【摘 要】
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大规模新能源的并网消纳及远距离传输对现有输电技术提出了更高的要求。柔性直流输电系统可实现交流系统的异步互联,并能综合多种能源进行多元互补,提升新能源的消纳水平,是未来电力系统重要的发展方向。然而,柔性直流输电系统的基本单元为模块化多电平换流器（Modular multi-level converter,MMC）,发生直流故障后MMC等效为电容放电,故障电流快速上升;若不采取措施抑制故障电流和快速隔
【基金项目】
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国家重点研发计划资助项目“柔性直流电网故障电流抑制的基础理论研究”（2018YFB0904600）; 国家自然科学基金项目“直流配电网电能质量扰动及污染源定位研究”（51877017）; 国家自然科学基金项目“交直流柔性互联配电网电能质量传递规律及动态分区治理研究”（52077017）
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大规模新能源的并网消纳及远距离传输对现有输电技术提出了更高的要求。柔性直流输电系统可实现交流系统的异步互联,并能综合多种能源进行多元互补,提升新能源的消纳水平,是未来电力系统重要的发展方向。然而,柔性直流输电系统的基本单元为模块化多电平换流器（Modular multi-level converter,MMC）,发生直流故障后MMC等效为电容放电,故障电流快速上升;若不采取措施抑制故障电流和快速隔离故障,可能导致MMC闭锁而全网停电,危害系统的安全运行。本文在国家重点研发计划（2018YFB0904600）的支持下,针对柔性直流输电系统的故障分析、限流、保护和重合闸展开系统地研究:首先建立大地回流和金属回流双极直流输电系统的模量特征分析模型,分别提出源侧和网侧故障电流抑制方案,同时研究直流电网快速保护和自适应重合闸的方案。论文的主要工作如下:（1）为实现双极直流输电系统正负极线路解耦,引入可用于直流线路解耦的两种极模变换,分别推导大地回流和金属回流双极直流输电系统的复合模量等值网络。基于MMC和直流输电线路的频域模型,推导MMC、双极直流输电线路、故障端口的模量等效电路,并得到不同故障类型的复合模量等值网络;推导不同故障类型的模量电流频域和时域表达式,分析线路耦合参数对故障电流的影响,归纳可用于识别不同故障的模量特征。所推导的复合模量等值网络可用于短路电流计算、故障识别判据选取和保护阈值整定等。（2）为应对现有双晶闸管故障隔离方案电压调节能力不足和直流侧电流衰减速度慢等问题,提出基于旁路电网换相换流器（Line Commutated Converter,LCC）和混合型直流断路器（DC circuit breaker,DCCB）的源侧故障电流抑制和隔离方案。阐述了旁路LCC和混合型DCCB抑制和清除直流故障的原理和实现方案,提出二者的时序配合策略。研究旁路LCC和混合型DCCB在不同故障阶段的等效电路和放电时间常数,据此分析所提拓扑中关键参数的选取方法。所提出的方法实现了交直流侧的隔离,加快了故障的清除速度,并能有效地减小混合型DCCB的开断电流。（3）为解决源侧限流方案造成故障期间MMC闭锁的问题,提出基于串并联型潮流控制器（Series-parallel power flow controller,SP-PFC）的网侧故障电流抑制方案,实现对故障电流的有效抑制。研究SP-PFC的拓扑及其接入柔性直流输电系统的接线方式,并提出SP-PFC的紧急控制和旁路控制策略,以增强SP-PFC抑制故障电流的能力。分析SP-PFC与混合型DCCB的协调配合策略,以减小DCCB的开断电流。根据SP-PFC在不同故障阶段的等效模型,分析不同因素对SP-PFC抑制故障电流的影响,据此优化选取SP-PFC的参数。（4）为应对故障电流抑制影响保护正确动作的问题,分析限流措施对保护的影响,提出故障限流和保护的协调配合策略,在此基础上,提出基于模量电流瞬时微分相平面的柔性直流输电系统线路单端保护方案。该方案利用故障初期模量电流的瞬时微分,构建可用于区分不同故障的模量相平面,实现对区内区外、单极双极和正负极接地等故障的识别;分析边界元件和故障类型对模量电流微分的影响,据此整定故障识别的阈值;通过测量进入相平面某一区域的点数,实现对不同故障类型的识别。（5）为避免DCCB重合于永久性故障导致直流输电系统遭受严重二次冲击的问题,提出基于线路残压的瞬时性和永久性故障识别方案;同时为提升金属回流双极直流输电系统重合闸的灵活性,提出基于单端“地模电流”和双端“金属回线电流和”的回线故障识别方案。分析永久性故障下不同故障类型的重合闸与隔离方案,研究可用于识别极对地和极对回线故障的判据;基于瞬时性和永久性故障等效电路的差异,分析二者的线路残压特征,确定这两类故障的识别阈值。分析保护和重合闸的协调配合逻辑,实现计及回线故障识别的金属回流双极直流输电系统自适应重合闸。
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