柔性直流输电系统的保护策略探讨.DOC

柔性直流输电系统的保护策略探讨 李洁 (广东电网公司汕头供电局，广东 汕头 515041) 摘要：基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益成熟，针对柔性直流输电控制和保护策略的研究也越来越多。总结了柔性直流输电系统保护策略的研究现状，分析了基于电压源换流器的柔性直流输电系统的故障特征，并根据故障特征提出相应的保护策略方案。 关键字：电压源换流器； 柔性直流输电； 控制保护系统 Ⅰ. 简介 柔性直流输电是一种新型的直流输电技术，其特点是采用电压源换流器（voltage source converter，VSC）[1]和脉宽调制技术（pulse width modulation，PWM）进行直流输电，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，非常适合应用于孤岛供电、分布式电源并网、大型风电场并网等领域[2]。柔性直流输电系统多运行在高电压、大电流、强干扰的环境下，其换流站内部的某些部件也可能受到干扰或因某些原因发生损坏。因此，研究柔性直流输电在发生各种可能故障时完整的保护配置策略显得尤其重要。 同时，研究柔性直流输电控制保护的系统结构，控制功能的实现方法，各种区域故障特性和保护配置等内容对后续的工程设计，现场调试及运行维护都具有重要意义。本文针对柔性直流输电系统 的特点，分析了柔性直流输电系统的故障特征，并提出相应的直流输电系统保护策略。 Ⅱ. 柔性直流输电系统保护策略研究现状 目前，国内对于柔性直流输电系统控制和保护 策略的研究多偏向于控制器和控制策略的研究[4-7]，而对保护方面的研究则相对较少。大部分学者是通过优化控制策略来减少故障时过电压和过电流对直流设备的冲击和损害。文献[8]研究了交流系统发生故障时的过电压、过电流保护策略。文献[9]中综合分析了交流系统故障、换流器故障、直流传输线故障等故障形式。 由于柔性直流输电与传统高压直流输电结构存在一定的差别，从而导致系统故障特征量的差别，致使传统高压直流输电的保护配置策略不能很好地实现对柔性直流输电系统的保护。因此，研究出能更好的适用于柔性直流输电系统的保护配置策略是学者们努力的方向。 Ⅲ. 柔性直流输电系统的故障及系统响应 柔性直流根据系统结构的划分，可以分为交流系统、换流站以及直流输电线路三个主要部分，如图1所示。本文针对柔性直流输电系统中一些常见故障，研究故障现象及危害，为制定合理的保护策略提供依据。 3.1 交流系统故障 交流系统的故障主要有短路故障、断线故障以及操作或雷击过电压等，其中短路有：单相接地故障、两相接地故障、两相短路、三相短路故障。故障特征跟交流系统一样，交流系统故障产生的正序电流和负序电流都会对直流系统造成过电压或者过电流危害。 换流变压器是换流站与交流系统之间的能量交换的纽带，是柔性直流输电系统能够正常工作的核心部件。换流变压器的故障类型跟交流系统的变压器一样，可分为油箱内和油箱外两种故障。油箱外故障主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。油箱内故障主要是绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的故障等。 3.2 换流阀故障[11] 换流阀是直流输电系统中的重要部件，换流阀故障指由于绝缘损坏、机械失效或者控制系统故障引起换流阀失效。故障类型主要有子模块的故障和桥臂开路故障。 子模块内部故障种类众多，但均可以等效为子模块的交流端口短路故障。而桥臂电抗和换流阀接口处联接较为薄弱，有可能发生开路故障。桥臂开路故障发生于换流器内部，对于换流器的安全有着很大威胁。即使换流器能够通过切除故障相和调整控制方式实现继续运行，这种非全相运行模式将会产生大量的负序分量。 3.3 直流输电线路故障 柔性直流输电系统直流线路可能发生直流电图1 基于模块化多电平换流器的柔性直流系统结构图 缆故障和直流架空线路故障。架空线可能由于雷电、污染、外力的破坏等原因导致对地绝缘失效，或者由于两导体间绝缘的破坏等原因发生短路、断线等故障。直流电缆故障主要由于接头故障或者外力破坏导致连接失效而造成电缆断线故障、电缆单极接地故障以及电缆双极短路故障。柔性直流输电系统各区域故障类型归纳见表1。 表1 柔性直流输电系统故障类型 故障区域 故障类型 交流系统 短路故障 断线故障 操作或雷击过电压 换流变压器 油箱外 接地故障 相间短路 油箱内 铁芯故障 匝间短路 接地故障 相间短路 其他故障 换流阀 换流器子模块故障 桥臂开路 直流输电线路 双极短路故障 单极接地故障 断线故障 Ⅳ. 保护配置及动作策略[6，12] 与常规直流相类似，柔性直流传输系统的保护配置原则也是采取分区冗余配置，通常情况下，根据直流输电系统故障区域的划分，保护区域分为换流站保护区、换流站交流开关场保护区和直流线路保护区。