新能源接入的多端柔性直流电网保护与故障隔离

Multi-terminal flexible dc grid is the important revolution and trend of the future electric power system. The continuous operation capability under dc faults is one of the key scientific problems for the future multi-terminal flexible dc grid, because of the interconnection of the dc lines, application of the overhead line and integration of the renewable resources. It is necessary to research the reliable dc fault identification and fast dc fault isolation techniques. Firstly, this project analyzes the fault transient characteristics of the multi-terminal flexible DC grid considering the integration of renewable resources. Meanwhile, the requirements for the dc line protection are discussed with considering the fault developing process, interaction and grid-connected reliability of the renewable resources. According to the boundary characteristics and topology features of the dc grid, the fast transient-quantity-based dc fault identification methods by using single-terminal and multi-terminals information are researched respectively. Moreover, aiming at the drawbacks of the existing dc fault isolating methods, the high-speed dc fault isolating techniques suitable for the multi-terminal flexible DC grid integrated with renewable resources are investigated. Finally, the reliable and fast dc line protection strategy and action mechanism are proposed according to the researches on the timing characteristics and coupling relations among protection and control units.

多端柔性直流电网是未来电力系统发展的重要变革与趋势，直流线路的互联、架空线的应用以及新能源的接入使得直流故障情况下的系统生存能力成为多端柔性直流电网所面临的亟待解决的关键科学技术问题，为此必须研究解决新能源接入的多端柔性直流电网的可靠故障识别与快速故障隔离。本项目首先对新能源接入的多端柔性直流电网故障暂态特征进行分析研究，综合考虑控制影响的故障演化过程、电网各侧保护之间的交互影响和新能源的并网可靠性，明确柔性直流电网对保护的性能要求。针对多端柔性直流电网边界特性和拓扑结构特点，研究基于本地多源信息和多端信息的暂态快速直流故障识别新原理；针对柔性直流换流技术在直流故障处理与隔离上所具备的优势和存在的问题，研究适用于新能源接入的多端柔性直流电网的直流故障快速隔离方法。在此基础上，基于控制保护系统各构成元素的时序特征与耦合关系，研究快速可靠的多端柔性直流电网的故障保护方法及其动作机理。

多端柔性直流电网在可再生能源集中接入、无源网络供电、异步电网互联等方面具有极为突出的技术优势，因此成为未来电力系统发展的一次重要革命。然而，柔性直流电网阻尼小，故障发展速度极快，对保护与故障隔离提出了极为苛刻的技术要求。为此，本项目围绕故障特征、故障识别与故障隔离三个核心问题开展研究工作。.首先，本项目分析了计及换流站控制响应的多端柔性直流电网直流故障暂态等效机理，并据此提出直流故障暂态响应特性精确计算方法。进一步地，提出了考虑严重换相重叠的直流故障稳态响应特性计算方法，仿真验证表明计算误差小于2.5%。同时，针对交流侧故障，研究了柔性直流换流站接入情况下的交流故障序网等值网络以及故障特性分析方法。.在此基础上，本项目基于电磁波传播理论分析了柔性直流电网直流区内外故障时的暂态特性差异，并据此提出单端暂态能量超高速保护新原理。与直流线路传统行波保护相比，耐受过渡电阻能力提升3倍以上。此外，本项目进一步分析了电抗器两侧暂态电压幅值在正、反向故障时的特性差异，并据此提出了暂态电压幅值比方向纵联保护新原理。与传统电流差动保护相比，具有自动免疫分布电容电流影响的能力，而且无需数据同步，工程实现硬件成本大幅降低。.在故障隔离技术方面，本项目首先分析了各种典型的自清除型子模块在隔离速度、运行损耗、交流源阻断能力等方面的性能对比。进一步地，提出了双晶闸管法改进方案，基于阻尼模块与双晶闸管法协调配合，有效加快了传统双晶闸管隔离方法的直流故障清除速度，并确保了故障隔离后晶闸管的可靠关断以及交流故障电流的可靠阻断。最后，本项目提出了多端柔性直流电网主后备保护方案，为柔直电网工程实践奠定了坚实的理论基础和方法依据。