混合多端直流输电系统保护方法研究.docx

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1、一、引言高压直流(high-voltagedirectcurrent,HVDC)输电具有输送容量大、距离远、损耗小等突出优势，因此在输电领域得到了快速发展。但是，传统高压直流(1.CC-HVDC)输电系统存在换相失败的固有缺点。不同的是，电压源换流器应用全控型电力电子器件，从根本上避免了换相失败风险。但需要注意的是，全控型电力电子器件的应用导致其造价成本会显著提升。混合直流输电系统在整流侧仍然应用1.CC换流器，在逆变侧则应用VSC换流器，有效抑制了1.CC-HVDC的换相失败问题(换相失败主要发生在逆变侧)，而且造价成本显著低于VSC-HVDC系统，因此具有突出的应用前景。目前，混合直流系统

2、主要包括四种类型，即极-极混合、混合多馈入、端-端混合以及混合多端。其中，极-极混合直流输电系统和混合多馈入系统利用引入的VSC换流器向交流系统提供无功支撑，因此能够有效降低换流器的换相失败风险。端-端混合直流在整流侧应用1.CC换流器、在逆变侧应用VSC换流器，可从本质上消除换相失败风险(1.CC-HVDC的换相失败主要发生在逆变侧)。进一步地，混合多端直流输电可实现多落点受点及区域电网间的紧密互联，具有广阔的应用前景。然而，混合多端直流输电系统的保护原理将面临全新的挑战。混合多端直流系统的线路保护设计可参考1.CC-HVDC系统及VSC-HVDC系统。单端量保护具有动作速度快的优点，因此可

3、作为高压直流输电系统的线路主保护。在1.CC-HVDC系统中，一般将单端行波保护作为线路主保护。例如，ABB公司利用电压行波的变化量和变化率构建行波保护主判据，实现区内外故障的可靠识别。西门子公司则利用电压变化量和电压变化率构建保护判据O上述保护判据均利用线路两端的滤波器对行波的阻滞作用实现区内外故障辨识。此外，虽然在VSC-HVDC系统中不安装直流滤波器，但是直流线路两端均会安装限流电抗器，同样能够有效阻滞行波传播。因此，基于边界特性思想的单端量保护原理同样能够适用于VSC-HVDC系统。例如，考虑到电抗器在高频段对信号有更强的阻碍作用，文献提出了一种基于高频暂态信号的单端快速保护新原理，显

4、著提升保护的过渡电阻耐受能力。然而，需要注意的是，上述单端量保护原理均依赖于线路两端边界元件对行波的阻滞作用实现区内外故障辨识。在混合直流电网中，VSC端不再安装直流滤波器。同时考虑到混合直流系统主要应用自清除型VSC实现故障电流的清除与抑制，限流电抗器只需安装在换流器出口，而不需要安装在线路两端。这意味着线路两端的边界元件不复存在，应用于1.CC-HVDC系统和VSC-HVDC系统的单端量保护将无法再适用于混合多端直流系统。电流差动保护无需依赖线路边界，但是其动作可靠性受到线路参数分布电容电流影响极大，而且需要依赖通信，无法作为直流线路主保护。为此，适用于混合多端直流输电系统的单端量保护原理

5、仍有待进一步研究。针对混合多端直流系统应用，本文提出了一种基于暂态信号和主动注入思想的单端量保护新原理。文章结构主要如下。在第2节中，针对混合多端直流系统的典型拓扑结构，讨论了传统单端量保护的适用性。在此基础上，第3节提出了一种适用于混合多端直流输电系统的单端量保护新原理。在第4节中，通过大量的仿真算例验证了所提方法的可行性和优越性。最后，在第5节中给出了相应的结论。二、混合多端直流输电系统保护面临的风险与挑战（一）混合多端直流输电系统典型拓扑结构1.eC-HVDC输电系统已得到了广泛的应用。但其采用晶闸管作为换流阀的开关元件，无法自主关断，导致1.CC换流器需要依靠交流电网电压完成换相过程。

6、当交流系统电压跌落时，换相过程会受到影响，严重时可能会导致换相失败。因此，换流器（特别是逆变侧）的换相失败问题成为1.eGHVDC推广应用的核心问题。基于电压源换流器（VSC）的直流输电系统采用全控型电力电子器件如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,因此不存在换相失败问题。混合直流输电系统的逆变侧使用VSC替换1.CC,在整流侧仍保留1.CC换流器，既可以有效降低换相失败风险，又能显著降低柔性直流输电技术的造价成本。典型的三端混合直流输电系统如图1所示。其中，整流站S3仍使用1.CC换流器，逆变站Si、S2则使用VSC（MMC）换流器，从而有效消除逆变侧的换相失败问题。图1典型的三端混合直流输电系

7、统拓扑结构图。然而需要注意的是，1.CC换流器可以通过调节触发角控制直流故障电流，但常规的VSC换流器,如两电平VSC和半桥MMC,并不具备故障穿越能力。因此，在图1所示的混合直流输电系统中，S1,，换流站的MMC为半桥子模块和全桥子模块构成的混合式MMCo当直流线路发生故障，可通过主动闭锁全桥子模块，反向投入子模块电容，实现故障电流的快速清除。并利用直流开关（SWSW3,不具备熄弧能力）最终实现故障线路的隔离。（二）混合多端直流输电系统保护存在的问题在常规高压直流输电系统中，直流线路两端存在平波电抗器和直流滤波器，对故障行波具有显著的阻碍吸收作用，区外故障时的故障行波明显小于区内故障。因此，

8、可利用电压行波的幅值或变化率区分区内外故障。在VSC-HVDC系统中，由于换流器波形质量远优于1.CC换流器，无需额外加设直流滤波器。但在线路两端一般会装设限流电抗器抑制直流故障电流，同样会对故障行波产生阻碍作用，因此基于边界特性的保护原理同样适用。但是，在混合多端直流输电系统，混合型MMe换流器自身具备直流故障电流抑制与清除能力，无需在线路两端装设限流电抗器。如图1中所示，限流电抗器仅需安装在换流器出口处，而非线路两端。在这种情况下，传统的直流线路单端量保护原理无法再有效识别区内外故障。例如，对于安装在，站出口的保护监测点P2,线路1末端的力故障与线路2末端的亦故障所产生的故障行波将非常相近

9、，2处的单端量保护无法再有效区分故障亦与人显然，应用于1.CC-HVDC系统及VSC-HVDC系统的单端量保护无法直接适用于混合多端直流输电系统。因此，有必要对混合多端直流输电系统的直流线路单端量保护展开深入研究。三、适用于混合多端高压直流输电系统的新型直流保护方法（一）新型直流保护方法根据上述分析，由于线路两端没有边界元件（如直流滤波器和直流电抗器），1.CC-HVDC和VSC-HVDC系统的单端量保护不能直接应用于混合多端HVDC系统。因此，本文提出了一种新型单端量保护方法，如图2所示。该方法能够在没有边界元件的情况下可靠区分故障线路（如图1中所示，主要指Sl站的保护Pi,其与多条直流线路

10、相连）。具体步骤如下:图2混合多端直流输电系统直流线路单端量保护新方法流程图。（I）测量直流电压和电流，即UW（换流站工电抗器线路侧的直流电压）、U卬（换流站S1电抗器站侧的直流电压）、1.和人。如果IdUS/&I&或Id1.cJdJA2或dA,则启动保护。（2）提取直流电压US和U卬的高频分量，以获得Usf和USW如果maxUmmaxUd3k,M（、是可靠性系数，略大于1）,表示故障发生在换流站S1。立即闭锁换流器，然后在故障电流清除后打开开关SW结束保护算法。如果maxIUdciJMImaxld匕,则表明故障发生在电抗器（安装在换流站出口处）的直流侧。闭锁换流站，但保护算法尚未结束，将执行

11、以下步骤。（3）延时A3从换流站注入受控电流（电流注入方法将在下文中介绍），然后再延时At2。（4）利用直流电流特征区分故障线路。如果线路1上的直流电流大于门槛值，即心2晨，则表明故障在线路1上。再次闭锁换流站，然后打开开关SW】。之后，重新启动换流站。结束保护。如果线路1上的直流电流不大于门槛值，即限12晨，但线路2上的直流电流大于门槛值，即2人,表明故障在线路2上。在这种情况下，再次闭锁换流站，然后打开开关SW2。随后，重新启动换流站。结束保护算法。如果人和1.都不大于门槛值1.则表明故障是非永久性的,并且已经消失，换流站可以直接重新启动。保护结束。在上述步骤中，d及A2是保护启动判据的门

12、槛值。AI应大于系统正常运行期间可能出现的直流电压变化率,A2应大于系统正常运行期间可能出现的直流电流变化率。延迟时间的引入是为了保证非永久性故障情况下故障线路的绝缘恢复，在HVDC系统中该延时一般设为200-500mso在所提出的保护方法中提取的高频暂态电压是一个快速衰减信号，因此利用小波变换提取该信号。这是因为小波变换在高频范围内具有出色的时域分辨率。此外，开展了基于暂态电压幅值比的直流故障方向判据理论基础研究和仿真测试验证，该判据可用于确定故障发生在电抗器线路侧或阀侧，本文中不再进行详细讨论。此外，在换流站闭锁期间，直流电压和电流也会发生快速变化，所提的保护方法可能误动作。但是需要注意的

13、是，在混合多端直流输电系统中，换流站的闭锁是通过不同换流站间的合作实现的，这意味着闭锁信号将在所有换流站间进行通信。因此,该信号也可发送至保护装置。当保护装置接收到换流站闭锁信号时，它将被闭锁一段时间，以防止保护误动。（二）电流主动注入的控制策略在上述保护方法中，核心思想是利用来自换流站的受控电流区分故障线路（线路1或线路2）,并识别故障特性（确定故障是否消失）。为此，该小节重点介绍了实现受控电流主动注入的换流站控制策略（以换流站Sl为例），如图3所示。图3注入受控电流的控制策略。根据混合式MMC的工作原理，当检测到直流故障时，全桥子模块和半桥子模块中的所有IGBT都被闭锁，从而实现故障电流的

14、快速清除。在延时最以后，打开换流站交流侧与启动电阻并联的开关，从而将启动电阻重新投入到系统中。然后，导通每个全桥子模块和半桥子模块中的IGBTT”如图3所示。上述控制策略下，混合式MMC的运行特性与不控整流器的运行特性相同。因此，当直流故障点仍然存在时，交流侧电源将向直流侧供给电流。在此期间，换流器交流侧的启动电阻（Rg,达数千欧姆）处于接入状态，因此注入直流侧的电流完全限制在可接受的范围内，不会对系统造成冲击危害。显然，如果故障在线路1上，人/0且03=0（忽略线路电容暂态电流）；而如果故障在线路2上，人户0且限”0;不同的是，如果故障点已经消失，则心2=0且33=0。因此，故障线路和故障性

15、质的识别判据可设计为：Zdcl2Zselthefaultison1.inc1dcl3Zselthefaultison1.inc2（1）Zdcl2ZsetandZdcl3Zsclthefaulthasdisappeared应注意的是，由于输电线路存在分布电容，在电流注入的初始阶段，当故障发生在线路1上时，线路2上同样会出现电容暂态充电电流；同样，当故障发生在线路2上时，线路1上亦会出现充电电流。当故障点已经消失，线路1和线路2上均会出现电容暂态充电电流。因此，本文在该判据之前引入延迟时间Z以确保线路电容的充电电流已经消失。此外，在上述内容中，作为示例讨论了由全桥子模块和半桥子模块组成的混合式MM

16、C。事实上，对于使用不同自清除子模块的其他类型的混合式MMC,如钳位双子模块(CDSM)和自闭锁子模块(SBSM),所提出的主动注入控制策略也都适用。例如，如图4（八）中所示，对于由HBSM和CDSM组成的混合式MMC,在主动注入期间导通每个CDSM中的IGBTT5O此时，混合式MMC同样运行于类不控整流状态，向直流侧注入受控电流，与图3所示的情况相同。图4(b)展示了应用SBSM的情况下主动注入期间的电流流动路径。类似地，在IGBTT5和T6投入的情况下，混合式MMC同样能够实现受控电流的主动注入。图4主动注入策略在不同自清除子模块情况卜的适用性。（八）由CDSM和HBSM组成的混合式MMC；(b)由SBSM(也称为T1.SM)和HBSM组成的混合式MMa(三)各端保护间