配备直流断路器的多端柔性直流系统电缆线路继电保护技术研究

Comparable or even beyond AC power system in terms of safety and reliability, multi-terminal VSC-HVDC system equipped with DC circuit breakers has the advantages of flexibility, economy, environmental protection and et al. Therefore, it becomes the future development direction and basic application form of DC transmission technology. Aiming at its technology requirements, research on cable line relay protection technology of the multi-terminal VSC-HVDC system equipped with DC circuit breakers is going to be carried out in this project. Firstly, custom models of important equipment in VSC-HVDC system will be studied and a simulation & experiment system of multi-terminal VSC-HVDC is to be established. The transient response of equipment such as MMC, fault current limiter and cable line will be studied and their mathematical descriptions will be proposed. Research on the analysis method of the fault transient process of the cable line in multi-terminal VSC-HVDC system will be carried out and the fault characteristics will be revealed. Basic on the analysis of specific requirements of relay protection, novel protection principles for inter-polar fault, disconnection fault and polar to earth fault will be studied. Research on their setting and coordinating methods will be carried out, taking the control strategy of the converters into consideration. A complete solution of relay protection for cable lines in multi-terminal VSC-HVDC equipped with DC circuit breakers will be proposed at last. The achievement of this research can be a theoretical support to the development and innovation of multi-terminal VSC-HVDC. The practical application can effectively ensure the safety and reliability of the multi-terminal VSC-HVDC system equipped with DC circuit breakers.

配备直流断路器的多端柔性直流系统具有灵活、经济和环保等优点，并在安全性和可靠性上可以媲美甚至超越交流系统，是直流输电技术的未来发展方向和基本应用形态。针对这一新型输电形式的技术需求，拟开展配备直流断路器的多端柔性直流系统电缆线路继电保护技术的研究。首先对系统中各重要设备进行自定义建模，并以此为基础搭建多端柔性直流仿真实验系统。研究MMC换流器、故障限流器、电缆线路等设备的故障暂态响应及其分阶段数学描述方法，研究系统中不同故障类型的暂态过程分析方法并揭示其故障特性。分析配备直流断路器的多端柔性直流系统对继电保护原理及方案的具体要求，研究针对电缆线路极间故障、断线故障和单极接地故障的保护新原理及考虑换流器控制策略的整定配合方法，提出完善的保护方案。研究成果将为多端柔性直流输电技术的发展与创新提供理论和技术支持，其实用化成果可以有效保障配备直流断路器的多端柔性直流系统安全可靠运行。

柔性直流输电技术被认为是电力系统发展的一次重要革命，是实现可再生能源接入、大电网互联、海洋群岛供电和城市电网构建的理想方式。配备直流断路器的多端柔性直流输电系统是未来智能电网的重要发展方向。但是，多端柔性直流系统故障时表现的非常脆弱，会面临短路电流幅值高、变化速度极快，隔离故障困难并且单个故障会波及整个电网的重大挑战。针对这一新型输电形式的技术需求，在本基金项目的支持下，深入开展了配备直流断路器的多端柔性直流系统电缆线路继电保护技术的研究。主要取得了如下几个方面的研究成果：.（1）研究了多端柔性直流系统中重要设备特别是MMC换流器的高效电磁暂态建模方法，搭建了配备直流断路器的多端柔性直流输电系统仿真模型，提出了基于运行点优化的多端柔性直流系统协调控制技术。.（2）研究了柔性直流系统中MMC换流器、限流器等重要设备的故障暂态响应过程，提出了基于节点电压和VCR暂态方程的多端柔性直流系统故障分析方法，并揭示了不同故障类型、不同位置等情况下的故障电气量暂态特性。.（3）针对柔性直流输电系统双极短路及大电流接地方式下的单极接地故障，提出了考虑线路频率相关特性的双端量电压行波差动保护原理及单端量距离保护原理，并给出了具体的保护整定配合方案。.（4）针对小电流接地方式下的单极接地故障，提出了基于线路电容转移电荷的单极接地故障保护原理，分析了不同故障位置、过渡电阻等情况对上述保护原理的影响并给出了保护整定方案。.依托本项目研究共发表SCI检索论文16篇，EI检索论文14篇，授权发明专利6项，申请发明专利6项。项目研究成果为配备直流断路器的多端柔性直流系统的故障特性研究提供了基本的理论分析方法，并为其提供了适用的继电保护原理和方案，可有效保障多端柔性直流输电系统的安全可靠运行。依托本项目成果与国家电网公司及设备制造企业进行了技术研究和产品开发合作，共同为我国的柔性直流输电工程提供实用化的保护产品、系统和解决方案。