1、柔性直流电网保护与故障穿越控制匹配协调李斌天津大学2018年11月14日2灵活、高效的直流技术可实现电网柔性互联、大规模可再生能源平滑接入，被认为是未来电力系统发展的一次重要革命。A CD C风电光伏交流电网储能中心负荷D CD CD CA CA CD CD CA CD CA C直流电网研究背景3直流限流器 光伏风电换流器2交流侧交流侧直流断路器换流器1换流器3换流器4换流器4换流器3换流器2换流器1换流器4换流器3换流器2换流器1换流器4换流器3换流器2换流器1直流故障架空线雷击过程n 特征：直流系统故障电流变化速度极快，幅值高；n 重大影响：单个故障迅速波及整个直流电网；n 保护：线路快速
2、故障识别定位于可靠性之间存在矛盾；n 隔离：断路器最大切断电流与动作速度受到考验。研究背景41.保护整定依赖于仿真结果；2.换流站阀组故障退出运行、区外近端金属性故障时可能发生保护误动作（即耐受过渡电阻能力弱）。3.基于du/dt的保护无法区分背侧近端金属性故障和区内远端高阻故障，需配合方向元件，以提高保护灵敏性；行波保护存在的问题1234d/dt d/dt ppGGABB行波保护判据ABB行波保护通过检测极波变化率(d P/d t)、地模波变化率(d G/d t)、极波变化量(P)和地模波变化量(G)四个量来构成保护判据。1234du/dt u i i 整流侧逆变侧西门子（天广直流）采用du
3、/dt实现故障启动，利用电压变化量(u)和电流变化量(i)进行线路故障识别，构成电压行波保护的判据。西门子行波保护判据高压直流输电线路行波保护基于单端暂态能量的直流保护新原理5单端暂态电压能量基本原理 1 1/LK Z j L Z 1 11 1Mg g|+=+ffl lf fl lf fU U e K U eK U e K K U e 11 1 1 1 1/+Z/+Z/CNgg CNZ j L j L ZKR Z j L j L Z（a）区内末端高阻故障：（b）区外近端金属故障：1 11 1ML L|=+ffl lf fl lf fU U e K U eK U e K K U e Bin Li
4、,Ye Li,Jiawei He.A Novel Single-ended Transient-voltage-based Protection Strategy for Flexible DC gridJ.IEEE Transactions on Power Delivery基于暂态电压幅值比的方向保护新原理6方向判据基本原理（a）反方向故障：（b）正方向故障：M_line M_busM_bus M_line 1=/U U j LIU j LU Z u 1 1|/j|K Z Z L M _ line M_busM _ bus M _ busM _ bus CM1 1U U j LIU UU
5、j LZ j L Z 1 11/u CMK j L Z j L j L Z M_line M_bus|/|U UM_line M _bus|/|U U主要优势1.不受线路分布电容的影响；2.保护耐受过渡电阻能力强；3.保护动作速度快。何佳伟,李斌,李晔,王常骐,戴冬康.多端柔性直流电网快速方向纵联保护方案J.中国电机工程学报.基于单端暂态能量的直流保护新方案7p保护算法实现 Mallat小波算法j setE E？_lineset_busmax|max|jjdkd？0111()()(2)()()(2)j jnj jna k a n h n kd k a n h n k 故障识别判据：在高频段具有
6、较好的时域分辨率，可用于提取故障高频分量setset:jjE EE E 区内故障区外故障set_line _busset_line _bus:max|()|/max|()|:max|()|/max|()|j jj jd k d k kd k d k k 正向故障反向故障方向判据：基于单端暂态能量的直流保护新方案p仿真算例故障区段识别判据故障方向判据(a)(kV2)(b)I(kA)(c)dI/dt(kA/s)(d)(kV)(e)(kV)基于单端暂态能量的直流保护新方案p仿真算例故障类型 故障位置 过渡电阻（ohm）k 故障方向 Ej故障区段识别两极短路近端 0 3.6 1 正向 5 6 2 2
7、7 区内中点 0 3.7 4 正向 8 7 7 9 6 区内末端 0 3.6 7 正向 3 4 1 6 3 区内正向区外近端 0 3.7 4 正向 5 0 8 6 区外反向区外近端 0 0.2 8 反向 4 4 3 9 区外单极接地近端0 3.5 5 正向 5 6 2 0 2 区内1 5 0 3.5 3 正向 2 7 5 6 2 区内3 0 0 3.7 5 正向 1 6 1 8 9 区内末端0 3.7 3 正向 1 9 4 8 1 区内1 5 0 3.7 2 正向 9 2 9 8 区内3 0 0 3.7 2 正向 5 3 6 8 区内正向区外近端 0 3.8 1 正向 2 8 2 0 区内反向
8、区外近端 0 0.3 3 反向 6 0 8 5 区外交流系统正向交流系统 0 3.8 4 正向 6 7 区外反向交流系统 0 0.3 3 反向 1 5 1.8 区外单端量保护动作性能李斌,何佳伟,李晔,欧逸哲.基于边界特性的多端柔性直流配电系统单端量保护方案J.中国电机工程学报,2016,36(21):5741-5749.方向元件的必要性特点：(1)动作速度快（1-2ms）；(2)无需通信；(3)耐受过渡电阻能力强；（4）不受线路分布电容影响；大纲研究背景 一直流故障限流技术 三直流断路器 四10一种直流输电线路保护新方案 二柔性直流电网直流故障特征11两电平VSC两极短路故障MMC两极短路故
9、障1李斌,何佳伟.柔性直流配电系统故障分析及限流方法 J.中国电机工程学报,2015,35(12):3026-3036.2Bin LI,Jiawei HE,Jie TIAN,Yadong FENG,Yunlong DONG.DC fault analysis for modular multilevel converter-based system J.Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2017,5(2):275-282.直流故障发展速度快、影响范围广、危害大12直流保护、DCCB与换流站的故障响应时序直流系统阻尼小，故障发展速度
10、极快。现有直流保护与DCCB动作速度无法匹配故障发展速度，导致换流站快速自闭锁，系统停运。需配置具有快速响应能力的故障限流器（Fault current limiter,FCL）。p 无限流器 p 加装限流器Bin LI,Jiawei HE.Studies on the Application of R-SFCL in the VSC-based DC Distribution System J.IEEE Trans on Applied Superconductivity,Vol.26,No.3,pp.5601005,2016.基于直流电抗器线路的问题13 加装限流电抗器，能够有效限制故障电
11、流上升速度与直流电压的快速跌落，保证健全网络的可靠故障穿越；为实现故障穿越，要求的电感值较大：1.5kV直流系统，7080mH，ttrip=15ms；200kV系统，数百毫亨，ttrip=6ms。14 直接加装过大的限流电抗器使MMC在潮流突变时的暂态响应速度变慢，甚至失稳，VSC-HVDC快速潮流控制特点弱化；过大的限流电抗器在DCCB切除故障电流时所需耗散的故障能量增加，切除速度减慢。基于直流电抗器线路的问题380400420440with dc reactor directlywithout FCL1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2-0.500.5
12、1with dc reactor directlywithout FCLTime(s)潮流突变暂态响应断路器故障切除速度Bin Li,Jiawei He,Ye Li,Ruisheng Li.A Novel Solid-state Circuit Breaker with Self-adapt Fault Current Limiting Capability for LVDC Distribution NetworkJ.IEEE Transactions on Power Electronics(Early Access).一种适用于直流电网的故障限流技术15p桥式限流器在直流电网中的应用直流
13、桥式限流器工作原理与直流断路器的配合原理 提出一种直流桥式限流器。正常运行时限流电感不接入直流线路，不会对电网暂态响应、稳定性产生影响；故障后快速自动响应投入电感，限制故障电流；DCCB动作后限流电感再次自动旁路，大大加快故障电流清除速度。Jiawei He,Bin Li,Ye Li.Analysis of the Fault Current Limiting Requirement and Design of the Bridge-type FCL in the Multi-terminal DC GridJ.IET Power Electronics,2017,DOI:10.1049/ie
14、t-pel.2017.0493.研究展望16p考虑直流线路分布、频变特性，研究快速电流差动、新型行波方向等后备保护，构造完备的直流电网主后备保护方案。p针对架空线路应用场景，基于不同类型故障隔离方案，研究适用的智能重合闸新原理。p从经济性角度出发，研究低损耗、低成本的直流故障限流器改进拓扑结构。p从全网络层面出发，明确故障限流关键指标，研究直流故障限流器优化配置方法。ACB1ACB3ACB2直流断路器DCB3DCB2DCB1同步发电机DCDCDC DCAC AC电压：10kV光伏风电储能交流微网负荷6km10km1km5km4km 6km2km#1#2#3#4#5#6#7交流负载DCDCACD
15、C交流负载1.5KV380V交流电网 交流电网交流电网10kV直流配电网u直流配电网：线路成本低、输电损耗小、供电质量高，潮流可控等优势u江苏示范工程（1）半桥型MMC+120台10kV直流断路器（2）具有故障穿越能力的MMC+120台10kV直流负荷开关u10kV直流开关成本昂贵，高达百万/台，其在直流电网中的大范围推广应用受到限制。考虑分布式电源和多种负荷的直流配电网典型结构（深圳某示范工程）常规直流开关只能保护一条线路，本课题组将其定义为常规两端口直流开关，可分为下表3种。机械式直流开关的经济性最优，但一般不具有重合闸功能（江苏要求快速重启功能，直流开关必须能完成分-合-分操作）。直流开
16、关概况常规两端口直流断路器 性能指标 两端口纯固态 直流断路器 两端口机械式 直流断路器 两端口混合式 直流断路器 动作时间 微秒级 23毫秒 23毫秒 初期建设成本 较高 最低 最高 运行损耗 占换流器损耗 30%百瓦级 数千瓦 运行成本 最高 几乎为零 适中 重合闸功能 与换流站配合 可实现重合闸 无重合闸功能 与换流站配合 可实现重合闸 鉴于配电网对断路器的巨大需求量，从经济性出发，机械式直流开关更适合于直流配电系统。由此，后续重点分析机械式直流开关的研究现状。目前，根据换流技术的不同，两端口机械式直流断路器可细分为3种：1）基于无源振荡换流技术的直流转换开关；2）基于高压电容预充电的两
17、端口机械式直流开关；3）基于耦合负压电路的两端口机械式直流开关；两端口机械式直流开关的研究现状存在的问题：受限于SF6电弧电压的幅值及建立时间，其开断电流约6kA，开断时间2030ms；一般用于常规直流中作为直流转换开关；无法满足直流配电网对快速性的要求。MSIcImsIf通流支路换流支路CL吸能支路DS RCBMOVImovIhf1）基于无源振荡换流技术的直流转换开关 2）基于高压电容预充电的机械式直流开关通用和东芝对该开关的研究起源于上世纪八九十年代，但当时受限于机械开关操动速度，所研制样机的动作时间为数十毫秒。近年来，西安交通大学于2014年公布成功研制了额定电压55kV、开断电流16k
18、A、动作时间5ms的单元样机。存在的问题：空气球隙TSG需长期燃弧，寿命有限；TSG熄弧性能具有不确定性，进而造成断路器开断性能的不确定性。另外一种技术方案是将TSG用晶闸管阀串代替，但晶闸管阀串恢复时间长，易发生击穿损坏，且价格昂贵。高压电容C的储能时间为数秒，不具有重合闸功能。MSIcImsIf通流支路换流支路TSGCL吸能支路RcDS RCBMOVImovIhf两端口机械式直流开关的研究现状 3）基于耦合负压电路的两端口机械式开关 华科联合思源电气于2017年研发了世界首台挂网运行的机械式直流断路器。额定电压为160kV，可在3.3ms内开断9kA电流。同期，本课题组也开展了相关研究工作
19、，搭建了20kV/5kA/2.7ms样机。相关研究成果已于2017年在IEEE Transaction发表2篇文章。存在的问题：耦合负压电路的成本高；由耦合负压电路的工作原理决定，随着电压电流水平的提高，可能出现机械开关过零不熄弧的情况，且耦合负压电路成本将大幅提高。MOVIcImvsIfCIhfIMOVMVSI1L2DS RCBSCRD1CsRsDsmovFCS子模块C1L1M12UC1FCS耦合负压电路脉冲变压器ACT通流支路换流支路吸能支路两端口机械式直流开关的研究现状1.Weijie.Wen,Y.Wang,Bin.Li,Y.Huang,R.Li and Q.Wang,Transient
20、 Current Interruption Characteristics of a Novel Mechanical DC Circuit Breaker,in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.33,no.11,pp.9424-9431,Nov.2018.2.Weijie.wen,Y.Huang,Bin.Li,Y.Wang and T.Cheng,Technical Assessment of Hybrid DCCB With Improved Current Commutation Drive Circuit,in IEEE Trans
21、actions on Industry Applications,vol.54,no.5,pp.5456-5464,Sept.-Oct.2018.常规机械式直流开关只能切断一条线路上的电流，直流配电网对常规直流开关的需求量巨大。由于直流开关的主要成本有主开断支路产生，通过共用主开断支路，天津大学直流配电系统控制与保护课题组提出了一种经济型多端口机械式直流开关，并搭建原理样机，通过了试验验证。本课题组技术方案的突出优点是：可大幅降低成本；快速重合闸功能；特别适合直流配电网；经济型多端口机械式直流开关中的关键技术包括：10kV多端口机械式直流开关拓扑结构及其工作原理；基于双电容振荡的新型换流技术；
22、多端口机械式直流开关在直流配电网中的故障开断与快速重合特性；研制样机并开展等效试验；切出线（电流流出母线）天津大学专利（1）一种基于微损耗组合机械式直流断路器的故障隔离与恢复方法；专利号：201711237488.X（2）一种具有重合闸功能的微损耗组合机械式直流断路器；专利号：201711237507.9（3）一种微损耗组合机械式直流断路器及其控制方法；国际专利申请号：PCT/CN2017/118163，2017年12月25日文章：（1）Weijie Wen,Bin Li.Analysis and Experiment of a Micro-Loss Multi-Port Hybrid DCC
23、B for MVDC Distribution System.IEEE Transactions on Power electronics.（IF.6.812 已录用）（2）Weijie Wen,Bin Li.No-Load Dielectric Recovery of the Vacuum Switch in Hybrid DC Circuit Breaker.IEEE Transaction on Power Delivery.(IF.3.35 已录用）(a)正常运行时(c)换流结束后(b)换流过程MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_
24、1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置IhfMOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line
25、20.51kV换流装置 切进线（电流流入母线）(a)正常运行时(c)换流结束后(b)换流过程MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置IhfMOVC1CRmovCB_2R
26、CB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置Ihf 1台多端口机械式直流开关可替代同一直流母线上的多台直流开关，完成进出线的双向负荷电流的开断，从而实现运行方式的灵活改变。多端口机械式直流开关的快速重合策略先合闸RCB_1,判断是否存在故障技术特点：先将主开断支路切入以判断是否存在故障；可避免直接重合于故障而产生冲击电流的情况MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支
27、路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置MOVC1CRmovCB_2RCB_2FCS_2CB_mRCB_mFCS_mCB_1RCB_1FCS_1通流支路1 通流支路2 通流支路m主开断单元LsI1u I2uImuline mline 1直流母线line 20.51kV换流装置line 1 被切除后复位过程切进出线过程重合操作去游离重合闸电流？开断重合闸电流；彻底隔离故障点；复位以保护其他线路否复位至完全正常态是有故障无故障重合过程故障电流下降残余电流开断百ms级 换流TRV建立耗能分闸RCB_1合闸RCB_1
28、再次分闸RCB_1快速重合策略不同直流开关的比较MS_2RCB_2MS_mRCB_mMS_1RCB_1LCP_1 LCP_2 LCP_mLs I1uline_2I1I2I1d主开断单元Busbar_u换流装置line_mport_1port_2port_mDS_1DS_2DS_m(a)常规直流开关配置情况(b)多端口直流开关配置情况常规两端口直流开关隔离开关 DS残余电流开断开关RCBline_2I1Busbarline_mDS_1DS_2DS_mline_1line_1元器件数量对比 项目 配置常规 直流开关 配置多端口 直流开关 隔离开关数量 m m 直流负荷开关数量 m 1 快速机械开关
29、数量 2m 2m 高压电容器数量 m 1 避雷器数量 m 1 换流装置数量 m 1 电流传感器 3 m 2m+2 电压探头 m 1 结论：机械开关数量不变；高压电容、避雷器及换流装置都可降低为原来的1/m；电流传感器及电压传感器数量都有所下降。粗略估计成本将为原来的1/mI msI cI f避雷器I movLCPport_1 port_2RCB高压电容+换流装置MS常规直流开关断口电压机械开关电流换流支路电流（残余电流）3.1kV2.4kA下桥臂机械开关开断残余电流，实现故障点的完全隔离放大原理样机参数两端口C=140uF C1=520uF/0.5kV开断过电压：3.1kV开断电流：2.4kA电流截止时间：2ms残余电流开断时间20msCB_2K_2CB_1K_1通流支路1 通流支路2 主开断支路LsMOVCR主开断单元C1 D1D SCR新型换流装置FCSNVS
