直流配电网故障分析和继电保护综述

摘要：直流配电网是未来城市配电网的重要组成部分，文章对目前国内外学者关于直流配电网方面的研究工作进行了综述。首先分析了基于两电平VSC换流器和基于模块化多电平换流器的直流系统的故障特征，将故障过程划分为多个阶段，通过理论分析得到了各阶段的故障电流解析表达式。其次介绍了各种适用于直流配电网的故障检测和定位原理，主要包括电压/电流保护、边界保护、纵联保护、分区保护、“握手法”等。然后，通过对比采用交流断路器、利用换流器自清除能力和采用直流断路器的3种故障隔离方案，对直流配电网的故障隔离策略进行了分析。最后从接地方式、保护与控制一体化、故障电流限制等方面，对配电网故障分析与处理的研究提出了建议。

0引言

柔性直流输电技术凭借其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面的巨大优势，已经广泛应用于远距离大容量输电领域。而在电压等级较低的中低压配电网领域，直流配电技术虽然也具有可靠性高、线损小、便于光伏等分布式新能源接入等优点，但应用才刚刚起步，目前还仅应用于一些大规模工业园区、船舶供电、轨道交通等领域。随着电力电子技术、储能技术、分布式电源的发展，未来直流配电技术有望广泛应用于城市供电系统，直流配电网是未来城市配电网的重要发展趋势。

虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。其中直流故障快速检测、可靠隔离对保证柔性直流配电网的安全可靠运行具有重要意义，也是本文关注的重点。目前国内外学者关于直流系统故障检测识别和隔离技术的研究主要可以分为以下3个方面：

1）直流配电网故障特性分析。

直流配电网故障暂态特性分析是故障检测、定位和隔离的基础，也是直流配电网故障检测、识别、隔离技术的研究难点。直流配电网故障暂态特性受到较多因素的影响，主要包括换流器类型、系统结构以及系统控制策略。故障暂态过程往往是多种因素共同作用下的一个复杂的暂态非线性过程，传统的基于工频电气量的故障特性分析方法显然不再适用于直流配电网。

目前，关于直流配电网故障特性分析方面的研究多采用理论研究与仿真实验相结合的方法，将故障暂态过程分为不同的发展阶段，通过简化等效故障放电回路，求解不同阶段所对应故障电流的解析表达式来对故障暂态过程进行描述。

2）直流配电网故障检测与定位。

直流配电网故障检测与定位是直流配电网继电保护的核心。直流配电系统不同于交流配电系统，其具有“低阻尼”特性，直流故障发生后，故障电流非常大，故障发展过程极快，通常在几个毫秒内就能危及整个直流配电网的安全，因此，要求直流配电网的故障检测与定位策略能够在几毫秒内快速定位故障线路。传统的交流配电网的故障保护方法显然不适用于直流配电网的保护。

如何处理好快速性与可靠性之间的矛盾是直流配电网故障检测与定位需要解决的问题。目前，该领域的研究主要集中于动作速度快的保护新原理的开发。

3）直流配电网故障隔离方法。

直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。未来直流配电网的发展趋势是“直流成网”，因此如何快速、准确地将故障隔离在尽可能小的范围内是故障隔离技术需要解决的问题。

目前，直流配电网故障隔离方法主要包括3种：①交流侧断路器加直流侧隔离开关；②换流器自清除加直流侧隔离开关；③直流断路器。其中交流侧断路器加直流侧隔离开关切除速度较慢，难以满足直流配电网对故障切除速度的要求；换流器自清除加直流侧隔离开关会导致全网断电，且具有自清除能力的换流器拓扑较为复杂，换流站的投资增加；直流断路器能够快速切除故障线路，其故障隔离过程与交流系统相似，但目前直流断路器技术仍处在发展阶段，直流断路器造价昂贵也是不可回避的问题。

本文将从直流配电网故障特性分析、故障检测与定位原理、故障隔离方法3个方面对国内外学者的研究进行归纳总结和综述，并提出自己的一些观点与展望，以期能够对未来直流配电网研究与建设有所裨益。

1直流配电网故障特性分析

直流配电网故障暂态特性分析是故障检测、定位、隔离的基础。采用不同类型的换流器的直流配电网的拓扑结构不同，因此故障特征也存在较大差异，相应的故障暂态特性分析方法不同。本小节将针对目前最为典型的2种换流器拓扑，分别对其故障暂态特性分析的研究现状进行详细的介绍。

1.1 两电平VSC换流器型直流系统故障特性

文献［6］结合理论分析和仿真验证对两电平VSC换流器直流系统单极接地故障的故障暂态特性进行了细致的研究，通过对不同接地方式下直流系统单极接地故障的等效放电回路的分析和仿真，得出了两电平VSC换流器直流系统单极接地故障特性与接地方式相关的结论。文献［7-8］通过对两电平VSC换流器直流系统交流侧不对称故障过程中的等效放电回路的分析，发现换流器交流出口处不对称故障产生的零序分量会通过直流侧储能电容的接地支路形成通路，从而耦合进直流系统，导致正负极储能电容电压出现共模波动现象。针对该现象，文献［9］提出了直流侧电容中点经电阻接地的方法减小故障零序电流，从而减小正负极储能电容电压的共模波动，保持储能电容两端电压的稳定。

极间短路故障是直流配电网最为严重的故障类型，关于两电平VSC换流器型直流系统极间短路故障特性的研究也相对丰富。文献［10-12］将极间短路故障暂态过程中的故障电流分成3个部分，分别是：①换流器直流侧储能电容放电电流；②直流线路电感通过续流二极管提供的故障放电电流；③交流系统通过续流二极管提供的短路电流。故障暂态过程分为如下3个阶段：①直流侧储能电容快速放电阶段；②二极管自然换向导通阶段；③二极管同时导通阶段。其中文献［10-11］指出故障暂态过程①中的故障电流以直流储能电容放电电流为主，并通过对直流储能电容放电二阶电路的求解，推导出了该阶段的故障电流的解析表达式；故障暂态过程②中交流电源和直流储能电容同时向故障点放电，该过程中二极管存在交替导通、关断的换向过程，这种换向过程每发生一次，动态过程就要重新求解一次，通过求解多元状态方程可以得到该过程中交直流侧电压电流的暂态解；故障暂态过程③发生在直流储能电容电压的振荡过零时刻，该过程中电路完全对称，相当于交流侧发生了三相短路，通过求解交流侧三相短路过程中的短路电流得到了此过程的故障电流暂态响应的解析表达式。除此之外，文献［12］还考虑了IGBT闭锁与否对故障稳定后故障电流特性的影响。

1.2 模块化多电平换流器（MMC）型直流系统故障特性

模块化多电平换流器相较于两电平VSC换流器拥有波形质量高、控制灵活、运行损耗小等优势，越来越多的被用于柔性直流输配电领域。其拓扑结构与两电平VSC换流器存在较大差异，尤其是直流侧不含直接并联的储能电容，使得基于模块化多电平换流器的直流系统与基于两电平VSC换流器的直流系统的故障特征存在较大差异。

文献［13］基于仿真对模块化多电平换流器构成的直流配电系统单极接地故障特性进行了研究，主要关注交直流侧不同的接地方式对于直流系统单极接地故障特征的影响，分析比较了不同接地方式的优劣。文献［14］在理论分析的基础上，给出了模块化多电平换流器构成的直流配电系统单极接地故障及极间短路故障的等效放电电路，并以等效放电电路为依据，理论推导了单极接地故障及极间短路故障时的故障电流的解析表达式，需要指出的是该解析表达式的推导过程并没有考虑故障过程中IGBT的闭锁对故障特性的影响，仅适用于IGBT闭锁前的系统故障特性的分析。文献［15-18］详细地分析了模块化多电平换流器构成的直流配电系统极间短路故障的故障特性。其中文献［15］详细阐述了极间短路故障过程中故障等效电路及故障电流解析表达式的推导过程，并通过仿真实验验证了解析表达式的正确性。文献［16-17］将极间短路故障过程分为IGBT闭锁前和闭锁后2个阶段，分别对这2个阶段中的故障暂态特性进行分析，通过理论推导得到了2个阶段故障电流的解析表达式。文献［18］指出换流器桥臂电抗会对极间短路故障后短路电流的流通回路产生影响，文中定义了导通重叠角，根据角的大小，分析了4种稳态短路电流通路，然后分别对这4种短路电流通路下的交直流侧故障电流特性进行了分析，推导出了交流侧和直流侧稳态短路电流的实用计算方法。

无论是两电平VSC换流器还是模块化多电平换流器都不具备故障阻断能力，为了适应未来多端柔性直流配电网的发展趋势，同时避免使用造价昂贵的直流断路器，具有故障自清除能力的换流器的拓扑及故障特征成为近年来的一大研究热点。文献［19］分析了具有故障自清除能力的换流器的故障特征，发现在IGBT闭锁前，其故障特性与模块化多电平换流器的故障特性完全相同，在IGBT闭锁后，交直流系统被完全隔离，直流侧故障电流逐渐衰减为零。

以上研究表明，目前国内外学者对于直流配电网故障特性的研究已初具规模，已经能够用相对准确的解析表达式对故障暂态过程进行描述，但诸如控制系统、接地方式等因素对于故障暂态特性的影响仍没有得到足够的重视。未来一方面需要统一直流配电网的接地方式，另一方面需要考虑各种控制系统对于直流配电网故障特性的影响。另外，更加深入研究直流配电网故障暂态过程，寻找更为精确的解析表达式对故障暂态过程进行更加准确的描述也是未来直流配电网故障分析的发展方向。