柔性直流配电网故障分析
舟山多端柔性直流系统交流故障穿越能力分析
统 安全 稳 定运行提 供技 术 支持 和理 论保 障 。
关键 词 ：多端 直流输 电 ；模 块化 多电平换 流 器 ；控 制保 护 系统 ；故 障 穿越
中图分 类 号 ：ＴＭ７１
文献标 识 码 ：Ｂ
ＡＣ Ｆａｕｌｔｓ Ｒｉｄｅ·ｔｈｒｏｕｇｈ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｚｈｏｕｓｈａｎ Ｍ Ｍ Ｃ－Ｍ ＴＤＣ Ｓｙｓｔｅｍ ＨＵＡＮＧ Ｌｅｉ，ＬＵＯ Ｗｅｉ，ｒＡＮＧ Ｇｕａｎ－ｊｕｎ
结 了舟 山柔性 直流输 电工程控 制保 护 系统 的 总体 结构 和主要 功 能 ，重点研 究 了舟 山 ＭＭＣ—ＭＴＤＣ控 制保 护 系统
中的交流故障穿越控制策略 ，最后通过 实验分析 了舟山 ＭＭＣ—ＭＴＤＣ系统在 交流侧单相接地故障、两相接地故
障、两相 短路 故 障 、三 相短路 故 障 四种情 况 下的瞬 时故 障 穿越 能力。本 文研 究 结果 可为舟 山五 端 柔性直 流输 电 系
（Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １０００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｄｄ ｓ ｆｉｒｓｔ ｆｉｖｅ ｓｉｄｅ ｍｏｄｕｌａｒ ｍｕｈｉｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｍｕｌｔｉ． ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ（ＭＭＣ—ＭＴＤＣ）ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ－Ｚｈｏｕｓｈａｎ ＭＭＣ—ＭＴＤＣ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｍａｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｊｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＡＣ ｆａｕｌｔ ｒｉｄｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＭＭＣ —ＭＴＤＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ，ｓｅｖｅｒａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｒ ｉｄｅ—ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＭＭＣ —ＭＴＤＣ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆａｕ工程概述
直流配电网故障分析和继电保护综述 杨智诚
直流配电网故障分析和继电保护综述杨智诚摘要：随着社会经济建设的不断发展，人们对电力的需求越来越大，就目前的实际情况来看，交流配电网已经无法满足目前的电力供应需求了直流配电网逐渐成为城市配电网的重要组成部分。
要想保证直流配电网的稳定运行就必须做好相应的保护工作，本文研究的是直流配电网故障分析和继电保护综述。
关键词：直流配电网；故障分析；故障检测与定位；故障隔离随着供电系统的不断完善和发展，直流配电网在电力系统中发挥着越来越重要的作用。
但就目前的实际情况来看，直流配电技术的应用才刚刚起步，还存在着很多的问题，要想保障直流配电网的稳定运行，需要对相应的保护技术和措施进行进一步的研究。
虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。
柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。
其中直流故障快速检测、可靠隔离对保证柔性直流配电网的安全可靠运行具有重要意义，也是本文关注的重点。
目前国内外学者关于直流系统故障检测识别和隔离技术的研究主要可以分为以下3个方面：1、直流配电网故障特性分析直流配电网故障的暂态特性对分析故障原因，进行故障定位，实施故障隔离有着十分重要的影响，因此分析直流配帝王的故障特性是开展相应故障分析和机电保护工作的第一步。
直流配电网的故障暂态特性有很多种，这主要是受到了换流器类型、系统结构以及系统控制策略等因素的影响。
在多种因素的共同作用下，故障暂态过程会形成一个复杂的非线性过程，用传统的故障特性分析法很难对直流配电网的故障特性进行准确并且有效的分析，因此创新和寻找新的分析方法十分重要。
就目前的实际情况来看，应用较多的有，通过简化等效故障放电回路，求解不同阶段所对应故障电流的解析表达式来对故障暂态过程进行描述。
2、直流配电网故障检测与定位原理2.1 电压/电流保护电压/电流保护是通过增大或减小电流幅值，寻找电压、电流变化率的变化来对故障区间进行确定的，原理简单，实现方便，是目前交流配电网中比较常用的一种保护方式，但是其动作速度和选择性很难满足直流配电网的需求，只能用于故障检测之中。
评述柔性直流输电线路故障处理与保护技术
评述柔性直流输电线路故障处理与保护技术作者：钱永亮来源：《中国科技博览》2018年第10期[摘要]柔性直流的输电系统本身的结构与调节形式比较特殊。
因此，对于直流线路的故障的处理与保护具有较高的标准。
基于此，本文对柔性直流的输电线路常见的故障特点进行阐述，简要分析了当前柔性直流线路故障的处理技术，进而对柔性直流的输电线路其故障的处理与保护的关键性技术加以展望。
[关键词]柔性直流输电；故障处理；线路保护技术中图分类号：S924 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0046-01受到柔性直流的输电系统构成与运行机理的影响，直流线路的故障往往具有电流极速上升，峰值较大的特征，所以当故障发生的瞬间，会产生巨大的冲击电流进而给线路带来严重的影响。
所以，对于直流线路的故障进行处理与保护工作应当是全方位的。
怎样迅速辩别柔性直流的线路故障并更好地控制因故障产生的冲击电流，以降低对电力系统的危害是当前电力企业研究人员探讨的重要课题。
一、关于柔性直流的输电线路其故障分析直流线路的故障在柔性直流的输电系统中影响最为恶劣的故障，故障发生以后会迅速地闭锁IGBT。
当产生线路的双极故障的时候，直流线路的分布电容要小于直流侧电容，所以故障分析没有加以考虑。
双极直流的线路发生故障大体可以分为三个过程：即电容放电、二极管的续流、电网电流的馈入过程。
系统的直流线路产生双极故障的特点：故障以后，直流侧的电容会极速放电，几毫秒钟直流的电流会升至峰值，当电容的电压降到零以后，故障便进入二极管续流的过程，经过二极管的电流会超过额定电流的很多倍，这时二极管很容易损坏。
再过一段时间的减退，故障的电流和交流的电网电流差不多，电网便向故障点进行电流的馈入，直流线路的单极故障未有二极管的续流，其特点和双极的故障特点相近，电网的电流进行馈入过程，流经二极管中的电流也是额定电流的十倍。
尤其当直流侧的电容电压从零向负反向充电的时候，电容极易坏伤。
直流配电网故障分析和继电保护策略分析
识别和隔离直流配电网故障的时候，需要充分的考虑直流配电系统特点和业务需求，摆脱交流电系统的继电保护体系来研究直流电继电保护。对直流配电网进行继电保护和隔离故障，就要有机结合这两者之间的共同点，适用不同点，对实际的电力工程中隔离故障工作提出符合实际，具有新理念的继电保护原理。继电保护要和直流配电网的应用场景想结合，如果技术条件能够允许，那么就要在追求成本控制的同时加快发展速度。继电保护还需要结合测量系统，在进行继电保护工作时，要综合考虑系统动态特性以及测量产生的误差，避免因为不确定因素导致工作开展出现阻碍。
参考文献：
不能简单的将保护直流配电网和研究控制分隔开来，因为受控性的电力电子器件大多数的都存在于直流配电网中，那么直流配电网故障特征已经开始从很早之前的物理特性向着控制特性转变，电力工程研究工作人员在探究如何保护直流配电网的过程中，就需要充分的结合控制方式特点，从而能够保证控制保护“一体化”推动整个配电网系统进步。
若是直流配电网系统利用其中一极进行接地，那么另一极的接地故障相当于极间短路，那么接地的这一极出现接地故障时不会对系统正常运行造成影响的，这时的换流变压器接地方式更是不会影响其故障特性。若是直流系统和换流变压器都没有接地，那么单极故障电流就只能借助于线路的杂散电容构成一条通路，故障电流不大。可是在电力系统在正常运行的时候，是难以知晓直流线路正极与负极电压的，并且不能恢复因故障而造成的不平衡电压。电网系统中换流变压器阀侧中性点接地的时候，若出现直流接地故障就会使得变压器接地点和故障接地点利用直流配电网换流器构成放电回路，这时候就会将故障特性和故障电阻之间形成必要的关系，清楚故障之后，直流线路的正极和负极电压都可以恢复到直流配电网的正常水平。
多端柔性直流系统直流故障保护方案
在实际应用中，控制保护策略需要结合具体的系统和运行情况进行调整和优化。 例如，在某些场景中，可能需要优先保证系统的稳定性；而在其他场景中，可 能需要优先考虑设备的保护。因此，在实现控制保护策略时，需要充分考虑各 种因素，以实现最优的保护效果。
总的来说，控制保护策略是MMC多端直流输电系统中的重要组成部分。针对不 同的故障类型采取相应的保护措施，可以有效地提高系统的稳定性和可靠性。 未来研究方向可以包括进一步优化控制保护策略、研发更先进的MMC装置以及 探讨多端直流输电系统与其他新能源技术的结合应用等。
一、多端柔性直流系统概述
柔性直流输电技术（VSC-MTDC）是一种新型的输电技术，其采用基于电压源 换流器（VSC）的输电技术，具有输电容量大、可控性高、适用于远距离输电 等优点。多端柔性直流系统（VSC-MTDC）则是指由多个电压源换流器组成的 输电系统，可以实现多电源供电、多落点受电，从而提高电力系统的稳定性和 可靠性。
5、培训与演练：加强运维人员的培训与演练，提高他们在面对直流故障时的 应对能力。培训内容包括故障识别、应急处理方法以及远程操作技能等。
三、实施与应用
为确保多端柔性直流系统直流故障保护方案的有效实施与应用，还需以下几个 方面：
1、方案审查与更新：定期对直流故障保护方案进行审查与更新，以适应电力 系统的发展和技术的进步。可以邀请行业专家对方案进行评估，找出潜在的问 题并加以改进。
一、总体架构设计
舟山多端柔性直流输电工程的总体架构设计主要包括输电系统的总体结构、各 个组成部分的配置和功能、以及各部分之间的相互关系。该工程采用多端柔性 直流输电技术，实现了多个岛屿之间的电力传输和调配，同时也能够实现与外 部电力系统的相互连接。
二、设备选型和配置设计
配电网故障原因分析及应对措施
配电网故障原因分析及应对措施
配电网故障是指给用户供电的配电网中发生的突发性故障，主要表现为电流数值异常、电量分配不均、线路断路等。
配电网故障会带来一定程度的用电负荷偏差，会影响用户的正常使用，甚至会引起负荷中断。
因此，对于配电网故障，应尽快找出原因并采取必要措施予以解决。
配电网故障的原因分析可以归结为以下三类：
一、硬件故障原因
这种原因主要指的是配电网中的电网设备，如变压器、断路器、绝缘子等遭受损坏，导致故障的发生。
二、软件故障原因
这种原因主要指的是由于配电网计算机系统、控制系统及人机界面等软件设备遭受损坏，导致故障的发生。
三、操作故障原因
这种原因主要指的是由于配电网操作人员的操作不当或管理不善，导致故障的发生。
针对配电网故障的应对措施，可以概括如下：
一、做好预防
预防就是要对配电网的运行状况进行定期监测，及时发现问题，并采取措施解决。
二、积极处理
一旦发生故障，应及时采取措施处理，尽可能减少故障扩散范围，
并尽快恢复正常供电。
三、完善管理
要建立健全的管理体制，严格完善管理制度，加强配电网安全管理，提高配电网运行安全水平。
配电网故障是给用户供电的配电网中突发性故障，需要科学系统地分析故障原因，采取必要措施予以解决。
为了有效的防止和消除配电网故障，应做好预防，积极处理，完善管理等工作，保证配电网的安全运行，提高使用的可靠性和可用性。
柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨
柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档柔性输配电·138·价值工程柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨Valve Fault Analysis of HVDC Flexible and Its Protection Strategies吴翠朋 Wu Cuipeng；周永旺 Zhou Yongwang；陈少华 Chen Shaohua（广东工业大学，广州 510006 ）（Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China ）摘要：柔性直流输电技术（HVDC Flexible 采用电压源型换流器）（VSC 以及 PWM 技术，）其中全控型 IGBT 换流阀是 VSC 换流站的核心器件。
本文主要根据柔性直流输电换流桥阀的工作过程，分析了 VSC 换流站整流侧发生阀短路故障时系统交直流侧的故障特征。
总结故障特征并与传统HVDC 系统发生类似故障时的故障特征进行比较，分析传统 HVDC 的保护策略应用于柔性直流输电的可行性。
Abstract ： HVDC Flexible transmission technology uses the Voltage Source Converter(VSC) and PWM technology. The whole controlled valve IGBTs are the key devices of the VSC converter. This paper analyses the characteristics mainly based onthe working process of valves when the valve fault happens.Summed all the characteristics, compared with the traditional HVDC when the same fault happens, the paper analyses whether the protection strategiesof traditional HVDC can be applied to the HVDC Flexible or not. 关键词：柔性直流输电；传统 HVDC；阀短路；桥臂直通；保护策略 Keywords ： HVDC Flexible； traditional HVDC； valve fault； bridge straight-leg； protection strategy中图分类号：TM0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311 （2010 10-0138-02 ）0 引言柔性直流输电是基于电压源型换流器（Voltage Source Converter，） VSC 和全控型器件绝缘栅双极晶体管 IGBT，以及脉宽调制技术（PWM 的一种新型的高压直流输电技术。
直流配电网故障分析和继电保护综述
直流配电网故障分析和继电保护综述摘要：直流配电网是未来城市配电网的重要组成部分，文章对目前国内外学者关于直流配电网方面的研究工作进行了综述。
首先分析了基于两电平VSC换流器和基于模块化多电平换流器的直流系统的故障特征，将故障过程划分为多个阶段，通过理论分析得到了各阶段的故障电流解析表达式。
其次介绍了各种适用于直流配电网的故障检测和定位原理，主要包括电压/电流保护、边界保护、纵联保护、分区保护、“握手法”等。
然后，通过对比采用交流断路器、利用换流器自清除能力和采用直流断路器的3种故障隔离方案，对直流配电网的故障隔离策略进行了分析。
最后从接地方式、保护与控制一体化、故障电流限制等方面，对配电网故障分析与处理的研究提出了建议。
关键词：直流配电网；故障分析；继电保护综述引言配电网中的故障恢复问题，是指配电网故障发生以后，经过故障定位和隔离，将故障排除，然后采用一系列的故障恢复策略，对配电网的联络开关及分段开关进行操作，将失电负荷转移到其他馈线或其他供电区域进行供电，快速有效的寻找到非故障区断的最佳恢复供电路径，完成配电网故障恢复的任务。
配电网故障恢复是一个多目标、多维数、多约束、多时段非线性的组态优化问题，是配电网故障自愈中的重要一环。
传统的交流配电网故障恢复问题是在系统允许的操作条件及电气约束下，利用网络重构将停电区域的失电负荷转供到正常供电线路上，恢复非故障区段的供电。
实际上，配电网调度员不仅需要快速有效的恢复供电，而且需要考虑开关操作寿命及有限的人力资源，要求开关操作次数尽量少。
目前国内外对故障恢复策略的研究主要针对交流配电网以及含有分布式电源的交流配电网，对含有直流配电线路的故障恢复研究还很少。
因此，本文提出含有直流配电线路的配电网故障恢复方法。
1概述柔性直流输电技术凭借其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面的巨大优势，已经广泛应用于远距离大容量输电领域［1］。
而在电压等级较低的中低压配电网领域，直流配电技术虽然也具有可靠性高、线损小、便于光伏等分布式新能源接入等优点，但应用才刚刚起步，目前还仅应用于一些大规模工业园区、船舶供电、轨道交通等领域。
柔性输电线路的相关保护配置及故障处理方法
柔性输电线路的相关保护配置及故障处理方法摘要：柔性输电线路系统主要以直流输电系统为例，柔性直流输电系统具有自身结构的特殊性以及调节方式的不同，使直流线路中经常出现的故障电流呈现峰值较大、上升速度较快的特点。
这种特点很容易造成设备的绝缘和电气元件的损坏。
根据柔性直流输电系统出现的故障，提出相关地保护装置的技术方法，根据柔性直流线路的特性，通过抑制电流、减少故障的影响、输电线路的保护原理等方面着手。
此文重点分析了柔性直流输电电路系统与常规交流长距离输电电路系统的区别，通过对比，分析其优缺点，制定相应的保护装置措施。
关键词：柔性输电系统；保护装置；故障处理引言柔性直流电路输电系统是基于电压型换流器和模块化多点平换流器的基础上，它具有无功功率、调节有功功率和向无源网络供电等特点。
它和传统上的高压直流输出电路系统有很大区别，它主要适用于大规模的可再生能源的远距离输送上，比如太阳能、风能等等。
而柔性直流电路输电系统也有其自身的不足，对低压限流功能的缺乏以及没有成熟的直流开关元件。
基于柔性直流输电电路的特性，其故障特征更加复杂、难以把握，所以对于柔性直流输电电路的要求也是更高的。
通过对柔性直流输电电路的保护装置以及故障排除的了解，使实际工作中可以及时了解问题所在，及时解决、排除故障。
1.柔性直流输电电路系统与交流输电点路系统（1）柔性直流输电电路系统的概念柔性直流输电电路系统是基于电压源换流器的高压直流输电技术，它是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术。
（2）直流输电的特点柔性直流输电电路系统的优点主要体现在不会换相失败、易于构成多端直流系统、无源网络供电以及换流器的独立性等。
它在结构上与一般的高压直流输电类似，任然是通过换来器和直流输电线路。
2.交流输电电路系统（1）交流输电电路概念交流输电电路系统是以交流电流传输电能的，它的出现相对于直流输电电路系统较晚。
常规的交流输电电路系统主要是指柔性交流输电电路系统，他实现了对输电系统给的多样性，扩大了电路输送的距离、增加了输送容量以及提高了输电线路的电压等级。
柔直电网站内单相接地故障分析及过电压抑制
第40卷第5期712021 年 9 月电力工程技*Electric Power Engineering Technology D0I ：1052158/j5096W203.2021.05510柔直电网站内单相接地故障分析及过电压抑制李岩，黄豫，潘旭东，袁康龙（南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东广州510623）摘要：柔直电网换流站內单相接地故障的电磁暂态过程复杂且易产生过电压，严重影响系统的安全稳定运行。
文中将换流站內单相接地故障分成交流故障区和直流故障区,首先采用复合序网络定量分析交流侧过电压机理及零序电压特征。
然后，基于换流器控制器方程推导得到故障序分量从交流侧向直流侧传播的规律，得出零序电压 是导致直流侧和其他换流站过电压的主要因素。
此外，为了抑制直流侧过电压，提出一种零序过电压控制方法，并给出控制器参数的选择方案。
最后，基于PSCAD 搭建柔直电网仿真模型，仿真结果验证了故障机理推演的正确性及过电压抑制策略的有效性，提升了站內单相接地故障后的安全稳定运行能力。
关键词：柔直电网；单相接地;故障机理；零序电压;模块化多电平换流器（MMC ）；过电压抑制中图分类号:TM71 文献标志码：A 文章编号：2096-3203（ 2021） 05-0071-070引言柔性直流电网（以下简称柔直电网）具有功率 解耦控制、无换相失败、无需大容量无功补偿装置等优点，是解决可再生能源并网、异步交流电网互联、海上孤岛供电、城市配电网增容等问题的重要手段，亦是现代直流输电技术发展和变革的主要趋 势之一+1,5-#然而，由于柔直电网含有大量电感、分布电容以及电力电子元件，其故障后的电磁暂态过 程十分复杂，易引发系统过电压等问题，这是制约 该技术快速发展的重要因素之一+6,12- #针对柔直电网的故障暂态特性及过电压分析,已有研究按故障发生区域，一般将故障分为直流侧故障、换流站内故障和交流侧故障。
文献［13—15］ 分析了对称单极柔直电网直流侧单极接地故障的暂态过程和过电压大小，提出非故障极充电是导致直流侧过电压的主要原因，并详细分析了接地方式、换流站闭锁、故障距离等因素对过电压的影响。
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2018年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.33 No. 8 第33卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2018
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161814
柔性直流配电网故障分析 戴志辉1 葛红波1 严思齐1 王增平1 陈 曦2 （1. 分布式储能与微网河北省重点实验室（华北电力大学） 保定 071003 2. 国网保定供电公司发展策划部 保定 071000）
摘要 柔性直流配电网故障特性分析是保护方案设计的基础。当前，直流系统故障期间，换流器IGBT不闭锁时的故障特性尚未深入探讨。首先，确定直流配电网的接地方式和控制策略。其次，分析IGBT不闭锁时直流极间短路和单极接地短路的故障特性及过渡电阻等因素的影响，并讨论故障对其他区域的影响。结果表明，对于极间短路，除故障达到稳态后IGBT闭锁较之不闭锁会出现极间电压和故障电流增大的现象外，IGBT闭锁与否对故障特性影响不大；对于单极接地短路，IGBT不闭锁会使直流侧出现不平衡电压，导致换流器交流侧电流出现直流分量。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，证明了理论分析的正确性。 关键词：直流配电网 接地方式 故障分析 极间故障 单极故障 中图分类号：TM77
Fault Analysis of Flxible DC Distribution System Dai Zhihui1 Ge Hongbo1 Yan Siqi1 Wang Zengping1 Chen Xi2 （1. Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid of Hebei Province North China Electric Power University Baoding 071003 China 2. Development and Plan Department Baoding Power Supply Company of State Grid Corporation of China Baoding 071000 China）
Abstract The fault analysis of flexible DC distribution grids is the basis of designing the protection scheme. Up to now, the fault characteristic of DC fault, considering unblocked IGBT in converters, has not been systematically investigated. Firstly, the grounding mode and the control strategy of the DC distribution grid were determined. Secondly, on the premise that IGBT is unblocked, this paper analyzed fault characteristics of pole-to-pole fault and pole-to-ground fault, as well as the influence of fault resistance. The impacts of DC faults on other sections were also discussed. The results show that, with regard to the pole-to-pole fault, whether IGBT is blocked or not does not affect the fault characteristic evidently in the first two transient stages. However, when the fault reaches the steady state, compared with the condition that the IGBT is unblocked, the DC voltage and fault current are larger when the IGBT is blocked. In terms of the pole-to-ground fault, the unblocked IGBT would result in DC unbalance voltage, which will further generate DC components in the ac-side current of the converter. Finally, the simulation model was built in PSCAD/EMTDC, and the result confirms the validity of the theoretical analysis. Keywords：DC distribution network, grounding mode, fault analysis, pole-to-pole fault, pole- to-ground fault
国家重点研发计划专项课题（2016YFB0900203）、国家自然科学基金（51307059）和中央高校基本科研业务费（2017MS096）资助项目。收稿日期 2016-11-18 改稿日期 2017-02-26 1864 电 工 技 术 学 报 2018年4月 0 引言 当前，基于电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的柔性直流输电技术已广泛应用于高电压等级的输电系统，随着电力电子技术的发展，将VSC应用于中低压电压等级的配电系统-柔性直流配电网（Flexible DC Distribution Networks, FDCDN）成为新的研究热点。FDCDN具有便于接纳新能源发电及直流负荷[1]，传输容量大、电能质
量高、经济性好[2-4]，有利于智能电网和能源互联网建设[5-7]等优点，是现有交流配电网的重要补充[8]。我国在深圳地区已建立了柔性直流配网电示范工程，并对其技术架构、控制和保护策略等进行了研究[9-12]。
作为制定保护方案的基础，很多文献对柔性直流配电网的故障特性进行了分析。文献[13]将直流系统单极接地故障过程划分为“电容放电”、“电网馈入”和“稳定状态”三个过程。文献[14-16]将直流系统极间短路故障划分为“电容放电阶段”、“二极管全导通阶段”和“不控整流阶段”三个阶段。但这些分析均以故障后换流器的IGBT立即闭锁为前提，可能导致“一点故障、全站陪停”，从而降低了供电可靠性。在FDCDN中，通过合理采用外部设备如高速动作的直流断路器隔离故障，并尽可能保证故障期间换流器IGBT不闭锁，则非故障区域的供电不受故障影响且故障切除后系统能很快恢复正常，因此有必要分析换流器不闭锁时FDCDN的
故障特性。文献[17-20]初步分析了IGBT不闭锁情况下的直流故障特性。其中，文献[17]仿真分析了单极接地故障时，过渡电阻大小与故障电流方向的关系，并仿真得出在变压器中性点接地时交流侧电流会出现直流分量的结论。文献[18]在仿真极间短路故障时发现IGBT闭锁后相比IGBT不闭锁时其电压和电流都有一定升高，但未给出原因。文献[19]分析了连接变压器阀侧中性点接地情况下故障点过渡电阻大小对控制系统的影响。文献[20]仿真分析了变压器阀侧中性点不接地时的直流故障特性。上述工作以仿真和定性分析为主，缺乏对故障过程的详细理论论证，这方面的研究仍需完善。 本文首先参照深圳柔性直流配电系统示范工程建立双端供电“手拉手”柔性直流配电系统，确立系统的接地方式和各换流站的控制策略。然后理论分析IGBT不闭锁情况下直流系统极间短路故障和单极接地故障的暂态过程和特性，并分析故障对其他区域的影响。最后通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型，对理论分析进行证明。
1 柔性直流配电网 图1为典型的柔性直流配电网拓扑结构。该系统具有以下工程意义：①有利于负荷侧光伏、风机等分布式发电并网；②在直流侧故障时，只需断开与故障相关的直流断路器，非故障区域恢复正常运行，提高了系统供电的可靠性；③该架构可以向直流负荷供电，也可以通过逆变器向交流负荷供电。
图1 柔性直流配电网 Fig.1 Flexible DC distribution network 1.1 接地系统配置 1.1.1 直流电容接地方案 直流系统电容的接地方式有分裂电容中点接地、正极线路接地、负极线路接地和不接地四种。其中，正极线路接地和负极线路接地使得非接地极
承受全部直流电压，对线路的绝缘水平要求较高；不接地时，直流线路中会流过很大的高频谐波电流，对通信线路造成较大干扰，并在线路中产生较大的高频交流电压，导致直流电容中点出现高频交流漂移分量[21]。考虑到上述因素，图1所示VSC1、VSC2、 第33卷第8期 戴志辉等 柔性直流配电网故障分析 1865 逆变器1、逆变器2的直流电容中点直接接地，BDCT、UDCT直流侧电容中点不接地。 1.1.2 连接变压器接地方案 连接变压器的接地方式对直流系统发生单极接地故障时会有较大影响。常见的接地方式有两种： （1）变压器YNd联结（一次侧是电网侧，二次侧是换流器侧）。这种接地方式可以隔离不对称故障产生的零序分量和SPWM产生的零序谐波分量在换流器和交流系统之间的传递，但同时直流侧单极接地故障会导致正负极产生不平衡电压，且在故障隔离后无法重新平衡[22,23]，若要恢复系统，则必须关闭换流站并重启，降低了系统的供电可靠性。 （2）变压器Dyn联结。直流接地故障发生后，变压器接地点和故障点通过换流器形成放电回路，此时的故障特性与故障电阻有很大关系，在故障清除后，直流正负极电压均能恢复至正常水平[24]。但若发生金属性接地故障则会产生很大的故障电流，超出了换流器限定的最大值，使得在故障过程中直流侧电压失去控制。 针对以上两种变压器接地方式的弊端，本文采用了新的接地方式。对T1、T2端口的变压器换流器侧采用经电阻接地的方式，接地电阻取值要能够限制其故障电流在换流器的限定值之内。这样，直流侧极间电压仍能维持稳定，且故障产生的不平衡电压在故障隔离后能够通过变压器接地点形成充放电回路，并使正负极电压重新达到平衡。这种接地方案相对于方案（1）具有使不平衡电压自动恢复正常的优点，相对于方案（2）则具有限制接地故障时交流系统向故障点馈入的过电流、保持直流侧极间电压稳定的优点。此时T4、T5端口的连接变压器的接地方式不影响直流侧不平衡电压的恢复，因此对T4、T5端口变压器采用第（1）种接地方案。这种新的接地方案相对应的故障特性和优点将在第3节进行深入分析。 对图1所示系统，采用主从控制的单点电压控制方式，即在正常运行时只有一个端口控制中压直流系统的电压。与交流主网相连接的端口有T1和T2，其中T2端口采用定直流电压控制，T1端口采用定功率控制；与负荷侧相连的端口有T3、T4、T5和T6，由于负荷侧无电源或电源难以维持稳定电压，因此这些端口均采用定负荷侧电压控制。 1.2 关键设备正常工作范围 1.2.1 VSC换流器 正常运行时，T1端口采用定功率控制，故可将T1端口等效为一电流源，其受控电流Idc1为 S1dc1dc