多端柔性直流电网新型保护技术研究

可再生能源的大规模接入以及能源资源和消费分布不均衡问题对电网的资源配置能力提出了紧迫要求,可实现多电源供电及多落点受电的多端直流输电(Multi-terminal Direct Current,MTDC)系统在新能源并网及输送领域应用前景广阔。相对传统直流输电而言,柔性直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)技术具有有功和无功独立控制、可以向无源负荷供电、不需要装设无功补偿设备以及滤波装置、潮流翻转时保持电压极性不变等优势,因此更适于构建MTDC系统,即建设多端柔性直流输电(Voltage Source Converter based Multi-terminal Direct Current,VSC-MTDC)系统。目前,全球至少已投运24条VSC-HVDC工程,其中大多数是两端直流输电工程,VSC-MTDC系统和直流电网正处于起始发展阶段,直流侧故障处理能力是限制VSC-MTDC电网发展的重要因素之一。针对VSC-MTDC电网,本文开展直流输电线路和直流母线保护的研究,所做的工作和取得的成果如下:其一,提出基于电流行波极性比较的VSC-MTDC电网直流线路保护方法。论文首先分析了直流电网中直流线路区内外故障时线路两端的初始电流行波极性特征:1)当某正极线路故障时,包括正极接地和正负极间故障,故障的正极线路两端的初始电流行波极性相同,并且同为正极性;其他非故障正极线路两端的极性相反或者同为负极性。2)当某负极线路故障时,包括负极接地和正负极间故障,故障的负极线路两端的初始电流行波极性相同,并且同为负极性;其他非故障负极线路两端的极性相反或者同为正极性。然后,利用上述区内外故障时的极性特征差异,构造了直流输电线路保护判据,并根据小波变换的相关理论对初始电流行波的极性进行提取。此外,论文分析了在电磁耦合作用下故障极对非故障极的影响,提出了基于电流行波小波变换模极大值的幅值关系识别直流线路故障类型的方法。其二,提出基于采样值差动电流的VSC-MTDC电网直流母线保护方法。论文分析了直流电网中直流母线区内外故障时与母线相连各支路的电流采样值之和(采样值差动电流)的幅值特征:外部故障或正常运行状态下,母线的采样值差动电流是零,内部短路故障时,采样值差动电流等于各直流线路的短路电流瞬时值的总和,其值非常大。利用母线采样值差动电流在区内外故障时的幅值差异,论文构造了 VSC-MTDC电网直流母线保护判据。其三,通过在每个换流站直流侧出口处的正极和负极线路上串联电阻型超导故障限流器,将直流侧故障电流限制在一定范围内,与所提保护方法相配合,用开断容量较小的直流断路器开断故障电流,实现故障母线或线路的隔离。最后,利用PSCAD电磁暂态仿真软件搭建了采用两电平换流器的±200kV四端柔性直流电网模型,并利用该模型对所提保护方案进行了大量仿真。仿真结果表明,对于不同故障初始条件下的VSC-MTDC电网直流侧短路故障,保护均能做出正确判断,动作速度快,可靠性高,可以耐受一定过渡电阻。