- 頭條含限流器的多端柔直系統故障保護策略2021-06-05 作者：周光陽 李妍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）、國網江蘇省電力公司經濟技術研究院、國網江蘇電力設計咨詢有限公司的研究人員周光陽、李妍、何大瑞、韓民曉、黃聞而達，在2020年第7期《電工技術學報》上撰文，針對采用模塊化多電平換流器的多端直流系統故障電流大、上升速度快，現有混合式直流斷路器無法快速有效隔離故障區域的問題，提出一種新型故障處理策略。仿真結果表明該配合策略能夠快速地隔離故障，實現非故障站的故障穿越，提高了MTDC系統的穩定運行能力。
隨著大容量遠距離輸電、大規模可再生能源并網、孤島供電等電力傳輸需求的提出，基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流輸電技術，因其諧波畸變小、拓展性好等優點得到廣泛關注。與兩端系統相比，多端直流輸電（Multi-Terminal HVDC, MTDC）可實現多電源供電和多落點受電，具有較好的靈活性、經濟性和穩定性，應用前景廣闊；如舟山五端柔性直流輸電工程、張北多端直流工程等均為多端直流系統。
現階段已投運的MMC-HVDC工程，子模塊大多采用半橋（Half Bridge, HB）MMC結構[8]。但該結構無故障清除能力，且直流系統無自然過零點；因此缺少損耗低、分斷速度快的可靠直流系統保護設備，成為制約其快速發展的重要原因。傳統的點對點直流系統可以通過跳開交流側斷路器的方法實現直流側故障清除；但對于多端系統，上述方法將可能導致整個系統停運。因而MTDC系統的故障保護成為當下研究熱點。
現有保護方法的研究主要可以分為三類。
- 第一類為跳開交流斷路器（AC Circuit Breaker, ACCB）清除直流故障。有學者通過故障發生后跳開所有ACCB隔離故障，但會造成整個MTDC系統停運；有學者采用ACCB與快速直流隔離開關配合實現了故障清除的選擇性，但故障清除時間過長，降低了系統運行可靠性。
- 第二類為采用具有故障阻斷能力的子模塊結構。有學者提出了由半橋子模塊和改進的半橋子模塊構成的新型混合MMC結構，有學者提出一種電流轉移型MMC拓撲，有學者設計了反向阻斷型半橋子模塊及其構成的混合子模塊拓撲，上述研究均證明了改進拓撲對直流側故障抑制的有效性，但要改變子模塊結構，不適用于已建成的MMC-HVDC工程。
- 第三類為采用直流斷路器（DC Circuit Breaker, DCCB）清除故障。有學者僅利用混合式DCCB清除故障，但故障電流上升速度快的特點對DCCB的開斷速度提出極高的要求；有學者通過改變電網連接方式來降低故障開斷過程對DCCB的要求，但改造電網成本較大，經濟性較差。
當橋臂電流達到額定值的兩倍時，將閉鎖MMC換流站，對故障快速恢復不利；而現有斷路器無法在換流站閉鎖前開斷故障電流。隨著第二代高溫超導材料的提出，超導在電力系統中的應用日益增加。針對超導限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）與DCCB配合的故障清除策略也有許多研究。
有學者研究了SFCL與ACCB配合的故障清除，所用的測試系統較簡單，且故障清除時間長，無法推廣到多端系統。有學者研究了混合式限流器與DCCB配合的多端系統故障穿越策略，但所提限流結構在故障發生時將超導短路，無法體現SFCL的限流優勢。有學者研究了SFCL與DCCB的協調配合方法，但僅研究了故障清除階段，故障后的恢復過程沒有涉及，沒有提出完整的配合策略。
針對MTDC系統直流側短路故障清除問題，新能源電力系統國家重點實驗室、國網江蘇省電力公司經濟技術研究院、國網江蘇電力設計咨詢有限公司的研究人員提出SFCL與DCCB配合的新型故障處理策略。通過對比電感型超導限流器（Inductive-SFCL, ISFCL）和電阻型限流器（Resistive-SFCL, R-SFCL）對短路電流的影響，選取更具限流優勢的R-SFCL，結合實驗結果建立其失超和恢復超導態的等效模型。進一步分析R-SFCL和DCCB的配合原理，并提出R-SFCL和DCCB配合的時序圖和故障處理流程。在PSCAD/EMTDC仿真平臺驗證了所提保護策略的合理性。
圖1 多次故障下SFCL與DCCB的配合流程
研究人員最后得出以下結論：
1）SFCL具有正常運行時對系統無影響、故障后自動失超限制短路電流的優勢。對比I-SFCL與R-SFCL，得出兩類限流器都能夠限制故障電流的上升率。但R-SFCL能改變系統的放電狀態，減緩電壓下降速度，同時降低故障電流的幅值，對限制故障電流的發展和故障清除更有利。
2）所提保護策略，能在換流站端口發生瞬時雙極短路時保持所有換流站不閉鎖，實現整個MTDC系統的故障穿越。R-SFCL的加入限制了故障電流的上升率，使DCCB能夠在換流站閉鎖前開斷故障電流，從而使HBMMC-MTDC系統在故障清除后能夠快速恢復正常運行，提高MTDC系統的可靠性，減小了直流側故障對交流系統的影響。
3）對于發生永久性故障的MTDC系統，R-SFCL與DCCB配合能夠僅切除故障區域，其余換流站在受到短暫擾動后能按預設策略快速恢復正常運行，不致于造成整個MTDC系統的崩潰；重合閘過程中R-SFCL再次失超，能夠再次限制故障電流上升，避免因重合閘造成換流站閉鎖，而導致無法恢復剩余系統的正常運行。
以上研究成果發表在2020年第7期《電工技術學報》，論文標題為“含限流器的多端柔直系統故障保護策略”，作者為周光陽、李妍、何大瑞、韓民曉、黃聞而達。
