关于交直流混合配电网继电保护的研究

赵雷

（大庆石化公司热电厂，黑龙江 大庆 163000）

1 前言

与交流配电网相比，直流配电网具有供电质量好、线损小、供电安全性高等优点，然而，由于能源危机和环境污染，世界各国都在大力发展以风能和太阳能为基础的清洁能源，积极推广电力洒水车。随着电子技术的飞速发展，直流配电网越来越受益于分布式发电和兼容直流电、变频器以及其他节能电器。分布式发电和直流负荷必须通过交流配电网的复杂切换连接起来。

然而，交流配电技术在以往的电网设计中已经成熟，市场广阔且不可能，已经完全被连续式配电网所取代，成为一种新型的配电方式，混合式交流配电方式，直流配电能充分发挥直流配电网的优势，保持现有交流配电方式的优势。同时，目前直流配电网的推广仅限于新型直流开关、直流变换器、最优电压电瓶等，长期未接入实际电网。

2 直流配电网保护

目前，直流配电网通过转换器与交流配电网相连，公司配电网为负荷提供多层次、多形式的容量。所有类型的分布式发电都通过相应的转换器或固定器连接到直流系统。

2.1 配电网拓扑

直流配电网分为圆形结构和无线电结构，如图1所示。

图1 直流配电网结构

辐射状配电系统结构简单，防御配置相对简单，但供电安全性较差，配电网继电保护技术研究直流电仍处于起步阶段。国内外学者对直流配电网有一定的了解，主要集中在直流配电网的拓扑结构、套期保值方式和控制策略等方面。电网能量安全性较高，但故障检测和保护相对困难，施工前和施工后都要综合考虑各种因素。

2.2 误差特性及保护原理

由于直流配电网接受分散发电的能力更强，未来将使分散发电到直流配电网，如果发生错误，这些分布式发电机将向错误点注入电力，从而增加破坏电流的峰值，并增加短路电流的速率。城市配电网中，由于功率半径小，相邻两个直流开关之间的短路间隔很小。当前，配电网对继电保护装置的使用速度提出了更高的要求。与交流线路相比，直流线路上只有电阻，没有响应，所以直流线路比交流线路低得多。因此，传统的三级保护在动作持续时间与整定值协调的基础上，很难保证其选择性，出现误动情况。

3 交直流混合配电

目前，交直流系统的实践经验表明，交直流混合输电系统之间的相互作用会导致更复杂的电气特性，甚至可能导致传统交直流继电器的故障或误动作标志。DC/DC混合配电方式是未来配电方式的主流。

目前，交直流混合系统之间的相互作用可分为两部分：暂态直流入侵和暂态交流流打扰。间歇性和直流混合输电系统以及交直流混合配电系统都是基于性能电子学的发展，交直流相互作用的研究对交直流互联的研究具有很高的参考价值。这两部分研究在国内外都取得了一定的进展，直流混合配电网在国内外几乎没有相互作用。

3.1 直流页面误差对交流页面的影响

极间短路故障会严重影响系统的稳定性，因此，是一个非常重要的问题。为了保持系统的稳定，必须切断电源。交直流混合配电系统的直流误差表现为垄断着陆误差、内插短路误差和换相误差，如图2所示。单个接地对系统稳定性影响不大。

图2 直流侧故障

对于目前广泛应用的三级保护在交流配电网中，如果直流换相失败，交流页面上会输入大量的低电平谐波，导致电流互感器饱和和三次谐波的假效应保护。交直流混合系统核心变流器的稳定可靠运行是保证系统可靠性的关键，交流方的保护价值需要改变，确保相互合作正确。

3.2 交流页面误差对直流页面的影响

由于交直流相互作用造成的保护配置效果欠佳，当保护案件发生错误动作时，技术人员进行研究，完善保护逻辑，避免再次犯错。开交直流输电系统与交直流电压等级有明显差异，但交直流侧保护对直流过渡的影响较小。直流保护的原理目前还没有取得重大突破，干扰过渡过程复杂。目前，还没有直流暂态的通解和解析方法。

4 变频器保护

与在输电网中的应用相比，MMC变换器在配电网中的应用要求子模块少、结构简单、经济性高。MMC变换器的结构和误差特性分析是交直流混合配电网继电保护分析的代表。目前，对MMC的拓扑结构、故障修复技术和防御技术的研究相对较少。国内外很多采用的是MMC的高压直流输电系统转换器。由于其独特的结构，使保护的速度和选择性难以达到保护的原则，具有实时性监控，使其能够对系统故障做出快速反应，也适用于交直流混合配电。与传统的两电平或三电平变换器相比，不需要以标准方式连接高性能器件，模块化多电平变换器（MMC）采用了级联大模块的结构，有效地提高了性能质量和差错管理能力。MMC典型拓扑结构如图3，换流站保护配置图如图4。

图3 MMC典型拓扑结构

图4 换流站保护配置

5 结语

综上所述，交直流混合配电网在吸收分布式发电、提高能源利用率方面具有很大的优势。作为智能电网快速发展的一部分，交流/直流配电系统建立了有效的通信系统，可以实时获取系统各部分的信息。

由于交直流之间的相互作用，直流混合配电网的干预非常困难，并有效降低保护系统的复杂性。交直流混合配电网的保护是制约其发展的重要因素之一，国内外这方面的研究还处于起步阶段。在日益复杂、广泛和协调的环境中，保护将在未来发挥非常重要的作用。