柔性直流輸電線路故障分析與保護(hù)綜述

曾鑫輝，譚建成

（廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)），南寧 530004）

0 引言

為應(yīng)對(duì)不可再生能源不斷減少的形勢(shì)，世界各國(guó)制訂了相應(yīng)的政策，采用間歇性分布式可再生能源接入電網(wǎng)便是其中之一[1-2]。同時(shí)，隨著大功率全控型電力電子器件制造及控制技術(shù)的發(fā)展，柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它具有傳輸容量大、線損低、可靠性高、無(wú)換相失敗問題、有功和無(wú)功功率獨(dú)立控制等特點(diǎn)[3-9]，受到了廣泛的關(guān)注與研究[10-12]。

柔性直流輸電技術(shù)采用全控型器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和VSC（電壓源換流器），是構(gòu)建未來(lái)智能化輸電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[13-15]。多端柔性直流系統(tǒng)可劃分為直流電網(wǎng)和與交流系統(tǒng)互聯(lián)的VSC 換流站兩部分，其中直流電網(wǎng)包含直流線路、直流負(fù)荷、直流電源和DC/DC 變換器等；VSC 換流站主要包括換流器、相電抗器、濾波器和變壓器[16-17]。表1 為近5 年國(guó)內(nèi)外柔性直流輸電的發(fā)展情況[18-22]。

然而柔性直流系統(tǒng)因其固有缺陷，無(wú)法像傳統(tǒng)直流輸電那樣單純依靠換流器控制來(lái)完成直流側(cè)故障的清除。直流斷路器是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一[23-28]。柔性直流系統(tǒng)直流側(cè)故障的脆弱性表現(xiàn)在2 個(gè)方面[29-31]：一是直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中換流閥電容和交流系統(tǒng)集中向短路點(diǎn)放電，電流迅速增大，幾乎呈斜線上升，幾個(gè)毫秒就超過(guò)換流閥的耐受能力；二是直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，直流電流沒有過(guò)零點(diǎn)，普通的交流斷路器難以滅弧而無(wú)法斷開直流故障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)的隔離，相當(dāng)于電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，對(duì)交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性非常不利。直流輸電線路故障占整個(gè)直流系統(tǒng)故障總量的50%以上，是直流系統(tǒng)最主要的故障類型[32-33]。

表1 國(guó)內(nèi)外近5 年來(lái)的部分柔性直流輸電示范工程

繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)“三道防線”中的第一道防線，承擔(dān)著保證電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的重要責(zé)任[34]。柔性直流電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)是整個(gè)柔性直流輸電系統(tǒng)的核心，相比于傳統(tǒng)直流輸電工程，直流線路故障識(shí)別和超高速線路保護(hù)是其特殊技術(shù)需求之一[35]。由于柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求很高，直流線路保護(hù)必須在故障發(fā)生后2～3 ms 內(nèi)完成故障檢測(cè)和區(qū)內(nèi)外故障的判別，因此傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)保護(hù)（如過(guò)電流保護(hù)、距離保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)等）均不適宜直接應(yīng)用于柔性直流輸電線路[36]。同時(shí)，作為主保護(hù)的行波保護(hù)容易受雷擊、噪聲等干擾而發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)，降低了繼電保護(hù)的可靠性。

綜上所述，目前柔性直流輸電技術(shù)還不成熟且故障存在固有的特性，各種保護(hù)方式都存在缺陷。如何基于柔性直流輸電系統(tǒng)配置斷路器和具有故障自清除能力的換流器，利用保護(hù)快速處理故障、恢復(fù)系統(tǒng)，是柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。本文對(duì)柔性直流輸電的故障類型、保護(hù)分區(qū)、故障隔離和保護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，并展望了該領(lǐng)域未來(lái)的研究方向。

1 柔性直流系統(tǒng)的故障類型和保護(hù)分區(qū)

1.1 柔性直流系統(tǒng)的故障類型

以目前正在建設(shè)的張北柔性直流電網(wǎng)為例，該工程采用架空輸電線路，與直流電纜相比，其故障概率更高。按照故障區(qū)域劃分，柔性直流電網(wǎng)故障大致可以分為交流系統(tǒng)故障、換流器內(nèi)部故障和系統(tǒng)直流側(cè)故障。

換流器內(nèi)部故障又可細(xì)分為站內(nèi)母線故障、閥短路故障、橋臂電抗器故障以及最常見的子模塊故障等。柔性直流輸電具有輸送容量大、電壓等級(jí)高的特點(diǎn)，故MMC（模塊化多電平換流器）每個(gè)橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)量較多，從而增加了子模塊故障的概率。在柔性直流系統(tǒng)的建設(shè)中，為確保系統(tǒng)具有足夠的容錯(cuò)性和充足的安全裕度，通常都會(huì)在每一個(gè)橋臂上串聯(lián)適量的冗余子模塊。

直流側(cè)故障可細(xì)分為直流線路斷線故障、直流線路短路故障和換流器閉鎖故障。在單個(gè)MMC中，因?yàn)橹绷鱾?cè)采用單級(jí)輸電，故直流側(cè)線路故障以單極接地故障為主。而在真雙極系統(tǒng)中，單級(jí)接地故障則相當(dāng)于偽雙極系統(tǒng)中的級(jí)間短路故障，通常由樹枝接觸或雷電引發(fā)，多屬于暫時(shí)性故障，但是因其故障傳播速度快、影響范圍廣、解決難度大，成為阻礙柔性直流電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)難題。真雙極系統(tǒng)的雙極短路故障則更為嚴(yán)重，相當(dāng)于交流系統(tǒng)的三相短路故障。

1.2 柔性直流系統(tǒng)的保護(hù)分區(qū)

柔性直流電網(wǎng)的核心是控制保護(hù)系統(tǒng)，由其負(fù)責(zé)控制全系統(tǒng)的運(yùn)行方式、潮流狀態(tài)、故障保護(hù)等。與常規(guī)高壓直流輸電工程相比，柔性直流輸電具有以下特殊技術(shù)要求：接入新能源孤島、弱交流系統(tǒng)的電壓和頻率控制；多換流站之間協(xié)調(diào)控制；直流線路故障識(shí)別以及超高速線路保護(hù)；直流線路故障快速恢復(fù)控制；保護(hù)分區(qū)。

保護(hù)分區(qū)如圖1 所示[35，37]。

（1）Ⅰ區(qū)—連接變壓器保護(hù)區(qū)：主要對(duì)交流變壓器進(jìn)行保護(hù)。

（2）Ⅱ區(qū)—換流站連接交流母線區(qū)：主要對(duì)交流變壓器與換流器之間的交流母線進(jìn)行保護(hù)。

（3）Ⅲ區(qū)—換流器區(qū)：主要對(duì)換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進(jìn)行保護(hù)；包括閥和子模塊保護(hù)區(qū)，即Ⅳ區(qū)（包括閥、子模塊保護(hù)和直流保護(hù)）。

（4）Ⅴ區(qū)—直流線路區(qū)：主要對(duì)直流輸電線路以及直流輸電線路上串聯(lián)的直流電抗器等設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于匯流站包括直流母線區(qū)（Ⅵ區(qū)）。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)分區(qū)

其中，換流變壓器保護(hù)在Ⅰ區(qū)實(shí)現(xiàn)，閥保護(hù)在Ⅳ區(qū)實(shí)現(xiàn)，直流保護(hù)在Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅵ區(qū)實(shí)現(xiàn)。

單個(gè)子模塊出現(xiàn)故障，則啟動(dòng)子模塊保護(hù)，而閥保護(hù)則為單個(gè)閥臂故障提供保護(hù)，閥、子模塊通常由換流閥廠家配套。直流保護(hù)包括站內(nèi)交流連接母線保護(hù)、換流閥保護(hù)、直流線路保護(hù)和直流母線保護(hù)，通常由直流控制保護(hù)廠家配套。直流保護(hù)清除故障的操作步驟包括報(bào)警、暫時(shí)性閉鎖、永久性閉鎖、交流斷路器跳閘、極隔離等。

2 柔性直流系統(tǒng)的故障隔離技術(shù)

根據(jù)故障隔離的核心設(shè)備區(qū)分，直流斷路器隔離和換流器故障自清除是目前較為適用于柔性直流電網(wǎng)的故障隔離方法[38]。應(yīng)用較多的是直流斷路器隔離，南澳多端柔性直流輸電工程和舟山五端柔性直流工程均采用直流斷路器，張北柔性直流工程亦將采用直流斷路器。而換流器故障自清除還受限于現(xiàn)階段的技術(shù)水平。借用傳統(tǒng)交流斷路器切斷直流網(wǎng)絡(luò)與交流系統(tǒng)之間的連接，亦能處理直流側(cè)短路故障，但系統(tǒng)恢復(fù)正常所需的時(shí)間較長(zhǎng)。

2.1 直流斷路器隔離

采用直流斷路器進(jìn)行故障隔離可以提高柔性直流電網(wǎng)的供電可靠性，從而實(shí)現(xiàn)最小范圍且具有選擇性的故障切除，是目前最為合適的直流故障隔離措施。從技術(shù)層面區(qū)分，直流斷路器主要分為機(jī)械式斷路器、固態(tài)斷路器和混合式斷路器。機(jī)械式斷路器未采用電力電子器件，以交流斷路器滅火技術(shù)為基礎(chǔ)，將交流斷路器的機(jī)械開斷單元應(yīng)用于直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開斷中。文獻(xiàn)[39]中提到±160 kV 南澳多端柔性直流工程裝設(shè)有2 臺(tái)機(jī)械式斷路器，其基于耦合式高頻人工過(guò)零技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向直流電流的快速開斷，具備0～9 kA 電流的雙向開斷能力，開斷時(shí)間約為3.5 ms。固態(tài)式直流斷路器的開關(guān)器件則全部由半導(dǎo)體器件組成，雖然其開斷速度快，但是單個(gè)固態(tài)式開關(guān)承受的電壓電流等級(jí)較低，若在高電壓等級(jí)中使用則造價(jià)昂貴且通態(tài)損耗高，故目前較多應(yīng)用于中低壓領(lǐng)域[40]。混合式直流斷路器是由機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)元件組合而成的。世界首臺(tái)500 kV混合式高壓直流斷路器在3 ms 內(nèi)開斷電流高達(dá)25 kA，其技術(shù)指標(biāo)可滿足未來(lái)張北柔性直流輸電工程的需要[41]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流斷路器將越加成熟與先進(jìn)，有助于提升柔性直流電網(wǎng)設(shè)備控制的安全性和友好性。

2.2 換流器故障自清除

在柔性直流輸電系統(tǒng)中，單鉗位型、雙鉗位型、全橋型這3 種換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均具有直流故障自清除能力，即具有快速清除故障和迅速恢復(fù)系統(tǒng)的能力，因此在柔性直流輸電工程中不需要再配置直流斷路器[6，42]。在全橋子模塊中，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，換流器中的所有IGBT 均會(huì)迅速關(guān)斷，而通常在IGBT 關(guān)斷之前，子模塊中的電容存在放電過(guò)程。圖2 給出了故障電流在3 種橋臂子模塊中的流通路徑。

由圖2 可知，通過(guò)反極性操作將子模塊的電容電壓接入到故障電流流通路徑中，使得故障電流向電容快速充電且迅速消耗至零。當(dāng)故障電流衰減至零時(shí)，由于二極管具有單向?qū)ㄌ匦?，故電流不?huì)繼續(xù)向負(fù)增長(zhǎng)，而是一直保持在零處，從而實(shí)現(xiàn)了故障電流自清除，也就是隔離了直流故障。

2.3 交流斷路器隔離

圖2 3 種模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比

若柔性直流輸電系統(tǒng)中沒有帶自清除能力的換流器，需通過(guò)跳開傳統(tǒng)交流斷路器以使直流隔離開關(guān)可靠迅速動(dòng)作。傳統(tǒng)交流斷路器為機(jī)械開關(guān)，可用其切斷直流側(cè)與交流側(cè)之間的連接，需要通過(guò)預(yù)充電等復(fù)雜的時(shí)間序列配合，才能恢復(fù)系統(tǒng)。而對(duì)于多端柔性直流輸電系統(tǒng)而言，則需要全系統(tǒng)的換流站與交流系統(tǒng)斷開，故所需時(shí)間更長(zhǎng)[43]。

交流斷路器隔離柔性直流輸電線路故障可采用基于“握手原則”的保護(hù)方案[44-48]，具體過(guò)程如下：當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到直流側(cè)發(fā)生故障后，全部換流器立刻閉鎖，確保開關(guān)器件不過(guò)流，從發(fā)生故障起至全部換流器閉鎖，檢測(cè)延時(shí)及保護(hù)裝置動(dòng)作所需時(shí)間為5～10 ms；換流器閉鎖后，直流側(cè)故障電流開始逐漸衰減，保護(hù)系統(tǒng)將向所有交流斷路器發(fā)送跳閘信號(hào)，以切斷交流側(cè)向故障點(diǎn)提供的短路電流；當(dāng)直流側(cè)故障電流衰減到零時(shí)，再利用直流隔離開關(guān)切除直流故障線路，從而實(shí)現(xiàn)交流斷路器對(duì)直流故障的隔離。隨后再根據(jù)“握手原則”識(shí)別故障線路，通過(guò)解鎖換流站和重合交流斷路器，使未故障部分繼續(xù)運(yùn)行。

3 柔性直流輸電線路保護(hù)現(xiàn)狀

柔性直流線路的故障處理需要依靠繼電保護(hù)迅速可靠的判別，目前傳統(tǒng)高壓直流線路的保護(hù)策略是柔性直流線路保護(hù)的主要借鑒方式之一[26]。現(xiàn)階段柔性直流線路的保護(hù)策略主要以行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)為主保護(hù)，以電流差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)。為了提高繼電保護(hù)的可靠性，還配備了直流電壓不平衡保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)。

3.1 行波保護(hù)

當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)向兩端傳播故障行波，根據(jù)故障行波理論提出的超高速動(dòng)作的保護(hù)則為行波保護(hù)。行波保護(hù)可根據(jù)故障行波的特性檢測(cè)故障，故障初期的行波包含了行波電流、行波電壓或者兩者組合的故障信息，故行波保護(hù)可在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出故障[49]，且大致可將行波保護(hù)可分為單端量保護(hù)和雙端量保護(hù)。

單端行波保護(hù)僅利用單端電氣量，不需要線路兩端信息同步，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)的速動(dòng)性。文獻(xiàn)[50]提出利用單端電流量對(duì)直流線路一端正負(fù)極電流之和進(jìn)行積分得到零模電流，由此則可以對(duì)區(qū)內(nèi)單極故障進(jìn)行判斷。在行波電壓方面，文獻(xiàn)[51]則利用單端限流電抗器上的電壓變化率和正負(fù)來(lái)定位故障區(qū)段，根據(jù)電壓變化達(dá)到一定值所需時(shí)間來(lái)確定區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。在基于零模和線模的傳輸時(shí)間差上，文獻(xiàn)[52]利用小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)出了單端量保護(hù)新算法。而文獻(xiàn)[53]則利用低壓作為保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)，根據(jù)限流電抗器上的電壓變化率大小和極性確定故障區(qū)間，并利用零模故障分量確定故障極。文獻(xiàn)[54]利用電壓變化率和電流變化率實(shí)現(xiàn)故障定位，當(dāng)電流變化率與電壓變化率乘積小于一個(gè)負(fù)的整定值時(shí)為區(qū)內(nèi)故障。文獻(xiàn)[55]研究表明，單端量行波保護(hù)適用于中壓柔性直流配電線路的保護(hù)，且動(dòng)作性能良好。文獻(xiàn)[56]基于感性端口線路的行波反射特性提出VSC-HVDC 輸電網(wǎng)的保護(hù)方法。文獻(xiàn)[57]提出了基于模量網(wǎng)絡(luò)的故障后線路附加電感電壓初始值計(jì)算方法。文獻(xiàn)[58]利用電壓變化率識(shí)別直流故障。雖然單端量行波保護(hù)不依賴于通信，速動(dòng)性較強(qiáng)，但是可靠性弱化，且無(wú)法快速區(qū)分柔性直流輸電中的母線故障與線路故障[59]。

雙端行波保護(hù)則需要通信并同步線路兩端的信息，雖需要更多的手段和措施來(lái)保障其可靠性，但借助通信實(shí)現(xiàn)了清晰的保護(hù)邊界，能有效識(shí)別故障區(qū)域[60]。文獻(xiàn)[61]根據(jù)故障電流的正、反行波的初始波頭時(shí)差，提出一種新的縱聯(lián)方向保護(hù)方法。文獻(xiàn)[62-63]提取行波積分的特征，提出母線保護(hù)方法。而文獻(xiàn)[64-67]基于行波差動(dòng)原理提出了一系列實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的保護(hù)新算法，如文獻(xiàn)[64]研究了半波長(zhǎng)直流線路的頻變參數(shù)對(duì)行波保護(hù)的影響；文獻(xiàn)[65]在行波差動(dòng)保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，利用同側(cè)電流的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值構(gòu)成差動(dòng)判據(jù)，且在計(jì)算電流幅值時(shí)，無(wú)需插值，也無(wú)需對(duì)側(cè)電量信息，極大提高了計(jì)算速度，降低了對(duì)采樣頻率和通信技術(shù)的要求；為了消除噪聲對(duì)行波信號(hào)的干擾，文獻(xiàn)[66]提出了利用形態(tài)學(xué)交替混合濾波器的行波電流差動(dòng)保護(hù)算法，其動(dòng)作依據(jù)采用直流線路兩端同向電流行波積分差值；文獻(xiàn)[67]研究表明，行波差動(dòng)保護(hù)與電壓等級(jí)、分布電容電流和線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。但是文獻(xiàn)[68]指出正態(tài)分布模型更適合時(shí)延分布規(guī)律，總時(shí)延可以為保護(hù)裝置的選型優(yōu)化和兩側(cè)數(shù)據(jù)同步提供依據(jù)?？傮w而言，雙端量行波保護(hù)對(duì)采樣頻率和通信的要求都較高。

3.2 微分欠壓保護(hù)

微分欠壓保護(hù)是直流線路的主保護(hù)，兼做行波保護(hù)的后備保護(hù)，微分欠壓保護(hù)的可靠性要高于行波保護(hù)，但是其速動(dòng)性較差、采樣頻率高[69]。ABB 和SIMENS 的微分欠壓保護(hù)都是利用監(jiān)測(cè)電壓微分和電壓水平來(lái)實(shí)現(xiàn)的[70]。文獻(xiàn)[71]分析了微分欠壓保護(hù)作為后備保護(hù)，在動(dòng)作延時(shí)上與其他相關(guān)保護(hù)間的配合關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法。文獻(xiàn)[72]分析了保護(hù)判據(jù)涉及的電氣量在故障條件下的動(dòng)態(tài)特性，研究故障位置、過(guò)渡電阻和運(yùn)行工況對(duì)保護(hù)判據(jù)中電氣量的影響，提出微分欠壓保護(hù)的定值整定方法。文獻(xiàn)[73]指出微分欠壓保護(hù)在行波保護(hù)退出運(yùn)行或者由于電壓變化率上升沿寬度不足時(shí)可以起到后備保護(hù)作用。

3.3 其他新型保護(hù)

行波保護(hù)易受雷擊干擾和各種高頻信號(hào)的影響，微分欠壓保護(hù)只能檢測(cè)故障的發(fā)生，卻不能識(shí)別具體的故障線路，降低了保護(hù)的可靠性[13，74]。文獻(xiàn)[75]提出一種濾除高頻暫態(tài)量后的突變量高速方向保護(hù)原理。為了解決單端量保護(hù)需要構(gòu)造保護(hù)邊界及考慮成本問題和雙端量保護(hù)需要通信通道及要求數(shù)據(jù)同步問題，文獻(xiàn)[76]提出了一種基于單端電氣量、無(wú)需構(gòu)造保護(hù)邊界的多端柔性直流配電系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[77]提出了就地檢測(cè)故障、就地保護(hù)的柔性直流輸電網(wǎng)故障保護(hù)策略。文獻(xiàn)[78]基于線路邊界元件直流電抗器的特征，提出了一種新型的多端柔性直流電網(wǎng)線路邊界保護(hù)方案。文獻(xiàn)[79]提取直流側(cè)并聯(lián)電容電壓與線路電流在保護(hù)正、反方向發(fā)生故障時(shí)的相關(guān)性特征，提出并設(shè)計(jì)了一種直流線路快速方向保護(hù)新原理。文獻(xiàn)[80]結(jié)合模型識(shí)別的基本思想，提出了一種VSC-HVDC 直流輸電線路方向元件方向判別原理，在高頻范圍內(nèi)，采用時(shí)域算法，通過(guò)2 種模型的誤差、識(shí)別的電感值和電容值與實(shí)際值的差異構(gòu)成方向判據(jù)。文獻(xiàn)[81]改進(jìn)了基于“握手原則”的保護(hù)方案，可實(shí)現(xiàn)快速切除故障。文獻(xiàn)[82]提出了一種采用電流突變量夾角余弦值的縱聯(lián)保護(hù)方法，它利用線路兩端電流突變量計(jì)算夾角余弦值，從而進(jìn)行區(qū)內(nèi)、外故障判斷。

4 關(guān)鍵問題和技術(shù)發(fā)展展望

4.1 存在的關(guān)鍵問題

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞柔性直流輸電線路保護(hù)原理開展了大量研究，能夠在一定程度上提高現(xiàn)有柔性直流輸電工程的線路保護(hù)性能，但仍存在一些問題：

（1）柔性直流輸電系統(tǒng)故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備耐受故障沖擊電流能力差，因此對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求很高，即對(duì)速動(dòng)性要求高。

（2）雖然行波保護(hù)是目前柔性直流輸電系統(tǒng)較為適宜的主保護(hù)，但其易受雷擊、噪聲等因素干擾而發(fā)生誤動(dòng)，可靠性降低，并且對(duì)采樣頻率的要求高。

（3）正負(fù)極線路行波之間存在電磁耦合，并且暫態(tài)行波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生畸變、色散、頻散等現(xiàn)象，對(duì)保護(hù)會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。

4.2 技術(shù)發(fā)展展望

為了更加友好地接納新能源并網(wǎng)，更好地處理柔性直流線路故障，未來(lái)柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）著力研究柔性直流輸電的成套設(shè)備及優(yōu)化方法。促進(jìn)具有直流故障自清除能力的換流器技術(shù)成熟化，優(yōu)化配置換流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究換流器提升容量后的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前，在電力電子器件的研發(fā)中，SiC（碳化硅）器件成了熱門研究對(duì)象，SiC 器件理論上可以承受數(shù)十千伏的電壓和超過(guò)500 ℃的高溫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅基器件所能承受的數(shù)千伏電壓和150 ℃的高溫。可利用SiC 取代SiO2作為半導(dǎo)體器件的核心元件，相應(yīng)地其封裝材料的耐熱性能和絕緣性能將大幅度提升，進(jìn)而優(yōu)化換流器的性能，強(qiáng)化故障自清除能力。因此，在新材料方面，SiC 是將來(lái)電力電子器件研究的重要方向。

（2）定量研究具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流輸電系統(tǒng)，分析系統(tǒng)參數(shù)與直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)短路電流上升與衰減的特性，為研制直流斷路器提供短路電流隔離時(shí)間和開斷容量的設(shè)計(jì)依據(jù)；在優(yōu)化成本的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高直流斷路器中關(guān)鍵部件的穩(wěn)定性和可靠性，研究其高速分?jǐn)嗪腿斯み^(guò)零過(guò)程中的電弧特性，為快速實(shí)現(xiàn)故障隔離提供依據(jù)。因此，對(duì)于直流斷路器的研制，柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浜蛥?shù)、短路電流特性、電弧特性等是需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

（3）設(shè)計(jì)輔助保護(hù)電路和優(yōu)化系統(tǒng)控制的動(dòng)作時(shí)間、投入方式及協(xié)調(diào)策略研究，提升換流站之間的配合策略。在多端柔性直流輸電系統(tǒng)中，不同的換流器運(yùn)行方式可能不一樣，所以當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后，不同換流器的端口對(duì)故障點(diǎn)饋入電流的大小也不一樣。可見，柔性直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)與控制方式密切相關(guān)，研究保護(hù)技術(shù)應(yīng)結(jié)合控制方式的變化，利用保護(hù)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)來(lái)處理故障，是傳統(tǒng)繼電保護(hù)向柔性直流繼電保護(hù)轉(zhuǎn)變的結(jié)合點(diǎn)。

（4）借鑒傳統(tǒng)交流輸電和常規(guī)高壓直流輸電的繼電保護(hù)技術(shù)，結(jié)合柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究先進(jìn)的保護(hù)原理。行波保護(hù)具有超高速動(dòng)作且不受分布電容影響的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)一步探究行波在雷擊、噪聲、電磁耦合等因素影響下的傳播規(guī)律，從而研究更適合柔性直流輸電的新型行波保護(hù)方法。因此以行波保護(hù)為代表的新型主保護(hù)是未來(lái)柔性直流輸電繼電保護(hù)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

5 結(jié)語(yǔ)

闡述了柔性直流輸電的故障類型和保護(hù)分區(qū)，結(jié)合現(xiàn)階段的故障隔離技術(shù)，介紹了直流斷路器和換流器的應(yīng)用狀況。為快速隔離故障，詳細(xì)介紹了線路保護(hù)中的行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)和其他新型保護(hù)。隨著電力電子技術(shù)的成熟和對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)的深入研究，柔性直流輸電存在的缺陷將逐一得到解決，未來(lái)柔性直流電網(wǎng)將更加安全可靠、清潔綠色。