關于交直流混合配電網繼電保護的研究

趙雷

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江 大慶 163000）

1 前言

與交流配電網相比，直流配電網具有供電質量好、線損小、供電安全性高等優點，然而，由于能源危機和環境污染，世界各國都在大力發展以風能和太陽能為基礎的清潔能源，積極推廣電力灑水車。隨著電子技術的飛速發展，直流配電網越來越受益于分布式發電和兼容直流電、變頻器以及其他節能電器。分布式發電和直流負荷必須通過交流配電網的復雜切換連接起來。

然而，交流配電技術在以往的電網設計中已經成熟，市場廣闊且不可能，已經完全被連續式配電網所取代，成為一種新型的配電方式，混合式交流配電方式，直流配電能充分發揮直流配電網的優勢，保持現有交流配電方式的優勢。同時，目前直流配電網的推廣僅限于新型直流開關、直流變換器、最優電壓電瓶等，長期未接入實際電網。

2 直流配電網保護

目前，直流配電網通過轉換器與交流配電網相連，公司配電網為負荷提供多層次、多形式的容量。所有類型的分布式發電都通過相應的轉換器或固定器連接到直流系統。

2.1 配電網拓撲

直流配電網分為圓形結構和無線電結構，如圖1所示。

圖1 直流配電網結構

輻射狀配電系統結構簡單，防御配置相對簡單，但供電安全性較差，配電網繼電保護技術研究直流電仍處于起步階段。國內外學者對直流配電網有一定的了解，主要集中在直流配電網的拓撲結構、套期保值方式和控制策略等方面。電網能量安全性較高，但故障檢測和保護相對困難，施工前和施工后都要綜合考慮各種因素。

2.2 誤差特性及保護原理

由于直流配電網接受分散發電的能力更強，未來將使分散發電到直流配電網，如果發生錯誤，這些分布式發電機將向錯誤點注入電力，從而增加破壞電流的峰值，并增加短路電流的速率。城市配電網中，由于功率半徑小，相鄰兩個直流開關之間的短路間隔很小。當前，配電網對繼電保護裝置的使用速度提出了更高的要求。與交流線路相比，直流線路上只有電阻，沒有響應，所以直流線路比交流線路低得多。因此，傳統的三級保護在動作持續時間與整定值協調的基礎上，很難保證其選擇性，出現誤動情況。

3 交直流混合配電

目前，交直流系統的實踐經驗表明，交直流混合輸電系統之間的相互作用會導致更復雜的電氣特性，甚至可能導致傳統交直流繼電器的故障或誤動作標志。DC/DC混合配電方式是未來配電方式的主流。

目前，交直流混合系統之間的相互作用可分為兩部分：暫態直流入侵和暫態交流流打擾。間歇性和直流混合輸電系統以及交直流混合配電系統都是基于性能電子學的發展，交直流相互作用的研究對交直流互聯的研究具有很高的參考價值。這兩部分研究在國內外都取得了一定的進展，直流混合配電網在國內外幾乎沒有相互作用。

3.1 直流頁面誤差對交流頁面的影響

極間短路故障會嚴重影響系統的穩定性，因此，是一個非常重要的問題。為了保持系統的穩定，必須切斷電源。交直流混合配電系統的直流誤差表現為壟斷著陸誤差、內插短路誤差和換相誤差，如圖2所示。單個接地對系統穩定性影響不大。

圖2 直流側故障

對于目前廣泛應用的三級保護在交流配電網中，如果直流換相失敗，交流頁面上會輸入大量的低電平諧波，導致電流互感器飽和和三次諧波的假效應保護。交直流混合系統核心變流器的穩定可靠運行是保證系統可靠性的關鍵，交流方的保護價值需要改變，確保相互合作正確。

3.2 交流頁面誤差對直流頁面的影響

由于交直流相互作用造成的保護配置效果欠佳，當保護案件發生錯誤動作時，技術人員進行研究，完善保護邏輯，避免再次犯錯。開交直流輸電系統與交直流電壓等級有明顯差異，但交直流側保護對直流過渡的影響較小。直流保護的原理目前還沒有取得重大突破，干擾過渡過程復雜。目前，還沒有直流暫態的通解和解析方法。

4 變頻器保護

與在輸電網中的應用相比，MMC變換器在配電網中的應用要求子模塊少、結構簡單、經濟性高。MMC變換器的結構和誤差特性分析是交直流混合配電網繼電保護分析的代表。目前，對MMC的拓撲結構、故障修復技術和防御技術的研究相對較少。國內外很多采用的是MMC的高壓直流輸電系統轉換器。由于其獨特的結構，使保護的速度和選擇性難以達到保護的原則，具有實時性監控，使其能夠對系統故障做出快速反應，也適用于交直流混合配電。與傳統的兩電平或三電平變換器相比，不需要以標準方式連接高性能器件，模塊化多電平變換器（MMC）采用了級聯大模塊的結構，有效地提高了性能質量和差錯管理能力。MMC典型拓撲結構如圖3，換流站保護配置圖如圖4。

圖3 MMC典型拓撲結構

圖4 換流站保護配置

5 結語

綜上所述，交直流混合配電網在吸收分布式發電、提高能源利用率方面具有很大的優勢。作為智能電網快速發展的一部分，交流/直流配電系統建立了有效的通信系統，可以實時獲取系統各部分的信息。

由于交直流之間的相互作用，直流混合配電網的干預非常困難，并有效降低保護系統的復雜性。交直流混合配電網的保護是制約其發展的重要因素之一，國內外這方面的研究還處于起步階段。在日益復雜、廣泛和協調的環境中，保護將在未來發揮非常重要的作用。