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隨著大型數(shù)據(jù)中心、電動汽車充電站、城市軌道交通等直流負(fù)荷日益增長，以及光伏等直流型分布式電源的高比例、大容量分散接入，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)。作為交流配電網(wǎng)的重要補充，直流配電網(wǎng)功率轉(zhuǎn)換損耗低、供電能力強、電能質(zhì)量優(yōu)，有利于降低配電網(wǎng)運行成本和促進分布式電源高比例接入。因此，交直流協(xié)同發(fā)展是未來城市配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為交直流配電網(wǎng)的重要“橋梁”，換流器的選擇尤為重要。其中，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有開關(guān)損耗低、波形質(zhì)量高、易于擴展、故障處理能力強等優(yōu)點，但也存在所用元器件數(shù)量多、子模塊電容電壓難均衡等問題；兩/三電平電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC）所用元器件數(shù)量相對較少，但其在電能質(zhì)量等方面沒有優(yōu)勢。因此，復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)中，可根據(jù)應(yīng)用場合采用MMC與VSC并存的形式。

在此背景下，為合理地設(shè)計直流故障的保護策略、避免不必要的直流停運，對直流配電網(wǎng)故障特性進行全面深入的研究，具有重要的理論意義和工程價值。

直流故障主要分為短路故障和斷線故障兩大類，其中，針對短路故障特性的研究已較為完善。有關(guān)學(xué)者從不同角度對短路故障的特性進行了較全面的分析，既為短路保護方案制定奠定了基礎(chǔ)，又為斷線故障分析中需考慮的因素提供了借鑒。

與具有故障沖擊電流特征的短路故障相比，單極斷線故障后電氣量特征不明顯，是直流系統(tǒng)故障分析的難點。有關(guān)學(xué)者的研究為直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性研究提供了思路，但雙端柔性直流輸電系統(tǒng)故障后系統(tǒng)功率傳輸中斷，換流器子模塊充電，使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的過電壓和過電流；而多端直流配電系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移路徑具備多樣性，故障后兩端功率傳輸不會終止，換流器子模塊不會充電。

且柔性直流輸電系統(tǒng)是根據(jù)換流器不同工作模式分別對其斷線故障特征進行分析，而多端直流配電系統(tǒng)可通過建立故障前后系統(tǒng)的等效模型進行分析，兩者故障特征及故障分析方法均有所不同。

對于直流配電系統(tǒng)，有學(xué)者分析了開環(huán)與閉環(huán)運行方式下環(huán)網(wǎng)斷線故障的特征，但未考慮故障后的電壓特性及系統(tǒng)在不同接地方式、故障發(fā)生在不同位置時的故障特性。除此之外鮮見文獻(xiàn)對環(huán)狀直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性進行分析，尤其是環(huán)狀直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性與故障發(fā)生的位置密切相關(guān)，有待進一步深入研究。

為此，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)）的研究人員對復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性進行詳細(xì)分析，得出了系統(tǒng)中不同位置故障后故障電壓、電流特性。

他們首先通過建立故障前后系統(tǒng)的等效模型，對直流線路中單極斷線故障的電壓、電流特性進行了分析；其次，分析了送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障的電壓、電流特性，其中，電壓特性根據(jù)換流器不同控制方式分別進行分析；然后，分析受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障的電壓、電流特性；接著，討論系統(tǒng)接地方式對單極斷線故障特性的影響，分析負(fù)荷突變對單極斷線故障特性的影響。

圖1 復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

研究人員最后在PSCAD/EMTDC中搭建環(huán)狀柔直配電系統(tǒng)模型，對理論分析進行了驗證，他們得到如下結(jié)論：

1）直流線路上發(fā)生單極斷線故障。故障后，僅所有故障極線路電流疊加了故障電流，其電壓特性與換流站的功率流向有關(guān)：送端與受端換流站之間線路發(fā)生故障后，與送端換流站相連側(cè)故障極線路電壓升高，與受端換流站相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變。兩個受端換流站之間線路發(fā)生故障后，正、負(fù)極電壓均保持不變。

2）送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障。故障后，所有正、負(fù)極線路電流分別疊加一部分故障電流，其電壓特性與送端換流器的控制方式有關(guān)：當(dāng)定有功功率控制時，與送端換流器相連側(cè)故障極線路電壓升高，與直流母線相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變；當(dāng)定直流電壓控制時，故障極線路電壓升高，非故障極線路電壓降低，極間電壓保持不變。

3）受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障。故障后，僅相鄰兩個換流端口間的線路上各疊加一部分故障電流，且疊加的故障電流與線路阻抗成反比；故障極線路電壓上升，非故障極線路電壓下降，極間電壓保持不變。

4）當(dāng)故障發(fā)生在直流線路或送端換流器與直流母線間的聯(lián)絡(luò)線上時，負(fù)荷突變會使突變負(fù)荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間的正、負(fù)極線路上疊加一個電流，其大小和方向與投入或切除負(fù)荷的大小有關(guān)，這將改變此線路上的電流，增加了后續(xù)故障識別的難度。

5）線路單極斷線故障后，交流側(cè)或直流側(cè)接地點均不會與故障點形成故障回路，故系統(tǒng)接地方式幾乎不會對單極斷線故障特性產(chǎn)生影響。

研究人員指出，針對復(fù)雜環(huán)狀柔直配網(wǎng)單極斷線故障特性的分析考慮了各種典型情況，只要環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運行，對不同環(huán)狀柔直配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式，本研究所提的故障電壓、電流特征分析方法均適用。

此外，他們也表示，通過本研究的分析，除了兩個受端換流站之間線路發(fā)生故障時無明顯電壓變化以外，其余線路發(fā)生單極斷線故障相較于正常運行時電壓的大小和方向均有明顯差異，后續(xù)可依此再聯(lián)合故障電流特征構(gòu)造保護啟動判據(jù)。同時，單極斷線故障后的電流特征較為明顯，尤其是直流線路故障后正、負(fù)極線路電流出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象，后續(xù)可依此構(gòu)造保護識別判據(jù)，制定單極斷線故障的保護方案。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性分析”。論文第一作者和通訊作者為戴志輝，1980年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和河北省自然科學(xué)基金資助項目的支持。