柔性直流输电线路故障分析与保护综述 周森亮

柔性直流输电系统简介及损耗分析2012-8-29摘要随着可关断器件性能的改进以及容量的提升，基于电压源换流器(VSC Voltage Source Converter)和脉宽调制(PWM Pulse Width Modular)技术的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)已经成为现实。

VSC-HVDC是一种新的直流输电技术，它具备有功无功快速独立控制、可向远距离小功率无源网络供电、向系统发出无功功率、易于构成多端网络等特点，因此成为解决大容量可再生能源接入、弱交流系统互联、城市直流输配电网、偏远地区供电及提高配网电能质量等问题的重要手段。

目前国外VSC-HVDC已经在海上风电场并网、非同步电网互联交易等领域得到了成功应用，而在国内对VSC-HVDC系统数学模型和控制策略等方面也进行了大量的研究，并开始着手实际示范工程的建设。

本报告先简要分析了VSC-HVDC的系统结构和基本工作原理，针对VSC-HVDC系统的技术特点，阐述了其主要的应用领域。

然后重点进行了VSC-HVDC系统的损耗分析，包括系统损耗的主要构成及换流器的损耗计算方法，同时分析了PWM调制方式下的换流器损耗特性。

1 VSC-HVDC简介1.1系统结构和基本原理图1.1 双端VSC-HVDC系统结构图双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构如图1.1所示，两端换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端运行于逆变状态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。

其中的主要部件包括：交流侧换流变压器、交流滤波器、换流电抗器、全控换流器以及直流侧电容器。

其中全控换流器的拓扑结构在目前实际应用中主要有两种：一种是传统的三相两电平或三电平的主电路结构，由于单个可关断器件的耐压较低，因此每一桥臂均由多个IGBT或GTO等全控器件串联组成，目前ABB公司采用此种方案；另外一种是基于模块化多电平的主电路拓补结构，其基本的电路单元也称为子模块由两个全控器件及相应的电容器组成，各相桥臂均是通过一定数量的具有相同结构的子模块和阀电抗器构成，通过变化子模块的数量即可改变换流器的输出功率电压及功率等级，目前西门子公司采用此种方案。

第49卷第21期电力系统保护与控制Vol.49 No.21 2021年11月1日Power System Protection and Control Nov. 1, 2021 DOI: 10.19783/ki.pspc.210078基于半桥型MMC的柔性直流电网故障限流方法综述陈 磊1，何慧雯2，王 磊2，李国城1，陈红坤1(1.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072；2.中国电力科学研究院有限公司，湖北 武汉 430074)摘要：现阶段投运的柔性直流电网通常采用半桥型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)，具有惯量低、阻尼小等基本特征，存在故障演变迅速、设备过流能力弱、故障电流开断难等技术挑战。

妥善处理柔性直流电网的故障电流限制问题，具有重要的理论价值与现实意义。

针对于此，阐明了柔性直流输电技术的发展需求和引入故障限流措施的必要性，系统地总结了国内外研究现状。

依据实体限流和虚体限流技术方案进行了分类整理和性能比较，论述了两类限流措施的技术优势及不足之处。

最后，提出了半桥型MMC柔性直流电网故障限流方法的未来发展方向，探讨了其中的难点问题和解决思路。

关键词：柔性直流电网；故障限流方法；半桥型MMC；虚实融合限流；混合型直流限流器Review of the fault current limiting approaches for a flexible DC grid based on a half-bridge MMCCHEN Lei1, HE Huiwen2, WANG Lei 2, LI Guocheng1, CHEN Hongkun1(1. School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)Abstract: Currently, the flexible Direct Current (DC) grid usually adopts the half-bridge Modular Multilevel Converter (MMC), and it has basic characteristics such as low inertia and small damping. The technical challenges including rapid fault development, weak overcurrent tolerance and insufficient current breaking ability should be carefully addressed. It is of significance to properly handle the fault current limiting issues of the flexible DC grid. In this paper, the development requirements of flexible DC transmission technology and the necessity of introducing fault current limiting approaches are stated. Domestic and foreign research results are systematically summarized. According to the classification of the actual and virtual fault current limiting schemes, their technical advantages and disadvantages are compared and analysed.Finally, the probable development direction of the fault current limiting approaches for the flexible DC grid based on half-bridge MMC are suggested, and potential problems as well as solutions are discussed.This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarter of State Grid Corporation of China “Study on Overvoltage and Insulation Coordination of Hybrid HVDC System with LCC-VSC” (No. SGTYHT/16-JS-198).Key words: flexible DC grid; fault current limiting approaches; half-bridge MMC; virtual-actual integration current limiting;hybrid type DC fault current limiter0 引言我国能源资源和电力负荷中心分布极不均衡，80%以上的能源资源分布在西部及北部，70%以上的电力消费集中在东部与中部。

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。

柔性输电线路的相关保护配置及故障处理方法发表时间：2017-08-08T19:37:10.497Z 来源：《电力设备》2017年第10期作者：付晓伟丁玮[导读] 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（国网江苏省电力公司南通供电公司 226001）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。

MMC型柔性直流输电系统建模、安全稳定分析与故障穿越策略研究1. 本文概述随着全球能源需求的不断增长和电网规模的扩大，柔性直流输电技术（MMCHVDC）因其高效率、高可控性和良好的故障穿越能力而成为现代电网的重要组成部分。

本文旨在深入探讨MMC型柔性直流输电系统的建模方法、安全稳定特性分析以及故障穿越策略，以期为实际工程应用提供理论支持和策略指导。

本文将详细阐述MMCHVDC系统的基本原理和结构特点，为后续建模和分析奠定基础。

本文将重点探讨MMCHVDC系统的数学建模方法，包括其交流侧和直流侧的动态模型，以及控制器的设计。

这部分内容将采用现代控制理论，结合仿真软件进行模型验证，确保模型的准确性和实用性。

在安全稳定分析部分，本文将基于所建立的模型，分析MMCHVDC 系统在各种运行条件下的稳定性，包括正常运行、负载变化和故障情况。

特别地，本文将重点研究系统在直流侧和交流侧故障时的响应特性，以及这些故障对系统稳定性的影响。

本文将提出一套完整的故障穿越策略，以增强MMCHVDC系统在电网故障时的鲁棒性和稳定性。

这些策略将涵盖故障检测、故障隔离、系统恢复等多个方面，旨在确保系统能够在各种故障情况下保持稳定运行，最大限度地减少故障对电网的影响。

总体而言，本文的研究成果将为MMC型柔性直流输电系统的设计、运行和控制提供重要的理论参考和实践指导，有助于推动该技术在智能电网和可再生能源领域的广泛应用。

2. 型柔性直流输电系统概述MMC（Modular Multilevel Converter）型柔性直流输电系统，作为一种新型的电力电子输电技术，以其独特的模块化设计和优越的电力调节能力，近年来在高压直流输电（HVDC）领域受到了广泛关注。

该系统主要由多个子模块组成，每个子模块包含一个绝缘栅双极晶体管（IGBT）和反并二极管，以及相应的电容器。

通过控制IGBT的开关状态，可以实现对电压的精确控制，从而实现有功和无功的独立控制。

Value Engineering0引言在海洋环境之中，由于缺少遮挡物，因此风速较大，输电线路容易受到环境因素的影响。

当前的海洋电力生产主要是以海上风电场为主，一般来说在陆地上此类电力在生产之后，往往是采取110kV 以下的低压电缆进行输送，在海洋环境下相应的输电活动则是采取110kV 以上的高压电缆输送，不过这种输电方式的技术难度相对较大，且海洋环境中相应的线路需要建设于远离陆地、人烟稀少的区域，经过长距离输送之后接入电网，其中的不可预测因素较多，而数字化技术的应用，则可以在这些条件下对输电线路的安全和稳定形成保障。

1海洋环境下的电力输送形式1.1海洋环境下的电力输送形式概述目前海洋输电的方式主要包括2种，即高压交流输电（HVAC ）、高压直流输电（HVDC ），同时在直流输电的基础上，相关的技术又可以分为基于晶闸管换流器（PCC ）的直流输电技术、基于电压源变流器（VSC ）的轻型直流输电技术和混合HVDC 直流输电技术几种。

海洋输电方式和具体设施建设过程中，主要考量的因素是其是否能够在海浪、强风、盐雾、潮湿等环境中会安全稳定地运行，以及相应的输电线路在建设成本及效能方面是否具有比较优势。

传统的交流输电模式在结构方面较为简单，建设成本低，因此受到的关注也相对较大，但同时其在应用的时候会受到交流电缆充电电流的影响，所以输电功率和输电电流将会受到较大的限制[1]。

针对这种现象，在交流输电电缆的应用中，需要采取不同的HVAC 输电模式来规避对应的电力传输问题，如针对距离相对较短、功率相对较小的情况，往往采取直接连接的方式，无需变压器和高电压输电，而如果输电功率较大，且输电的距离较长的时候，则有必要采取变压器和高压输电模式。

当前我国的海洋交流输电过程中，一般会采取配合静止无功补偿器的方式来完成输电过程。

与之相对，传统的高压直流输电方式则可以比较好地适应大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步连接等场景，同时输电的损耗较低，可以控制有功和无功，海上发电厂也无需与电网同步。

对柔性直流输电技术的相关要点分析摘要:柔性直流输电是有广泛应用前景的输电技术，而且也有比较先进的技术。

能够在国家能源结构方面进行调整，让区域能源实现互联发展。

能够进行自换相，如果没有换相失败的时候，也可以向弱交流系统供电。

如果缺乏无功补偿，可以设置常规直流的补偿功率为50%到60%，另外，整个占地面积比较大。

有比较低的谐波水平，这也决定了柔性直流输电，也不会有更多的滤波。

如果在海上风电和海上石油平台方面也会有大的发展。

由于电的波动性也会比较大，也会有比较强的间歇性，针对调整这些间歇性的问题，可以更快的去调节能量。

针对柔性直流输电技术的特点和发展现状问题，也总结出了柔性直流输电技术的应用领域，更好地对未来柔性直流发电技术发展前景进行了分析。

关键词:柔性直流输电；技术要点；技术分析柔性直流输电能够构成多端直流电网，而且也不需要去改变直流的电压极性，如果只改变直流电压的方向，可能在常规反送的时候去改变电压，对于柔性直流输电并不用改变电压方向和电流方向，因此构成了直流网和只是电流调节。

对于直流电网的实际意义是要实现能量流的双向流动与双向控制，并且提高大功率电力电子性能，从而保证能量流自动调节，这种设计也比较小型化。

一、柔性直流输电的现状优势目前，人们越来越重视以晶闸管换流器为核心的高压直流输电技术。

柔性直流输电的主要优势是可以降低高压输电走廊的建设成本，并且对相位交流电网的柔性进行关联，让负荷中心可以进行远距离大功率的输电。

常规直流输电技术有非常多的优势，柔性直流输电技术也有其独有的特点。

1.孤岛特性常规高压直流输电技术要求受端电网是强电网，受端电网应当提供电压作为支撑方，从而保证输电的稳定性。

在一开始建设常规直流电的时候，由于交流电网容量会比较大，高压直流输电一般都是作为小部分来进行补充，没有比较明显的问题。

我国新能源建设都得到了蓬勃发展，新能源需要借助直流线路输到东部负荷中心，交流端容量无法更好地支撑大量的直流线路输入。

基于柔性直流输电系统故障特性的断路器失灵保护的改进摘要：基于MMC拓扑结构的多端柔性直流输电技术日益成熟，针对柔性直流输电直流保护策略的研究也越来越多。

本文分析了柔性直流输电系统保护配置，并根据柔性直流系统的故障特征提出相应的失灵保护配置方案。

关键字：柔性直流输电；直流保护；失灵保护；世界第一条多端柔性直流输电工程2013年底在汕头市南澳县投入运行，目前运行安全、稳定，这极大地增强了交流电网输电的灵活性，对孤岛供电、分布式电源并网、大型风电场并网等都起到了很好的效果。

但是由于柔性直流输电技术是新技术，控制保护方面的研究较少，在工程投入运行一年多时间里，发现控制保护方面存在一些问题。

比如，柔性直流输电系统的阀厅内部故障，控制保护系统动作结果是闭锁换流阀同时跳开断路器（启动断路器失灵保护），在断路器失灵跳不开的情况下，若失灵保护的原理是传统的判电流，则因柔性直流输电系统的阀厅故障的故障特征，断路器失灵保护是无法启动的，这将扩大了事故范围，给柔性直流输电系统带来安全隐患。

因此，结合实际工程运行中发现的问题，研究柔性直流输电工程的故障特征，根据故障特征提出相应的改进措施和方法，不断完善柔性直流系统控制保护系统的功能，使柔性直流输电系统更安全可靠的运行。

因此，研究柔性直流输电在发生故障时且断路器失灵时相应的失灵保护策略显得尤其重要[1]。

同时，研究柔性直流输电控制保护的故障特性对后续的柔性直流输电工程在设计和运行维护方面都具有重要意义。

本文分析了柔性直流输电系统的故障特征，结合柔性直流输电系统的特点，提出了针对柔性直流输电系统的断路器失灵保护策略。

1 断路器失灵保护原理及柔性直流输电系统对断路器失灵保护的配置要求[2]目前，常规的断路器失灵保护配置是按照常规的断路器失灵保护。

采用“相电流”、“零序或负序电流”动作，配合“保护动作”和“断路器合闸位置”三个条件，延时启动失灵。

其中零、负序电流，“保护动作”和“断路器合闸位置”可分别由控制字投退，如图1所示。

精心整理柔性直流输电一、概括（一）柔性直流输电的定义高压直流（ HVDC ）输电技术始于 1920 年月，到当前为止，经历了 3 次技术上的改革，其主要推进力是构成换流器的基本元件发生了革命性的重要打破。

第一代直流输电技术采纳的换流元件是汞弧阀，所用的换流器拓扑是6 脉动 Graetz 桥，其主要应用年月是 1970 年月从前。

图 1.1 ：汞弧阀图1.2：6脉动Graetz桥第二代直流输电技术采纳的换流元件是晶闸管，所用的换流器拓扑仍然是 6 脉动 Graetz 桥，因此其换流理论与第一代直流输电技术相同，其应用年月是1970 年月初直到此后一段时间。

图 1.3 ：电触发晶闸管图 1.4：光触发晶闸管往常我们将鉴于 Graetz 桥式换流器的第一代和第二代直流输电技术称为传统直流输电技术，其运转原理是电网换相换流理论。

所以我们也将传统直流输电所采纳的 Graetz 桥式换流器称为“电网换相换流器”，英文是“LineCommutatedConverter ”，缩写是“ LCC ” 。

这里一定明确一个观点，有人将电流源换流器（ CSC ）与电网换相换流器（ LCC ）混杂起来，这是不对的。

LCC 属于 CSC ，但 CSC 的范围要比 LCC 宽广得多，鉴于 IGBT 构成的CSC 当前也是业界研究的一个热门。

1990 年，鉴于电压源换流器的直流输电观点第一由加拿大McGill 大学的 Boon-TeckOoi等提出。

在此基础上， ABB 企业于 1997年 3 月在瑞典中部的 Hellsjon和 Grangesberg之间进行了初次工业性试验（3MW ，± 10kV ），标记着第三代直流输电技术的出生。

这类以可关断器件和脉冲宽度调制（ PWM ）技术为基础的第三代直流输电技术，国际威望学术组织国际大电网会议（CIGRE ）和美国电气和电子工程师协会（IEEE ），将其正式命名为“ VSC-HVDC ”，即“电压源换流器型直流输电” 。