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隨著大容量遠(yuǎn)距離輸電、大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、孤島供電等電力傳輸需求的提出，基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流輸電技術(shù)，因其諧波畸變小、拓展性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。與兩端系統(tǒng)相比，多端直流輸電（Multi-Terminal HVDC, MTDC）可實(shí)現(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電，具有較好的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，應(yīng)用前景廣闊；如舟山五端柔性直流輸電工程、張北多端直流工程等均為多端直流系統(tǒng)。

現(xiàn)階段已投運(yùn)的MMC-HVDC工程，子模塊大多采用半橋（Half Bridge, HB）MMC結(jié)構(gòu)[8]。但該結(jié)構(gòu)無(wú)故障清除能力，且直流系統(tǒng)無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)；因此缺少損耗低、分?jǐn)嗨俣瓤斓目煽恐绷飨到y(tǒng)保護(hù)設(shè)備，成為制約其快速發(fā)展的重要原因。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流系統(tǒng)可以通過(guò)跳開(kāi)交流側(cè)斷路器的方法實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障清除；但對(duì)于多端系統(tǒng)，上述方法將可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)。因而MTDC系統(tǒng)的故障保護(hù)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)有保護(hù)方法的研究主要可以分為三類。

• 第一類為跳開(kāi)交流斷路器（AC Circuit Breaker, ACCB）清除直流故障。有學(xué)者通過(guò)故障發(fā)生后跳開(kāi)所有ACCB隔離故障，但會(huì)造成整個(gè)MTDC系統(tǒng)停運(yùn)；有學(xué)者采用ACCB與快速直流隔離開(kāi)關(guān)配合實(shí)現(xiàn)了故障清除的選擇性，但故障清除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。
• 第二類為采用具有故障阻斷能力的子模塊結(jié)構(gòu)。有學(xué)者提出了由半橋子模塊和改進(jìn)的半橋子模塊構(gòu)成的新型混合MMC結(jié)構(gòu)，有學(xué)者提出一種電流轉(zhuǎn)移型MMC拓?fù)?，有學(xué)者設(shè)計(jì)了反向阻斷型半橋子模塊及其構(gòu)成的混合子模塊拓?fù)洌鲜鲅芯烤C明了改進(jìn)拓?fù)鋵?duì)直流側(cè)故障抑制的有效性，但要改變子模塊結(jié)構(gòu)，不適用于已建成的MMC-HVDC工程。
• 第三類為采用直流斷路器（DC Circuit Breaker, DCCB）清除故障。有學(xué)者僅利用混合式DCCB清除故障，但故障電流上升速度快的特點(diǎn)對(duì)DCCB的開(kāi)斷速度提出極高的要求；有學(xué)者通過(guò)改變電網(wǎng)連接方式來(lái)降低故障開(kāi)斷過(guò)程對(duì)DCCB的要求，但改造電網(wǎng)成本較大，經(jīng)濟(jì)性較差。

當(dāng)橋臂電流達(dá)到額定值的兩倍時(shí)，將閉鎖MMC換流站，對(duì)故障快速恢復(fù)不利；而現(xiàn)有斷路器無(wú)法在換流站閉鎖前開(kāi)斷故障電流。隨著第二代高溫超導(dǎo)材料的提出，超導(dǎo)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增加。針對(duì)超導(dǎo)限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）與DCCB配合的故障清除策略也有許多研究。

有學(xué)者研究了SFCL與ACCB配合的故障清除，所用的測(cè)試系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，且故障清除時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法推廣到多端系統(tǒng)。有學(xué)者研究了混合式限流器與DCCB配合的多端系統(tǒng)故障穿越策略，但所提限流結(jié)構(gòu)在故障發(fā)生時(shí)將超導(dǎo)短路，無(wú)法體現(xiàn)SFCL的限流優(yōu)勢(shì)。有學(xué)者研究了SFCL與DCCB的協(xié)調(diào)配合方法，但僅研究了故障清除階段，故障后的恢復(fù)過(guò)程沒(méi)有涉及，沒(méi)有提出完整的配合策略。

針對(duì)MTDC系統(tǒng)直流側(cè)短路故障清除問(wèn)題，新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院、國(guó)網(wǎng)江蘇電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司的研究人員提出SFCL與DCCB配合的新型故障處理策略。通過(guò)對(duì)比電感型超導(dǎo)限流器（Inductive-SFCL, ISFCL）和電阻型限流器（Resistive-SFCL, R-SFCL）對(duì)短路電流的影響，選取更具限流優(yōu)勢(shì)的R-SFCL，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立其失超和恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)的等效模型。進(jìn)一步分析R-SFCL和DCCB的配合原理，并提出R-SFCL和DCCB配合的時(shí)序圖和故障處理流程。在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)驗(yàn)證了所提保護(hù)策略的合理性。

圖1 多次故障下SFCL與DCCB的配合流程

研究人員最后得出以下結(jié)論：

1）SFCL具有正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響、故障后自動(dòng)失超限制短路電流的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比I-SFCL與R-SFCL，得出兩類限流器都能夠限制故障電流的上升率。但R-SFCL能改變系統(tǒng)的放電狀態(tài)，減緩電壓下降速度，同時(shí)降低故障電流的幅值，對(duì)限制故障電流的發(fā)展和故障清除更有利。

2）所提保護(hù)策略，能在換流站端口發(fā)生瞬時(shí)雙極短路時(shí)保持所有換流站不閉鎖，實(shí)現(xiàn)整個(gè)MTDC系統(tǒng)的故障穿越。R-SFCL的加入限制了故障電流的上升率，使DCCB能夠在換流站閉鎖前開(kāi)斷故障電流，從而使HBMMC-MTDC系統(tǒng)在故障清除后能夠快速恢復(fù)正常運(yùn)行，提高M(jìn)TDC系統(tǒng)的可靠性，減小了直流側(cè)故障對(duì)交流系統(tǒng)的影響。

3）對(duì)于發(fā)生永久性故障的MTDC系統(tǒng)，R-SFCL與DCCB配合能夠僅切除故障區(qū)域，其余換流站在受到短暫擾動(dòng)后能按預(yù)設(shè)策略快速恢復(fù)正常運(yùn)行，不致于造成整個(gè)MTDC系統(tǒng)的崩潰；重合閘過(guò)程中R-SFCL再次失超，能夠再次限制故障電流上升，避免因重合閘造成換流站閉鎖，而導(dǎo)致無(wú)法恢復(fù)剩余系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

以上研究成果發(fā)表在2020年第7期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“含限流器的多端柔直系統(tǒng)故障保護(hù)策略”，作者為周光陽(yáng)、李妍、何大瑞、韓民曉、黃聞而達(dá)。