考虑直流控制耦合的直流输电系统故障动态特性与保护响应边界识别研究

It is lack of effective theoretical system and quantitative analysis method for fault calculation and protection analysis of HVDC system，and the root cause is the close correlation between dynamic characteristics under fault states of HVDC and DC control. It causes the intercoupling between the inherent fault information of HVDC and regulating effect of DC control system, and it also increases difficulty of fault analysis and complexity of protective response. .This project is based on the unified framework composed of power system fault calculation and fault analysis of relay protection, and in order to establish system of HVDC fault calculation and relay protection analysis method considering the coupling effect of DC control. Converter and DC line are the key research objects in this project, and characteristics and rules of response of DC control under different fault conditions are analyzed. The action mechanism of different mode of DC control to dynamic process under fault states of HVDC is also analyzed. The new characteristics of dynamic process under fault states of HVDC considering the effect of DC control are revealed. On the basic of the research before, the boundary conditions of converter protection and DC line protection are analyzed, and the protective relaying setting calculation method and coordination and optimization strategy for them are put forward, and the safety and reliability of HVDC system are improved further.

现有直流输电系统的故障计算与保护分析缺乏有效的理论体系与定量分析手段，其根本原因是直流系统故障动态与直流控制的强相关性，导致了直流系统的固有故障信息与控制系统的调节作用相互耦合，增加了故障分析的难度和保护响应的复杂性。本项目从电力系统故障计算与继电保护故障分析的统一框架出发，旨在建立考虑直流控制作用耦合的直流输电系统故障计算与继电保护分析方法体系。以换流器和直流线路为重点，深入研究不同故障条件下，直流控制系统响应的特征和规律，分析不同直流控制方式对直流系统故障动态过程的作用机理及方式途径，揭示考虑直流控制作用影响下直流系统故障动态过程中各电气量所具有的新特征。在此基础上，分析直流系统换流器保护及直流线路保护动态响应的边界条件，提出保护整定计算方法及协调优化策略，进一步提高了直流系统运行的安全可靠性。

高压直流输电技术由于在输电距离、传输容量以及经济性上具有显著的优势，目前在跨区域电网间的互联与大容量远距离输电中获得广泛应用。直流输电系统运行的核心在于控制，即直流系统正常状态下及故障状态下电气量的变化及特征均受控制系统的影响显著，这是交直流系统最显著的差异，同时也是直流系统故障分析的难点和关键所在。.本项目以直流输电系统的两个核心元件——换流器和直流输电线路为研究对象进行了直流控制作用下的故障特征及保护动作情况研究。针对换流器交流连接线故障时换流器保护动作的不确定性进行分析。重点分析了了控制系统在各类故障状态下对换流器保护特征量的动态特性及其保护动作情况的作用机理。研究表明：（1）当换流器交流侧发生单相接地故障时，电路中是否存在故障接地点决定了各换流器保护直流电气量的变化情况。故障点与电流互感器间的相对位置关系对换流器保护动态特性的变化无显著影响。（2）当换流器交流侧发生相间短路故障时，电流互感器与故障点间的相对位置直接影响直流控制系统的响应，显著影响故障过程中各换流器保护的动态特性。（3）当换流器交流侧发生两相接地故障时，直流差动保护、阀短路保护及桥差动保护的动态响应与动作情况分别可以看作是其单相接地故障与相间短路故障的叠加；阀组差动保护的动态特性及其动作情况则不能简单看作是单相接地故障和相间短路故障下的叠加。由此可以看出，在直流控制的影响下，保护的动态特性和动作结果呈现出新的特征。针对直流输电线路的后备保护——差动保护，从研究保护特征量的动态特性入手，分析了直流控制系统作用下各特征量动态响应的规律及新特征，在此基础上研究了保护中各判据的功能及边界条件。本项目研究对直流输电故障分析体系的建立具有一定作用。