【《基于直流断路器的柔性直流电网系统恢复方法研究》16000字】

基于直流断路器的柔性直流电网系统恢复方法研究摘要近年来，随着风能、太阳能等可再生能源的发电规模不断扩大，新式清洁能源的开发与利用越来越受到世界各国的重视。柔性直流输电技术具有可向无源系统供电、无需换相、无需无功补偿等优点，是解决新能源并网消纳问题的有效手段，具有广阔的发展前景。直流电网是一个低惯性系统，因此相较于交流系统，故障电流的传播速度极快，影响范围更广，这就对系统的继电保护提出了极高的要求。未来架空输电线路仍会是我国大规模高压输电的主要方式，而架空线路易受外界环境影响，瞬时性故障的发生率较高，这要求电网具有一定的快速恢复能力。如何依靠直流断路器重合闸完成系统恢复是目前柔性直流输电技术的重要课题。针对以上问题，本文首先概述了柔性直流输电技术的原理以及发展现状；其次简要分析了混合式直流断路器的基本结构和动作过程。然后，基于混合式直流断路器的工作原理，对一种传统的重合闸方法进行了研究，分析其基本原理与暂态过程，发现了该方法存在的不足之处。最后，从解决过电压冲击问题的角度出发，提出了一种优化重合闸策略，分析该方法的原理与重合时的瞬态过程，并搭建仿真模型，验证了该方法在减小过电压冲击方面的效果。本文提出的优化重合闸策略与传统重合闸策略一样，能够有效地完成系统恢复。该重合策略解决了传统方式可能出现的等问题，增强了电网的可靠性，保证了系统的稳定持续运行，具有良好的经济性和实用性，有利于促进柔性直流电网的发展。关键词：柔性直流输电技术直流电网混合式直流断路器系统恢复重合闸方法目录TOC\o"2-3"\h\z\t"标题1,1,毕业设计摘要,1,毕业设计标题1,1"摘要 I第一章绪论 11.1选题背景及意义 11.2柔直电网恢复方法研究现状 21.3柔性直流输电技术简述 31.2.1特点与优势 31.2.2原理结构 31.2.3发展现状 51.3本文主要工作 5第二章混合式直流断路器工作原理 72.1直流断路器 72.2混合式直流断路器工作原理 82.2.1拓扑结构 82.2.2断路器动作原理 92.3本章小结 10第三章传统重合闸策略 113.1保护整体时序 113.2传统重合闸策略 123.2.1原理 123.2.2过电压冲击的产生 133.3本章小结 15第四章优化重合闸策略 164.1分级重合方法 164.1.1原理 164.1.2过电压冲击 194.2仿真分析 204.2.1重合于瞬时性故障 224.2.2重合于永久性故障 244.3本章小结 26第五章总结及展望 285.1本论文工作总结 285.2未来工作展望 28参考文献 1第一章绪论1.1选题背景及意义新式清洁可再生能源不仅能够发展成为我国现有能源供给体系的重要补充，同时也在推进生态环境治理和自然资源保护等重大社会利好层面上都拥有举足轻重的重要意义，这些可再生清洁能源技术是现代人类实现可持续发展的必然选择。近年来，全球各国的新能源发电规模持续扩大。在我国，新能源的利用形式主要是风电和太阳能发电，并且大多集中在西北地区[1]。与目前传统的发电方式不同，风电和太阳能两种发电方式具有随机性和间歇性的特点，如何解决新能源并网消纳的问题，对现有的输电技术来说是一项新的挑战。但无论是交流输电还是传统高压直流输电，都存在一些技术瓶颈。近年来，以直流电压源换流器、大功率绝缘栅双极型晶体管和PWM直流脉宽调制等技术设备为主要基础的新型柔性直流输电技术已经得到了新的飞速发展，它具有无需潮流滤波、可向多个无源潮流负荷供电、潮流负荷翻转时有源电压电流极性不发生改变等多个优势，因此可以广泛应用于大规模小型分布式可再生能源发电并网、海岛能源供电等多种场合，成为了处理新一代能源发电并网消纳问题的有效解决方案[2-4]。未来，长距离架空线路输电仍然可能会是未来我国实现大规模中高功率电能传输的主要输电方式。架空线既可进行超高电压等级的大功率输电，又能节省投资，降低线路建造成本，自然会是直流电网的首选。但架空线路容易受环境因素影响，发生故障的可能性大大增加。由于直流电网的低惯性特点，与交流系统相比，故障的发展速度极快，影响范围更广，因此，直流电网对系统的继电保护提出了极高的要求[5-7]。架空线路发生的故障中，暂时性故障占比极高。如果线路故障不是永久性的，经隔离后就被消除，则在经过一定的线路去游离时间后，应迅速使系统尽快恢复正常的工作运行状态。故应配备有效的重合闸方法来实现这一点。因此，直流系统恢复方法的研究工作，是柔性直流输电技术的重要课题。有效的重合闸策略，有利于增强电力系统的供电可靠性，进一步促进柔性直流电网的发展。1.2柔直电网恢复方法研究现状目前，直流电网的故障处理与系统恢复大致可以分为三种技术思路[8]：交流侧断路器[9]：交流侧断路器和直流侧隔离开关相互配合。不足之处在于交流断路器故障清除时间较长。换流站拓扑[10-11]：闭锁换流器或者改变其控制模式。该方法限制在于，换流器内部的续流二极管在IGBT全部关断以后将构成一个不可控整流桥，无法有效限制短路故障电流。全桥或半桥拓扑需要电网短时停电且通态损耗较高。直流断路器：类似交流系统的断路器，通过开断实现故障隔离和系统恢复。为快速解除限制并及时切断直流故障并网电流，以有效维持直流高压电网安全稳定正常运行并有效保护直流电网系统中的一些关键设备，高压直流断路器已经成为有效甚至唯一的一种技术手段，是未来直流电网技术的重点研究方向[12-14]。表1.SEQ表\*ARABIC1三种方案比较性能指标交流断路器换流站拓扑直流断路器隔离时间长中短通态损耗低高低制造成本低高高系统停运是是否重启难度大中小混合式高压直流断路器开断速度高，通态损耗低，是目前直流断路器的首要选择[15-18]。依托混合式直流断路器，国内外涌现出大量柔性直流电网工程，如张北柔直电网。目前基于直流断路器的保护方案研究，在保护协调和故障识别等方面涉及颇多，而在系统恢复方面，基于混合式直流断路器的重合闸策略也急需更多的研究。传统的重合闸策略会对电力系统的稳定运行以及电气设备的安全产生一定的不良影响，需要进一步探讨优化重合闸策略来解决这些问题[19-20]。1.3柔性直流输电技术简述1.2.1特点与优势柔性直流输电技术是一种以电压源换流器、自关断电力电子器件和直流脉宽调制等技术器件为主要基础的新型直流输电控制技术。与传统高压直流输电技术相比，该输电技术的最大优势主要有:可控性强，通过可控制开通关断的电力电子器件进行完整的电路控制,无需高压交流侧大量提供无源换相电流,因此不存在发生换相失败的可能性；由于电路可控性强，柔性直流电网输电在高压交流侧可以无需大量提供无源电源支撑,占地面积大大减少。无源特性使得电网可向偏远孤岛地区供电，即一个仅靠几条小型输电线路相连接的偏远区域小型供电网，解决了供电网架薄弱的偏远地区"最后一公里"供电问题。全控型开关器件的高次开关谐波频率极高，动辄成千上万赫兹，仅仅只需少量高次开关滤波器就能即可轻松完成高次过滤，避免了低次谐波对智能电网的严重污染。较高的功率潮流反转速率。柔性直流输电系统的电流可双向流动，同时直流工作电压下的正负极保持不变。而且当常规直流潮流翻转时,是直流电压沿着极性方向反转,直流电流不反转，方向保持不变。这个技术特点对于构成多端供电系统至关重要，在直流并联型多端直流输电系统中,柔性直流输电系统一般可以通过直接改变单端直流电流流动方向方式来直接改变多端潮流的流动方向。1.2.2原理结构如图1所示为一柔性直流输电系统直流单线电路原理结构图，两端的高压换流站均全部采用直流VSC桥式结构，它由高压换流站、换流驱动变压器、换向稳压电抗器、交流电压滤波器、直流电压兼容器等六个部分共同组成。图1.SEQ图\*ARABIC1柔性直流输电系统原理示意图(1)电压换流驱动变压器:这种换流驱动变压器为每个电压源驱动换流器提供合适的工作电压,保证每个电压源换流器能够输出最大的有功功率和无功功率。(2)交流滤波器:因高压换流器母线输出的柔性交流消除电压中很有可能会包含有适当一定量的柔性高次交流谐波,通常我们应在高压换流器的母线滤波处理上安装适当一定数量的柔性交流消除滤波器,由于所有需要交流滤除的都必须是柔性高次交流谐波,所以其工作体积和滤波容量都较小,这也使它是采用柔性直流高压输电控制系统的一个重要技术核心优势。(3)驱动换向交流电抗器:换向是驱动交流变压系统和交变电压源驱动换流器之间直接进行最大功率电流传输的重要纽带,它在很多一大程度上直接决定了电源换流器的最大功率电流输送控制能力以及进行有功电流功率与无功功率的相互控制,同时也可以起到电流滤波的重要作用。(4)直流压力电压控制源头和电力换流器两种类型说明vsc:vsc的广泛的可使用性也使它成为是整个现代电力柔性直流电力稳压输电控制技术完全区别于其他传统柔性常规直流电力稳压输电的关键组成部分,在电力变流器的桥臂中用三种基于可编程控制的新型电力柔性变流稳压电子管(IGBT、IGCT)直接集成取代了以往的晶闸管,使整个现代柔性电力变流稳压输电控制系统更加安全可控。(5)直流稳压电容器:直流电压源属于换流器直流侧储电功能稳压元件,为高压换流器端站提供直流侧的电压;同时它还可用于缓冲直流系统发生故障时电压引起的直流侧内部电压动力波动,减少直流侧上的电压波动纹波并为直流受电器端站系统提供直流侧的电压动力支撑。1.2.3发展现状2003年,中国才刚刚开始对国内柔性直流高压输电相关技术发展进行深入研究,比欧美一些国家起步晚很多,不过中国的国内柔性直流高压输电技术发展迅速,现在国内已经基本具备了从事柔性直流高压输电相关技术研发和输电设备设计制造综合能力,并已经达到了多项国际先进技术水平。2011年7月,上海南汇风电场大型柔性直流高压输电配套工程正式投运,这次也是亚洲首个获批具有国家自主研发知识产权的大型柔性直流输电工程。2016年,中国公司自主开发研制的、国内最大供电容量的±800千伏大型柔性直流自动输电高压换向节流阀阀控技术设备,顺利成功通过阀控型式设计试验,各项关键技术指标均基本达到多项国际先进技术水平,打破了国外阀控企业在该技术领域的长期阀控技术应用垄断。同年,当时目前世界上对电压控制等级最高、输电系统容量最大的大型柔性直流高压输电单元工程——±500千伏"鲁西背靠背直流工程"大型柔性直流输电单元正式建成量产投运,这次也是目前世界上第一次成功采用基于常规和柔直输电单元的直流并联协调运行控制模式,克服了传统常规直流和高压柔性直流的并联协调控制、单元多台高压换流器运行功率大和模块多的功能限制等多个世界级技术难题,在我国柔性直流输电领域成功建立运行起一整套完全具有自主知识产权的专业技术工程规范和质量标准。目前,中国已有6个大型柔性直流电力输电配套工程项目建成接入投运。昆柳龙输电工程集团是目前世界上输电容量最大的大型特高压多端直流高压输电技术工程、世界规模首个大型特高压多端输电混合直流输电工程、首个专业具备大型架空输电线路直流高压故障自动化清除控制能力的大型柔性直流高压输电技术工程,凭借这一重点工程中国真正成功步入了全世界作为柔性直流高压输电工程技术行业引领者的行列。1.3本文主要工作本文主要工作如下：第一章，绪论。简要概述了柔性直流电网基本原理。并从故障处理的几种技术路线出发，阐述最合适的技术方案。基于无故障自动清除隔离能力的高压换流器和直流断路器的故障保护隔离技术,是通过直流器和断路器的快速分离组合,实现直流故障保护线路的安全隔离、切除与系统正常恢复，在目前直流高压电网中的故障自动隔离解决方案中,该方案设计能够更好地有效保证直流高压电网中的有功功率的持续可靠传输,具有一定的技术优势。第二章，混合式直流断路器基本原理。从直流断路器方案出发，简单介绍了几种直流断路器。其中混合式直流断路器集中了其他两种直流断路器的优势，具有更良好的性能。它分为主支路、转移支路、耗能支路三个模块。随后分析了其基本动作过程，即各个支路在开通关断过程中的工作状态与投入顺序。第三章，传统重合闸策略。基于混合式直流断路器的动作过程，首先分析了一种传统重合闸方法的基本原理。通过分析重合瞬间的暂态等效电路，发现了传统重合方法会引发过电压冲击的问题。第四章，优化重合闸策略。传统重合在重合瞬间，线路中会突然串入反向的直流阶跃电压源，会引发过电压冲击，造成不良后果。针对该问题，通过改变混合式直流断路器的转移支路的投入方式，提出了一种转移支路分级投入的优化重合闸方法，分析其原理与工作过程，搭建仿真模型，验证其解决过电压冲击问题的有效性，判断能否高效实现系统恢复。第五章，结论与展望。整体总结概括了本文的研究内容与得出的结论。说明现有合闸方法的不足，展望今后的研究方向。第二章混合式直流断路器工作原理在目前直流高压电网中的故障自动隔离解决方案中,直流高压断路器方案设计能够更好地有效保证直流高压电网中的有功功率的持续可靠传输,具有一定的技术优势。其中，混合式直流高压断路器电源开断快速且损耗低,是目前的主流选择。2.1直流断路器目前正在研究的直流高压断路器结构类型主要可以包括机械式、固态式和混合式三种。混合式直流高压断路器混合机械和固态两种直流断路器的特点，凭借更快的开断速度和更低的通态损耗，成为目前直流断路器的主要研究方向。机械式直流断路器具有导过接通动作损耗低、开断控制能力强、成本低等优点;传统固态式直流断路器同样具有智能超快速自动开断等四大优点；混合式直流混通断路器充分结合了机械式直流混合断路器与传统固态式直流混合断路器的共同优点，利用电力机械关断开关导过接通正常故障负荷负载电流，电力机和电子机械开关通过关断导通故障负荷电流，在充分保证机械开断电流容量、动作速度的必要前提下却也大大降低了直流断路器的动作通态性和损耗。综合分析考虑电源开断使用时间、制造工艺成本、通态电源损耗等诸多因素，目前直流高压电网建设工程中广泛应用的直流高压断路器以混合式直流高压断路器的应用为主。表SEQ表\*ARABIC2.1三种直流断路器性能比较性能指标机械式固态式混合式分断速度慢快快通态损耗低高高分断速度强中等中等制造成本低高高2.2混合式直流断路器工作原理2.2.1拓扑结构快速驱动机械电子开关、电力驱动电子开关模块和MOV耗能支路模块是混合式高压直流电源断路器的3种基本元件，构成控制单元。由快速断路机械控制开关和少量多级电力直流电子控制模块串、并混联直接构成主支路，用于耗散承载直流驱动系统故障负荷负载电流并在快速断路器自动分闸工作过程中自动完成系统故障负荷电流的自动转移；由多级少量电力直流电子控制模块的并串联直接构成电流转移支路，用于短时耗散承载直流驱动系统故障负荷电流并通过多级电力直流电子控制器件大功率电流自动关断电路来自动建立短时暂态电流分断负荷电压；MOV串、并混联直接构成短时耗能控制支路,用于有效抑制短时暂态电流分断负荷电压、维持短时MOV分断残压以及耗散直流驱动系统负荷存储的全部能量，如图2.1所示。主支路、转移支路、耗能支路之间的电流可控制和换流支路是采用混合式新型高压直流电源断路器能够实现直流高压分断的重要电气技术基础。主通流控制支路由快速驱动机械整流开关和快速主驱动负荷整流阀组进行串联操作构成，用于控制导通直流电压系统中的电流；快速转移电压支路由多级快速转移直流支路子分组模块进行串联操作构成，用于短时间内承载直流电压系统中的短路电流，并通过电压换流将短路电容电压串入电源故障抑制回路，建立暂态分断电压；耗能支路由多个电源避雷器子模组串联构成，用于同时抑制直流断路器两端电压和吸收供电线路及其他平波直流电抗器组所储存的多余能量。图SEQ图\*ARABIC2.1混合式直流断路器拓扑结构2.2.2断路器动作原理图2.2混合式直流断路器动作过程各支路状态如图2.3所示，T0之前系统正常工作；主支路导通，电流流经主支路，断路器两端电压近似为0，转移支路各电力电子器件处于关断状态。T0到T5系统内发生故障，混合式直流断路器动作，直至限制短路电流归0：T０时刻故障发生，故障电流产生，主支路电流逐渐增大。T1时刻系统检测到故障发生，主支路的电力电子模块收到关断信号，转移支路电力电子模块收到导通信号导通，电流开始由主支路逐渐换流至转移支路。T1-T2过程中主支路电流逐渐减小，转移支路电流随之增大。T2时刻，第一次换流过程结束，主支路的快速机械开关断开。T3时刻快速机械开关断开后，对转移支路的电力电子模块施加关断信号，转移支路逐渐关断，进行第二次换流，电流从转移支路换流至耗能支路。T3-T4过程中，转移支路电流逐渐减小，耗能支路电流随之增大，随着MOV组流经电流开始承受电压，断路器两端电压增大。T4时刻，第二次换流结束，断路器两端电压达到MOV组的启动阈值，耗能支路导通，能量泄放。T5时刻泄放结束，断路器两侧电压恢复到系统电压值。T5-T6为线路去游离过程，线路绝缘逐渐恢复。T6-T9为断路器重合闸过程，不同故障情况下动作不同：T6时刻转移支路电力电子模块收到导通信号，重合闸过程开始。若为暂时性故障，转移支路重合成功，转移支路电流逐渐增大，T7时刻增大到系统额定电流，断路器两侧电压降为0，T8时刻导通主支路，关闭转移支路，电流从转移支路转移到主支路；若为永久性故障，转移支路电流迅速增大到保护阈值，T7时刻关闭转移支路，电流开始转移到耗能支路，同时对子模块电容进行充电，T8时刻达到MOV启动电压，MOV导通，耗能支路电流缓慢下降，T9时刻耗能支路电流下降到0，其两侧的电压恢复为系统电压。2.3本章小结本章从柔性直流高压电网系统故障恢复处理的几种基本技术原理路线的角度考虑出发，介绍了直流高压断路器的基本技术概况，其中，混合式直流高压断路器因其开断速度快和通态损耗低，具有更良好的性能。随后着重分析了混合式直流断路器的拓扑结构和动作过程，最后简单概述了混合式断路器未来的技术发展突破方向。利用混合式直流断路器重合闸是进行柔性直流电网系统恢复的有效手段。这要求断路器在不同情况的故障下进行正确的动作。接下来将对重合闸策略进行具体研究。第三章传统重合闸策略直流电网的系统恢复可以通过直流断路器重合闸实现。架空线路作为远距离大功率输电的首要选择，会使线路发生暂时性故障的概率大大增加。故障隔离后，经过一段时间的去游离过程，应及时有效地进行系统恢复，使线路尽快回归正常工作状态。为此必须配备合理且高效的重合闸策略。首先，故障线路隔离后，在重合闸动作之前应留有充足的去游离时间，保证线路绝缘恢复。其次，面对不同的故障类型，直流断路器应及时地做出相应的动作，在重合于永久性故障时，直流断路器要快速地再次断开，否则系统将在短时间内连续遭受两次故障冲击，对线路的绝缘水平和以及电气设备、电力电子装置的使用寿命产生极大的不良影响，因此断路器必须快速进行第二次关断，隔离故障线路，降低对电力系统及直流断路器的性能损害，减少线路及电力电子设备损坏的风险；而在重合于暂时性故障时，要能够有效实现系统恢复，同时不产生电压高频振荡，避免过量的电压冲击可能带来的问题。故重合闸过程中应设置有效识别故障类型的指标，可通过分析故障电流的流通路径来判断。本章将基于混合式直流断路器动作过程，对传统的重合闸方式进行研究，分析其原理与暂态过程。3.1保护整体时序故障保护的基本时序如图3.1所示。重合时，若线路故障没有清除，重合不会成功，则将继续进行数次重合闸尝试，直到判断系统发生的故障类型为永久性故障，不再重合。重合闸次数将根据直流断路器设备能力等因素综合确定。图SEQ图\*ARABIC3.1保护整体时序t1时刻故障发生；t1~t2一段时间继电保护系统开始动作，直流断路器关断，故障线路切除；t2~t3一段时间线路进行去游离过程，保证线路绝缘恢复到正常水平；t3~t4一段时间，断路器进行第一次重合尝试，若重合成功，则系统恢复正常工作状态，若重合不成功，直流断路器再次关断，准备下一次的重合；t4~t5一段时间线路再次进行去游离过程，恢复绝缘；t5~t6一段时间，断路器进行第二次重合尝试，重合成功，则系统恢复正常工作状态；如果故障仍未消除无法成功重合，则断定故障类型为永久性故障，直流断路器再次关断，停止重合尝试，故障线路不再接入电网系统。3.2传统重合闸策略3.2.1原理重合闸过程即投入转移支路，MOV耗能支路不再接入。线路电流通过转移支路开始流通，断路器两端电压逐渐减小，经过短时间的故障电流检测，判断出故障类型并采取相应动作，最后电流转回到主支路，重合闸成功，线路恢复正常工作状态。而现有的混合式直流断路器同步重合闸的方式，就是将转移支路同步投入，其各级转移支路及主支路的重合闸时序如图3.2所示。图3.2转移至路分级投入重合闸时序给转移支路的所有电力电子器件同时施加正向导通信号，使电流从耗能支路全部转移过来。此时，电流只通过转移支路流经断路器，通过检测流过转移支路的电流是否正常，就可以判断线路故障是否清除。若是出现故障电流，说明系统内故障点依旧存在，则不能继续进行重合闸，立即闭锁全部转移支路的电力电子器件，使故障电流再次回归到耗能支路，耗能支路MOV组再次进行能量的泄放，使故障电流逐渐减小至0，直流断路器断开，线路进入去游离过程。若是转移支路电流检测正常，说明故障已清除，闭合主支路的电力电子模块和机械开关，关断转移支路电力电子器件，使电流重新流过主支路，重合闸成功。同步重合是通过检测转移支路电流，通过判断是否流过了故障电流来判断故障类型，并由此决定下一步动作。是基于混合式直流断路器正常工作原理的一种比较基础的重合闸方式。3.2.2过电压冲击的产生然而，同步投入转移支路的传统重合闸策略面临一个重要问题。接下来将以等效电路及叠加定理的分析方法来研究重合闸过程中的母线、直流断路器、直流线路的电压变化。图3.2是混合式直流断路器的几个重合瞬态过程等效电路。重合之前，直流断路器两端电压为母线电压与故障线路电压之差U0，此时线路的稳态状态等效电路如图3.2（1）所示，等效为在只看做开关的直流断路器内部，母线和故障线路中间串联了一个稳压直流电源，幅值为U0。重合闸完成后，线路恢复正常工作状态，经过一段时间达到稳态，故障已经消除的线路电压数值恢复为母线电压，直流断路器两端承受电压则恢复为0，此时线路的稳态状态等效电路如图3.2（2）所示，相当于原故障线路与母线之间仅连接有只视作开关的直流断路器。结合图3.2（1）和图3.2（2），可以得出如图3.2（3）所示的重合完成后的等效电路，原故障线路与母线之间串联两个大小都为U0、极性相反的直流稳压电源。应用叠加定理进行分解，图3.2（3）可整理出图3.2（1）所示重合前的等效电路和图3.2（4）所示重合时刻叠加的等效电路。（1）重合前状态（2）重合后状态（3）重合后等效电路（4）重合瞬间附加状态图3.2断路器重合暂态过程图9（4）是重合瞬间在电路原有基础上附加了一个阶跃直流电压源，其大小为-U0，极性与母线对线路的电压相反。通过分析这个突然串入的高电压直流电源，可以看出线路中必然会出现高额的du/dt，电压突变，系统瞬间出现过电压冲击，高频振荡。这极可能导致线路及设备绝缘破坏、电力电子器件损坏等不良后果，对整个直流电网系统产生不可忽视的影响。总之，发生瞬时性故障或永久性故障时，采用转移支路同步投入的传统重合闸策略，都会产生过电压冲击。其根本原因在于母线与直流线路之间存在较大电压差。为解决这一问题，需要从解决重合瞬间的电压差角度出发，设计另一种减小过电压冲击的优化重合闸策略。3.3本章小结本章首先阐述了线路整体保护时序。随后着重研究了转移支路同步投入的传统重合闸方式。转移支路同步重合策略可以有效完成系统恢复，但重合瞬间会产生较大的电压突变，造成系统内出现过电压冲击，容易引起保护误动、损坏电气设备以及其他不良后果。第四章优化重合闸策略尽管同步重合是实现系统恢复的有效手段，但也造成了过电压冲击的产生。针对这一问题，本章将通过设计新的转移支路投入方式来尝试降低过电压冲击，首先分析该种转移支路分级投入方法的基本原理，随后研究其重合过程中产生的过电压冲击，最后搭建仿真模型进行验证。4.1分级重合方法4.1.1原理将混合式直流断路器的转移支路和耗能支路MOV组分成n级，重合闸时，一级一级依次投入。其各级转移支路及主支路的重合闸时序如图4.1所示。图4.1转移至路分级投入重合闸时序这一过程中，将通过检测耗能支路电流是否正常来判断故障清除状况，并进行下一步动作。如果线路出现的是暂时性故障，此时故障已清除，线路绝缘已恢复，耗能支路中仅有通过导通的MOV组从母线流入直流线路的充电电流，因此继续投入转移支路，最后将电流转移回主支路，重合闸完成，成功实现系统恢复。如果线路出现的是永久性故障，此时，接地故障点仍存在，将联通系统接地点，在线路中形成闭合回路，延续故障电流。故障电流会流经未被投入的耗能支路MOV组，此时耗能支路中检测到故障电流，停止重合过程，不在投入转移支路级，已经投入的转移支路电力电子模块关断，使故障电流再次流回耗能支路MOV组，能量泄放，电流归0。直流断路器关断。分级重合是通过检测耗能支路电流来判断故障类型进而决定下一步动作。由于耗能支路上的金属氧化物电阻MOV的存在，混合式直流断路器在关断状态下，其两端电压基本可以看成使金属氧化物MOV组承受的电压。MOV组两端电压将在达到启动电压后才投入线路进行能量泄放的工作。通常启动电压UQ取决于混合式直流断路器自身的性能参数，UQ表达式为：（4-1）UN为断路器额定电压，通常与系统的额定电压保持一致。α为一个常数，代表了直流断路器的限电压能力。将转移支路与耗能支路组分为ｎ级，那么单级MOV的启动电压Uq0就是整体MOV组启动电压的n分之一，Uq表达式为：（4-2）在重合闸过程中，直流断路器两端电压实际上是未投入重合的转移支路对应的接入线路的MOV组两端电压。设已投入了x级转移支路，即剩余的未投入的转移支路为n-x级，对应的线路中承受电压的MOV组也是n-x级。同理，接入线路的耗能支路MOV组的启动电压Uq为整体MOV组启动电压的n分之n-x，表达式为：（4-3）1）若线路发生暂时性故障，在重合闸过程中，故障已清除，系统内没有故障电流，只有母线通过已投入的转移支路和未投入转移支路对应的耗能支路MOV组流向直流线路的充电电流。母线电压UM不变，充电电流使得直流线路的电压Ux不断增大，则同时，直流断路器两端电压UD，即未投入的转移支路对应的MOV组两端电压，也随之减小。此时若投入了x级转移支路，那么n-x级未投入的耗能支路相应的MOV组两端电压UD与其启动电压Uq有两种关系：当UD<Uq时，n-x级MOV耗能支路不导通；此时对耗能支路电流进行检测，无电流。当UD>Uq时，n-x级MOV耗能支路导通。此时对耗能支路电流进行检测，由于故障已清除，只能检测到母线流过来的线路充电电流。因此，重合过程中不会检测到电流异常，依次投入剩下的n-x级，最后电流转移到主支路，重合闸成功，系统恢复实现。2）若线路发生永久性故障，在重合闸过程中，故障接地点仍然存在，系统中将出现故障电流回路，其流通路径如图4.2所示，故障电流流经故障接地点、大地、系统中性接地点、换流站、混合式直流断路器已投入的转移支路、未投入转移支路对应的耗能支路已达启动电压的MOV组、直流故障线路，再到故障接地点，形成闭合回路。直流线路故障接地点会限制直流线路电压恒定为0，故重合闸过程中断路器两端电压，也就是未投入的转移支路级对应的耗能支路MOV组所承受的电压，也恒等于母线电压UM。由公式4-3可以看出，随着转移支路的不断投入，x的增大使剩余未投入转移支路级对应的耗能之路MOV组启动电压逐渐减小。此时接入线路的n-x级MOV组启动电压Uq与实际承受电压UD有以下两种关系：当Uq>UD时，n-x级MOV耗能支路不导通；此时耗能支路检测不到故障电流，继续投入之后的转移支路，直到剩余MOV组启动电压降低到断路器两端电压（母线电压）以下，形成Uq<UD的情况。当Uq<UD时，n-x级MOV耗能支路导通；系统内形成故障电流流通的闭合回路。如图11，故障电流流经混合式直流断路器内部已投入的转移支路和达到启动电压的未投入转移支路对应的耗能支路MOV组。在耗能支路中检测到故障电流，停止重合闸过程，不再投入剩余转移支路，关断已投入转移支路的电力电子器件，故障电流重回耗能支路，断路器进行能量泄放，进入关断状态。图4.2故障电流的流通回路图4.3直流断路器内部电流流通回路分级投入转移支路的重合闸方法同样可以做到识别故障类型从而做出相应的动作，同步重合是通过检测转移支路的电流，分级重合是通过检测耗能支路的电流。分级重合满足基本的系统恢复要求，接下来将分析分级重合在重合瞬间引发的过电压冲击情况。4.1.2过电压冲击前文分析过，转移支路同步投入重合时，引发过电压冲击的原因在于母线与故障隔离后的直流线路之间存在较大电压差，重合瞬间相当于直流系统突然串入了阶跃直流电压源-U，该电压源幅值大小U正是未重合之前母线电压与直流线路电压之差，也是断路器两端电压UD。在进行分级重合时，该UD即未投入的n-α级转移支路对应的耗能支路MOV组两端电压。1)发生暂时性故障时，随着转移支路的逐级投入，当断路器两端电压UD高于未投入的转移支路对应的耗能支路MOV组启动电压时，母线通过投入的转移支路和导通的MOV组向无故障的直流线路输送充电电流，使得线路的电压升高，逐渐逼近母线电压相应的断路器两端电压UD也随之减小，并逐渐接近于0。而重合完成瞬间串入直流线路的阶跃直流电压源-U的幅值U正等于UD。在最后一级转移支路重合瞬间，该直流电压源-U=-UD突然串入系统，幅值也接近于0，故几乎不会引起电压突变。可以看出，分级重合于暂时性故障时，是通过母线流向直流线路的充电电流将母线与直流线路的电压差逐渐削减至0，从而避免了过电压冲击的产生。2）发生永久性故障时，直流线路电压受故障接地点限制恒为0，故断路器两端电压恒为母线电压UM。在转移支路逐级投入的过程中，未投入的转移支路对应的耗能支路MOV组启动电压Uq逐渐减小，当Uq仍高于UM时,这些MOV组不导通。继续投入，当合下某一级转移支路使得Uq小于UM时，断路器两端电压达到MOV组导通启动电压，断路器瞬间进入导通状态，此时线路中将出现反向直流电压源，分析可知，其幅值为-（Uq-UM），幅值极小，几乎不会引起电压突变。分级重合于永久性故障时，将同步重合会产生的电压突变转化成了一个逐渐增大的（Uq-UM）缓慢电压变化，同样避免了过电压冲击的产生。4.1.3适用性分析前文已分析过，同步重合闸会产生过电压冲击，因此当线路两端的断路器都需要进行重合时，为避免双倍的过电压冲击，应由一侧断路器先进行重合闸，并通过检测耗能支路电流判断故障类型，随后通过站间通信通知另一侧断路器进行相应的动作。而分级重合闸极大地减小了过电压冲击，并能实现合闸的自检测自分断，线路两侧断路器可以同时进行重合闸，省去了站间通信的过程，避免了通信过程可能出现的干扰，减少了重合闸所需时间。4.2仿真分析在PSCAD/EMTDC仿真平台中，搭建了如图4.4所示的±500kV柔性直流电网电磁暂态仿真模型。其中，仿真模型参数采用如表4.1所示的系统参数，直流断路器采混合式直流断路器，直流线路采样频率响应模型，换流站S1、S3、S4为功率恒定的控制站，换流站S2为直流电压恒定的控制站。将混合式直流断路器的转移支路平均分成10组，每组转移支路电力电子模块并联的MOV组的触发阈值电压UMOV均为6kV。图4.4四端环形柔性直流电网表4.1柔性直流电网主参数参数S1S2S3S4运行方式双极双极双极双极运行模式定功率定电压定功率定功率额定直流电压/kV±500±500±500±500换流站容量/MVA1600160032003200运行功率/MW1250/2500-30002s时，在S3换流站和S4换流站之间的直流线路DL34中点位置处设置正极金属接地故障。2.003s时，直流线路DL34两侧的混合式直流断路器DB34、DB43接收跳闸动作指令，执行分断操作。2.006s时，故障电流开始减小并在15-20ms内衰减至零。经过300ms去游离过程，故障线路恢复绝缘，随后位于S4换流站侧的直流断路器DB43进行重合操作。直流断路器DB43成功重合后100ms时刻，位于S3换流站侧的直流断路器DB34进行重合操作。4.2.1重合于瞬时性故障2s时刻，设置S3换流站和S4换流站之间的直流线路DL34中点位置处发生瞬时性正极接地故障，故障持续时间小于300ms的去游离时间。两种不同重合闸策略的混合式直流断路器转移支路电力电子模块施加的控制信号如图4.5所示。采用优化前的传统重合闸策略时，混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号处于同步工作模式；采用优化重合闸策略时，混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号处于分步工作模式。图4.5发生瞬时性故障时给转移支路电力电子模块施加的通断信号仿真结果如图4.6所示：图4.6(a)中，优化前，混合式直流断路器DB43p两端电压从系统额定电压瞬间降为零；优化后，S4换流站通过未投入的转移支路对应的耗能支路MOV组对正极直流线路DL34p进行充电，DL34p的电压逐渐升高至系统额定电压，DB43p两端电压从系统额定电压逐级降为零。图4.6(b)中，优化前，混合式直流断路器DB43p的重合闸瞬间，直流电网系统突然串入反极性阶跃直流电压源，其幅值大小为系统额定电压，因此故障线路DL34p出现幅值较大的电压振荡，最大振荡幅值约为系统额定电压的1.72倍；优化后，由于充电电流的存在，直流线路的电压不断逼近系统额定电压，最终串入直流电网系统的反极性阶跃直流电压源幅值大小近似为零，因此故障线路DL34p出现幅值较小的电压振荡。图4.6(c)中，优化前，位于正极直流线路的混合式直流断路器DB34p重合时刻，由于其左端电压处于系统额定直流电压水平，而右端电压为因DB43p重合而产生的较大振荡电压，因此DB34p的端口电压呈现为幅值较大的振荡电压；优化后，混合式直流断路器DB34p重合时刻，由于其左端电压处于系统额定直流电压水平，且右端电压为因DB43p重合而产生的幅值较小的振荡电压，因此DB34p的端口电压呈现为幅值较小的振荡电压。图4.6(d)中，优化前，与因DB43p重合而产生的较大振荡电压相适应，故障线路DL34p出现幅值相对较大的振荡电流；优化后，同理，与因DB43p重合而产生的较小振荡电压相适应，故障线路DL34p出现幅值相对较小的振荡电流。图4.6(e)中，优化前，距故障线路DL34p较远的S1换流站和S2换流站之间的正极直流线路DL12p出现较大电压振荡；优化后，该条正极直流线路上没有出现较大电压振荡。图4.6(f)中，优化前，距故障线路DL34p最近的S3换流站和S4换流站之间的负极直流线路DL34n出现较大电压振荡；优化后，该条负极直流线路没有出现较大电压振荡。图4.6(g)和图4.6(h)中，与优化前相比，优化后的各换流站正、负极出口电流振荡幅值较小。直流断路器DB43p端口电压正极直流线路DL34p电压直流断路器DB34p端口电压正极直流线路DL34p两侧电流正极直流线路DL12p电压负极直流线路DL34n电压换流站正极出口电流换流站负极出口电流图4.6瞬时性故障情况下的仿真结果4.2.2重合于永久性故障2s时刻，设置S3换流站和S4换流站之间的直流线路DL34中点位置处发生永久性正极接地故障。两种不同重合闸策略的混合式直流断路器转移支路电力电子模块施加的控制信号如图4.7所示。采用优化前的传统重合闸策略时，检测到故障后，处于同步工作模式的混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号立即全部关断；采用优化重合闸策略时，检测到故障后，处于分步工作模式的混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号立即全部关断。图4.7发生永久性故障时给转移支路电力电子模块施加的通断信号仿真结果如图4.8所示：图4.8(a)中，优化前，转移支路同步投入后会因检测到故障未消除而再次关断，混合式直流断路器DB43p两端电压从系统额定电压瞬间降为零并经短暂振荡后再次恢复为系统额定电压；优化后，转移支路逐级投入的过程中会因检测到故障未消除而关断已投入的级数，但这一过程中，S4换流站将通过未投入的转移支路对应的耗能支路MOV组对正极直流线路DL34p进行短暂的放电，混合式直流断路器DB43p两端电压从系统额定电压降为某一大于零的值并经短暂振荡后恢复为系统额定电压。图4.8(b)中，优化前，混合式直流断路器DB43p转移支路电力电子开关模块控制信号的同步导通时刻，虽然幅值为系统额定直流电压水平的反极性直流电压源突然串入直流电网，但是由于检测到故障后混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号立即关断，故障线路DL34p未出现较大的振荡电压；优化后，混合式直流断路器DB43p转移支路电力电子开关模块控制信号的分步导通过程中，未投入的转移支路对应的耗能支路MOV组被触发导通，DB43p两端电压为因小于系统额定直流电压而触发导通的金属氧化物限压器MOV的两端电压，伴随因检测到故障混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号的立即关断，故障线路DL34p上出现幅值相对较小的振荡电压。图4.8(c)中，与优化前相比，优化后的位于正极直流线路的混合式直流断路器DB34p的端口电压振荡幅值较小。图4.8(d)中，不论是优化前还是优化后，伴随混合式直流断路器转移支路电力电子开关模块控制信号的导通与关断，检测到故障电流后，故障线路DL34p被再次阻断。图4.8(e)中，优化前后，距故障线路DL34p较远的S1换流站和S2换流站之间的正极直流线路DL12p电压振荡幅值相近。图4.8(f)中，与图4.8(e)类似，优化前后，距故障线路DL34p最近的负极直流线路DL34n电压振荡幅值相近。图4.8(g)和图4.8(h)中，因故障线路DL34p被快速再次阻断，优化前后，各换流站正、负极出口电流几乎没有电压振荡。直流断路器DB43p端口电压正极直流线路DL34p电压直流断路器DB34p端口电压正极直流线路DL34p两侧电流正极直流线路DL12p电压负极直流线路DL34n电压换流站正极出口电流换流站负极出口电流图4.8永久性故障情况下的仿真结果由此可以得出结论，发生瞬时性故障或永久性故障时，转移支路分级投入的优化重合闸策略相比同步投入的传统重合闸策略，各参数突变相对较小，变化幅度更平稳，避免了过量电压冲击的产生，有效降低了保护误动、电气设备损坏的风险。4.3本章小结本章针对传统重合方法可能产生过电压冲击的问题，设计了新的转移支路分级投入的优化重合闸方法，进行了原理分析并仿真验证，与传统重合方法对比得出以下结论：（1）二者的不同在于合闸过程中转移支路的投入方式不同：传统重合方法直接将全部转移支路电力电子模块导通，快速使耗能支路直接旁路。优化重合方法将转移支路与耗能支路分级逐级投入，合闸过程线路中既接有已经投入的转移支路级，又接有未投入转移支路对应的耗能支路MOV组，并且这些MOV组在断路器两端电压高于其启动电压的情况下，才会导通。（2）二者都可有效实现故障隔离后的系统恢复，都有正确识别故障类型并作出正确动作的方法：传统重合闸策略检测转移支路是否流过故障电流，优化重合闸策略则检测耗能支路。（3）传统重合闸策略的问题在于重合一瞬间由母线电压与故障隔离后线路电压的电压差引发的直流电源高频震荡和过电压冲击，会对线路、设备、电力电子器件乃至整个系统带来不可忽视的损坏风险。优化重合闸策略则通过分级投入转移支路将这一电压差会引起的电压突变消除或转化，有效解决了传统重合闸策略会产生过电压冲击的问题。总之，分级投入转移支路的优化重合闸策略不仅有利于保障直流电网系统的稳定性、可靠性，还具有一定的实用性和经济性，或将成为实现直流电网系统恢复的主流方法之一。第五章总结及展望5.1本论文工作总结柔性直流输电技术是未来解决日益增长的新能源发电并网问题的主流方案。而架空线仍会是搭建直流电网的必然选择。同时，架空线会大大增加线路故障的概率，其中大部分是瞬时性故障，在故障隔离