基于混合式斷路器的直流電網保護方案研究

金濤 蘇見燊 張明揚

摘 要：基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter， MMC）的高壓直流輸電（highvoltage directcurrent， HVDC）將是未來直流電網重要發展方向之一。相比電纜輸電，長距離架空線輸電成本低，而直流故障隔離是在架空線路上應用柔性直流輸電的棘手問題。首先，研究混合高壓直流斷路器的直流故障處理方案，提出基于直流電網的3種保護方案，包括線路差動保護，母線差動保護和后備保護;其次，結合實際工程中的現有技術，論述選取參數的原則，采用架空線輸電方式搭建了具有混合直流斷路器的多端直流電網仿真平臺并進一步驗證了所提出方案的可行性和有效性。最后，通過仿真分析表明，混合高壓直流斷路器能夠在數ms 之內斷開故障電流，所提出的3種保護方案能夠自動、快速、有選擇性地隔離故障，且無故障部分正常運行。

關鍵詞：混合高壓直流斷路器;直流電網;保護;模塊化多電平換流器

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.013

中圖分類號：TM 72文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0106-08

Abstract：Highvoltage directcurrent （HVDC） based on modular multilevel converter （MMC） is important in the development of DC grid. Compared with cable transmission， longdistance overhead line transmission costs are low， and DC fault isolation is an important issue of applying HVDC power transmission over overhead lines. This paper studied the DC fault handling scheme of hybrid HVDC breakers and proposed three protection schemes based on DC grid， including DC line protection， DC bus protection and backup protection. Based on the existing technologies in actual projects， the principle of selecting parameters was discussed. A multiterminal DC power grid simulation platform with a hybrid DC circuit breaker was established by using overhead line transmission， and the feasibility and effectiveness of the proposed scheme were further verified. The results show that the hybrid highvoltage circuit breaker can break the fault current within several milliseconds. The three proposed protection schemes realize automatic， rapid and selective faults isolation， ensuring that other nonfaulty components return to normal operation.

Keywords：hybrid HVDC breakers; DC grid; protection; modular multilevel converter

0 引 言

基于MMCHVDC輸電具有顯著優勢，MMC的子模塊可分為半橋型、全橋型、雙箝位型等，能夠比較容易地實現高電壓或高功率輸送。與兩電平VSC相比，MMC拓撲結構具有眾多優點，如低諧波，低損耗，運行效率高，模塊化程度高，輸出特性好，可拓展性強等，是新一代電壓源換流器中的佼佼者[1-5]。

由于半橋型子模塊器件少且成本低，目前大部分投運的工程采用半橋型子模塊。而不具備直流故障自清除能力的半橋型子模塊，只能采用電纜進行輸電，從而來降低線路故障率。比如，廈門示范工程、南澳工程和上海南匯工程等。然而在直流電網中，電纜輸電造價高，經濟效益差，阻礙了直流電網的發展。相比電纜輸電，長距離架空線輸電成本低[6-8]。所以，采用架空線路進行長輸電并具備故障切斷清除能力的直流電網技術，顯得特別重要。

目前，國家電網正在建設的張北柔性直流電網采用架空線傳輸功率，發生線路故障的概率大。與交流電網相比，直流電網阻尼很小，發生線路故障時，故障電流可在數ms內激增到幾十kA[9-11]。直流故障迅速切斷是當前研究利用架空線路進傳輸的柔性直流輸電亟待解決的困難。目前對直流故障隔離方法大致可分為3種思路[12-14]：1） 利用交流斷路器進行直流故障隔離是目前柔性直流輸電工程所普遍采用的直流故障保護方案。通過交流斷路器隔離故障存在響應速度慢且可靠性低等問題。2） 基于全橋子模塊或箝位雙子模塊的MMC具備直流故障穿越能力，但所需功率半導體器件多且損耗高。3） 利用高壓直流斷路器實現故障隔離的方案是最直接有效的手段，上述3種方案中，利用高壓直流斷路器隔離故障是國際大電網會議推薦的直流電網保護方案[15-17]。

文獻[18]初步探究了柔性電網線路及母線保護方案，但未涉及后備保護相關研究。正在建設中的張北柔性直流電網，故障處理方案是選擇采用半橋型子模塊結構和混合高壓直流斷路器方案[19-20]。

本文首先研究混合高壓直流斷路器的直流故障處理方案，提出直流電網保護方案，即3種保護策略，結合3種保護方案進行動作參數選取原則分析，在仿真平臺上，驗證所提出基于混合式斷路器的直流電網保護方案的可行性和有效性。

1 直流電網保護方案

與交流電網相比，直流電網阻尼更小，故障電流di/dt更大。如圖1所示，當發生雙極短路時，故障電流主要來源于：一是大量不具備直流故障清除能力的半橋型子模塊電容迅速放電產生的直流分量;二是交流系統注入的三相交流分量[6]。

3 結 論

1）混合高壓直流斷路器將是未來直流電網中重要設備之一。混合式斷路器能夠在5 ms之內斷開故障電流，而不中斷到其他線路直流功率輸送。

2）本文提出直流故障隔離的3種保護方案，即3種保護策略：線路差動保護、母線差動保護和后備保護，能夠及時、準確地檢測直流輸電系統故障類型，自動、快速、有選擇性地將故障從直流電網中切除，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行，系統處于動態平衡。

3）準確快速的直流電網仿真技術是發展直流電網重要技術之一，而本文所搭建的直流電網存在問題是仿真速度需要進一步提高，研究簡化仿真模型將是下一階段的工作。

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（編輯：賈志超）