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技术分享|柔性直流输电网线路保护配置方案

北极星输配电网  来源:电网技术杂志    2018/7/4 14:19:59  我要投稿  

北极星输配电网讯:摘要:受限于直流断路器开断能力,柔性直流电网的线路保护需要具有极快的动作速度。提出了柔性直流电网线路保护配置方案:主保护采用单端量保护原理以满足动作速度的要求,同时需要采取适当的解耦措施和故障选极方法,以及雷击、噪声等干扰的识别方法,以保证保护的可靠性;后备保护采用灵敏性较高的双端纵联保护原理,包括行波差动保护和基于无功能量的方向保护,在时序上与主保护配合,同时在直流侧故障时要能够先于交流侧保护动作。比较分析了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有重要参考价值。

关键词 : 柔性直流; 直流电网; 线路保护; 行波保护; 电流差动保护;

0 引言

随着传统能源的逐渐短缺和环境污染问题的日益严重,对可再生能源的大力开发和有效利用越来越受到世界各国的高度重视。然而,风能、太阳能等可再生能源具有随机性和间歇性的特点,可再生能源发电的大规模接入会给传统交流电网的运行带来诸多问题,传统电网已经越来越难以接收和消纳大规模的可再生能源,“弃风”、“弃光”现象时有发生[1-3]。柔性直流输电技术,尤其是柔性直流电网,是解决这一问题的有效手段之一[4-9]。国家电网公司将在张北地区建设采用双极模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)结构的±500 kV高压柔性直流电网示范工程,该工程对于大规模可再生能源的灵活消纳和高效利用等方面具有非常重要的意义。

与双端直流输电系统相比,基于电压源型换流器(voltage-sourced converter,VSC)的柔性直流电网虽然具有更高的输电灵活性和供电可靠性,但是它需要通过直流断路器来实现故障的隔离和清除,且对继电保护提出了极为苛刻的要求。以图1所示的4端柔性直流电网为例进行说明。图中共有4个双极半桥型MMC结构的换流站,由4条直流输电线路l1~l4相连构成直流环网,其长度分别为184、80、128和100 km,每条直流线路都是以单线图的形式表示正、负双极线路。图中M、N、P、Q为直流母线;R1~R8为线路末端的电压电流测量点,也是线路保护和直流断路器的安装处;Ls1~Ls8为线路末端安装的平波电抗器。当线路l1上发生故障F1时,必须开断l1两端R1和R2处的直流断路器,才能保证系统的其他部分能继续正常运行并充分发挥直流电网的供电可靠性。

 

柔性直流输电系统的阻尼低、惯性小,直流线路发生故障时故障电流迅速增大,即使闭锁换流站,交流系统也将与绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor,IGBT)的反向并联二极管构成三相不控整流电路,持续地向故障点馈入极大的故障电流[10-11]。图2分别给出了线路两端不装平波电抗器和装有200 mH平波电抗器的情况下,在与R1相距10 km的F1处发生双极故障时,测量点R1处的正极电流。图中0 s位置处对应于故障发生时刻,换流站的主要仿真参数如表1所示,其中换流站1采用定直流电压控制,换流站2采用定有功控制,换流站3和4采用直流电压下垂控制。

 

从图2可以看出,在线路两端未加装平波电抗器的情况下,当发生区内双极故障时,线路一端的电流在故障后2 ms时已经上升到30 kA,超出了现有的直流断路器的最大分断能力25 kA[12];为了抑制直流线路发生故障后故障电流的上升速度,为直流线路的保护和直流断路器的动作争取一定的时间,直流电网中应当采用一定的故障限流措施,张北柔性直流电网示范工程将在每条直流线路两端加装平波电抗器,其典型值为200 mH。从图2可以看出,加装200 mH平波电抗器后,在故障后2 ms时电流仅5 kA左右,即使在故障后6 ms时电流也未超过直流断路器的最大分断能力,故障电流的上升速度得到了极大的抑制。针对张北±500 kV柔性直流电网,国家电网公司要求保护系统需要在6 ms内实现故障的隔离和清除,其中留给断路器的动作时间是3 ms,因此要求继电保护装置能够在3 ms内正确识别故障并动作。这对线路保护的速动性提出了极为严苛的要求,同时还要保证保护的可靠性、选择性和灵敏性。

 

本文在柔性直流电网对故障处理和线路保护的特殊需求的基础上,分析了现有直流线路保护所存在的问题,提出了柔性直流电网线路保护的配置方案,并指出了其中所面临的关键问题和挑战及今后可能的研究方向。同时还分析比较了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有参考价值。

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