柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

摘要：由于柔性直流输电系统调节方式 和 自 身 结 构 的 特 殊 性，直 流 线 路 的 故 障 电 流 具 有 上 升 速 度 快、峰值大的特点，极易损坏换流器件和设备绝缘，且柔性直流 系 统 无 法 通 过 调 节 触 发 角 实 现 故 障 自 清 除 。 因 此 ，对 直 流 线 路 故 障 处 理 和 保 护 提 出 了 更 高 要 求 。 对 于 柔 性 直 流 线 路 故 障 ，不 仅 需 要 快 速且可靠的线路保护对故障进行识别，也需要相应的处理措施和 手 段 对 故 障 后 的 电 流 进 行 有 效 限 制 ，以 减 少 故 障 冲 击 电 流 对 换 流 器 件 、直 流 线 路 自 身 以 及 系 统 的 损 害 。 基 于 柔 性 直 流 输 电 线 路 的 故 障特征，从直流线路故障电流抑制、减少故障影响、线路保 护 原 理 等 方 面，系 统 地 介 绍 了 国 内、国 外 柔性直流输电线路故障处理与保护技术的现状和发展。重点 分 析 了 几 种 辅 助 电 路、新 型 换 流 器 拓 扑和直流输电结构，以及直流断路器在处理直流线路故障方 面 的 性 能。 探 讨 了 目 前 柔 性 直 流 输 电 线路故障处理和保护亟须解决的关键问题以及未来进一步的研究方向。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｅｐｓ－ｉｎｆｏ．ｃｏｍ １５９
２０１５，３９（２０）源自·综述·由于柔性直流输电系统切除直流侧故障时比较 困难，故目前己建成 的 柔 性 直 流 工 程 线 路 大 多 采 用 直流电缆以降低故障率 。 ［１７］ 相 比 直 流 电 缆，架 空 线 路造价低，在远距离 及 大 功 率 输 送 方 面 具 有 明 显 的 优势，因此基于架空 线 路 的 大 容 量 柔 性 直 流 输 电 系 统也是未来的发展趋势 。 ［１８］ 然 而，柔 性 直 流 输 电 技 术扩展到架空线输电场合面临的一个重要问题是如 何克服其在直流故障下的脆弱性以及对交流系统的 影响，提高直流故障的自清除能力 。 ［１０，１８］ １．２ 控 制 系 统 的 基 本 特 性 及 要 求
传统高压直流输电系统的整流侧和逆变侧一般 都 配 有 低 压 限 流 （ＶＤＣＯＬ）控 制 。 此 外 ，为 防 止 换 流 器产生的谐波电流 进 入 直 流 线 路，直 流 线 路 两 端 安 装有平波电 抗 器 和 直 流 滤 波 器 组 。 ［６－７］ 直 流 线 路 故 障时，由于 ＶＤＣＯＬ 的 调 控 作 用 以 及 平 波 电 抗 器 的 限流，故 障 后 电 流 会 被 限 制 在 ０．４５～０．５５（标 幺 值）［７］。对于瞬时性故障，可通过调节触发角使 整 流 器工作在逆变状态 来 消 除 故 障 电 流，经 过 一 段 时 间 去游离后，系统重启动，恢复供电 。 ［６］ 目前已投 运 的 柔性直流输 电 工 程 多 采 用 两 电 平 或 三 电 平 的 ＶＳＣ 拓 扑 结 构 ，直 流 侧 无 平 波 电 抗 器 ，呈 低 阻 抗 特 性 。 直
图１（ｂ）中虚线框为基本单个子模块，子 模 块 可 以有多种结构，组成具有 不 同 功 能 和 特 点 的 ＭＭＣ。 换流站内包括换流 变 压 器、连 接 电 抗 器 和 换 流 器 等 设备。两电平换流器拓扑结构具有电路结构简单、
电容器数量少、占地 面 积 少 及 易 于 实 现 模 块 化 构 造 等 优 点，但 开 关 投 切 频 率 高、损 耗 大 且 波 形 质 量 差［３］。目前已投运的柔性直流输电工程多采用 两 电 平或三电平的 ＶＳＣ 拓 扑 结 构。 相 比 于 两 电 平 和 三 电平换流器，ＭＭＣ 具有损 耗 成 倍 下 降、阶 跃 电 压 降 低及波形质量高等优 点。ＭＭＣ 虽 然 避 免 了 两 电 平 和三电平换流器拓扑结构必须采用ＩＧＢＴ 直接串联 阀 的 困 难 ，但 所 用 器 件 数 量 多 ，技 术 难 度 转 移 到 了 控 制 方 面 。 ［１０］
柔性 直 流 输 电 线 路 横 跨 区 域 广，相 对 换 流 站 内 部 的 元 件 和 设 备 ，其 故 障 概 率 较 高 ，且 影 响 与 危 害 程 度严重 。 ［１２－１３］ 另一方面，以４００ｋＶ／１ ０００ＭＷ 的直 流 输 电 线 路 为 例 ，考 虑 施 工 费 ，电 缆 的 造 价 约 为 架 空 线路造 价 的 ７～８ 倍［３］，因 此，基 于 架 空 线 路 的 柔 性 直流输电系统也是未来发展的重要趋势之一。与直 流电缆相比，架 空 输 电 线 路 的 故 障 概 率 大 得 多 。 ［１０］ 目前，与换流站内部 故 障 以 及 交 流 侧 故 障 相 关 的 故 障处理和 控 制 保 护 策 略 已 经 形 成 了 一 定 的 理 论 基 础，而柔性直流系统 的 直 流 侧 故 障 处 理 能 力 亟 待 提 升 。 ［１２，１４］ 当发生直流线 路 故 障 时，通 常 采 取 的 措 施 是系统通过改变换 流 器 的 运 行 方 式，来 减 少 直 流 线
综上 所 述，由 于 柔 性 直 流 输 电 系 统 结 构 和 运 行 机 理 的 特 殊 性 ，其 故 障 特 征 比 传 统 高 压 交 、直 流 线 路 故障更加复杂和严 峻，这 就 对 柔 性 直 流 系 统 主 电 路 的参数优化、配合以 及 控 制 器 的 性 能 提 出 了 更 高 的 要 求 。 直 流 线 路 故 障 电 流 上 升 速 度 快 ，峰 值 大 ，故 障 发展在几毫秒之内，极 大 的 冲 击 电 流 极 有 可 能 在 短 时间内造成严重 损 害。 因 此，直 流 线 路 的 故 障 处 理 和保护应贯穿故障发展的整个过程。如何快速地识 别 柔 性 直 流 线 路 故 障 、限 制 故 障 冲 击 电 流 ，从 而 减 少 故 障 电 流 对 换 流 器 件 、线 路 自 身 以 及 系 统 的 损 害 ，是 柔性直流输电线路故障处理和保护面临的挑战。多 端柔性直流系统尤 其 要 求 更 好 地 抑 制 故 障 电 流，快 速 隔 离 故 障 线 路 ，使 非 故 障 线 路 保 持 正 常 运 行 ，以 提 高系统的可用率。本文基于柔性直流输电线路的故 障特征，对目前直流 线 路 故 障 处 理 和 保 护 技 术 进 行 了总结和分析。
第 ３９ 卷 第 ２０ 期 ２０１５ 年 １０ 月 ２５ 日 ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１５０１２５００２
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．２０ Ｏｃｔ．２５，２０１５
柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述
刘 剑 ，邰 能 灵 ，范 春 菊 ，黄 文 焘
（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 ２００２４０）
１ 柔 性 直 流 输 电 系 统
１．１ 柔 性 直 流 输 电 系 统 结 构 柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技
术，同样由换流 站 和 直 流 输 电 线 路 组 成。 柔 性 直 流 输电系统基本结构如图１所示。对于两端柔性直流 系统，两端换流 站 结 构 呈 对 称 性。 已 有 的 柔 性 直 流 输电工 程 采 用 的 ＶＳＣ 主 要 有 ３ 种，即 两 电 平 换 流 器、二极 管 钳 位 型 三 电 平 换 流 器 和 ＭＭＣ［３］。 两 电 平换流器系统结构如图１（ａ）所 示，三 电 平 换 流 器 与 两电平原 理 基 本 一 致，此 处 不 再 给 出。 基 于 ＭＭＣ 的直流换流站如图 １（ｂ）所 示［１１］。 图 １ 中 实 线 表 示 直流线路故障时，换 流 器 闭 锁 后 系 统 的 能 量 馈 流 回 路。
图 １ 柔 性 直 流 输 电 系 统 基 本 结 构 Ｆｉｇ．１ Ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＶＳＣ－ＨＶＤＣ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ＶＳＣ－ＨＶＤＣ 一般采用 在 直 流 侧 分 裂 电 容 引 出 中性点接地支路，而 ＭＭＣ－ＨＶＤＣ 则 一 般 采 用 交 流 侧接 地 的 方 式［１４］，但 ＶＳＣ－ＨＶＤＣ 和 ＭＭＣ－ＨＶＤＣ 实际上均为单极对称系统。正常运行时接地点不会 有 工 作 电 流 流 过 ，不 需 要 设 置 专 门 的 接 地 极 ，而 当 单 条直流线路或换流 器 发 生 故 障 后，整 个 系 统 将 不 能 继续运行 。 ［１０］ 为 了 提 升 柔 性 直 流 输 电 系 统 的 功 率 容量和电压等级，若干容量较小 ＶＳＣ 或 ＭＭＣ 基本 换流器单元可以串 并 联 构 成 组 合 式 换 流 器，再 由 组 合式换流器构成与传统高压直流系统类似的双极对 称 系 统 。 ［１０，１７－１８］
关 键 词 ：柔 性 直 流 输 电 ；系 统 结 构 ；故 障 特 征 ；故 障 处 理 ；直 流 线 路 保 护
０ 引 言
基 于 电 压 源 型 换 流 器 （ＶＳＣ）和 模 块 化 多 电 平 换 流器（ＭＭＣ）的柔性 直 流 输 电 系 统 （以 下 简 称 ＶＳＣ－ ＨＶＤＣ 和 ＭＭＣ－ＨＶＤＣ）具有 独 立 调 节 有 功 功 率 和 无功功率及向无源 网 络 供 电 等 特 点，克 服 了 传 统 高 压直 流 输 电 （ＨＶＤＣ）的 本 质 缺 陷，因 此 被 广 泛 应 用 于大规模可再生能源远距离传输领域 。 ［１－３］ 然 而，与 传统高压直流输电 系 统 相 比，柔 性 直 流 系 统 缺 乏 低 压限流功能和成熟 的 直 流 开 关 器 件，直 流 线 路 的 保 护和故障处理技术成为限制柔性直流输电系统发展 的主要因素之一 。 ［４－５］
ＭＭＣ 是 ＶＳＣ 的 一 种 新 型 拓 扑，ＭＭＣ－ＨＶＤＣ 的直流侧没有高压 电 容 器 组，桥 臂 电 感 和 分 布 式 储 能电容器相串联，可 以 直 接 限 制 线 路 故 障 电 流 的 上 升率，使得 故 障 容 易 清 除 。 ［１０］ 然 而，当 直 流 线 路 故 障时，尽管没有大电容放电的冲击过程，与ＩＧＢＴ 并 联的二极管构成了 不 可 控 的 整 流 桥，在 换 流 阀 闭 锁 后，交流系统仍向直流侧馈入电流 。 ［９，１１］
收 稿 日 期 ：２０１５－０１－２５；修 回 日 期 ：２０１５－０６－０１。 国家自然科 学 基 金 资 助 项 目 （５１３７７１０４，５１４０７１１５）；中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０１４Ｍ５６０３３３）。