中壓直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究綜述

1、 中壓直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究綜述 摘要：隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，配電網(wǎng)的源荷儲(chǔ)直流特征逐步明顯，中壓直流配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢顯著。直流配電保護(hù)是保障系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵，但仍未形成成熟的技術(shù)體系。本文試圖對國內(nèi)外直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究狀況做一個(gè)系統(tǒng)的介紹。文章首先概述了與保護(hù)方法制定相關(guān)的直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流設(shè)備、接地方式以及暫態(tài)故障特性等內(nèi)容。其次，對目前普遍研究和應(yīng)用的直流配電系統(tǒng)保護(hù)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，分析了各種保護(hù)方法的適用性和局限性，并對工程實(shí)踐中應(yīng)用的直流配電系統(tǒng)控制保護(hù)一體化技術(shù)進(jìn)行了歸納和分析；最后，對直流配電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了展望和總結(jié)。關(guān)鍵詞：中壓直

2、流配電系統(tǒng)；故障分析；保護(hù)方法；控制保護(hù)一體化引言電動(dòng)汽車充電樁、數(shù)據(jù)中心等直流型負(fù)荷與光伏等直流型分布式電源的發(fā)展使得配電系統(tǒng)源、荷的直流特性日趨明顯。直流配電網(wǎng)能有效減少變流環(huán)節(jié)，提高分布式電源的接納能力和能源利用效率，具有廣闊的發(fā)展前景。相比于傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)，柔性直流配電系統(tǒng)包含了換流閥、直流變壓器等大量可控的電力電子設(shè)備，呈現(xiàn)電力電子化的特征。直流配電系統(tǒng)故障特征、故障發(fā)展過程、故障隔離及供電恢復(fù)過程都與換流閥等電力電子器件控制策略密切相關(guān)。1淺析直流配電系統(tǒng)故障的發(fā)生特征1.1故障電流急劇上升在直流配電系統(tǒng)線路出現(xiàn)接地故障的情況下，并聯(lián)在vsc直流側(cè)的濾波電容，往往會(huì)在發(fā)生故障的

3、短時(shí)間內(nèi)，迅速向故障點(diǎn)位置進(jìn)行放線，加速電流數(shù)值在線故障線路的上升速度，這一點(diǎn)特性非常不利于檢測裝置與故障隔離裝置迅速發(fā)揮作用。同時(shí)，vsc通常會(huì)在直流配電線路發(fā)生故障后，迅速鎖定絕緣閘雙極型晶體管，導(dǎo)致系統(tǒng)電路里的續(xù)流二極管開始向故障點(diǎn)放出不控整流電流，導(dǎo)致故障線路的電流長時(shí)間保持為急速上升的狀態(tài)。1.2故障波及范圍廣泛直流配電系統(tǒng)里面交織著極多的交往單元，主要通過換流器裝置進(jìn)行接入，這種線路的連接特征，使得直流配電系統(tǒng)在出現(xiàn)接地故障之后，臨近的換流器出口電容就容易失控，持續(xù)向故障點(diǎn)位置做出放電行為。如此一來，直流配電系統(tǒng)的電壓數(shù)值會(huì)逐漸開始下降，影響到系統(tǒng)中其余并網(wǎng)設(shè)備的使用質(zhì)量，而且其中

4、的電動(dòng)機(jī)以及交流電源等設(shè)備，往往還會(huì)持續(xù)通過二極管向故障點(diǎn)釋放出已經(jīng)短路的電流，導(dǎo)致出口直流電壓的數(shù)值產(chǎn)生變化，影響到系統(tǒng)正常部分的運(yùn)行。1.3故障檢測定位困難直流輸電系統(tǒng)具有復(fù)雜性，這也使得直流輸電電纜的線路頻變參數(shù)變得非常強(qiáng)烈，電力行業(yè)技術(shù)人員使用最多的保護(hù)技術(shù)就是故障定位，還有很多業(yè)界人士提出可以使用電流的固有頻率檢測系統(tǒng)的故障情況。但是，直流配件系統(tǒng)所配置的電纜線路比較短，要想迅速實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)線路的精準(zhǔn)定位具有一定的難度，這也使得高阻接地一類系統(tǒng)故障的檢測、定位工作，成為了技術(shù)人員最頭痛的問題。2直流配電系統(tǒng)保護(hù)與控制協(xié)同的總體思路2.1直流配電系統(tǒng)故障恢復(fù)面臨的問題柔性直流配電系統(tǒng)中電

5、力電子設(shè)備眾多，其故障恢復(fù)過程面臨以下問題。）直流故障的快速可靠識別難度大。直流配電系統(tǒng)故障發(fā)展過程迅速、故障持續(xù)時(shí)間極短、對典型故障特征量捕捉難度大，對保護(hù)裝置的采樣頻率、通信速度等提出了非常高的要求。）直流故障電流開斷困難。直流配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，故障電流上升速度快、峰值大，且直流故障電流無自然過零點(diǎn)，造成故障電流開斷困難，并導(dǎo)致直流斷路器成本增加。采用傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)相似地通過配置大量斷路器切除故障的故障隔離方法嚴(yán)重影響直流配電系統(tǒng)的投資經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)需要更加經(jīng)濟(jì)的故障電流清除手段。）直流電力電子設(shè)備耐沖擊電流能力弱。換流閥中的絕緣柵雙極型晶體管（，）通常只能承受倍額定電流的過電流，短

6、路故障發(fā)生后，換流閥通常因過電流而閉鎖，非故障區(qū)域因換流閥閉鎖而發(fā)生停電，擴(kuò)大了直流配電系統(tǒng)短路故障的影響。為保證直流配電系統(tǒng)的可靠性，需要換流閥能夠?qū)崿F(xiàn)故障穿越。）直流配電系統(tǒng)故障后的電壓重建過程影響因素眾多。若換流閥在故障后閉鎖，則在故障隔離后，非故障區(qū)域供電恢復(fù)需要閉鎖后的換流閥重新啟動(dòng)并建立系統(tǒng)電壓。換流閥重啟時(shí)間與閉鎖前換流閥中電容放電電量等因素有關(guān)，重啟過程受控制策略影響。2.2直流配電系統(tǒng)控制與保護(hù)協(xié)同的技術(shù)思路直流配電系統(tǒng)換流器類型主要包括兩電平電壓源型換流器半橋型模塊化多電平換流器、全橋型及混合型。根據(jù)采用的換流閥類型的不同，目前能有效實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)故障隔離與供電恢復(fù)的思路

7、主要是采用具有故障電流清除能力的全橋或混合橋，利用其子模塊結(jié)構(gòu)，配合橋臂閉鎖控制、故障穿越控制等策略，實(shí)現(xiàn)故障電流阻斷、故障穿越等功能，通過負(fù)荷開關(guān)實(shí)現(xiàn)故障隔離；3淺析直流配電系統(tǒng)故障的保護(hù)技術(shù)3.1直流配電系統(tǒng)故障隔離設(shè)備目前，電力行業(yè)的技術(shù)人員在應(yīng)對直流配電系統(tǒng)故障問題的時(shí)候，經(jīng)常使用直流斷路器設(shè)備對直流配電系統(tǒng)加以保護(hù)，能夠在成本可控的基礎(chǔ)上產(chǎn)生顯著的防控效果。其中，全固態(tài)類型直流斷路器的開合總時(shí)間基本可以控制在1m/s以內(nèi)，相比于vsc換流站，其預(yù)期功率損耗基本能夠處于30%以內(nèi)，未來的突破方向主要是加強(qiáng)對于固態(tài)裝置的改進(jìn)，從而降低導(dǎo)通壓降和串聯(lián)的個(gè)數(shù)，產(chǎn)生更好的直流配電系統(tǒng)故障隔離效

8、果。3.2限制故障電流的隔離裝置針對直流配電系統(tǒng)的常見故障問題，可以運(yùn)用專業(yè)的故障電流限流裝置器fcl，作為處理和限制故障電流的隔離裝置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況之后，fcl能夠做到快速察覺故障的發(fā)生情況，繼而通過判斷直流斷路器的位置，迅速切斷系統(tǒng)的流經(jīng)電流，達(dá)到抑制故障電流進(jìn)一步蔓延的效果。像是超導(dǎo)材料制作的fcl，在直流配電系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，能夠以較小的靜態(tài)損耗情況正運(yùn)行，在故障發(fā)生的情況下，便會(huì)迅速切換到非超導(dǎo)模式下，產(chǎn)生極強(qiáng)的阻值，達(dá)到強(qiáng)力限制故障電流的保護(hù)效果。3.3采用科學(xué)的故障檢測方法直流配電系統(tǒng)容易出現(xiàn)的故障問題具有多種類型，在采取保護(hù)技術(shù)的時(shí)候要針對故障問題具體而言，確定故障解

9、決手段的有效性。例如，當(dāng)直流配電系統(tǒng)出現(xiàn)過電流、電壓過低、過載等故障問題的時(shí)候，可以使用率先對直流線路的電壓量和電流值進(jìn)行檢測。通常來說，如果直流線路的故障問題主要在于短路，那么急速上升的直流線路電流往往會(huì)超過整定值，電壓反而會(huì)恒定在低于整定值的狀態(tài)，這時(shí)可以直接判斷該段配電線路出現(xiàn)了故障情況。結(jié)語隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電源和負(fù)荷的日益增多，直流配電技術(shù)重新得到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞。直流配電網(wǎng)發(fā)生極間短路后故障電流變化速率快、幅值高，對直流配電系統(tǒng)進(jìn)行快速可靠保護(hù)是構(gòu)建直流配電網(wǎng)亟需解決的技術(shù)難題。本文詳細(xì)分析了中壓直流配電系統(tǒng)基本構(gòu)成與故障特性，從適用性和局限性方面總結(jié)了現(xiàn)有的直流配網(wǎng)保

10、護(hù)方法，闡述了控制保護(hù)一體化的實(shí)現(xiàn)思路和工程應(yīng)用成果。目前，直流配電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)研究主要基于理論研究和仿真驗(yàn)證，工程實(shí)踐仍停留在示范工程建設(shè)階段，對于保護(hù)方案的驗(yàn)證和推廣仍需進(jìn)行更廣泛的研究。參考文獻(xiàn)1王丹,毛承雄,陸繼明,等.直流配電系統(tǒng)技術(shù)分析及設(shè)計(jì)構(gòu)想j.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(8):82-88.wangdan,maochengxiong,lujiming,etal.technicalanalysisanddesignconceptofdcdistributionsystemj.automationofelectricpowersystems,2013,37(8):82-88.2宋強(qiáng),趙彪,劉文華,等.智能直流配電網(wǎng)研究綜述j.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(25):9-19.songkiang,zhaobiao,liuwenhua,etal.anoverviewofresearchonsmartdcdistributionpowernetworkj.proceedingsofthecsee,2013,33(25):9-19.3盛萬興, 李蕊, 李躍, 等. 直流配電電壓等級序列與典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初探j(luò). 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(13):3391-3403, 3358.sheng wanxing, li