北极星智能电网在线讯: 基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流电网技术是未来电力系统输电技术的发展方向之一，但面临快速清除直流侧故障的巨大挑战。分析比较 3 种隔离直流侧故障的方法，选择混合式直流断路器作为隔离直流侧故障的方案。结合基于差动电流的直流故障检测技术，提出考虑线路分布电容的柔性直流电网保护方案，包括线路保护和母线保护，并论述保护参数的选取原则。在PSCAD/EMTDC 仿真平台上建立一个 4 端柔性直流电网模型，验证所提基于混合式直流断路器的差动保护方案的有效性和可行性。结果表明，所提的差动保护方案满足了保护的选择性和速动性要求，运用混合式直流断路器可在数 ms 内清除柔性直流电网的直流侧故障。
0 、引言
近年来，随着基于绝缘栅双极晶体管(insulatedgate bipolar transistor，IGBT)全控器件的柔性直流(柔直)技术及工程应用的发展，基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的直流电网技术受到了人们越来越多的关注。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为一种新型 VSC 结构，相比于传统的低电平 VSC，具有开关损耗小、开关频率低、对器件开关一致性要求不高、模块化结构便于扩展和适用于高电压场合等优点，是未来直流电网换流站的优选拓扑方案之一。
参照国际大电网会议(CIGRE)工作组 B4.52 的技术报告对直流电网所作的定义，本文将柔性直流电网(简称为柔直电网)定义为由多个网状和辐射状联接的电压源型换流站组成的直流传输网络。建立柔直电网，可实现多时间尺度、大空间跨度的多种能源向用户互补供电，是未来电网的重要发展方向。
然而，建立柔直电网仍然面临着许多技术挑战，包括建立类似交流电网的保护机制，即在直流侧故障时快速限制并切断故障电流，以维持柔直电网安全稳定运行并保护电网的关键设备。在现有的柔直工程中，MMC 多由不具有直流故障自清除能力的半桥子模块构成。由于柔直电网中电力电子设备的过流、过压能力较弱;同时，直流侧的低阻抗特性使短路故障电流上升率较大，柔直电网对保护的速动性和选择性要求相比普通交流电网更高，需要在数 ms 内完成切断和清除故障电流等全套动作，以防止故障给直流系统和换流站造成损害。
从柔直系统故障保护的发展历史来看，大致可以分为 3 种技术路线：1)基于交流侧断路器的故障隔离技术，通过交流侧断路器和直流侧隔离开关相互配合以实现故障隔离是现有柔直工程中使用较多的方式;2)设计具备“故障穿越”能力的换流站拓扑技术，通过换流站拓扑的改进及控制策略设计，典型的子模块拓扑包括全桥子模块和箝位双子模块;3)研制高压直流断路器用于隔离故障，实现类似交流电网中断路器的部分故障保护功能，以切断故障电流并使故障线路退出运行，且维持其余线路继续运行。
在表 1 中给出了上述 3 种直流故障保护方案比较。目前，上述方案在柔直电网应用上的主要限制分别在于：1)交流断路器故障清除时间较长，无法满足柔直电网中的直流故障隔离需求;2)全桥或半桥拓扑需要电网短时停电且通态损耗较高;3)直流断路器成本高、应用效果未经系统检验。
上述方案中，直流断路器方案可以保护非故障线路供电不受简单故障影响，是国际大电网会议(CIGRE)推荐的未来柔直组网保护方案。近年来，直流断路器发展已取得不突破。2012 年底ALSTOM 公司研制出 120 kV/1.5 kA、最大开断电流达 7.5 kA 全固态直流断路器样机。2015 年国网智能电网研究院自主研制成功了世界首台 200 kV混合式高压直流断路器，可在 3 ms 内断开高达15 kA 的故障电流。其中混合式高压直流断路器由于具备开断时间短、开断电流较大等优点被认为是未来柔直电网故障隔离的优选方案。目前，中国的国家电网公司正在建造“张北”柔直电网工程，该工程选择的故障处理方案即是混合式高压直流断路器。可见，采用高压直流断路器隔离和清除直
流侧故障是未来柔直电网发展的重要方向之一。
本文首先引入一种混合式高压直流断路器方案，然后探究应用混合式直流断路器隔离柔直电网的直流侧故障，结合差动电流故障定位方法提出了柔直电网保护方案和保护参数选取原则，可实现快速选择性隔离直流侧故障并维持非故障部分正常运行的功能。最后在 PSCAD/EMTDC 中搭建四端环网式柔直电网仿真模型，验证本文提出的差动保
护方案和混合式直流断路器的有效性和可行性。
