，易实现高电压或高功率。与两电平电压源换流器（Voltage-Source Converter, VSC）相比，该拓扑结构具有许多优点，如模块化程度高、谐波含量低、开关频率低和运行损耗低等，是新一代电压源换流器中的佼佼者。

随着柔性直流输电技术向多端直流输电系统和直流电网发展，直流故障保护显得尤其重要。与两端模块化多电平换流器的高压直流输电（Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current Transmission, MMC-HVDC）系统相比，多端直流输电系统和直流电网具有显著优点，即运行方式经济灵活，但也有直流电网架构复杂、端数多等缺点。所以直流电网发生故障对电力系统的威胁更大，故障特性分析也更为复杂。目前正在建设中的张北±500kV柔性直流输电工程采用架空线进行多端互联输电。

由于半桥型子模块所需元器件少，成本低，国内已投运的工程大都采用半桥型子模块，但半桥型子模块不具备直流故障自清除能力，故采用电缆输电来减少直流线路故障率，例如上海南汇工程、南澳工程和厦门示范工程等。与架空线相比，电缆远距离输电成本高涨。柔性直流输电技术扩展到架空线场合是电网技术发展的趋势。因此，研究以架空线路输电且具有故障清除能力的直流电网技术显得尤为重要。

有学者分析了单极接地、极间短路和断线三种故障对系统的影响并提出相应的保护策略。
有学者探究了系统站内接地故障下持续电容充电导致子模块过电压，并制定相应的控制策略。
有学者研究了MMC-HVDC系统直流侧故障暂态特性，并与伪双极MMC-HVDC比较故障对系统的危害。
有学者针对多端直流系统拓扑，讨论系统不同接地方式，研究直流侧单极对地短路故障特性。现有研究集中于双端MMC-HVDC系统直流故障，而关于直流电网系统直流故障的研究较少。

在直流输电网络中，当某一线路发生故障时，使交流侧断路器动作，导致该故障线路两端的换流站均停运，这种故障处理方法可靠性低，不适用于直流电网。利用高压直流断路器能够在几ms内断开故障电流，减少故障电流对电力器件的威胁到最小且仅该线路停运，不中断其他线路功率输送。

近年来，高压直流断路器已取得不错的进展。ABB公司在2012年研制出第一台混合式高压直流断路器样机，电流分断能力为9kA，分断时间为5ms。国家智能电网研究院在2015年自主研制出世界首台200kV混合高压直流断路器，电流分断能力为15kA，分断时间为3ms。

本文对柔性直流电网系统展开研究，首先探究直流电网拓扑连接方式及MMC电路拓扑，分析直流线路极间短路故障特性，换流站拓扑为半桥型的MMC故障等效电路并推导对应的过电流解析方程；接着探究混合式直流断路器开断故障电流的工作原理，基于混合式直流断路器提出一种线路故障重启策略；最后在仿真平台上搭建直流电网系统仿真模型，验证所提出方案的有效性和可行性。

图9 线路故障重启方案流程

图10 四端直流电网拓扑

总结

本文针对直流电网系统，分析MMC直流极间短路闭锁前和闭锁后故障特性，推导了相应的故障电流解析式。研究了混合式直流断路器开断故障电流的工作过程，可在5ms左右断开故障电流。

从仿真结果来看，在换流站出口处配置限流电抗器能起到抑制电流作用。当线路发生极间短路故障，各换流站输入功率波形波动范围较小，负荷功率输送基本不受影响。混合式直流断路器重合闸之后，需要0.1s左右，各换流站的功率恢复并维持稳定运行。本文提出的线路故障重启策略，能够使柔性直流电网稳健快速地穿越线路极间短路故障且IGBT未出现闭锁现象。