多端柔性直流输电系统直流故障特征分析与保护配置方案

一、引言

多端柔性直流输电系统通过多个电压源换流器（VSC）实现多电源供电与多落点受电，具有输电容量大、可控性高、适用于新能源并网等优势。然而，直流侧故障可能导致系统大规模停电甚至安全事故。近三年研究表明，直流故障后故障电流上升速度极快，且幅值极大，可能引发电力电子元件过电流损坏。因此，深入研究直流故障特征并设计高效保护方案，对保障系统稳定运行至关重要。

二、直流故障特征分析

2.1 故障电流暂态特性

直流故障发生后，故障电流上升速度极快，一般在故障发生后几毫秒内达到峰值。以模块化多电平换流器（MMC）为例，其桥臂电抗器与子模块电容的相互作用导致故障电流呈现非线性增长特性。研究表明，故障电流峰值可达额定电流的 10 倍以上，且上升时间常数仅为 0.1-0.5ms 。这种快速上升的故障电流对换流器子模块的绝缘性能和功率器件的耐流能力构成严峻挑战。

2.2 操作过电压机理

直流故障引发的操作过电压是导致设备损坏的另一重要因素。故障发生时，换流站闭锁、线路保护动作等因素导致系统拓扑突变，引发电压振荡。近三年研究指出，操作过电压的幅值与故障电阻、换流站闭锁时间和线路保护策略密切相关。例如，在故障电阻为 0.1Ω 时，操作过电压峰值可达额定电压的2.5 倍。此外，换流站闭锁时间每延长1ms，操作过电压幅值将增加约 5% 。

2.3 故障传播规律

多端柔性直流系统的多网孔结构使得直流故障具有显著的传播特性。研究表明，故障发生后，故障电流不仅在故障线路中传播，还会通过换流站间的电气连接扩散至非故障区域。这种传播特性导致系统整体过流风险增加，甚至可能引发连锁故障。

三、保护配置方案设计

3.1 基于 MMC 拓扑改进的故障自清除技术

针对直流故障电流快速上升的问题，本文提出基于 MMC 拓扑改进的故障自清除技术。具体方案包括：

全桥子模块（FBSM）与箝位双子模块（CDSM）混合拓扑：FBSM 可输出正、负、零三种电平，CDSM 可输出 0、U、2U 三种电平。在故障发生时，通过闭锁换流器所有 IGBT，使子模块电容电压反极性投入故障电流流通路径，形成对故障电流的阻断。研究表明，该拓扑可将故障电流衰减时间缩短至 2-3ms ，较传统半桥子模块（HBSM）拓扑减少 50% 以上。

桥臂阻尼模块配置：在换流阀桥臂处配置阻尼模块，通过限制故障电流上升率，为保护装置动作争取时间。阻尼模块的参数选择需综合考虑系统额定电压、电流和故障暂态特性。例如，对于额定电压 ±320kV 的系统，桥臂阻尼电阻可取 0.5-1Ω ，阻尼电容可取 10-20μF

3.2 快速保护算法优化

针对直流故障传播特性，本文提出基于波阻抗的快速线路保护算法。具体方案包括：

波阻抗时域特征分析：通过分析不同区域故障时直流线路电感终端的波阻抗时域特征，提取故障特征量。研究表明，故障发生后，故障线路的波阻抗呈现明显的负向跳变，而非故障线路的波阻抗变化较小。

电压增量型启动判据：引入电压增量型启动判据，当检测到电压增量超过阈值时，启动保护算法。阈值设定需综合考虑系统噪声和测量误差。例如，对于额定电压 ±320kV 的系统，电压增量阈值可取10-20kV。

保护动作逻辑：基于波阻抗判据，结合方向元件选择预跳闸直流断路器。一旦故障检测判据动作，立即跳开预选直流断路器，实现故障线路的可靠切除。同时，通过线路带电信号进行重合判断，若线路仍带电，则对应跳闸断路器重合，否则不重合，实现剩余网络的快速恢复。

3.3 保护装置协同优化

为实现毫秒级故障响应，需对保护装置进行协同优化。具体措施包括：

直流断路器与换流器闭锁的时序配合：在故障发生后，优先触发换流器闭锁命令，延迟 1-2ms 后触发直流断路器跳闸命令。这种时序配合可充分利用换流器闭锁的限流作用，减少直流断路器的开断容量需求。

站间通信与保护逻辑协同：通过高速通信网络实现换流站间的信息共享，优化保护逻辑。例如，在故障定位阶段，利用站间通信交换差流信息，提高故障定位精度。

保护装置冗余配置：对关键保护装置进行冗余配置，提高系统可靠性。例如，采用双重化配置的直流断路器控制器和换流器保护装置。

四、技术挑战与未来研究方向

4.1 技术挑战

尽管本文提出的保护配置方案在理论分析和仿真验证中取得了良好效果，但仍面临以下技术挑战：

高精度故障定位：在复杂多端系统中，如何实现高精度的故障定位仍是难题。现有方法在过渡电阻较大或故障位置接近换流站时，定位精度可能下降。

保护装置响应速度：直流断路器和换流器保护装置的响应速度仍需进一步提升，以满足毫秒级故障隔离的需求。

系统恢复策略：故障隔离后，如何快速恢复系统供电并减少功率损失，仍是亟待解决的问题。

4.2 未来研究方向

针对上述挑战，未来研究可聚焦以下方向：

基于人工智能的故障诊断：利用深度学习算法，对故障特征进行实时提取和分类，提高故障定位精度。

新型直流断路器研发：开发具有更高开断容量和更快响应速度的直流断路器，例如基于混合式技术的直流断路器。

系统恢复优化策略：研究基于多目标优化的系统恢复策略，平衡恢复速度、功率损失和设备应力。

五、结论

本文系统分析了多端柔性直流输电系统的直流故障特征，提出基于 MMC拓扑改进与快速保护算法协同优化的保护配置方案。研究结果表明，通过子模块拓扑创新与保护策略的深度融合，可实现故障定位时间 <5ms、故障隔离时间<10ms 的毫秒级响应目标。未来，随着人工智能、新型直流断路器等技术的不断发展，多端柔性直流输电系统的可靠性和安全性将进一步提升，为构建新型电力系统提供有力支撑。

参考文献

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