多端柔性直流输电的短路故障分析

摘 要：以某地区多端柔性直流输电系统的短路故障为例，详细分析了该短路故障的发生原因，并根据短路判据和相应的隔离逻辑与重启动逻辑，运用直流侧极对极短路故障的穿越控制方法，实现了故障隔离和系统恢复运行，有效解决了短路故障问题，可为今后类似工作的开展提供参考和借鉴。

关键词：多端柔性直流输电;短路;故障分析

0    引言

柔性直流输电技术因其在控制特性和功率翻转能力等方面的优异表现，近年来得到了广泛的发展与应用，当前已有多个多端柔性直流输电工程投入运营，且正朝着直流电网的方向发展。但从目前来看，多端柔性直流输电系统并不具备清除直流线路故障的能力，且极易受到外界因素的影响而出现短路故障，因此，需要对其短路故障问题进行进一步的研究和分析。

1    短路故障具体经过

1.1    某多端柔性直流输电系统概况

某多端柔性直流输电示范工程位于我国东部沿海地区，由5个换流站构成，交流侧分别接入220 kV或110 kV变电站，而直流侧则采用树状接线的方式，并以2号换流站为中心枢纽站。同时，为确保各换流站的故障能够有效隔离，各个换流站在换流阀桥臂处均配置了阻尼模块。此外，还在1号换流站的直流出线正负极各配置了一个直流断路器。

1.2    故障前运行状态

在短路故障发生前，该系统的1～3号换流站采用三端联网的方式运行，其中，1号换流站采用恒定直流电压控制，2号和3号换流站则采用定功率控制。

1.3    故障过程

故障发生时，1号和2号换流站首当其冲，换流站1侧和2侧的电流值出现明显的差异，导致直流电流不平衡，随即自动启动直流电压不平衡保护Ⅰ段并跳闸，与此同时，触发换流器闭锁命令。在换流器闭锁命令触发后1 ms，五站连跳命令和跳阀侧断路器命令也相继触发。3号换流站的故障类型与前两者均相同，从时间上来看，则较前者的发生时间均推迟1 ms。

2    故障分析与恢复

2.1    故障波形分析

本次短路故障涉及整体输电系统的1～3号换流站，相关数据表明，3个换流站的波形均相似，因此，在分析时以1号换流站的波形为例即可。1号换流站波形图如图1所示。当短路故障发生时，1号换流站的正极电压在2 ms内即下降到0 kV，而负极电压也相应降至-380 kV，与此同时，正负极电流和接地极电流迅速上升，交流电压发生负向偏置。根据以上情况，初步推断，可能是该系统的正极极线出现了单极接地故障。但出现故障的具体线路，仍需进一步判断。

为判断故障线路，首先应对所有线路的正极电流变化情况进行分析，以故障前时刻差流为0作为参考，分析故障后线路电流的差值。差值计算结果如表1所示，在1号和2号换流站之间的线路上出现了高达1 520 A的差流值。因此，能够确定是1号和2号换流站之间的线路发生了正极接地短路，其故障类型则属于单极接地故障。

2.2    故障特征分析及识别判据

采用故障发生后t0—tn时间内电抗器电压积分量来构建单极接地故障的识别判据公式，该公式如下：

式中：t0为检测到故障发生的时刻;t0—tn为积分时间窗，针对本次故障，则取一较短时间，为1.0 ms。

定义分段函数：

sign（x）=1，     x>0，-1，   x<0

即可构造单极接地故障识别判据如下：

sign（SP）·sign（SN）=-1，                           |SP|>Q，|SN|>Q

式中：SP和SN分别为正负极线路ESV积分量;Q为固定门槛值。

当满足该判据中②的条件，且SP和SN极性相反时，则可判定目标线路出现故障。

2.3    故障隔离逻辑和快速重启动逻辑

由于该柔性直流输电系统仅仅配置了一端的直流断路器，且并未配置快速故障定位装置，因此，当发生短路故障后，无法直接进行故障隔离[1]，而是只能按照以下3个步骤来进行故障隔离：第一步，将所有正在运行的换流站切换至闭锁状态，并投入阻尼模块，确保故障电流快速降至最低水平，并触发跳交流进线断路器;第二步，在跳交流进线断路器断开期间，利用站间通信，对线路差流情况进行分析，对直流故障线路进行初步定位;第三步，当故障线路位于1号换流站和2号换流站之间时，则直接跳开直流断路器，待故障电流衰减至临界值以下之后，跳开谐振断路器和交流断路器[2]。当故障隔离完成后，则要立刻恢复未出现问题的部分，以尽快恢复供电。快速重启动的步骤主要如下：一是健全系统中的容量较大换流站重合交流短路器;二是建立直流充电电压;三是解锁定直流电压换流站;四是在此基础上解锁其他换流站，确保输送功率尽量恢复到故障发生前的水平。以往的经验表明，从故障判断到系统重新启动，通常不超过0.6 s。

2.4    短路保护判据

虽然多端柔性直流输电系统与传统的输电系统有着类似的原理，但由于二者在结构、传输容量和控制方式等方面均存在一定的区别，因此，在发生类似故障时，不能随意套用以往的经验[3-4]，因为二者的短路保护判据有着较为明显的区别。具体来看，对于多端柔性直流输电系统的短路保护判据，应采用以下方式进行分析：直流侧采用并联电容，使得其阀侧直流电流与直流线路电流存在明显差异。在多端柔性直流输电系统正常运行时，其阀侧直流电流与交流电流处于平衡状态，而在出现短路故障时，逆变侧的有源交流网络功率会出现倒送，阀侧直流电流将出现具有周期性的负值。一般来说，在正常運行状态下，系统的直流线路电流和交流电流之间的差值是恒定的，为此，该系统以交流侧电流增大和直流线路电流减小这两个数值作为保护判据。

2.5    故障控制方法

该多端柔性直流输电系统的拓扑结构采用了一半的全桥子模块，因此，其对极短路故障具备穿越能力。具体来看，该模块中的全桥子模块和半桥子模块可等效为一个电压源，每个桥臂由两种等效电压源串联而成，正常运行期间，换流器不需要输出负电平。对此，在多端柔性直流输电系统出现短路故障后，首先，根据直流侧极对极短路故障穿越控制的基本思路，利用桥臂中全桥子模块的负电平输出能力，对上下桥臂所输出的共模电压进行调整，直至电压数值与直流侧电压匹配为止，由此即可实现故障电流的降低。对于该拓扑结构中另一半的半桥子模块而言，则要在故障发生和换流器闭锁后，断开交流侧机械断路器，以彻底消除故障电流，确保隔离直流侧故障。在实际运行中，换流器检测到短路故障发生后即迅速进入故障穿越模式，各个桥臂等效电压源输出电压中的直流分量被调节为零，直流侧故障电流得到控制并迅速减小。在故障穿越期间，换流器继续保持可控运行，有功功率和无功功率均保持恒定，确保交流侧电网电压的稳定。当短路故障清除后，换流器进入故障恢复状态，在恢复期间，系统传输的有功功率连续可控，逐渐恢复到额定输出功率，无功功率则继续保持额定值。在这一阶段，全桥子模块等效电压逐渐减小，最终减小到输出电压幅值，半桥子模块等效电压逐渐恢复电压输出能力，最终二者均平稳过渡到正常运行状态，完成故障恢复运行。

该快速重启动过程共耗时0.679 s，在重启动后，2号换流站作为定直流电压站平衡系统功率，3号换流站依旧为定功率运行，并恢复至故障前输送功率。因此，技术人员最终决定由2号换流站向3号换流站进行有功功率的输送。

3    结语

从目前来看，多端柔性直流输电系统仍有很大的发展空间，但其常见的短路故障，仍是制约其进一步发展和应用的重要问题。因此，为降低短路故障的发生概率，需对现有电路做进一步的研究和改进，以确保能有效隔离故障。同时，需要注意的是，随着未来直流电网的逐渐出现，有必要对直流侧电压的稳定性以及有功功率和无功功率的最大传输等方面做进一步研究。

[参考文献]

[1] 唐震.多端柔性直流输电故障特征仿真分析[J].山西电力，2020（1）：1-6.

[2] 裘鹏，王一，陆翌，等.一起多端柔性直流输电系统短路故障分析[J].浙江电力，2019，38（11）：22-27.

[3] 李乃一，陈俊，任广振，等.一起柔性直流输电电缆双极短路故障分析[J].浙江电力，2020，39（10）：28-35.

[4] 许云旺，王丙辉，曾洋，等.多端柔性直流输电应用及仿真[J].电子设计工程，2018，26（10）：176-179.

收稿日期：2021-03-03

作者简介：候文佚（1993—），男，江西撫州人，硕士研究生，研究方向：柔性直流输电。